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。目前三軸加速度計的單位售價已降到1.5美元以下，在更大的量產供應需求下，將可望降到1美元左右的價格條件，對於消費性電子產品來說將會更有誘因。在本文中將介紹三軸加速度計的應用、製程與技術原理。

汽車操控、安全與導航應用

在獲得消費性市場的注目之前，其實加速度計已廣泛被應用在汽車電子當中，例如安全氣囊（Airbag）、防鎖死系統（ABS）、電子穩定程式（ESP）、電子控制懸浮系統（ECS）等等。以目前一台車中愈裝愈多的安全氣囊來說，整個系統即可包括位於車體外的衝撞感測器（satellite sensor），建置於前座、後座、車門、頭部上方等各個地方的加速度感測器（g-sensor），電子控制單元，以及安全氣囊等。

當車體受到衝撞時，衝撞感測器能夠在數個微秒的時間內高速將此突變狀況告知電子控制單元（通常是16位元或32位元的微控制器），此控制器會立即根據碰撞的嚴重程度、乘客的重量、座椅/安全帶的位置等參數資料，以及其他偏佈於全車廂的安全系統感測器所傳回的資料，立即進行運算評估，並在最短的時間內透過電爆驅動器（squib driver）來啟動安全氣囊。

除了在車體操控的重要應用外，對於行車的導航，三軸加速度計的也將扮演一席之地。目前利用GPS定位的可攜式導航設備（PND）或車用嵌入式導航系統，當衛星訊號接收不良時，如進入隧道或其他天空遮蔽的環境下，就會失去導航能力。為了彌補這塊空缺，這些定位設備中已開始導入三軸加速度計、陀螺儀或電子羅盤等MEMS元件，以建置互補性的方位推算系統（Dead Reckoning；DR）。

電子產品硬碟保護

今日的電子設備中普遍使用了高速旋轉的硬碟機、光碟機，由於它們內部具有可動的電子元件，如果在運作中受到重大的衝擊，很容易造成嚴重的實體損害。因此，在筆記型電腦、數位相機、數位攝影機、手機、PDA、MP3、PMP、行動DVD等設備當中，逐漸被要求要具有一定的抗衝擊或抗跌落能力。

以一般1.2至1.3公尺的自由掉落來說，電子設備在撞擊大理石地面時會受到約50000g的衝擊力，良好的緩衝設計可以藉由外殼和PCB來大幅降低衝擊力，但仍無法保證硬碟裝置的不受損害。因此，今日的硬碟機中也內建了三軸加速度計，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，也就是在發現突發的加速度時，會立即關閉不耐震的電子元件電源，避免造成磁頭毀損或刮壞磁碟等不可逆的後果。

《圖一　加速度計在硬碟保護中的功用（資料來源：ST）》

消費性產品的創新性應用

在消費性及手持設備中，三軸加速度計能提供許多創新的應用功能。目前大家已較熟悉的是遊戲控制應用，也就是利用加速度計的動態感測功能來感測搖控器左/右傾斜、前/後傾斜、甚至上/下移動等動作，來轉換為玩家在遊戲中想操控的揮拍、擊球、釣魚、跳躍等動作，而能取代鍵盤以更直覺的享受到遊戲的臨場感，也能完成一些過去相當困難的細微操控動作。

姿態與動作識別

在手持設備的姿態識別和介面操控上，三軸加速度計也能實現畫面自動轉向、圖像瀏覽及目錄選擇等功能。以iPod touch來說，其內建的加速度計透過測量重力向量，就能確定它是處於垂直狀態還是水平狀態，並將圖像的顯示位置自動轉正，例如當用戶在觀賞照片、視訊或檢視地圖而以橫向觀看時，畫面會自動旋轉；當瀏覽網頁或目錄時，則可以再轉回直向顯示。

不僅如此，三軸加速度計也能用來操控畫面，也就是藉由傾斜手持設備來實現螢幕顯示內容的上下左右瀏覽，並可透過對單擊（單次振動）或雙擊（連續振動兩下）的識別，來進行各種功能的選擇，例如歌目選擇、手機撥號及靜音控制等。

趣味性功能

除了介面控制外，加速度計還能讓消費者體驗到許多趣味性的功能，例如骰子遊戲、虛擬樂器敲擊及「閃訊」（Wave Message）等。所謂的骰子遊戲是利用加速度計的動態感測功能，藉由搖動手持設備來控制骰子旋轉速度及停止時間；虛擬樂器敲擊則是藉由對手持設備的揮動感測，來控制敲擊樂器的節奏快慢及音量大小。

另一個「閃訊」功能則更富有想像力，其工作原理是在光線較暗的環境下，利用加速度計感測到手持設備的快速左右晃動，並透過主控制器來控制設備上的一排LED發光，藉由人類視網膜延時現象，形成視覺殘留的景象，因而形成連續的光影信號。使用者可利用此功能在空中顯示自行編輯的文字。

省電控制

對於手持設備來說，降低功耗一直是最重要的任務之一，而透過內建的加速度計，可以偵測到設備的使用狀況，並採取適當的省電控制模式，此舉將有助於延長手持設備的電池壽命。此外，加速度計也能提供計步器、電子羅盤補正（3D Compass）、照相防手震等附加功能。上述種種的創新應用能力，讓三軸加速度計成為手持設備中另一個不可少的新元件。

Thelma製程技術

三軸加速度計能夠成功打進消費性的市場，與其在製程技術上的成熟度息息相關。今日的MEMS元件皆致力於採用標準的CMOS半導體製造技術來建立機電結構，以充分利用全球半導體產業的所有相關製造、材料和控制知識。這對於量產及良率控制來說，具有深遠的影響意義；此外，採用CMOS製程的MEMS元件，能夠隨著批次生產、光罩製程的微型化先進製程演進，讓產品尺寸變得更小，也能從規模經濟中受惠。

不過，MEMS的製程技術與一般晶片的作法仍有差異。在早期的MEMS製造中，主要是採用體型微加工（Bulk Micro-machining）技術，是較簡單且穩定的細微加工方式，但由於採用單晶矽材料，使得元件的製造成本相當昂貴。目前的主流技術是採用多晶矽的表面型微加工（Surface Micro-machining），此作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。

雖然同樣採用CMOS製程設備與表面型微加工技術，但MEMS元件的製造商往往會根據自己的經驗發展出專屬的生產平台與流程，以充分發揮自己的生產能力，達到加速生產週期、良率控制及降低成本等目的。以ST的厚磊晶層（Thick Epitaxial Layer for MicroGyroscopes and Accelerometer, Thelma）技術來說，就是一套先進的的表面微加工製程，專門用來生產靈敏度高、感測範圍廣的加速度計和陀螺儀元件。

今日的表面微加工技術透過深度蝕刻及?牲層等概念，讓微小的裝置中也能製造出可動作的精密機械性結構。Thelma也採用了相同的技巧，它的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。

《圖二　表面型微加工示意圖（資料來源：ST）》

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。

這套技術提供完整的鑄模封裝，所生產的元件具有極可靠的物理性質，也能製造出最佳化型態的制止器（stopper），進而能降低電極之間的靜電摩擦風險。採用CMOS ASIC製程的意義上，也意味著更低的成本、更穩定的製程技術，以及具有晶片與感測器功能獨立的設計彈性。

加速度計技術原理

MEMS的類別眾多，加速度計是屬於MEMS傳感器（Transducer）的一種。MEMS傳感器可分為感測器（Sensor）和致動器（Actuator）兩大類，其中感測器會接受外界的刺激，透過感測器傳送出電子訊號，再轉換為可用的資訊；致動器則接受來自控制器的電子訊號指令，並做出要求的動作反應。MEMS感測器有很多種，包括加速度計、陀螺儀、壓力感測器、熱電堆（thermopile）感測器等；MEMS致動器的例子則包括光開關、MEMS顯示器等。

就MEMS感測器來說，其感測的方式是對一些微小的物理量進行變化測量，例如電阻值、電容值、應力、位移、變形、間隙（gap）等等，再透過電壓訊號來表示這些變化量。今日的加速度計有多種實現的方式，主要為壓電式、電容式及熱感測式三種方式。這三種技術各有其優缺點，以下將介紹電容式三軸加速度計的技術原理。

電容式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。

《圖三　線性加速度計MEMS結構示意圖（資料來源：ST）》

在此結構下，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(圖五)所示。因此，一個三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；一是標準的ASIC介面晶片，它會將電容變化轉換為電壓訊號輸出。

感測器與ASIC介面晶片這兩大單元雖然都可採用CMOS製程來生產，但由於實現技術上的差異，兩者目前大多仍會採用不同的生產流程，再將兩顆元件封裝整合在一起，成為系統單封裝（SiP）晶片。這兩顆元件可以用堆疊（Stacked）或並排（Side by side）方式來進行封裝。採用先進LGA封裝的ST加速度計元件只有3×5×1.0mm，此尺寸已相當適合小型化手持設備的使用。

不過，手持設備對於尺寸的微小化要求從無止境。為了滿足這需求，加速度計的感測與混合訊號單元會朝向晶圓級封裝（WLP）發展，以開發出兼具小尺寸、低成本與高效能的產品。至於更長遠的目標，自然是設計出單晶片的加速度計產品，進而能大幅減少封裝與測試的成本，而這往往是MEMS元件與CMOS晶片整合在一起時，最耗費成本的部分。

規格選用要領

雖然同樣是加速度計，但卻有不同的規格特性，分別適用特定的應用。以手持設備的姿態識別與單擊、雙擊動作偵測應用來說，只需選用低頻（0～20Hz）的加速度計即可；若需用於硬碟自由墜落的感測保護，必須選用中頻（～50Hz）以上的產品；對於汽車衝撞感測或洗衣機振動感測的應用來說，就需選用高頻（～100Hz）的加速度計。

加速度計的輸出類型選擇也很重要，包括類比式和數位式兩種。類比式為電壓輸出，因此系統中必須再外掛一顆ADC將類比訊號轉為數位訊號，而高品質的ADC價格不低，有時甚至高於MEMS的單獨售價。相較之下，數位式產品的介面晶片中已整合了ADC電路，能夠直接以SPI或I2C等數位介面進行傳輸，是更簡易的設計選擇。

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。

結語

三軸加速度計能為消費性電子、手持設備帶來許多的創新使用經驗，預料將可看到市場應用上的快速起飛，而且單一設備中可能不只內建一個感測器，而會有多感測器的需求。在未來的生活中，電子設備上的多感測器將是一個重要的發展趨勢，這將讓產品變得更具智慧性，讓使用者用起來更親切、便利和有趣，也讓設備得以形塑自己的差異性。

感測器的應用考驗著設計者的創意，未來隨時可能因感測器的新應用而再創Wii模式的市場高潮。對於加速度計來說，為了縮小尺寸及提升應用價值，製造商將會朝向混合式感測器（Hybrid Sensor）的方向設計，而與陀螺儀整合將是即將發生的下一步。未來單功能的感測器將朝低階市場發展，多功能的混合式感測器則將以更高的附加價值滿足中高階市場的需求。未來的發展，業者仍充滿了無窮的機會。

（作者為ST意法半導體公司類比、功率與微機電元件產品市場經理）