專專題題實實務務報報告告書書 數數位位遊遊戲戲

指 導 老 師：劉文頡

專題製作學生：四技電四甲 李汶城 BD95042

四技電四甲 林嚴賸 BD95049

四技電四甲 錢劭駒 BD95051

中華民國 九十八 年 十二 月 三十 日

修 平 技 術 學 院 電 機 工 程 系

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING HSIU-PING INSTITUTE OF TECHNOLOGY

修平技術學院

電

機

工

程

系

98 實務專題報告書—

數位遊戲

指導老師：劉文頡

學生：李汶城、林嚴賸、錢劭駒

摘要

這次畢業專題研究方向為無線感測器使用，利用「AT-MEGA328P」的 MCU

去做 ADC 之轉換，主要轉換「ADXL335」三軸加速度計之類比電壓訊號，透

過轉換後的訊號，利用 XBEE 無線感測模組傳送到電腦之 XBEE 接收，在使

用人機介面軟體「Visual Basic 2008」撰寫軟體遊戲程式。

起先須把 XBEE 以及 ADXL335 加速度計，LAY 在控制板上，XBEE 感測模組

LAY 在 RX、TX、+5VCC 以及 GND，ADXL335 加速度計則是與控制板三支類比

I/O、+3.3VCC 以及 GND 焊接在一起。

之後透過 ARDUINO 這套 C語言撰寫環境開始撰寫讀取加速計之程式，撰

寫時常遇到某些瓶頸，例如參數設定不對、輸出訊號不穩定…等等，必須

一再的排除作 DEBUG 的動作，直到輸出訊號穩定，才可利用「Visual Basic

2008」這套軟體作遊戲程式的撰寫。

軟體撰寫方面也是需一再的測試，必須硬體端能夠和軟體端結合，須排

除硬體傳送到軟體接收端的資料效果一致，無 Delay 的效果發生!

經由這次的畢業專題，我們這組學生各自分工，最後大家一起結合完成，

過程雖然瓶頸重重，但是直到完成專題且專題成果展示時，一切辛苦都是

值得的了!

1

目錄

概論-------------------------- P03

Zigbee 介紹-------------------- P05 系統架構圖-------------------- P19

硬體元件-----------------------P21

加速度計介紹-------------------P30

三軸加速度計-------------------P42

硬體接線圖---------------------P44

硬體成品-----------------------P46

軟體展示-----------------------P47

參考文獻-----------------------P49

作者簡介-----------------------P50

2

概論

三軸加速度計感測器，微機電（MEMS）元件近來贏得市場的高度重視，

起因於 Wii、PS3、iPhone、iPod touch 等產品在市場上的銷售佳績。這些熱

門產品中都搭配了「加速度計」，例如 Wii、PS3 應用此元件來感測玩家的

操控動作，並立即轉化為遊戲或競賽的逼真畫面；iPhone、iPod 內建的加速

度計可偵測到使用者將設備從直立狀態打橫，並且自動改變內容的顯示方

向，讓使用者看到整頁寬的內容，或是觀賞橫向的照片。這種應用上的創

新設計，讓用戶有了全新的體驗感受，再加上加速度計在製程技術、成本、

功耗與尺寸上的改善，讓它能夠打入產量最大的消費性電子市場。

無線感測網路(Zigbee)技術逐漸成為無線網路控制之主流，Zigbee 技術

目標就是針對工業，家庭自動化，遙測遙控，汽車自動化、農業自動化和

醫療護理等各方面做無線通訊、網路、控制之運用，因耗電量低、穩定度

高、延遲時間短、網路容量大(可支援 65000 個節點)，且搭配微處理器以

及兩個以上之節點即可做無線控制運用，方便性相當高!

Digi 公司推出一款符合 802.15.4 規範的 2.4GHz XBEE 模組，此模組平價、

低功率的 Zigbee 無線感測模組可利用簡單的 Serial command(串列傳輸命

令)，直行在 802.15.4 上的 Zigbee 通訊協定。因此，只要具有懺列通訊能

3

力的任何 8 位元的微處理器或 PC 電腦，都可以很容易地連接上這個網路。

XBEE 可支援的 PAN 網路通訊包含點對點(point-to-point)或是多點間的網路

(multi-point networks)。

學生專題使用 AVR 微處理器之 AT-MEGA328P、XBEE 無線感測模組、

ADXL335 三軸加速度計，搭配電腦人機介面軟體程式，呈現出「數位急急

棒」之互動遊戲。

4

Zigbee 介紹 何謂 ZigBee？

ZigBee 一詞源於蜜蜂，蜜蜂透過 ZigZag 字形舞蹈與同伴通信傳遞花

與蜜的位置、方向、距離等訊息，因而藉此做為這短距無線通訊新技術的

命名。

ZigBee 是一種短距離無線通訊標準，具有低成本、低耗電、雙向傳輸、

高可靠度及感應網路功能等特性，容易整合個人無線數位環境並應用於多

樣的產品，其「監控」角色高於「通訊」功能，朝著開放的方向發展制訂

標準規範。

ZigBee 技術主要是由 IEEE 802.15.4 小組與 ZigBee Alliance 兩個組

織，分別制訂硬體與軟體標準。

ZigBee 沿革

1999 年

針對自動化應用需求的增加，低功耗、低成本以及多節點的無線網路技術

概念 ZigBee 因應而生。

2000 年 12 月

IEEE 成立 IEEE 802.15.4 工作組，致力於開發一種可應用在固定、可攜或移

動設備上的低成本、低功耗以及多節點的低速率無線連接技術。

5

2001 年 8 月

美國 Honeywell 等公司發起成立 ZigBee Alliance，他們提出的 ZigBee 技術

被確認納入為 IEEE 802.15.4 標準。

2002 年 10 月

TI、Motorola、Philips 和日本三菱等重量級企業加盟 ZigBee Alliance。

2003 年 5 月

IEEE 802.15.4 標準獲得通過。

2004 年 12 月

推出 ZigBee 技術規範 1.0 版本。

2006 年

ZigBee Alliance 催生 ZigBee 2006(V1.1)規範。

2007 年 01 月 11 日

TI 宣佈其 Z-Stack 已通過認證，成為業界第一套符合 ZigBee 2006 標準的

相容平台。

ZigBee 開放活動(Open House)將移師北京。

6

ZigBee 發展與應用

2002 年 8 月由多家業者發起的 ZigBee 聯盟，以 IEEE 802.15.4 規範（於

2000 年 12 月開始制訂）為基礎，希望發展、推廣低用電、低成本的無線傳

輸新規，且針對現有各式感應、監視、控制等應用進行最佳化設計，受用

領域不單是消費性電子（隨身聽線控去除）、影音家電等的遙控器，也包括

工業監控（感應／感測器、監督／控制板）、玩具遊戲（電子寵物遙控、掌

上電玩對戰）、家庭自動化（空調、照明、保全）、醫療器材（檢驗／化驗

儀器、病床／病況監視）資訊週邊（滑鼠、鍵盤、搖桿）等。

ZigBee 標準制定

ZigBee 通訊的最底兩層：PHY、MAC 是以 IEEE 規範為基礎，業者所結合

成立的 ZigBee 聯盟則負責規範測試

7

ZigBee 技術特性描述

ZigBee 專精在感測訊息、控制訊息的傳遞，所以它與其他通訊標準有

諸多的特性差異希望能在小區域內密佈使用，每個具有 ZigBee 傳輸功能的

感測器、裝置都可稱為一個 ZigBee 網路中的節點（Node） 最初的設定是

一個 ZigBee 網路內最多能有 255 個節點（主控節點 x1，受控節 x254），但

最後的底定是允許達65,535個Node 正規的 IEEE 802.15.4最多可到64-bit

定址，ZigBee 縮減成 16-bit 定址，此稱為 Short Address 。

ZigBee 的網路連繫型態

絕大多數的無線網路都只採行 Star（星狀、放射狀）方式，而 ZigBee

則較為靈活，除 Star 狀外也可用 Peer-to-Peer 的方式，Star、Peer-to-Peer

是使用、應用層面的邏輯拓樸，而更底層的實際溝通、聯繫運作的拓樸則

允許用各種複雜且多樣變化的連接，如 Cluster Tree（叢串樹狀）、Cluster Star

（叢串星狀）、Mesh（雜網狀）、Hybrid（雜混狀）

8

ZigBee 傳輸的方式

ZigBee 有 3 種傳輸法：反覆性、間歇性、週期性，3種特性各適合不同

的應用，對溫度感測器而言，溫度每增減一度就會回報一次，適合用反覆

性傳輸；至於照明開關是不定期使用，適合間歇性；而滑鼠每秒都必須有

一定的座標資訊傳量，定時定量傳送適合週期性 。

ZigBee 安全模式

安全模式：四個安全服務

存取控制

設備保持一個關於網路中可信賴設備的列表。

資料加密

使用對稱密鑰 128 位元加密標準。

訊框完整性

保護資料不被無密鑰的人員修改。

連續刷新以拒絕重發資料訊框

網路控制器將刷新值與來自設備的上一個已知值進行比較，如果刷新

值未被更新到一個新的值，那麼這個資料訊框將被拒絕。

9

XBee

XBee 為 Digi International 以 Zigbee mash 網路模規範所設計出來的模

組。產品為一 IEEE 802.15.4 之 2.4GHz RF 無線傳輸模組，使用 3.3V 電壓

輸入，適合建構低價且低功率的感測器網路，使用串列傳輸與個人電腦、

微控制器以及感測器之間進行通訊。

除了使用串列傳輸進行溝通，此模組內建 8組數位 I/O，亦可使用其中 6

組進行類比數位轉換讀入。對於 RF 傳輸部分已經不用在進行調整，使用簡

單。

提供免費的 X-CTU 軟體，支援 AT 指令及 API 指令模式，無須複雜的

Protocol Stack 開發程序。

10

產品功能與規格

‧ 室內傳輸距離約 30M

‧ 室外傳輸距離可達 100M

‧ 傳輸頻率 2.4GHz

‧ 支援點對點以及點對多點網路傳輸

‧ 傳輸輸出功率 1mW（0 dBm）

‧ 串列資料傳輸速度 1200 bps~ 115200 bps

‧ 接收敏感度-92dBm 1% （封包錯誤率）

‧ 工作電壓 2.8V~3.4V

‧ 省電，使用 AAA 電池壽命可達 1年

XBee 接腳

XBee 基本連接腳位

Pin1(VCC) Power Supply Pin2(DOUT) UART Data Out Pin3(DIN) UART Data In

Pin10(GND) Ground

11

ZigBee 晶片的內部資料傳遞流程如下圖所示。VCC 與 GND 分別為 Pin1

與 Pin10 腳位，電壓輸入後即開始等待資料之傳送或接收，當欲傳送資料從

Pin3(DIN)腳位進入後會先儲存於內部的暫存空間，直到接收完所有的資料

或收到傳送的指令，此時 RF-Switch 自動調整到傳送模式，最後透過

TX-Buffer 將資料傳送到晶片內部的 Transmitter，將資料轉換為數位訊號

後經由無線電波方式傳送給接收端的 ZigBee 晶片。另一端的 ZigBee 晶片接

收到資料之後，RF-Switch 自動調整到接收模式，透過晶片內部的 Receiver

將數位訊號轉換為原始資料後送到 RX-Buffer，最後透過內部的暫存空間將

接收到的資料經由 Pin2(DOUT)傳送給電腦或 DDS 等相關應用硬體。

12

ZigBee 晶片內部資料傳遞流程

Xbee 的通訊方式

Xbee 模組有三種通訊模式 communication modes:

‧ Transparent mode ‧ Command mode ‧ API mode

AT 指令

使用者 可以利用 AT Command 來進行 進階的設定

“+++＂:將 XBee 置於“等待命令＂狀態。

13

在你可以發出一個命令之前，須將 XBee 置於“等待命令＂狀態。要使

它進入此狀態，便要給它一串三個+字符（hex 2B），即文字上是“+++＂，

之後，XBee 期待收到一個以 Hayes 格式的命令，這命令總是以 ASCII 碼的

“AT＂（此代表“attention＂），緊跟著的才是實際命令及任何命令參數（如

有），命令串由一個 Carriage Return（CR）回車字符作終結。圖 4 舉出一個

例子，XBee 模塊執行該命令，然後報告命令是否成功處理，如一切已按意

旨去做，XBee 便回應“OK＂；否則，會從模塊收到一個錯誤信息。

常用 AT 指令

Xbee 模塊的網絡 ID。

CH Xbee 模塊的頻道

MY 模塊的 16 位地址

SH.SL Xbee 模塊的號碼

DL.DH 無線通信的目的地址

DB 與電腦串列通訊的速率

14

X-CTU 通訊連接阜測試

15

16

XBee 模塊執行“+++＂命令，之後回報命令是否成功處理，如一切已按

意旨去執行，XBee 便回應“OK＂。

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XBEE & XBEE Pro 比較

室內範圍 100 英尺 (30 米) 300 英尺 (100

米)

室外範圍 300 英尺 (100 米) 1 英里 (1.6 千

米)

發送功率輸出 1 毫瓦 60 毫瓦

RF 數據傳輸 250,000bps 250,000bps

接受器靈敏度 -92dBm -100 dBm

電源 2.8-3.4 伏 2.8-3.4 伏

發送電源 45 毫安 215 毫安

接收電源 50 毫安 55 毫安

休眠耗電

系統架構圖

本系統架構分為三大部分:

一、 控制板端:

使用 AVR 微處理器之 AT-MEGA328P(MCU)，可供電 5V 以及 3.3V

之電壓源，且提供 6 組類比訊號 I/O 接腳，搭配 ADXL335 三軸加速

度計感測器使用其中 3 組 ADC 腳位另外電源端與 3.3V 電源連接，電

源負端與 GND 連接，此外控制板上也將串列通訊接腳(TX、RX)兩

隻 I/O 拉出來使用，供給給 XBEE 之 Dout 與 Din 使用，XBEE 電源

19

端則與 5V 電源端相連接，負端等同接地。

二、 電腦主機端:

電腦主機與 XBEE(已接 USB 轉接板)一同使用，只要簡易的將轉接後

的 XBEE 插上電腦主機上之 USB PORT，且安裝 FT232 之驅動程式即

可正常使用，之後透過 RS232 串列傳輸的原理，在電腦端撰寫 VB2008

人機介面軟體程式，接收控制板之訊號，利用接收到之訊號在 VB2008

撰寫小遊戲控制。

三、 電腦螢幕顯示端:

將撰寫好的 VB2008 介面軟體展示遊戲之畫面，手持控制板與電腦無

線的連接，在有效距離下皆可遊戲之，甚至利用單槍投影機放大遊戲

會更有趣!

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硬體元件

AT-MEGA328P MCU

＊處理器核心為 AVR 系列 ATMEGA328, 處理速度可達 20MIPS

＊12 組數位 I/O 腳位(其中包含可輸出 8bit PWM 的腳位 6 組)

＊6 組類比輸入腳位

＊兩組可獨立控制伺服馬達的腳位

＊P4.P5 腳位可提供 I2C 協定傳輸

＊USB 5V 供電系統

＊USB 端程式編輯(不需使用燒錄器)

＊可外接 ADC 參考電壓

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＊P13 腳位具備 嵌入式指示

最大輸入電壓 (limits)： 6-20 V 數位 I/O Pins： 14 (of which 6 provide PWM output) 類比輸入 Pins： 6 組

DC Current per I/O Pin： 40 mA DC Current for 3.3V Pin： 50 mA Flash Memory： 32 KB (of which 2 KB used by bootloader) SRAM： 2 KB EEPROM： 1 KB Clock Speed： 16 MHz

使用 Java 概念的 C 語言開發環境

22

C 語言開發環境 Arduino-0014 ver.

23

一、 點選畫面上 Arduino.exe

二、 在此空白處編輯 C 語言

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三、 組譯(compiling)編輯好的程式結果，此訊息代表語言無誤

25

四、 編輯完程式後，按下 Upload to I/O Boardgl 燒錄

26

五、燒錄成功訊息

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六、按下 Serial Monitor 可將收到之訊號透過 RS232 傳到螢幕顯示出來

28

七、顯示三軸加速度計感測到之訊號

29

加速度計介紹

摘要

(MEMS)製造技術在2008相當受到矚目，其中半導體製程結合之

CM

準製程來製作CMOS晶片，然後搭配筆者建立的新型態雙面CMOS

手、iPhone的Touch觸控技術、電腦硬碟

保護

更為『人性

的歷史，早期關鍵技術皆集

中在

微機電

OS MEMS是相當受到矚目的一項微機電技術，除了有許多已商品化的

產品外，國內外也有許多學術機構投入相關的研究。本文說明CMOS MEMS

元件設計、製造與測試的完整流程。本文主要使用台積電(TSMC)的CMOS

0.35μm

2P4M標

MEMS後製程，完成三軸(Tri-axis)微型加速度計與電容式壓力計。文中介

紹設計原理、機械結構、感測介面及感測電路等。

一、CMOS MEMS 製程技術簡介

任天堂遊戲機Wii的動態感測把

感測機制，都是2007年相當熱門的電子技術相關議題。這些先進技術

最重要的共通點，就是皆使用微機電(Micro Electromechanical

Systems;簡稱 MEMS)感測元件來賦予這些消費性電子產品擁有

化』與『互動性』操作介面，誠如廣告所說的『科技始終來自於人性』，

MEMS感測技術將帶起一波新的技術革命。

當然，MEMS技術發展至今，也已有三十年

歐美半導體大廠，著名的產

30

品如惠普(HP)的印表機噴墨頭、與德州儀器(TI)的(Digi devices

有MEMS

是使用類似半導體製程技術，以薄膜沉(deposition)、微影

(ph

性，也促成 MEMS

talMicromirror ;簡稱DMD)光學投影晶片，此兩種產品也是目前所

晶片中產值最高的，同時每年有幾億顆的產量。除了這兩種產品外，微機

電壓力計(Pressure sensor) 與加速度計(Accelerometer) 已大量應用於車用

電子感測器，利用壓力計來偵測輪胎胎壓，使用加速度計來啟動安全氣囊。

由於微機電設計與製造技術的門檻較高，且相關的產品多半具有量少種類

多的特性，因此限制了進展的速度。直到最近在任天堂Wii運動感測把手的

帶動下，出現新的契機，消費性電子產品開始此採用MEMS所製造的加速

度計、微陀螺儀、光學鏡面、RF MEMS、壓力計、和目前非常熱門的MEMS

麥克風等。大眾對微機電技術的應用，也有更進一步的了解，在未來人機

互動及智慧型機器(包括居家生活、車輛等)等需求下，MEMS技術將扮演

更重要的角色。

由於MEMS主要

otolithography)、蝕刻(etching)，因此無論就製程與尺寸而言，MEMS

元件都和互補式金屬氧化半導體(complementary metal

oxidesemiconductor，以下簡稱CMOS)技術有很好的相容

和 CMOS 技術的結合，稱之為 CMOS MEMS，並成為一項重要的微加工

製程平台。簡言之，CMOS MEMS是在標準的CMOS製程外，再輔以MEMS

31

特有之體型(bulk)或面型(surface)矽微加工技術 (siliconmicromachining)，

即可在矽晶圓上製作出微米等級懸浮結構，使得這些微結構可以產生機械

運動或形變等行為，CMOS MEMS技術現已廣泛應用在各式微感測器與微

致動器之設計製造。最著名的當屬於德州儀器的DMD鏡面、及Analog Device

的加速度計。然而，上述CMOS MEMS元件需要特殊的後製程，且相關技

術多半掌握在相關的IDM廠，因此無法依循IC產業專業分工的模式，加速

微機電產業發展的速度。在90年代初期，部分研究人員嘗試使用標準的

CMOS半導體製程搭配簡單的後製程步驟來，完成CMOS MEMS元件的製

[1-2]，使得代工廠可建立標準化的製作流程，提供設計者利用使此共通平

台開發元件。

CMOS MEM

作

S 元件的優勢簡述如下：(1) CMOS標準製程具有完善的製

程設備與穩定的製程參數，且可直接使用在標準製程中各層的沉積材料，

來做為機械的結構層或是犧牲層以釋放MEMS元件，可大幅降低因非標準

製程、及機台穩定性所帶來的不確定性。(2) CMOS製程可結合MEMS元件與

電路IC構成單體(monolithic)整合型系統，以降低傳輸訊號的衰減、寄生電

容與雜訊產生，進而增加後續訊號的處理；若輔以IC快速準確的運算功能，

更可處理複雜系統輸出訊號，以提升系統讀取的功能性及準確性，達到定

位、回授控制、補償、驅動及感測等功能。(3)透過現有之半導體晶圓代工

32

服務 (Foundry service)，可減少製程設備的投資。因此在穩定CMOS製程技

術下，整合MEMS與IC的應用，將是相當具有潛力的一種達到系統晶片

(System on Chip) 的方式。現今利用CMOS MEMS技術已衍生出許多成

的產品，並應用於日常生活，舉凡投影機上的光學元件 [3]、陀螺儀

(gyroscope)於導航定位的慣性感測元件 [4]、紅外線熱像儀(Infrared

thermal imager) [5]、射頻元件震盪器(Resonator) [6]及生物晶片 [7]

皆與IC共同整合於單一晶片上。

本研究成果主要為筆者在清華

功

等等

大學微機電實驗室所開發之一系列三軸

微型

紹，如何

電容式加速度計與壓力計為例，來完整說明CMOS MEMS元件設計、

製造與測試的完整流程。本研究主要使用台積電(TSMC)的CMOS

0.35μm2P4M標準製程來製作CMOS晶片，然後搭配筆者建立的

新型態CMOS MEMS後製程，完成微型感測器。筆者最後也會介

透過上述CMOS MEMS後製程，完成多軸電容式加速度計之製造與整合。

33

微機電加速度計原理介紹

原理。本研究之加速度計設計如圖1

所示

首先，簡單的說明加速度計的感測

，包括質量塊(M)、阻尼(D)及彈簧(K)。其操作原理可簡單地利用質

量塊的位移來表示，亦即，當外界有加速度時，質量塊會由於慣性力的作

用而產生相對的位移量，透過材料特性或機電整合的技術將此位移量轉變

為電阻或電容的變化量，最後搭配相對應的電路將訊號轉變為電壓作為輸

出；因此，一個基本的加速計應包含有機械結構及感測電路。

圖1 加速度計物理模型

如圖1所示，當外界產生z的位移量時，質量塊因受慣性力作用而產生y的相

對位移量，其運動方程式可表示為

其中，M 為質量塊的質量，D為阻尼係數 (dampingcoefficient)，K為彈簧

的剛性。進一步取質量塊相對於外界的位移量x=z-y代入第(1)式可得

34

上式再透過二階微分方程式並經由拉普拉斯轉換(Laplace transform)後可表

示為

由上式結果，在已知結構的各部分參數後，透過間接量測位移量即可得

到相

速度計。

對應的加速度大小。綜觀目前所發展的加速度計感測型態非常多，其

中包含了壓阻式(Piezoresistive)、壓電(Piezoelectric) 、電容式

(Capacitive) 、熱感應式(Thermal)和穿隧電流式(Tunneling)的加

由於材料與製程的相容性，一般常見的CMOS MEMS加速度計主要是電容感

測形式，本文後續章節所介紹的加速度計，皆採用電容感測之設計，以下

將簡單介紹電容感測基本原理。一般而言，平行電極板為最常用來作為電

容感測的結構之一，其電容C與平行電極板的關係如下，

其中 為真空時的介電常數，而A為兩電極板重合的面積，d為兩電極板

的間距大小，因此當重合面積愈大或間距愈小時能夠產生愈大的電容值。

根據上述原理，分別有不同形式的感測結構，如圖2所示，利用扭轉彈簧連

接定電極和動電極，當外部輸入出平面的加速度時，使得質量塊產生上下

35

的扭轉進而帶動梳狀結構產生重合面積的變化量 [9]；而圖3則是利用間距

變化量測垂直及側向加速度的兩種不同結構 [10]，圖3a的機械結構包括懸

臂彈簧與質量塊，質量塊受到加速度作用後，會造成懸臂的形變使得質量

塊與其下電極的間距改變，進而使二者間的電容產生變化。而圖3b則是利

用固定端的梳狀結構作為定電極，藉由可動端質量塊的側向位移來改變動

電極的位置，然後產生電容變化。

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同平面加速度計 (x軸和y軸)

包括「同平面(i nplane)微加速

度計

同平面加速度計

感測式同平面加速度計 [11]。上捷說明一般電容式加速

度計

CMOS微加速度計之設計及後製程，其中

」，「出平面(out-of-plane)微加速度計」，以及「多軸微加速度計」。

最後本研究也會透過加速度計與電容式壓力計的整合，簡介CMOS MEMS

製程平台的架構。

首先介紹電容

的基本工作原理，本小節主要利用[11]之實例，更具體地說明加速度

計的設計要領，以及相關的製作與測試結果。圖1 已顯示加速度計機械結

構的物理模型，主要包括質量塊、彈簧、及阻尼。當外界加速度(G)作用時，

作用力會使質量塊產生一相對位移(△X)，同時連接於質量塊上的感測電極

也一起被帶動，和固定的電極有了相對的間距變化，因此兩電極之間的電

容值便會改變(△C)，如果外界加速度越大，位移變化量增加，電容改變量

也會相對加大。上述感測原理總結如下式，

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出平面加速度計 (z軸)

統，除了同平面方向(x軸和y軸)的加速

度計

平面加速度計如圖11所示，為一全差動電容感測加速

度計

構成一個完整的線性運動感測系

以外，還需要出平面(out-ofplane,z軸)加速度計，才可同時做3軸向的

加速度感測。對於 CMOS MEMS技術而言，出平面加速度計具有較大

的挑戰性。以下將藉由筆者開發之出平面加速度計，如圖11所示，來具體

說明相關的設計與製程。由於出平面加速度計部份元件的設計架構，例如:

感測電路、Pre-Amp電路等皆和前文所探討之同平面微加速度計相似，因此

本節僅針對二者不同之處加以討論。

出平面加速度計介紹

本研究所介紹之出

[14]。該加速度計之感測原理與前述之平面加速度計相同，主要利用

彈簧與質量塊系統受到加速度時產生之位移變化來感測加速度，因此質量

塊之設計與前文所提之同平面加速計相同。其設計的特色，在於如何利用

CMOS MEMS之固定薄膜堆疊，來設計全差動式出平面感測電極。

38

多軸感測加速度計

的線性運動量測，需要三軸向之加速度計。現

今微

程得知，前兩節描述的同平面與出平面加速

度計

SEM

誠如前面章節所述，完整

加速度之產品大多以三個單軸感測結構來分別感測三軸向之加速度，

其原因在於結構設計較為單純，訊號耦合之問題可以簡單的靠彈簧設計解

決，並且結構電訊號之繞線相對簡單。然而，對於CMOS MEMS加速度計

而言，其挑戰主要來自於如何克服post-CMOS 的製程限制，完成三軸感測

微加速度計之製造與整合。

根據圖6介紹之整合式後製

雖然製程上略有不同，但可以成功的透過圖6之製程，單石化地

(monolithically)整合出三軸感測微加速度計[15] 。典型的製程結果之

照片如圖16所示，該照片可以清楚地觀察到一顆具有三個單軸線性加速度

計的晶粒(chip)，三軸向之加速度將分別由此三個單軸感測元件來量測。相

關的量測架設與量測結果則如圖17所示。

39

單質量塊雙軸感測微加速度計

由於CMOS製程以面積作為成本計算之單位，若能利用較少面積完成所

需之元件，便能降低成本。因此僅利用單質量塊便能感測多軸的加速度計，

將可大幅降低元件結構部分的面積，進而降低成本。

然而，單質量塊的多軸加速度計，經常遇到感測方向與非感測方向之間

速度計有複雜的動態行為。目前多軸感測

加速

三軸加速度計

[17

的訊號耦合問題，以及較單軸加

度計的文獻並不多見，Boser教授[16]曾提出利用三層多晶矽結構，

製作出同時可感測出平面與單軸同平面方向之加速度計，如圖18所示。Xie

教授則提出利用單晶矽的後製程，整合出單質量結構的

]，如圖19所示。以下將介紹兩種單質量塊雙軸感測微加速度計，下一

小節則進一步介紹單質量塊三軸感測微加速度計。

40

總結

微感測器之性能，同時受到機械系統與電子系統的影響。從 IC 的觀

點，優異的感測電路與信號處理電路，可補償機械元件因製程的裕度所造

成的性能偏差。反之，從 MEMS 的觀點，優異的機械特性亦能使機電

面更具彈性而更加易於整合；而CMOS MEMS恰好提供一個可以

整合

整合的介

二者的技術平台。本研究利用一新型CMOS MEMS後製程平台，再輔以

單軸至三軸電容式微加速度計作為實例，來詳細介紹目前相當受到矚目的

CMOS MEMS製程技術。目前，筆者也已進一步利用此CMOS MEMS 後製

程平台，成功地將前文提出之加速度計與電容式壓力計整合在同一晶片

[13]，希望可利用此製程技術，以SoC的方式整合單晶片智慧型胎壓感測系

統(簡稱TPMS)。此製程平台未來可以整合更多 CMOS MEMS 感測器，大

大的提升晶片的多功能性與應用面。

41

ADXL335三軸加速計感測器

學生專題使用之三軸加速度計型號為「ADXL335」，使用美國著名大

廠Analog Devices的晶片。

ADXL335 應的G

值範圍 +/-3g。ADXL335的操作電壓為3V，而輸出的訊號為類比電壓。

相對於其他加速度計省電，消耗電流只有350uA，感

加速度計內部方塊圖：

此為感測元件感測到之值用類比電壓輸出

42

量測 G 值示意圖：

43

硬體接線圖

連接圖：

規格：

輸入電壓：1.8V ~ 3.6V

消耗電流：350uA

輸出格式：3 隻腳位的類比電壓輸出（分別代表三軸）

量測範圍：±3g

感測靈敏度：300 mV/g @ 3V

44

XBEE 與控制板接線圖

45

RX 與 TX 分別為串列輸入出腳位

硬體成品

AVR 處理器之 AT-MEGA328P MCU，

搭載 ADXL335 三軸加速度計，以及 XBEE 無線感測器，此為控制端電路。

另外一顆 XBEE 感測模組，與 USB 轉接板相連接‧

以及 Mini USB 接頭，與電腦連接，此為電腦端控制電路。

46

軟體展示

此介面為 VB2008 語言所撰寫，因物件使用方便性高，

便使用了這套軟體。

47

此為 Microsoft Visual Basic 2008 軟體人機介面，

其功能在於使用三軸加速度計，感測傾角以及移動角度，

再利用感測到之訊號，在 VB 端軟體做為觸發訊號，

其訊號是利用 XBEE 無線感測模組發射以及接收，

與 RS232 串列通訊原理相同，因隨插即用使用上非常便利!

在 VB 收到某移動訊號值以及傾斜角度，便使四顆骰子亂數變化，

變化的結果，在相互比較下比較大小，若是無點數，

即在骰一次，直到有點數再換下一位玩家玩之。

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參考文獻 ●F. Rudolf, A. Jornod, J. Bergqvist, and H. Leuthold, Sensors and Actuators A, 21-23, pp 297-302, 1990. ●E. Peeters, S. Vergote, B. Puers, and W. Sansen, “A highly symmet r ical capaci t ive microaccelerometer with single degree of freedom response,” Transducers’91, San Francisco, CA, June.24~28, 1991, pp 97 -100. ● L. J. Hornbeck, “Digital Light Processing and MEMS: Timely Convergence for a Bright Future,” Micromachining and Fabrication ‘95, Oct.23~24 1995, Austin, Texas.pp3-21. ●http://www.analog.com ●H. L a k d awa l a a n d G . F e d d e r , “ CMO S Micromachined Inf rared Imager Pixel ,” ● http://www.sitime.com/ ● http://www.infineon.com/ ● http://w●A. Selvakum

ww.bosch-sensortec.com ar, F. Ayazi, and K. Najafi, “A

high sens i t i v i t y z -ax i s tor s ional s i l i con accelerometer,” in Tech. Dig. IEEE Int.

49

作者簡介

姓名:李汶城

性別:男

生日:77/03/22

學歷

私立明道高級中學

私立修平技術學院

證照

甲種電匠 丙級室內配線

興趣

軟體程式撰寫、攝影、電影欣賞

50

姓名:林嚴賸

/09/01

性別:男

生日:76

學歷

國立東勢高級工業職業學校

私立修平技術學院

證照

丙級:室內配線

興趣

程式研究、網頁設計

51

姓名:錢劭駒

性別:男

生日:77/05/02

學歷

國立大甲高級工業職業學校

平技術學院 私立修

證照

工業配線-丙級

興趣

郊遊、程式撰寫、攝影

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