若問今(2007)年最熱門的電子技術議題，如非iPhone的Multi-Touch觸控技術，那就是Wii的MEMS感測技術。兩者有個共通之處，那就是賦與消費性電子及通訊產品更「人性化」的「互動式」介面，進而掀起了一場新的介面革命。

新技術對於應用型態的衝擊甚大，然而，這些技術的實現並非一蹴可及的。MEMS的開發早在1970年代中即已展開，至今已發展了約三十年了。在今日消費性大眾市場投予關注的眼神之前，其實已有一些MEMS元件大量供應於市場當中。其中最大量的當屬用於印表機噴墨頭中的微流體元件，這個市場由HP所主導，每年有數億顆元件在量產出貨。

其次是用於投影及顯示器設備中的微面鏡（micro-mirror）數位光處理（digital light processing, DLP）MEMS元件，這是TI開發多年、在1987年提出的專利技術，但一直到近幾年才進入到商業化的階段，成為前投與背投高階顯示系統的關鍵技術，提供極可靠的全數位化顯示解決方案。目前DLP擁有約50%的全球前投式投影機市場，提供350多種產品。在顯示器尺寸超過40英吋的1,080p HDTV技術中，DLP也已經是市場上的領導技術。

DLP元件可說是目前最複雜的光源開關，它包含了最多達220萬用鉸鏈安裝的微型運動鏡面組成的矩形陣列，每片微型鏡面的大小都不超過人類頭髮絲厚度的五分之一，對應投影圖像中的一個圖元。因此，單晶片的DLP投影系統可以產生至少1670萬種顏色，而專業產品與DLP影院投影系統中的三晶片系統甚至能夠產生35萬億種以上的色彩。

MEMS走入大眾市場

除了微流體與DLP外，MEMS元件還有許多不同的類型，包括光學MEMS、RF MEMS、慣性感測器、壓力感測器、MEMS麥克風、磁電阻（MR）感測器、iMOD（Interferometric Modulator）、MEMS諧振器等等。可應用範圍則幾乎涵蓋所有領域，除了熱門的資訊、通訊、消費性等3C市場，以及汽車電子這個第4C（Cartronics）外，也適用於汽車、軍事、生物、醫療、化學等各種領域，幾乎任何需要機械元件的小型化電子系統都可能用得上MEMS。

根據IEK的調查數據，在應用面的擴散帶動需求逐年增溫之下，整體MEMS市場近幾年來均保持二位元數的成長幅度。以2006年為例，整體MEMS市場達到59億1,400萬美元，相較前一年成長了15.6%。而隨著消費大眾對於MEMS所能提供的功能接受度提高，上述新興應用領域對於MEMS元件的需求將持續增加，預計2005~2009年市場仍將維持16%的年複合成長率，至2009年可達91億2,200萬美元。

然而，並非所有的領域都呈現高成長的態勢，在很多領域中MEMS仍處於研發階段，而以噴墨頭為主的資訊應用雖然仍是最主要的應用領域，但隨著市場漸趨成熟，在新興應用的快速成長下，它佔整體MEMS出貨量的比重將會逐年下降。起而代之的則會是通訊應用及消費性電子市場對MEMS需求的大量浮現。未來手機平臺可望大量採用MEMS麥克風、RF MEMS、MEMS Oscillator、Inertial Sensor、Auto Focus與Micro Projector等新技術，預估MEMS在通訊領域的出貨比重將由2005年的4%迅速成長至2009年的27%。

此外，消費性電子產品也是MEMS搶攻的市場。In-Stat/MDR指出，加速計、陀螺儀、麥克風、揚聲器、光學MEMS和RF MEMS等是在消費類電子產品中最具影響力的MEMS元件。至於最具潛力的應用則包括家庭影院、可攜式攝影機、數位電視、手機和電子玩具等。以下將介紹值得關注的新興MEMS技術。

運動感測器

所謂運動感測器（又稱慣性感測器）即是用來測量物體運動量的改變，包括方向、位移、線性加速度及角加速度等，運用到的MEMS元件主要是兩軸／三軸加速度計（Accelerometer）及陀螺儀（Gyroscope）。在新興MEMS的技術當中，目前最受矚目的無疑是運動感測器的利用，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。

法國市場研究公司Yole Development最新的報告也指出，2005~2006年陀螺儀和加速度計市場成長了55%，達到2.32億美元，預計2006~2011年平均複合成長率為35%。此市場的主要成長動力來自於加速度計，預估到了2011年，它將佔整體MEMS銷售額的65%。消費性應用到2011年將佔整體MEMS銷售額的40%，其他應用包括汽車應用、醫療、工業與航太國防等領域。

1.加速度計

隨著Wii的熱賣，也讓實現其搖控感測的MEMS加速度計突然成為眾人注目的焦點。其實加速度計的使用已有一段時間，主要被應用在汽車動作的偵測。其中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。

除了車用領域外，其實加速度計可被應用的領域相當廣，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，都可以導入加速度計。另一個常見的應用在於硬碟的墜落保護。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。

還有一個新興的應用，就是利用加速度計來做為操控手持設備的人機介面（Man Machine Interface, MMI）。內建加速度計的手持設備可以透過一些特定動作來控制應用功能，Wii的遊戲操控是很具說服力的例子；此外，也可以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應用功能（如播放下一首音樂）或關閉設備、只要轉動90度就會自動翻轉螢幕（圖像自動翻轉）。

目前提供加速度計方案的廠商不少，知名的包括ADI、ST、Freescale、Bosch、VTI等。

《圖一　三軸加速度計的應用領域》

2.陀螺儀

加速度計是用於測量線性加速度運動的改變狀況，陀螺儀則是用來測量物體的角速度，兩者具有互補的功能，能夠提供更完整的運動行為判斷。目前加速度計因成本已降到消費性產品可接受的程度，因此開始打入市場。加速度計的成功，也讓陀螺儀的應用受到關注，不過，陀螺儀目前仍存在著裸晶較大、高成本和高功耗等缺點，因此還很難被消費市場所接受，主要應用在高階市場，如汽車的翻滾偵測。

一些廠商已致力於採用標準化的製程技術，以量產化來降低陀螺儀的成本，如ADI與InvenSense。他們致力於將陀螺儀推向可攜式的產品當中，目前較成功的應用是作為數位相機光學防手震或電子防手震的核心技術，下一步則準備打入個人導航設備（PND），作為GPS導航的臨時替代性定位技術，即所謂的航位推算（Dead Reckoning, DR）技術。在GPS訊號被阻擋或幹擾而不能進行定位的環境中，透過陀螺儀可以判別出車子的轉彎方向與坡度大小，它能與三軸加速度計整合，共同來提供暫時性的定位能力。

《圖二　數位相機光學防手震應用陀螺儀技術》

其他的應用領域還包括3D搖控、空中滑鼠、遊戲搖桿等，讓家庭中的遠端操控能更為直覺化、人性化，讓一般用戶能透過單純的手勢動作來進行選單目錄操控或遊戲，進而大幅簡化對於按鍵的依賴。此外，陀螺儀的最終目標市場還是最大宗的手機應用，其龐大的市場有助於壓低陀螺儀的成本。未來手機採用陀螺儀的動力，可能來自於與GPS和相機防震功能整合在一起，以為手機提供更吸引人的功能特性。

MEMS麥克風

目前在隨身型的筆記型電腦、手機、PDA或照相機、遊戲機，以及家庭中的顯示器及機上盒（STB）當中，都開始出現收音的需求，以便滿足包括VoIP、Skype、Google Talk、照相錄音、遊戲音效等新興的應用，這個趨勢也帶動微型麥克風市場的快速成長。今日微型麥克風元件每年的銷售量已達15億個單位，而新的MEMS麥克風（也稱矽晶麥克風）具有小尺寸、抗噪訊及易開發等優勢，已成為取代傳統駐極體電容式麥克風（Electret Condenser Microphone, ECM）的主流選擇。

ECM麥克風因採用機械性的設計，因此尺寸過大，對於可攜性設備來說不易被整合進去。相較之下，MEMS麥克風的體積只有ECM麥克風的一半，而且已透過ASIC設計整合了過去分離式的一些元件，如A/D轉換器，並具備了音訊訊號處理的數位化功能。此外，它具備更強的耐熱、抗振和防射頻幹擾等性能，而且能採用全自動表面貼裝（SMT）生產製程，因而能簡化生產流程、降低生產成本。

數位化的優勢，讓MEMS麥克風成為筆記型電腦的極佳選擇。它所所提供的數位化輸出，能夠在整個音訊路徑上維持正確的傳輸，進而大幅改善這些類比麥克風所遭遇的各種幹擾問題，而且讓新型麥克風可以配置在離開機械噪音及RF/EMI幹擾最遠的理想位置。此外，採用兩個以上麥克風所組成的嵌入式數位輸出麥克風陣列，能夠透過波串成型（beamforming）的軟體技術來擷取所需的音訊訊號，有效排除不需要的雜音，這對於筆記型電腦的VoIP應用是一大利多。

《圖三　MEMS麥克風陣列示意圖》

目前MEMS麥克風的產值已達5億美元，預估到2009年時將成長一倍以上，可望突破10億美元。這讓許多廠商躍躍欲試，積極投入此一新興市場。目前較知名的廠商包括Akustica、Knowles Acoustics和Sonion MEMS等，國內包括工研院電子所、美律、亞太優勢、探微、日月光、菱生、矽品、天瀚等20餘家揚聲器、麥克風和其他電聲元件廠商，也共同成立了「微電聲產業聯盟」，以整合上、中、下游廠商，建立從電聲元件設計、元件製作/代工、元件封裝至系統模組的完整產業需求為發展目標。

IMOD顯示器

對於手持式裝置來說，功耗往往是最主要的考量問題，而顯示器往往是最為耗電的單元。在今日強調視訊、影像使用的時代中，顯示器的功耗更成為相當頭痛的問題。MEMS技術在此領域也已有建樹，Qualcomm開發的IMOD（Interferometric Modulator） 技術，即是一項基於MEMS的干涉測量調節顯示技術，強調能夠像光的薄膜干涉那樣，獲得如蝴蝶翅膀和孔雀羽毛那樣斑斕的色彩，而且能比其他顯示技術提供更低的耗電量。

IMOD顯示器是一種基於薄膜光學原理和MEMS結構的反射型顯示器，其反射率接近反射式薄膜電晶體LCD顯示器的兩倍，即使在陽光直射下仍具有和紙張一樣的可讀性。相較於LCD或OLED顯示器，IMOD因具有雙穩態特性，能夠大幅降低顯示器的功耗，進而能延長電池壽命；此外，IMOD不需隨時對螢幕上的圖像進行更新，它幾乎只有在當前的顯示圖像需要變化時才進行圖像刷新，這一特性使得IMOD顯示器很適合需要長時間保持圖像穩定的應用。

《圖四　IMOD的雙穩態特性示意圖》

IMOD技術的出現已有幾年時間，但一直到近期才有商品化的應用。日前Ubixon推出的藍芽立體聲耳機，即是業界第一款採用Qualcomm IMOD顯示器的隨身型設備。

嵌入式超小型投影機

手機的功能已經非常多樣，但因MEMS的出現，它的發展仍無止境。有一項極具創意的應用，就是在手機當中嵌入一個超小型的投影機模組，進而讓手機能夠投射出更大的螢幕，而不會受限於今日僅數吋的顯示器，讓手機用戶能更進一步享受視訊的效果。目前已有多家元件公司投入超小型投影機的開發，包括TI、Microvision、Canon、Micro Precision、Stanley電器、日本信號、日本產總研、韓國SAIT，以及德國Fraunhofer-Gessellschaft等。

《圖五　透過手機、PDA投影的顯示應用模式》

超小型投影機的關鍵元件為一具致動器的微反射鏡（Micro-Mirror），它會將雷射光源反射至不同的方向，形成光線掃描，進而形成影像。其中致動器與雷射光源是設計的重點，目前致動器的驅動方式又分為靜電容式、電磁驅動式與壓電驅動式三種；在光源上則是利用SHG（Second Harmonic Generation）技術來解決所需的綠光半導體雷射光源需求。

目前TI已推出可封裝到手機上的超小型投影機模組第2代產品，此模組採用DLP微型元件來提高畫質與亮度，其厚度則縮小到可封裝到厚10mm的超薄手機上的尺寸。此外，Microvision也成功開發出採用2軸MEMS掃描器和雷射光源的嵌入式超小型投影機樣機，其光通量為10~15lm，影像解析度相當於WVGA。值得一提的是，由於採用了雷射光源，即使將影像投射到彎曲的物體上，也可在整個畫面上顯示對準焦點的圖像。

MEMS振盪器

上述的MEMS技術，往往適用於特定的市場領域，但有一項MEMS技術，卻可能對整個電子產業造成巔覆性的影響。這個技術就是MEMS振盪器。目前幾乎所有電子設備中都以石英晶體振盪器來提供時脈，但它一直存在一些缺點，如價格昂貴、比矽低20倍的可靠性、尺寸大、製造時間長、與CMOS不相容，而且一種封裝只能對應一種頻率等等。MEMS振盪器發展的目標之一就是通過引腳對引腳的相容方式，替代石英晶體振盪器，以降低電子系統成本。

目前，全球石英晶體振盪器市場年規模為30億美元，每年生產90億顆石英晶體振盪器。然而，在大多數應用中MEMS振盪器的性能與傳統的石英振盪器不相上下，而且具有種種優勢。相較於以往要由多個振盪器提供的多個頻率，MEMS振盪器能夠以單一晶片來根據需求產生不同時基；與石英晶體必須採用的密封外殼陶瓷封裝不同，MEMS振盪器可以採用塑膠封裝，進而能有效降低成本。

MEMS振盪器與CMOS整合的優勢，讓它最終可能被整合到每個需要時脈的晶片中，而非從單一的石英晶體引出多個時脈訊號。此一發展對電子產業來說無疑是一大革命，就如同真空管被電晶體所取代一樣，未來石英晶體也將可能被矽技術所取代。目前掌握此技術的廠商包括SiTime、Discera、WiSpry、Ecliptek、Innovative等，而MEMS振盪器的最早應用領域可能是硬碟驅動器、DVD播放器、數位錄影機、汽車電子、工業和筆記型電腦等。

《圖六　SiTime MEMS振盪器架構》

RF MEMS

還有一個極為重要的應用領域，即是在射頻（RF）單元中採用MEMS技術，例如天線開關、發送/接收聲表面波濾波器、RF收發器的VCTCXO、32.768KHz晶體振盪器等。目前無線及行動技術愈來愈多樣，射頻系統已被要求做到多模（multiband）的功能，而且模組化的尺寸要愈來愈小。這也是RF MEMS受到重視的原因，因為此作法能解決小型化、低成本、模組化、一體化（monolithic）等難題。

結論

經過三十年的開發，MEMS看來已闖出自己的一片天。未來MEMS當然還有很多的挑戰待克服，尤其是成本、功能整合與應用推展等議題。在成本方面，多數MEMS仍有價格偏高的門檻，要進入低成本的消費性市場並不容易，而這得靠標準化的製程及封測技術來克服。這個需求也迫使MEMS的生產將走向代工一途，傳統的CMOS代工業可望因此而創造新的利潤。

在功能面上，為了打入可攜式的設備市場，不同功能的MEMS有必要進行更多的整合，設計出所謂的混合型MEMS（Hybrid MEMS）一方面可縮小體積，另一方面則可提供更完整、加值或創新的整合功能。眼前的例子將會先看到三軸加速度計與陀螺儀的整合。不過，即使有再強的MEMS功能，若沒有適當的應用方式，那也是途然，因此，更容易上手的應用開發工具將是MEMS廠商也必須兼顧的一項工作。

（作者為電子技術專業自由作家，聯絡方式：owen.ou@gmail.com ）.