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剖析MEMS技術之消費性應用
 

【作者: 陸向陽】   2007年11月30日 星期五

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近年來微機電系統(MicroElectroMechanical Systems;MEMS)一詞可說是愈來愈熱門,但許多人仍不解其意,在本文開始之前或許能做些說明。


許多人都知道何謂積體電路(Integrated Circuit;IC),IC是將電路中的電阻、電容、二極體、電晶體等電子元件及線路,不斷以更精巧、更縮密的尺寸來製造,即是將電子電路微縮化,此可稱為微電子、微電路。


將同樣的道理從電子領域對應到機械領域,MEMS就是不斷將機械性元件以更微縮的方式來製造,此可稱為微機械,微電子包含微電子元件與微電子線路,而微機械也包含微機械元件與微機械結構,不過MEMS除了具有微機械外同時也搭配上微電子,讓機械與電子融合、接軌,如此在極小的尺寸內同時有機械與電子功效,就稱為MEMS。



《圖一 圖中一隻大小連1mm都不到的蜘蛛?,其腳下的機械性齒輪卻比牠更小,此即是運用MEMS技術製程的微型機械化元件。(資料來源:www.eee.metu.edu.tr)》 - BigPic:639x479
《圖一 圖中一隻大小連1mm都不到的蜘蛛?,其腳下的機械性齒輪卻比牠更小,此即是運用MEMS技術製程的微型機械化元件。(資料來源:www.eee.metu.edu.tr)》 - BigPic:639x479

MEMS的應用延伸

MEMS是近年來才有的嗎?答案為否。MEMS技術已有多年歷史,只不過MEMS與類比電路一樣,都因為數位電路技術的飛躍性成長而相形失色,相對之下MEMS與類比電路的技術突破就偏緩慢,因此MEMS過去多未受重視,僅少數幾家業者長時間投入於MEMS領域,如美國德州儀器(TI)、德國博世(Bosch)等。


不過近年來數位電路的技術發展漸現瓶頸,加上歐美日等先進各國策略性地大舉投入奈米技術(Nanometer Technology)的發展,此與MEMS技術密切關連。此外MEMS的應用範疇開始擴展延伸,使大眾開始注視MEMS。


到底MEMS技術的應用如何擴展延伸呢?特別是消費性產品領域的擴展延伸,本文以下將對此進行更深入的討論。同時以今日多項最具代表性的MEMS為例來說明。


噴墨頭

噴墨印表機的噴墨頭(inkjet print head)是目前使用最多年、用量最大的MEMS裝置,其中機械部分是由許多孔徑極細的噴嘴管所構成,而電子部分則負責控制墨水在管中的溫度,運用電子加熱方式對管內的墨水加溫,墨水受熱後產生壓力氣泡,迫使墨水以墨滴方式噴出管外,之後墨滴沾至列印紙上,反覆進行此程序即可完成列印。


按理而言印表機為電腦的周邊裝置,屬於電腦、資訊(Computer、Information)領域而非消費性(Consumer)領域,不過近年來噴墨印表機積極追求更普及性的應用市場,例如用印表機列印數位相片,列印個性化月曆、T恤、馬克杯等,因此在商務型印表機外,家用型印表機也能歸入消費性領域。


除了家庭列印市場較商務列印市場廣大外,噴墨頭技術的新進業者也傾向先進入家用市場,以台灣的明基電通(BenQ)而言,其自行研發的噴墨頭技術就較傾向用於家庭用噴墨印表機,原因是商務型機種需要較高的列印表現,有較高的技術挑戰性。


因為噴墨頭技術已有多年歷史,許多專利已逐漸到期,過去技術集中在少數業者手上,如美國的惠普(HP)、歐洲的意法(ST)等,並由少數業者自研自產的情形將逐漸解除,取而代之的是代研代產,例如台灣的亞太優勢微系統(Asia Pacific Microsystems;APM)、台積電(TSMC)都積極投入於MEMS方面的代工技術。


壓力感測器

壓力感測器(Pressure Sensor)是另一個普及性的MEMS裝置,且運用廣泛。不過近年來較熱門的一項應用是在汽車領域中,即是胎壓監督系統(Tire Pressure Monitoring System;TPMS)。



《圖二 運用MEMS技術製造出的極微小8×8矩陣型壓力感測器。(資料來源: mems.mirc.gatech.edu)》 - BigPic:662x390
《圖二 運用MEMS技術製造出的極微小8×8矩陣型壓力感測器。(資料來源: mems.mirc.gatech.edu)》 - BigPic:662x390

《圖三 美國Freescale的MPXY8300胎壓監督晶片內整合了壓力感測器、8位元微控器、無線射頻收發器、以及XY的雙軸加速度感測器。(資料來源:media.freescale.com)》 - BigPic:734x620
《圖三 美國Freescale的MPXY8300胎壓監督晶片內整合了壓力感測器、8位元微控器、無線射頻收發器、以及XY的雙軸加速度感測器。(資料來源:media.freescale.com)》 - BigPic:734x620

TPMS是在汽車的輪胎與鋼圈間埋入壓力感測器,機械部分是壓力感測,而電子部分是將感測到的壓力數據進行調變,然後以無線電方式發送至汽車本體,汽車本體接收到發波後進行解調即可得知各輪胎的壓力值。不過MEMS部分僅限於埋於輪胎內的部分,汽車本體的數據接收就不需要用到MEMS技術。


以上所言屬於汽車底盤部分的監督、控制,不屬於消費性應用,真正屬於消費性應用的是今年日本任天堂(Nintendo)在E3展中展示的新款Wii遊戲控制器:Wii Fit。Wii Fit是一塊類似體重計的腳踏板,遊戲的玩家將雙腳置於踏板上,並運用雙腳重心與平衡性來進行遊戲,而Wii Fit內部所用的必然是壓力感測器。



《圖四 Wii Fit內部具有壓力感測器,可感應玩家雙腳的壓力重心變動,以此來進行遊戲的操控。》 - BigPic:914x568
《圖四 Wii Fit內部具有壓力感測器,可感應玩家雙腳的壓力重心變動,以此來進行遊戲的操控。》 - BigPic:914x568

值得一提的是,Wii Fit雖會用上壓力感測器,但壓力感測器可用各種工藝技術來製造,MEMS技術只是其一而非唯一,所以Wii Fit也可能使用其他技術製成的壓力感測器,不一定是MEMS型壓力感測器。然而Wii Fit僅是預告而尚未正式發表,未來仍有變更設計的可能。


數位微鏡裝置

數位微鏡裝置(Digital Micro-mirror Device;DMD)是TI發展多年的一項MEMS技術,早在80年代就已投入,但一直到近年來才從商業銷售中獲利,DMD主要是用於DLP(Digital Light Processing)技術原理的投影機中,除了DLP外也有其他的投影技術,如LCD技術、LCoS技術等,過往也有CRT技術。


嚴格而論DMD不僅僅是MEMS,而是MOEMS(Micro-Opto-ElectroMechanical Systems),可稱為微光機電系統,即是除了「機械」、「電子」之外也牽涉到了「光學」原理,DMD的機械部分是可以活動的微型鏡片,而電子部分則控制微型鏡片的機械性活動,是要讓鏡片朝左偏向,或者是要讓鏡片朝右偏向,至於光學部分則是將光打向鏡片,之後由鏡片的偏向來決定是要將光略去,還是要將光投影出來,如此反覆動作即可形成影像的投影。


瞭解DMD裝置、DLP原理後,進一步則談論其應用屬性,過去投影機的價格相當昂貴,大體只有研討會、展覽館、商務簡報等場合會用上,而購買投影機的必然是機構、企業等用戶,屬於商務類型的市場。


然而近年來投影機價格不斷下降,同時數位性的視聽家電也不斷普及,所以業者大力鼓吹「家庭劇院」的概念,鼓勵家庭在自家建構起劇院級的影音環境,如此投影機將逐漸成為必要的角色,如此投影機就成為消費性產品,DMD、DLP即可跨入消費性應用。


加速度感測器

導航定位

加速度感測器(Accelerometer)與陀螺儀(Gyroscope)過去多用在慣性導航系統(Inertial navigation system)中,特別是一些大型運輸器上的導航系統,如輪船、飛機等,加速度感測器與陀螺儀可以用多種技術來製造,不過運用MEMS技術才能使其體積達到最大的精縮。


一旦體積獲得精縮,就能使裝置運用在更多地方,然而礙於機械性結構的限制,加速度感測器能運用MEMS技術而讓體積大幅縮小,但同樣運用MEMS技術來精縮陀螺儀的體積卻不能獲得相同的精縮程度,所以加速度感測器能擁有比陀螺儀更廣泛的應用,精縮後的陀螺儀依然以導航為其主要應用,精縮後可從飛機、輪船的運用轉移到汽車中運用。


當然,今日有多種導航技術,最流行的莫過於GPS(Global Positioning System)的衛星定位,然而GPS必須在行車於戶外時才有用,因為定位資訊是從大氣層外的衛星發送回地面,電波經過長遠的傳遞衰減後其信號已相當微弱(只有手機電波強度的數百分之一),無法穿透汽車鐵殼來進行接收,車上的GPS接收器必須只隔著玻璃(信號能量仍足以穿透玻璃,但裝有隔熱紙例外)進行信號接收。


所以,汽車一旦駛入地下停車場,或者進入隧道後,就完全接收不到衛星信號,如此定位將短暫失效,但過大的停車場或過長的隧道等依然要導航定位,或者在高聳密集的巷道內接收也會不良,這時就需要輔助性的導航,而加速度感測器就可以派上用場,目前業者正積極發展「GPS+加速度感測器」的導航系統,讓導航盡可能連續不中斷。


但是,加速度感測器也並非是唯一的輔助導航手段,地磁感應也是另一種被看好的作法,或者是手機基地台定位等,且汽車空間也足以使用陀螺儀,所以在附註定位的角逐中加速度感測器也不能掉以輕心。同樣的,個人導航、行車導航的產品近年來大熱銷,導航產品也已被視為消費性產品,而非飛機、輪船上所用的專業設備。


硬碟防護

除了導航外加速度感測器還有多種應用,例如近年來手持行動裝置(如MP3隨身聽、PMP等)經常使用微型硬碟(Micro Drive)內來做為其儲存,但硬碟相當懼怕晃震,突如其來的晃震將使硬碟內的讀寫頭拍打到碟面,造成資料損毀。


因此,業者在微型硬碟上設置加速度感測器,一旦硬碟遭受突如其來的外力,感測器將提前感應,進而通知硬碟上的控制器,控制器可及時將讀寫臂拉離碟面,防止讀寫頭拍打碟面,以此來確保資料安全。


在消費性的MP3隨身聽、PMP(Portable Media Player)的微型硬碟逐漸採行此種保護技術後,回推到資訊領域的硬碟也將設置相同的防護機制。


汽車防護

加速度感測器不僅防護硬碟,事實上更早之前就用於汽車中,汽車內的安全氣囊(Air Bag)是否要開啟,就是先透過加速度感測器來感應車速與撞擊程度,並在及短時間內進行研判,以決定是否要開啟安全氣囊。


安全氣囊只是最初步的一項汽車防護應用,如今則有更多的應用,例如將加速度感測器設置於汽車的兩側,之後感應與比對汽車兩側的加速度,一旦左右加速度在短時間內改變劇烈,表示汽車正在急速左偏右偏,表示行車遭遇危險,這時汽車就會啟動緊急處理機制,必要時甚至由電腦接手方向盤,以確保駕駛與車內乘客的安全。


類似的,汽車的各處將埋設愈來愈多的加速度感測器,並不斷回報各處的加速度值,透過電腦快速運算來研判車體的運算,並啟動更多的行車防護機制。


遊戲控制

加速度感測器的另一項妙用是電玩娛樂,Nintendo的Wii電視遊樂器,其遊戲控制器:Wii Remote內就設置了三軸(Tri-Axis)加速度感測器,可以感應玩家對控制手把的移動性,包括X(左右)、Y(前後)、Z(上下)等方位的移動都能感應。


要注意的是,Wii Remote的主要控制雖是用加速度感測器,但在此加速度感測器也不是唯一的感測器,事實上Wii Remote內還設置了影像感測器(Image Sensor),運用該影像感測器(已不屬於MEMS技術,而是屬於光電半導體技術)來感應來自Wii的感測條(Sensor Bar)發出的紅外光,以此做為手把動作的輔助性移動感應。


自從Wii因應手勢型遊戲遙控器而大受歡迎後,Sony的PlayStation 3也跟進推出手勢型遊戲控制器,運用的技術一樣使用到加速度感測器。


創意親和式設計

同樣是明星消費性產品上的應用,美國蘋果(Apple)推出的手機:iPhone,其機內也設置了加速度感測器,主要是用來感測使用者如何拿持iPhone。iPhone除了手機通話外也可充當口袋型電子相簿、掌上型上網機、可攜式媒體播放器等,當使用者橫拿iPhone時,iPhone就以橫向方式顯示相片、網頁、動畫視訊,反之若是直拿著iPhone手機,則相片、網頁、影像等也會對應轉向90度,改成直向方式顯示,以此來增加使用上的舒適度、方便性。


以上是多種加速度感測氣的應用,然而不同的應用需要不同的加速度感測器,有的只要用單軸型,有的要XY兩軸型,有的則是XYZ三軸型,有的應用要感受高速移動性需要使用高g型(如Air Bag),有的為低g型(如iPhone),並非單一種加速度感測器就能適用所有的應用。


麥克風

有許多技術可以製造出麥克風(Microphone),MEMS同樣只是多種方式中的一種,以MEMS技術製成的麥克風有時也稱為麥克風晶片(microphone chip),或者是矽型麥克風(silicon microphone)。


即便是用MEMS技術來製造麥克風也有數種不同的作法,包括電容法、壓電法、壓阻法、光學法(屬於微光機電)、微流法(或稱熱流法),各種方式各有其優缺點,例如光學法擁有較高的精度,但成本偏高,僅適合航太之類的先進應用,或如壓阻法難以提升靈敏度,且技術尚不易實用化,或者壓電法存有雜訊的問題等。


環顧來看現階段最可行、也使用最多的是電容法,事實上傳統麥克風(稱為駐極式麥克風:Electret Condenser Microphone;ECM)其原理也屬電容法。


以MEMS技術製成的麥克風與傳統麥克風相比有多項好處,以MEMS的晶圓方式生產將比傳統方式生產更有效率、更適合大量生產,另外也容易與其他微電子電路整合製造,例如做成陣列式麥克風、數位式麥克風、與匯集多功效的系統單晶片一同整合、或與影像性電路(如影像感測器)一同整合等。


此外用MEMS技術製造的麥克風擁有較整齊的生產品質、特性表現較穩定一致、在與其他應用電路一同生產製造時較能承受高溫製程(例如過錫爐)、再加上體積比傳統麥克風更為嬌小,所以更適合短小輕薄的產品設計。



《圖五 Infineon的MEMS型麥克風SMM310僅傳統麥克風約50%的體積,功耗更是只有過往的33%。(資料來源:Infineon.com)》 - BigPic:861x590
《圖五 Infineon的MEMS型麥克風SMM310僅傳統麥克風約50%的體積,功耗更是只有過往的33%。(資料來源:Infineon.com)》 - BigPic:861x590
《圖六 Akustica的MEMS型數位麥克風AKU20xx系列,其封裝尺寸僅4x4mm,適合單一麥克風的產品運用,或者是筆記型電腦內的麥克風陣列應用。(資料來源:Akustica.com)》 - BigPic:625x521
《圖六 Akustica的MEMS型數位麥克風AKU20xx系列,其封裝尺寸僅4x4mm,適合單一麥克風的產品運用,或者是筆記型電腦內的麥克風陣列應用。(資料來源:Akustica.com)》 - BigPic:625x521

所以,純就取代傳統麥克風而言MEMS型麥克風就具有極大的優勢,但更重要的是其他的擴展應用,隨著新一代PC逐漸用HD Audio(高清晰音效)來取代AC’97後,PC的錄音音質也比過去更受到重視,HD Audio強調用陣列式麥克風來強化錄音的音質,進而強化語音辨識應用的辨識率,而MEMS型麥克風比傳統麥克風更適合做成陣列式組態。


再者,隨著Internet的普及,愈來愈多人使用網路電話,傳統用類比麥克風來感測,之後將類比感測數據進行數十公分、甚至上公尺的距離傳遞,則類比信號將因傳遞過程中的雜訊干擾而減損信號真實度,為了在長距離傳輸後依然能保持聲音的真確度,近年來開始提議數位式麥克風,即是類比感測後立即將感測值轉換成數位型態,再以數位方式進行長距離傳遞,而數位訊號具有較高的抗雜訊性。


關於此也是MEMS方式製造的麥克風優於傳統麥克風,如前所述,MEMS型麥克風可以與微電子電路整合,MEMS型麥克風內可以整合前級放大器(Pre-Amplifier,或稱前置放大器)、類比數位轉換器(Analog-Digital Converter;ADC),前級放大器將感測到的類比聲波信號放大,之後再由ADC轉換成數位型態,最後再進行輸出傳遞。


類似的,現在影像電話的應用愈來愈普遍,為了應用更方便,也為了更短小輕薄取向的設計,MEMS型麥克風能與影像感測器一併整合製造,如此同一個晶片既負責聲音接收也負責影像接收,將有助於影音同步應用的推行。


MEMS前程似錦

以上所談的是比較常見的幾項MEMS裝置,其他還有通訊應用的薄膜諧振濾波器(Film Bulk Acoustic Resonator;FBAR),或如微流體感測器應用在醫療領域的血液流量感測,汽車引擎內注油量的感測等,由於與消費性無關,在此不予討論。


雖然MEMS應用愈來愈廣,但最為看好的依然是消費性領域,原因是消費性應用的用量大,技術層次卻多半低於產業性應用,所以往後數年內的市場將不可限量,為此過去多年來只以汽車用零件為主業務的Bosch,於2005年分立出Bosch Sensortec,就是期望其原有只服務車用領域的MEMS部門別再僅限於汽車應用,而能在更廣泛應用的MEMS市場中有更多的作為,因而將其分立。由此就更能感受到MEMS的未來商機。


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