若问今(2007)年最热门的电子技术议题，如非iPhone的Multi-Touch触控技术，那就是Wii的MEMS感测技术。两者有个共通之处，那就是赋与消费性电子及通讯产品更「人性化」的「交互式」接口，进而掀起了一场新的接口革命。

新技术对于应用型态的冲击甚大，然而，这些技术的实现并非一蹴可及的。MEMS的开发早在1970年代中即已展开，至今已发展了约三十年了。在今日消费性大众市场投予关注的眼神之前，其实已有一些MEMS组件大量供应于市场当中。其中最大量的当属用于打印机喷墨头中的微流体组件，这个市场由HP所主导，每年有数亿颗组件在量产出货。

其次是用于投影及显示器设备中的微面镜（micro-mirror）数字光处理（digital light processing, DLP）MEMS组件，这是TI开发多年、在1987年提出的专利技术，但一直到近几年才进入到商业化的阶段，成为前投与背投高阶显示系统的关键技术，提供极可靠的全数字化显示解决方案。目前DLP拥有约50%的全球前投式投影机市场，提供350多种产品。在显示器尺寸超过40英吋的1,080p HDTV技术中，DLP也已经是市场上的领导技术。

DLP组件可说是目前最复杂的光源开关，它包含了最多达220万用铰链安装的微型运动镜面组成的矩形数组，每片微型镜面的大小都不超过人类头发丝厚度的五分之一，对应投影图像中的一个像素。因此，单芯片的DLP投影系统可以产生至少1670万种颜色，而专业产品与DLP影院投影系统中的三芯片系统甚至能够产生35万亿种以上的色彩。

MEMS走入大众市场

除了微流体与DLP外，MEMS组件还有许多不同的类型，包括光学MEMS、RF MEMS、惯性传感器、压力传感器、MEMS麦克风、磁电阻（MR）传感器、iMOD（Interferometric Modulator）、MEMS谐振器等等。可应用范围则几乎涵盖所有领域，除了热门的信息、通讯、消费性等3C市场，以及汽车电子这个第4C（Cartronics）外，也适用于汽车、军事、生物、医疗、化学等各种领域，几乎任何需要机械组件的小型化电子系统都可能用得上MEMS。

MEMS走入大众市场

根据IEK的调查数据，在应用面的扩散带动需求逐年增温之下，整体MEMS市场近几年来均保持二位数的成长幅度。以2006年为例，整体MEMS市场达到59亿1,400万美元，相较前一年成长了15.6%。而随着消费大众对于MEMS所能提供的功能接受度提高，上述新兴应用领域对于MEMS组件的需求将持续增加，预计2005~2009年市场仍将维持16%的年复合成长率，至2009年可达91亿2,200万美元。然而，并非所有的领域都呈现高成长的态势，在很多领域中MEMS仍处于研发阶段，而以喷墨头为主的信息应用虽然仍是最主要的应用领域，但随着市场渐趋成熟，在新兴应用的快速成长下，它占整体MEMS出货量的比重将会逐年下降。起而代之的则会是通讯应用及消费性电子市场对MEMS需求的大量浮现。

未来手机平台可望大量采用MEMS麦克风、RF MEMS、MEMS Oscillator、Inertial Sensor、Auto Focus与Micro Projector等新技术，预估MEMS在通讯领域的出货比重将由2005年的4%迅速成长至2009年的27%。

此外，消费性电子产品也是MEMS抢攻的市场。In-Stat/MDR指出，加速计、陀螺仪、麦克风、扬声器、光学MEMS和RF MEMS等是在消费类电子产品中最具影响力的MEMS组件。至于最具潜力的应用则包括家庭影院、可携式摄影机、数字电视、手机和电子玩具等。以下将介绍值得关注的新兴MEMS技术。

运动传感器所谓运动传感器（又称惯性传感器）即是用来测量物体运动量的改变，包括方向、位移、线性加速度及角加速度等，运用到的MEMS组件主要是两轴／三轴加速度计（Accelerometer）及陀螺仪（Gyroscope）。

在新兴MEMS的技术当中，目前最受瞩目的无疑是运动传感器的利用，In-Stat/MDR市调公司即预测，2003~2008年消费电子市场中MEMS销售额的复合年增率将达到13.2%，我们也预估到了2010年时，这个市场对MEMS的需求量将可达15亿件，届时的产值可望达到14 - 15亿美元。

法国市场研究公司Yole Development最新的报告也指出，2005~2006年陀螺仪和加速度计市场成长了55%，达到2.32亿美元，预计2006~2011年平均复合成长率为35%。此市场的主要成长动力来自于加速度计，预估到了2011年，它将占整体MEMS销售额的65%。消费性应用到2011年将占整体MEMS销售额的40%，其他应用包括汽车应用、医疗、工业与航天国防等领域。

1.加速度计

除了车用领域外，其实加速度计可被应用的领域相当广，举凡需要感测由于坠落、倾斜、移动、定位、撞击或振动产生微小变化的产品，都可以导入加速度计。另一个常见的应用在于硬盘的坠落保护。其作法是当硬盘不慎掉落时，传感器会立即传出警讯，要求系统关闭马达并将读写头从盘片表面上方移开，因此不会有任何组件与硬盘机内的储存媒介相互碰触，如此一来即能保护行动设备在发生意外振动或摔落时，其档案内容仍能安全无虞。

还有一个新兴的应用，就是利用加速度计来做为操控手持设备的人机接口（Man Machine Interface, MMI）。内建加速度计的手持设备可以透过一些特定动作来控制应用功能，Wii的游戏操控是很具说服力的例子；此外，也可以利用倾斜角度来左右浏览地图或照片、利用摇动方式来启动应用功能（如播放下一首音乐）或关闭设备、只要转动90度就会自动翻转屏幕（图像自动翻转）。

目前提供加速度计方案的厂商不少，知名的包括ADI、ST、Freescale、Bosch、VTI等。

《图一 三轴加速度计的应用领域》

2.陀螺仪

加速度计是用于测量线性加速度运动的改变状况，陀螺仪则是用来测量物体的角速度，两者具有互补的功能，能够提供更完整的运动行为判断。目前加速度计因成本已降到消费性产品可接受的程度，因此开始打入市场。加速度计的成功，也让陀螺仪的应用受到关注，不过，陀螺仪目前仍存在着裸晶较大、高成本和高功耗等缺点，因此还很难被消费市场所接受，主要应用在高阶市场，如汽车的翻滚侦测。

一些厂商已致力于采用标准化的制程技术，以量产化来降低陀螺仪的成本，如ADI与InvenSense。他们致力于将陀螺仪推向可携式的产品当中，目前较成功的应用是作为数字相机光学防手震或电子防手震的核心技术，下一步则准备打入个人导航设备（PND），作为GPS导航的临时替代性定位技术，即所谓的航位推算（Dead Reckoning, DR）技术。在GPS讯号被阻挡或干扰而不能进行定位的环境中，透过陀螺仪可以判别出车子的转弯方向与坡度大小，它能与三轴加速度计整合，共同来提供暂时性的定位能力。

《图二 数字相机光学防手震应用陀螺仪技术》

其他的应用领域还包括3D摇控、空中鼠标、游戏游戏杆等，让家庭中的远程操控能更为直觉化、人性化，让一般用户能透过单纯的手势动作来进行选单目录操控或游戏，进而大幅简化对于按键的依赖。此外，陀螺仪的最终目标市场还是最大宗的手机应用，其庞大的市场有助于压低陀螺仪的成本。未来手机采用陀螺仪的动力，可能来自于与GPS和相机防震功能整合在一起，以为手机提供更吸引人的功能特性。

MEMS麦克风

目前在随身型的笔记本电脑、手机、PDA或照相机、游戏机，以及家庭中的显示器及机顶盒（STB）当中，都开始出现收音的需求，以便满足包括VoIP、Skype、Google Talk、照相录音、游戏音效等新兴的应用，这个趋势也带动微型麦克风市场的快速成长。今日微型麦克风组件每年的销售量已达15亿个单位，而新的MEMS麦克风（也称硅晶麦克风）具有小尺寸、抗噪讯及易开发等优势，已成为取代传统驻极体电容式麦克风（Electret Condenser Microphone, ECM）的主流选择。

ECM麦克风因采用机械性的设计，因此尺寸过大，对于可移植性设备来说不易被整合进去。相较之下，MEMS麦克风的体积只有ECM麦克风的一半，而且已透过ASIC设计整合了过去分离式的一些组件，如A/D转换器，并具备了音频讯号处理的数字化功能。此外，它具备更强的耐热、抗振和防射频干扰等性能，而且能采用全自动表面贴装（SMT）生产制程，因而能简化生产流程、降低生产成本。

数字化的优势，让MEMS麦克风成为笔记本电脑的极佳选择。它所所提供的数字化输出，能够在整个音频路径上维持正确的传输，进而大幅改善这些模拟麦克风所遭遇的各种干扰问题，而且让新型麦克风可以配置在离开机械噪音及RF/EMI干扰最远的理想位置。此外，采用两个以上麦克风所组成的嵌入式数字输出麦克风数组，能够透过波串成型（beamforming）的软件技术来撷取所需的音频讯号，有效排除不需要的杂音，这对于笔记本电脑的VoIP应用是一大利多。

《图三 MEMS麦克风数组示意图》

目前MEMS麦克风的产值已达5亿美元，预估到2009年时将成长一倍以上，可望突破10亿美元。这让许多厂商跃跃欲试，积极投入此一新兴市场。目前较知名的厂商包括Akustica、Knowles Acoustics和Sonion MEMS等，国内包括工研院电子所、美律、亚太优势、探微、日月光、菱生、硅品、天瀚等20余家扬声器、麦克风和其他电声组件厂商，也共同成立了「微电声产业联盟」，以整合上、中、下游厂商，建立从电声组件设计、组件制作/代工、组件封装至系统模块的完整产业需求为发展目标。

IMOD显示器

对于手持式装置来说，功耗往往是最主要的考虑问题，而显示器往往是最为耗电的单元。在今日强调视讯、影像使用的时代中，显示器的功耗更成为相当头痛的问题。MEMS技术在此领域也已有建树，Qualcomm开发的IMOD（Interferometric Modulator） 技术，即是一项基于MEMS的干涉测量调节显示技术，强调能够像光的薄膜干涉那样，获得如蝴蝶翅膀和孔雀羽毛那样斑斓的色彩，而且能比其他显示技术提供更低的耗电量。

IMOD显示器是一种基于薄膜光学原理和MEMS结构的反射型显示器，其反射率接近反射式薄膜晶体管LCD显示器的两倍，即使在阳光直射下仍具有和纸张一样的可读性。相较于LCD或OLED显示器，IMOD因具有双稳态特性，能够大幅降低显示器的功耗，进而能延长电池寿命；此外，IMOD不需随时对屏幕上的图像进行更新，它几乎只有在当前的显示图像需要变化时才进行图像刷新，这一特性使得IMOD显示器很适合需要长时间保持图像稳定的应用。

《图四 IMOD的双稳态特性示意图》

IMOD技术的出现已有几年时间，但一直到近期才有商品化的应用。日前Ubixon推出的蓝芽立体声耳机，即是业界第一款采用Qualcomm IMOD显示器的随身型设备。

嵌入式超小型投影机

手机的功能已经非常多样，但因MEMS的出现，它的发展仍无止境。有一项极具创意的应用，就是在手机当中嵌入一个超小型的投影机模块，进而让手机能够投射出更大的屏幕，而不会受限于今日仅数吋的显示器，让手机用户能更进一步享受视讯的效果。目前已有多家组件公司投入超小型投影机的开发，包括TI、Microvision、Canon、Micro Precision、Stanley电器、日本信号、日本产总研、韩国SAIT，以及德国Fraunhofer-Gessellschaft等。

《图五 透过手机、PDA投影的显示应用模式》

超小型投影机的关键组件为一具致动器的微反射镜（Micro-Mirror），它会将雷射光源反射至不同的方向，形成光线扫描，进而形成影像。其中致动器与雷射光源是设计的重点，目前致动器的驱动方式又分为静电容式、电磁驱动式与压电驱动式三种；在光源上则是利用SHG（Second Harmonic Generation）技术来解决所需的绿光半导体雷射光源需求。

目前TI已推出可封装到手机上的超小型投影机模块第2代产品，此模块采用DLP微型组件来提高画质与亮度，其厚度则缩小到可封装到厚10mm的超薄手机上的尺寸。此外，Microvision也成功开发出采用2轴MEMS扫描仪和雷射光源的嵌入式超小型投影机样机，其光通量为10~15lm，影像分辨率相当于WVGA。值得一提的是，由于采用了雷射光源，即使将影像投射到弯曲的物体上，也可在整个画面上显示对准焦点的图像。

MEMS振荡器

上述的MEMS技术，往往适用于特定的市场领域，但有一项MEMS技术，却可能对整个电子产业造成巅覆性的影响。这个技术就是MEMS振荡器。目前几乎所有电子设备中都以石英晶体振荡器来提供频率，但它一直存在一些缺点，如价格昂贵、比硅低20倍的可靠性、尺寸大、制造时间长、与CMOS不兼容，而且一种封装只能对应一种频率等等。MEMS振荡器发展的目标之一就是通过引脚对引脚的兼容方式，替代石英晶体振荡器，以降低电子系统成本。

目前，全球石英晶体振荡器市场年规模为30亿美元，每年生产90亿颗石英晶体振荡器。然而，在大多数应用中MEMS振荡器的性能与传统的石英振荡器不相上下，而且具有种种优势。相较于以往要由多个振荡器提供的多个频率，MEMS振荡器能够以单一芯片来根据需求产生不同时基；与石英晶体必须采用的密封外壳陶瓷封装不同，MEMS振荡器可以采用塑料封装，进而能有效降低成本。

MEMS振荡器与CMOS整合的优势，让它最终可能被整合到每个需要频率的芯片中，而非从单一的石英晶体引出多个频率讯号。此一发展对电子产业来说无疑是一大革命，就如同真空管被晶体管所取代一样，未来石英晶体也将可能被硅技术所取代。目前掌握此技术的厂商包括SiTime、Discera、WiSpry、Ecliptek、Innovative等，而MEMS振荡器的最早应用领域可能是硬盘驱动器、DVD播放器、数字录像机、汽车电子、工业和笔记本电脑等。

《图六 SiTime MEMS振荡器架构》

RF MEMS

还有一个极为重要的应用领域，即是在射频（RF）单元中采用MEMS技术，例如天线开关、发送/接收声表面波滤波器、RF收发器的VCTCXO、32.768KHz晶体振荡器等。目前无线及行动技术愈来愈多样，射频系统已被要求做到多模（multiband）的功能，而且模块化的尺寸要愈来愈小。这也是RF MEMS受到重视的原因，因为此作法能解决小型化、低成本、模块化、一体化（monolithic）等难题。

结论

还有一个极为重要的应用领域，即是在射频（RF）单元中采用MEMS技术，例如天线开关、发送/接收声表面波滤波器、RF收发器的VCTCXO、32.768KHz晶体振荡器等。目前无线及行动技术愈来愈多样，射频系统已被要求做到多模（multiband）的功能，而且模块化的尺寸要愈来愈小。这也是RF MEMS受到重视的原因，因为此作法能解决小型化、低成本、模块化、一体化（monolithic）等难题。

经过三十年的开发，MEMS看来已闯出自己的一片天。未来MEMS当然还有很多的挑战待克服，尤其是成本、功能整合与应用推展等议题。在成本方面，多数MEMS仍有价格偏高的门坎，要进入低成本的消费性市场并不容易，而这得靠标准化的制程及封测技术来克服。这个需求也迫使MEMS的生产将走向代工一途，传统的CMOS代工业可望因此而创造新的利润。

在功能面上，为了打入可携式的设备市场，不同功能的MEMS有必要进行更多的整合，设计出所谓的混合型MEMS（Hybrid MEMS）一方面可缩小体积，另一方面则可提供更完整、加值或创新的整合功能。眼前的例子将会先看到三轴加速度计与陀螺仪的整合。不过，即使有再强的MEMS功能，若没有适当的应用方式，那也是途然，因此，更容易上手的应用开发工具将是MEMS厂商也必须兼顾的一项工作。