消費性電子帶起應用風潮

目前運動感測元件已被成功地使用在生活中許多的消費性裝置上，例如；數位相機與數位攝影機上的手振偵測、投影機上的姿態偵測，配備硬碟裝置的筆記型電腦與MP3的掉落狀態偵測等；自從2007年任天堂Wii上市後，引爆新型態的動作輸入介面，不但讓大家眼睛為之一亮，其業已然成為未來數位生活輸入介面的主流選擇，未來數位家庭中，因為大量的影音娛樂內容的提供，使得收看內容的選擇裝置也將由互動式遙控器來取代傳統式的數字式遙控器，此互動式遙控器可整合電腦、電視和遊戲機的控制裝置於一身，成為數位家庭娛樂中心的唯一遙控器，而其核心─運動感測元件，更是因此受到注目，也掀起一波應用的熱潮。

價格仍是普及門檻 IMU將成代名詞

這些以慣性感測元件為心臟的運動感測器產品的創新應用，不但為慣性感測元件在汽車上的應用之外，開啟了消費性市場的大門，也宣告了消費性裝置大量配備慣性感測元件的時代來臨。展望未來，運動感測元件在手機市場上的應用是目前最受各運動感測器供應商的矚目與期待，過去以日本和韓國手機廠商最為積極投入運動感測器在手機應用上的開發，時至今日，世界手機大廠如Nokia與SonyEricsson，甚至Apple的iPhone上也都已開始配備運動感測器，以增加手機的使用方便性、娛樂性、和自動模式控制，但目前價格仍舊是元件切入手機的主要門檻。

《圖一 未來數位家庭中，將由互動式遙控器來取代傳統式的數字式遙控器，此互動式遙控器可整合電腦、電視和遊戲機的控制裝置於一身，成為數位家庭娛樂中心的遙控器。》

慣性運動感測元件，包括量測直線運動的加速度計，量測旋轉運動的角速度計、以及結合兩者於一體的慣性量測單元(IMU；Inertial Measurement Unit)。目前由於價格的因素，市售的運動感測元件大都僅指加速度計，隨著製作與整合技術的進步以及市場需求的增加，整合角速度計與加速度計於一身的IMU晶片未來勢必將成為運動感測元件真正的代名詞。

MEMS加速度計的技術與市場發展趨勢

本文以下將以加速度計為主，淺介其市場技術、製程技術、技術指標和發展趨勢，同時也藉此文介紹工研院目前之研發技術與未來在慣性運動感測元件技術開發上之佈局。

MEMS加速計的技術分類

目前市售的微機電加速度計產品其感測機制可分為電容式、壓阻式、與熱耦式三種，這三種感測機制各有其優點與限制，如圖二所示。其中電容式加速度計具有高靈敏度、低雜訊、低電流消耗等優點，但其易受電磁干擾的影響，因此在封裝上必須考量防電磁干擾的封裝設計；壓阻式速度計具有低輸出阻抗的優點，但其受溫度的影響較大，靈敏度相對於電容式加速度計來說也較低；熱耦式加速度計則具有低造價的優勢，但電流消耗上過大，反應時間過長，使得其在應用選擇上有些受限。以慣性運動感測元件產品技術之延續性(由加速度計至角速度計)的角度來看，電容式相對來說是較具有技術延續性的一種技術選擇。在過去因為汽車市場對於加速度計自我測試功能的要求，使得電容式加速度計在汽車市場的應用上成為主流，原因是電容式可採用靜電來使結構產生變形，進而造成電容的變化，相對來說，壓阻式則必須另外設計電容式結構或採用其他方式來使結構產生變形，以達到壓阻的變化，這無異增加了技術實踐的複雜度。

《圖二 市售加速度計的感測機制分類》

MEMS加速度計的CMOS製程技術

在加速度計元件的製程技術上，目前市售的加速度計大都採用Hybrid的方式透過打線與封裝將MEMS感測單元與CMOS讀取電路兩個不同的晶片組合起來，另外也有採用單晶片(Monolithic)方式製作的產品，例如Analog Devices Inc的電容式加速度計、MEMSIC的熱耦式加速度計、以及許多日系廠牌(如Hitachi、HDK等)的壓阻式加速度計；單晶片方式製作的加速度計，其製作也可分為MEMS與CMOS製程混合的「Intra-CMOS MEMS」製程，和先做CMOS製程再做MEMS製程的「Post-CMOS MEMS」製程，另外也有先做MEMS製程再做CMOS製程的「Pre-CMOS MEMS」製程；其中除了Post-CMOS MEMS製程外，其他兩種製作方式現階段來說，除非有CMOS Foundry的密切合作與支持，否則都有其現實實踐上的障礙。當今市場上壓阻式的加速度計產品幾乎都採用Post-CMOS MEMS的製作方式，但電容式加速度計則尚未有Post-CMOS MEMS製作方式的產品出現於市場上。

CMOS MEMS製作方式的最大優勢在於容易與應用系統晶片整合，另外如能克服量產化的障礙與良率，CMOS 電容式加速度計也具有相當大的價格競爭潛力，而未來其所形成的產業模式也可能遵循著IC產業的軌跡，造就許多Fabless的整合設計公司與專注於專利開發和專利授權的專業設計公司。但在目前要將Post-CMOS MEMS技術用於電容式加速度計與角速度計的生產製造上仍有良率與晶圓級低溫氣密封裝上的問題尚待克服。

至於以Hybrid方式組裝實踐的加速度計，目前大都以晶片堆疊的方式來組裝以達到縮小封裝面積的目標，雖然此種方式的製作良率較高，但在價格競爭的驅動力下，如何在感測元件與封裝方式上做一整體的設計與技術突破來達到降低感測元件與封裝成本的目標將是產品設計者所必須一體考量的重要處。

感測結構尺寸與雜訊的乘積是技術指標

運動感測元件(加速度計與角速度計)在其技術發展的趨勢上，有兩點重要的共同技術指標是其產品的競爭力的來源，這兩點共同技術指標包括雜訊基準(Noise Floor)、以及感測結構尺寸與成本。

《圖三 工研院南分院微系統科技中心之電容式加速度計特性》

慣性感測元件的雜訊一般來說可以來自兩個來源，一是與感測結構有關的機械雜訊，另一是來自讀取電路的電子雜訊，機械雜訊基本上是與慣性質量成反比關係，同時與阻尼成正比，為了達到降低機械雜訊的目的，通常是必需透過較重的慣性質量來完成，但在製作技術的限制上，慣性質量的厚度無法無限制的增加，這也因此造成為達到較低的機械雜訊目標必須使用較大的慣性質量面積尺寸，所以在運動感測元件的設計上，如何在較有限的尺寸上設計出較低的機械雜訊與較高的靈敏度是一元件設計的重要技術挑戰。除此之外，感測晶片尺寸的大小與成本有著直接的正比關係，如何縮小感測晶片的尺寸並達到性能需求是反應技術競爭力的另一重要點，整體簡單地說，運動感測元件發展的技術指標可以用感測結構尺寸與雜訊的乘積來做為一技術衡量指標。

整合信號前處理是另一趨勢

另外為達到產品使用上的競爭力，許多與應用相關的整合解決方案和產品特點(Feature)也被設計出來以更加符合應用開發上的需求。舉例來說，整合信號前處理的慣性感測模組將輸出信號變換成資料形式，將可大幅降低應用系統的硬體資源與應用開發上時程；可程式化選擇元件靈敏度與輸入信號的功能，將使應用系統的硬體與軟體更具效率和彈性；可程式化的崁入式判斷功能，可使元件在某些應用上能解讀輸入信號與預設信號特徵模式(Pattern)的一致性，並以此做為警示信號發出的根據。

《圖四 產品之雜訊基準與感測結構尺寸比較圖》

工研院的發展現況

工研院南分院微系統科技中心在2007年開始切入慣性感測元件的開發，目前在電容式三軸加速度計的開發上，先期產品與原型晶片已成功的產出並經過特性驗證，如圖三。此電容式加速度計具有專利的結構設計，補強了一般三軸加速度計之Z軸靈敏度較差的缺點，同時此加速度計也具有可程式化的偏值與靈敏度，可依使用者的需求程式化調整，其整體X/Y/Z三軸輸出的雜訊基準分別可達到138、159、和49μg/√Hz，它軸靈敏度最大僅達0.7%，圖四是一雜訊基準與感測結構尺寸的比較圖，由圖中可見此工研院自行開發的加速度計性能已達國際競爭的水平。下一階段目標是以Post-CMOS MEMS製作方式將已經驗證過的讀取電路和感測結構單元以單晶片整合的方式實踐，預期在2009年將會有先期樣品的完成。

除了加速度計外，工研院南分院微系統科技中心對一系列慣性感測元件開發上也已有整體的佈局，目前，已著手進行另一重要運動感測元件─角速度計的先期開發，在整體市場環境的需求下，預定以兩至三年的時間為國內廠商提供一角速度計的產品技術方案，同時也期望透過業界的先期參與同步進行開發以縮短開發時程。

《圖五 工研院先期產品與原型晶片已成功的產出並經過特性驗證。圖為原型晶片在系統上測試》

除了加速度計外，工研院南分院微系統科技中心對一系列慣性感測元件開發也有整體的佈局，目前，微系統科技中心已開始進行另一重要運動感測元件─角速度計的先期開發，在整體市場環境的需求下，預定以兩至三年的時間為國內廠商提供一角速度計的產品技術方案，屆時整合加速度計與角速度計於單一封裝體或甚至同單一感測晶片上的三至六軸慣性量測單元(IMU)將構成滿足現今許多消費性應用的完整應用解決方案，並達到在消費性應用上更具成本競爭力的目標。同時也冀望透過業界的先期參與同步開發進行以縮短開發時程，如此一來，在此類慣性感測元件技術商品化的同時，不但可提供台灣MEMS產業、IC設計產業與封測產業一及時的技術支援與佈局，以面對即將到來的這波市場機會，也可在產業效益上，結合國內微機電代工廠、IC代工廠和封測廠組成一完整的產業鏈，為國內產業提供一完整的製造解決方案。

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