前言

微機電（MEMS）曾經是高深而新鮮的技術新名詞，然而，當商業化的瓶頸逐步被克服後，近來MEMS已被廣泛應用在一些電子設備當中，而且能為產品帶來嶄新的功能。任天堂的Wii遊戲機是一個最好的例子，透過MEMS運動感測器（3軸加速度計）對動作的感測能力，將遊戲的玩法帶入全新的領域，也炒熱市場對MEMS的興趣。

何謂MEMS？它是一項結合電子與機械的微小化工程技術，也就是應用半導體製程技術來製作各種微小的精密機械元件，而且能進一步與今日的光電系統整合，以提供精微的感測或控制能力。早在Wii出現前，MEMS元件就已在多個市場中大行其道，其中最著名的是例子是在印表機的噴墨頭中，已普遍使用微流體元件；另一個成功的例子則是微面鏡數位光處理（Digital Light Processing；DLP）元件，目前被廣泛用於投影顯示器當中。

今日備受矚目的焦點，則是MEMS在消費性應用中的發展。由於消費性市場的需求量龐大，MEMS可望因進入此市場而獲得長足的成長，In-Stat／MDR市調公司即預測，2003～2008年消費電子市場中MEMS銷售額的複合年增率將達到13.2％，我們也預估到了2010年時，這個市場對MEMS的需求量將可達15億件，屆時的產值可望達到14～15億美元。

除了遊戲機控制器、NB硬碟中的加速度計外，在手機及數位相機中開始加入穩定影像的整合式雙軸陀螺儀、音效系統中採用矽晶麥克風，甚至在鐘錶中採用具多種定時應用功能的矽晶共振器等。不過，最值得期待的，還是MEMS在手機和遊戲機等消費性產品與人機介面新產品的應用潛力，因為它們的汰換速度快，而且市場量可觀。

MEMS製程技術

兩種微加工技術

半導體製程技術一日千里，而MEMS產業也致力於應用CMOS製程來開發元件，以獲得低成本、易於擴大產量、提升良率及具設計彈性等優勢。目前主流的製程技術有兩種，分別是體型微加工（Bulk Micro-machining）及

表面型微加工（Surface Micro-machining）。體型法是較簡單且穩定的細微加工方式，但表面法不論是加工的精確度及解析度皆優於體型法，而且更接近積體電路半導體製程的標準作法，更適合用來整合電子電路。請參考(圖一)所示。

《圖一　表面型微加工示意圖 》 資料來源：ST

為了充分發揮其累積的設計經驗及製程設備，MEMS製造商在製程中雖採用了與CMOS相同製程的設備，但不同的公司往往有自己的設備使用方式與步驟。不過，為了加速生產週期及降低成本，各家廠商最好能為自己的核心技術發展出標準化的生產平台，例如ST的厚磊晶層（Thick Epitaxial Layer for MicroGyroscopes and Accelerometer, Thelma）技術。

舉例：Thelma表面微加工製程

Thelma是一種表面微加工製程，可用來實現靈敏度高、感測範圍廣的加速度計及陀螺儀等元件。其流程包括六個主要步驟：基底熱氧化、水平互連的沈積與表面圖樣化（patterning）、犧牲層（sacrificial-layer）的沈積與表面圖樣化、結構層的磊晶生長、用通道蝕刻將結構層圖樣化、以及犧牲層的氧化物去除與接觸金屬化沈積。

與傳統微加工製程相較，Thelma製程會生長一塊15微米（um）的多晶矽磊晶層，這是相對較厚的矽結構，它能增加垂直表面積，因而增大平行於基底行動的靜電啟動器中的總電容器；多晶矽也具有良好的耐疲勞性及抗衝擊性。此外，該技術也可以減少晶片面積，因而克服體型微加工過程常見的設計侷限。

線性加速度計技術架構

位移與感測原理

以下來看看當紅的線性加速度計的技術架構與規格。2軸與3軸線性加速度計是利用矽的機械性質所設計出的可移動結構，能夠感測不同方向的加速度或振動等運動狀況。它的機械結構中包括一組隨自由質量（free mass）（即運動體）移動的矽梳齒（Silicon fingers）和一組固定的矽梳齒，前者的功能是可移動的電極，後者則是固定的電極，當可移動的梳齒產生了位移，就會產生電容性的改變，此一改變與位移成比例關係。

《圖二　線性加速度計MEMS結構示意圖 》 資料來源：ST

因此，簡單的說，線性加速度計的感測原理是當其中的運動體（rotor）出現加速度運動時，就會產生電容量的差異變化（ΔC），此變化會傳送給另一顆介面晶片（Interface chip），由它來輸出可量測的電壓值，如(圖三)所示。因此，一個3軸加速度計元件中必須包含兩大單元，一是單純的機械性MEMS感測器，它包含測量XY軸的區域及測量Z軸的區域，內部有成群移動的電子，如(圖四)所示；一是標準的ASIC介面晶片，它與一般ASIC的不同之處在於具備高解析度且帶正電荷。

《圖三　線性加速度計由感測單元與介面晶片組成 》 - BigPic:569x351 資料來源：ST

《圖四　3軸加速度計感測單元分為XY軸與Z軸兩大部分 》 資料來源：ST

線性加速度的輸出類型

線性加速度計有兩種輸出類型，一是類比式，一是數位式。兩者的機械感測器構造是相同的，差異是在介面晶片的構造，類比式介面晶片的基本構造包括多工器（Multiplexer, MUX）、電荷放大器（Charge Amplifier）和解多工器（DEMUX）；數位式介面晶片則另整合了一套類比轉數位（ADC）電路，能夠直接以SPI或I2C等數位介面進行傳輸。

由於目前仍然沒有解決利用COMS製程來實現MEMS元件的標準化製造，為了將MEMS感測器與類比或數位電路整合在一起，系統單封裝（SiP）成為最佳的解決之道。MEMS感測器和介面晶片可以用堆疊（Stacked）或並排（Side by side）方式來封裝成一顆元件。傳統的封裝方式為SO24和QFN，2005年時，ST率先首次推出了採用小型化的LGA封裝MEMS感測器，進一步降低了該元件的尺寸普及成本。今日採先進LGA封裝的元件尺寸只有3x5x1.0mm，相當適合小型化手持設備的使用。

產品規格剖析

數位式

數位式自然比類比式更好，因類比式為電壓輸出，還得外掛一顆ADC來做類比數位轉換，而高品質的ADC所費不貲，甚至可能比買MEMS還貴。此外，選購線性加速度計還得考量一些規格特性，包括滿量程（full scale；FS）、解析度及敏感度等。

滿量程、解析度、敏感度

滿量程指的是感測器的範圍，也就是可以測量之使用參數的最大值及最小值；解析度是指在輸出訊號中，能夠偵測到的輸入參數最小增量；敏感度則是能夠產生可偵測之輸出變化的物理參數的最小輸入值，與ADC的等級有關。

以THELMA製程實現的類比式3軸加速度計元件為例，它們的FS為±2g /±6g/±8g，也就是可在4kHz（x與y方向）及2.5 kHz（z方向）的最大頻寬範圍內測量2、6或8個g的靜、動態加速度。實際需量測的g值可由用戶自行選擇，這樣做的好處是可以用相同的感測器來達成不同應用的需求，例如± 2 g 用於傾角量測，± 6 g 用於振動量測。這些元件在100Hz頻寬內的解析度為0.5mg，敏感度上則視搭配8-bit/12-bit/16-bit的ADC而定，ADC的bit數愈高，敏感度也就愈高。

其他

其他要考慮的規格特性還包括可靠性、低功耗和歸零測試等問題。可靠性與使用環境息息相關，例如應用汽車中與消費性電子中的感測器，就會有不同的需求，在汽車中對溫度範圍的要求很廣，在高溫下及長時間使用後仍然要很穩定，而且需能承受極劇烈的震動。以廠商的3軸加速度計為例，能達到-40℃至85℃的溫度範圍，在0.1ms中可承受的震動值高達10000g，耐衝擊性相當高。

低功耗

低功耗則是使用電池的可攜式產品極為強調的設計重點，也是MEMS感測器想打入此市場的必要條件。為了降低功耗，當系統停止量測時，應該讓感測元件進入省電模式（power down），ST的加速度計在運作狀態下的電流功耗為1mA，當省電模式時，電流功耗更只有10uA。此外，這些元件內建了Wake-up和Free Fall的中斷信號功能，因此只要一振動或產生掉落狀況，它們就會立即重新啟動進入運作狀態。

歸零測試

另一個讓設計者頭痛的問題，則是如何進行歸零測試，感測器的偏移（offset）誤差定義為在輸出應該是零（在某些特別的情況下，是實際輸出值和指定輸出值之間的差異）的情況下卻存在的非零輸出值，這往往和溫度有關，不過不容易進行測試。為解決此問題，廠商在加速度計設計了嵌入式自我測試功能，也就是不需真正去移動元件，即可利用靜電力來進行測試，此舉讓終端用戶也能自行測試其產品的使用狀況；此測試完全是電子式、可重覆及可靠的。此外，廠商也可以提供工廠微調參數（factory trimmed parameters）。

運動感測器應用趨勢

線性加速度計等運動感測器的應用領域非常廣泛，舉凡需要感測由於墜落、傾斜、移動、定位、撞擊或振動產生微小變化的產品，都可以導入線性加速度計，請參考(圖五)所示。

《圖五　運動感測器可應用的廣泛領域 》 - BigPic:593x322 資料來源：ST

汽車應用

汽車是較早採用MEMS感測器的應用領域：低重力加速度計可用於電子停車制動（EPB）、安全帶預緊器（Pre-tensioner）、防側翻、汽車動態控制（VDC）；中／高重力加速度計可用於懸吊系統、安全氣囊；MEMS陀螺儀（Gyroscope）則可用於慣性導航、防側翻和VDC。此外，MEMS壓力感測器則可以用在進氣歧管（Manifold）絕對壓力量測、氣壓計、氣囊、動態懸吊系統等場合。

目前熱門的GPS導航系統，讓市場人士對其技術發展保持高度興趣。下一代可攜式導航設備（PND）和車用嵌入式導航系統將會導入方位推算系統（Dead Reckoning；DR），此系統是將3軸加速度計、陀螺儀（Gyroscope）和磁羅盤等MEMS元件與GPS結合，當汽車在無法接收GPS訊號的地方或GPS訊號不良時，DR功能就能取代GPS繼續進行導航定位。透過上述各種感測器，DR可以推算出汽車的行進距離和方向。在短距離內，DR系統所提供的資料比GPS的訊號來得準確，因此可做為短距離內的汽車定位誤差修正輔助，不過，當時間增加時，誤差累積效應會愈來愈大，導航的精確度就會大幅下降。

硬碟應用

MEMS感測器在資訊與消費性產品中的硬碟機中，也居於重要的地位。過去硬碟機因墜落而產生損毀，因此今日的硬碟機中也內建了重力加速度計，當系統偵測到有墜落情況發生，硬碟會執行自我保護的步驟。其作法是當硬碟不慎掉落時，感測器會立即傳出警訊，要求系統關閉馬達並將讀寫頭從碟片表面上方移開，因此不會有任何元件與硬碟機內的儲存媒介相互碰觸，如此一來即能保護行動設備在發生意外振動或摔落時，其檔案內容仍能安全無虞。請參考(圖六)所示。

《圖六　加速度計在硬碟保護中的功用 》 資料來源：ST

除了硬碟保護外，新一代的硬碟機更計畫導入更多的感測元件，讓硬碟機能夠依據所處的環境來自動調整其運作狀況。它能感測到外在嚴寒或酷熱的溫度變化、高海拔的山區，或處於震動劇烈的行進環境，甚至還能感測到濕度的變化，並根據各種狀態將硬碟的運作處於最佳狀況，讓使用者隨時都能順利地處理資料、觀看影片或欣賞音樂。

攝影防抖動應用

對於抖動更為敏感的，則是例如手機或數位相機靜態的照相或是像DV的動態錄影。為了避免因為拍攝時的抖動而造成影像的模糊，攝影設備的製造商無不致力於發展防抖動的技術。較簡單的作法是透過軟體的後製功能來做影像補償，但效果有限。最佳的方式是透過精密的鏡頭或CCD／CMOS感光元件機構，最大程度的降低使用者抖動所造成的影像模糊問題。

這是難度相當高的技術，以Nikon及Canon的作法為例，其影像穩定系統（Image Stabilizer）是依靠磁力包裹懸浮鏡頭，並在鏡頭組內建置MEMS感測器陀螺儀及微處理器，當感測到微小的移動時，微處理器需立即計算出需要補償的位移量，指示鏡頭組做出補償，以攝影機、相機拍攝的影像儘量保持清晰。

手持設備HMI介面操控

另一個新興的應用領域，就是利用MEMS感測器來做為操控手持設備的人機介面（Human Machine Interface；HMI）。這是打破傳統鍵盤或觸控輸入的一種創新介面作法，手持設備用戶可以利用一些特定動作來達到介面控制的目的，例如利用傾斜角度來左右瀏覽地圖或照片、利用搖動方式來啟動例如播放下一首音樂的應用功能或關閉設備，只要轉動90度就會自動翻轉螢幕。更有趣的自然是遊戲機的操控，將搖控器的動作直覺性的轉化為網球揮拍、釣魚、打保齡球等極具臨場感的遊戲經驗。

結論

在應用上，MEMS感測器還有相當大的發揮空間，例如Nike即結合基於重力加速度計的步程計與相關軟體，推出了一款具有熱量計算功能的跑鞋。除了消費性電子、資訊設備與汽車電子的應用，它們也可用在家電、醫療設備及工業控制等領域，例如可在洗衣機中加入MEMS感測器，用來感測並調整洗衣時的進水量及馬達轉速。

在技術上，MEMS元件和半導體元件一樣愈做愈小，進一步降低功耗與成本，也更適用於消費性的應用領域。MEMS的發展速度可望與摩爾定律並駕其驅，甚至超過摩爾定律，不過，在製程技術上，目前仍不需要跨入次奈米的等級。另一個重要的發展趨勢，則是不同種類感測器的整合，不久之後，市場將會出現類似感測器叢集的產品。

不過，MEMS發展上的最大挑戰，或許正來自於製程與測試的標準化問題。對於大量生產的元件來說，這是降低成本、加速量產的關鍵，但目前MEMS的開發往往具備高度的特殊性，每次的開發就得改變製程，造成商業化的極大瓶頸。這也是廠商會推動Thelma標準化生產平台的原因，這樣一來現有的製程技術才能重複使用。當MEMS因量產而降低成本，勢必能引起更大的使用風潮，甚至有機會發展為電子設備中的新一代介面，這將帶來嶄新的使用經驗。

（作者為意法半導體公司類比、功率與微機電元件產品市場經理）