【導(dǎo)讀】九軸傳感器、九軸體感追蹤、感測(cè)芯片……越來(lái)越多的VR在都在宣傳“九軸傳感器”的概念，這似乎成了VR硬件的新標(biāo)。所謂九軸傳感器，其實(shí)三種傳感器的組合：3軸加速傳感器、3軸陀螺儀和3軸電子羅盤(pán)（地磁傳感器）。三個(gè)部分作用不同，相互配合，是我們手機(jī)、平板電腦、游戲機(jī)等電子產(chǎn)品中常用的運(yùn)動(dòng)感測(cè)追蹤元件，應(yīng)用于各類(lèi)軟件、游戲中的交互控制。
三種傳感器
①加速傳感器
加速傳感器是測(cè)量空間中各方向加速度的。它利用一個(gè)“重力塊”的慣性，傳感器在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，“重力塊”會(huì)對(duì)X、Y、Z方向（前后左右上下）產(chǎn)生壓力，再利用一種壓電晶體，把這種壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，隨著運(yùn)動(dòng)的變化，各方向壓力不同，電信號(hào)也在變化，從而判斷手機(jī)的加速方向和速度大小。比如你突然把手機(jī)往前推，傳感器就知道你是在向前加速了。
加速傳感器廠家：精量電子(TE Sensors）、Colibrys、 蘇州明皜（MiraMEMS） Kionix（被Rohm收購(gòu)）、河北美泰（MT Microsystems）、上海矽睿（QST）、Silicon Designs、 矽創(chuàng)電子(Sitronix) 、MCUBE(砂立)等。
②陀螺儀
陀螺儀是一種用于測(cè)量角度以及維持方向的設(shè)備，在飛行游戲，體育類(lèi)游戲和第一視角類(lèi)射擊等游戲中，可以完整監(jiān)測(cè)游戲者手的位移，從而實(shí)現(xiàn)各種游戲操作效果。下圖是一個(gè)最基礎(chǔ)的機(jī)械陀螺儀模型，中間金色的轉(zhuǎn)子在整個(gè)儀器的運(yùn)動(dòng)中，它因?yàn)閼T性作用不受影響，而周邊三個(gè)“鋼圈”則會(huì)因?yàn)樵O(shè)備改變姿態(tài)而改變，通過(guò)這樣來(lái)檢測(cè)設(shè)備當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。
其實(shí)，在我們的手機(jī)等電子產(chǎn)品中的陀螺儀并不長(zhǎng)這個(gè)樣子。它和加速傳感器一樣也是一個(gè)微電子元件，利用科里奧利力，通過(guò)連續(xù)震動(dòng)的振子在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)偏移，改變電路狀態(tài)，引起相關(guān)電參數(shù)的變化，從而可以反映出左右傾斜、前后傾斜和左右搖擺等運(yùn)動(dòng)情況。
什么是科里奧利力？假設(shè)在一個(gè)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤(pán)中央O點(diǎn)有個(gè)運(yùn)動(dòng)員（O點(diǎn)不動(dòng)），要把籃球傳給站在邊緣A點(diǎn)的另一個(gè)運(yùn)動(dòng)員，當(dāng)他沿OA直線(xiàn)方向投球后，A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)員會(huì)發(fā)現(xiàn)籃球向右偏轉(zhuǎn)，最終落在A''點(diǎn)。以轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤(pán)為參照系，籃球仿佛受到一股向右的力，從而發(fā)生偏移，這個(gè)力就稱(chēng)為科里奧利力。
陀螺儀廠家：意法半導(dǎo)體(ST)、應(yīng)美盛(InvenSense)、羅伯特.博世、亞德諾半導(dǎo)體（Analog Devices）、松下（Panasonic）、村田制作所（Murata）、精量電子(TE Sensors）、索尼（Sony）、Epson 、深迪半導(dǎo)體（Senodia）、水木智芯（TuMEMS）、Colibrys 、蘇州明皜（MiraMEMS）、河北美泰（MT Microsystems）、上海矽睿（QST）、Silicon Designs 、MCUBE(砂立)、耐威科技（代工）等。
③電子羅盤(pán)（地磁傳感器、地磁計(jì)）
利用加速傳感器和陀螺儀，基本可以描述設(shè)備的完整運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但是隨著長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生累計(jì)偏差，不能準(zhǔn)確描述運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，比如操控畫(huà)面發(fā)生傾斜。電子羅盤(pán)（地磁傳感器）利用測(cè)量地球磁場(chǎng)，通過(guò)絕對(duì)指向功能進(jìn)行修正補(bǔ)償，可以有效解決累計(jì)偏差，從而修正人體的運(yùn)動(dòng)方向、姿態(tài)角度、運(yùn)動(dòng)力度和速度等。
地磁傳感器廠家：AKM、朗格（Allegro MicroSystems）、微開(kāi)（Micronas Semiconductor）、邁來(lái)芯（Melexis）、江蘇多維科技（dowaytech）、愛(ài)知制鋼（AichiSteel）、Amotech 、、蘇州明皜、華工科技（代工）等。
三軸傳感器
①三軸陀螺儀
三軸陀螺儀:同時(shí)測(cè)定6個(gè)方向的位置，移動(dòng)軌跡，加速。 單軸的只能測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的量，也就是一個(gè)系統(tǒng)需要三個(gè)陀螺儀，而3軸的一個(gè)就能替代三個(gè)單軸的。
優(yōu)點(diǎn)：三軸陀螺儀體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、更靈敏、更準(zhǔn)確。
②三軸加速度計(jì)
三軸加速度計(jì)是基于加速度的基本原理去實(shí)現(xiàn)工作的，加速度是個(gè)空間矢量，一方面，要準(zhǔn)確了解物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須測(cè)得其三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量;另一方面，在預(yù)先不知道物體運(yùn)動(dòng)方向的場(chǎng)合下，只有應(yīng)用三軸加速度傳感器來(lái)檢測(cè)加速度信號(hào)。由于三軸加速度傳感器也是基于重力原理的，因此用三軸加速度傳感器可以實(shí)現(xiàn)雙軸正負(fù)90度或雙軸0-360度的傾角，通過(guò)校正后期精度要高于雙軸加速度傳感器大于測(cè)量角度為60度的情況。
優(yōu)點(diǎn)：三軸加速度傳感器的好處就是在預(yù)先不知道物體運(yùn)動(dòng)方向的場(chǎng)合下，只有應(yīng)用三維加速度傳感器來(lái)檢測(cè)加速度信號(hào)。三維加速度傳感器具有體積小和重量輕特點(diǎn)，可以測(cè)量空間加速度，能夠全面準(zhǔn)確反映物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。
③三軸地磁計(jì)
三軸地磁計(jì)，又稱(chēng)電子羅盤(pán)，在無(wú)人機(jī)、智能手表、導(dǎo)航設(shè)備中廣泛普及和應(yīng)用。針對(duì)需要偵測(cè)物體運(yùn)動(dòng)變化情況，三軸磁傳感器承載著至關(guān)重要的絕對(duì)指向作用，為穩(wěn)定飛行、輔助導(dǎo)航等多樣化功能保駕護(hù)航。也正如此，三軸磁傳感器的可靠性是這些裝置穩(wěn)定運(yùn)作的基石。
六軸傳感器
六軸傳感器通常指的是三軸陀螺儀+三軸加速度計(jì)。
六軸傳感器廠家：
- 應(yīng)美盛：ICM-20608、MPU-6555、MPU-6500、MPU-6000、MPU-6050......HTC Vive VR和Oculus Rift VR上就采用了MPU-6500
- ST：6軸傳感器模塊LSM330DL......
- 飛兆：6軸慣性檢測(cè)單元（IMU）“FIS1100”。FIS1100由3軸MEMS角速度傳感器（陀螺儀）、3軸MEMS加速度傳感器及動(dòng)作處理用協(xié)處理器“AttitudeEngine”構(gòu)成。
九軸傳感器
九軸傳感器通常指的是三軸陀螺儀+三軸加速度計(jì)+三軸地磁計(jì)，也有六軸加速度傳感器+三軸陀螺儀的，也有六軸陀螺儀+三軸加速度計(jì)的。
所謂九軸傳感器，其實(shí)三種傳感器的組合：3軸加速傳感器、3軸陀螺儀和3軸電子羅盤(pán)（地磁傳感器）。三個(gè)部分作用不同，相互配合，是我們手機(jī)、平板電腦、游戲機(jī)等電子產(chǎn)品中常用的運(yùn)動(dòng)感測(cè)追蹤元件，應(yīng)用于各類(lèi)軟件、游戲中的交互控制。
九軸傳感器作為集成化傳感器模塊，減少了電路板和整體空間，更適合用在輕巧便攜的電子設(shè)備和可穿戴產(chǎn)品中。集成化傳感器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度除了器件本身的精度外，還涉及到焊接裝配后的矯正，以及針對(duì)不同應(yīng)用的配套算法。合適的算法可以將來(lái)自多種傳感器的數(shù)據(jù)融合，彌補(bǔ)了單個(gè)傳感器在計(jì)算準(zhǔn)確的位置和方向時(shí)的不足，從而實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。
九軸傳感器廠家有：
應(yīng)美盛：MPU-9255、MPU-9250、MPU-9150......
MPU-9250（三軸陀螺儀+三軸加速度計(jì)+三軸地磁計(jì)）
InvenSense的MPU-9250九軸組合傳感器內(nèi)部的陀螺儀+加速度傳感器
Inven Sense最新的九軸組合傳感器集成了新款三軸陀螺儀，采用單一種振動(dòng)結(jié)構(gòu)，取代前一代傳感器采用三種不同結(jié)構(gòu)的方法。這種新設(shè)計(jì)讓三軸陀螺儀功能區(qū)域尺寸縮減了40%。該元件也集成了新的三軸磁傳感器，其功能面積亦較前一代縮減了40%左右。
博世：BMX160、BMX055......
BMX160（三軸陀螺儀+三軸加速度計(jì)+三軸地磁計(jì)）
博世9軸動(dòng)作傳感器“BMX160”。這是將3加速度傳感器、3軸角速度傳感器及3軸地磁傳感器集成于1個(gè)封裝內(nèi)的9軸傳感器，尺寸為2.5mm×3.0mm×0.95mm，采用14針LGA封裝。適于可穿戴終端及智能手機(jī)的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）應(yīng)用等安裝面積及耗電量存在限制的用途。
BMX055（三軸陀螺儀+三軸加速度計(jì)+三軸地磁計(jì)）
Bosch Sensortec的BMX055九軸組合傳感器內(nèi)部的三軸磁傳感器
意法半導(dǎo)體：LSM9DS0（六軸陀螺儀+三軸加速度計(jì)）......
ST的LSM9DS0九軸組合傳感器內(nèi)部的加速度傳感器+陀螺儀
ST的組合傳感器在一顆MEMS單芯片上結(jié)合六軸陀螺儀+加速度傳感器，使得此六軸功能的尺寸比先前采用兩顆裸晶的方案縮小了30%以上。該款傳感器采用玻璃熔融鍵合；但ST也會(huì)采用金-金熱壓鍵合來(lái)密封部分MEMS裸芯片，以免除密封框的采用并縮小芯片面積。
應(yīng)美盛、博世、ST這三家MEMS傳感器供應(yīng)商擁有非常不同的供應(yīng)鏈。Bosch與ST主要是靠自家晶圓廠生產(chǎn)，Bosch僅有生產(chǎn)ASIC元件時(shí)會(huì)委托代工廠，而ST則向Honeywell采購(gòu)磁傳感器芯片。至于InvenSense則是一家無(wú)晶圓廠公司，委托多個(gè)不同代工伙伴制造、封裝組合傳感器。
AKM是Inven Sense的磁傳感器晶片供應(yīng)商，而有多個(gè)晶圓代工廠為Inven Sense生產(chǎn)六軸加速度傳感器+陀螺儀傳感器與ASIC，而元件的封裝測(cè)試則是委托其他專(zhuān)業(yè)封測(cè)廠。Inven Sense只有負(fù)責(zé)傳感器的設(shè)計(jì)與測(cè)試。
而盡管基本上所采用的生產(chǎn)模式大不相同，這三家廠商的九軸IMU成本卻非常相近；雖然Inven Sense所采用的晶片數(shù)量明顯比較少，由于其元件生產(chǎn)委托許多不同的代工廠，也會(huì)帶來(lái)一些額外的成本。以下是三款組合傳感器的成本結(jié)構(gòu)。
九軸傳感器模塊廠家：
飛兆（Fairchild）：9軸慣性模塊“FMT1000系列”，由FIS1100（前面有介紹）外加3軸磁傳感器、控制整體的MCU（意法半導(dǎo)體的基于ARM Cortex-M4的STM32）及晶振元件等組成?？捎糜跈C(jī)器人及無(wú)人機(jī)等廣泛的工業(yè)設(shè)備。
FMT1000
微芯：9軸動(dòng)作檢測(cè)模塊“MM7150”。MM7150配備博世的三軸加速度傳感器和三軸磁傳感器的混載IC“BMC 150”、博世的三軸陀螺儀IC“BMG 160”，以及微芯的動(dòng)作信號(hào)處理器IC“SSC7150”。模塊尺寸僅17mm×17mm。采用單面封裝，可嵌入多種設(shè)備中。可用于機(jī)器人吸塵器、工業(yè)機(jī)器人、健康器械（理療）、遙控器及可穿戴設(shè)備等。
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