前言

微机电（MEMS）曾经是高深而新鲜的技术新名词，然而，当商业化的瓶颈逐步被克服后，近来MEMS已被广泛应用在一些电子设备当中，而且能为产品带来崭新的功能。任天堂的Wii游戏机是一个最好的例子，透过MEMS运动传感器（3轴加速度计）对动作的感测能力，将游戏的玩法带入全新的领域，也炒热市场对MEMS的兴趣。

何谓MEMS？它是一项结合电子与机械的微小化工程技术，也就是应用半导体制程技术来制作各种微小的精密机械组件，而且能进一步与今日的光电系统整合，以提供精微的感测或控制能力。早在Wii出现前，MEMS组件就已在多个市场中大行其道，其中最著名的是例子是在打印机的喷墨头中，已普遍使用微流体组件；另一个成功的例子则是微面镜数字光处理（Digital Light Processing；DLP）组件，目前被广泛用于投影显示器当中。

今日备受瞩目的焦点，则是MEMS在消费性应用中的发展。由于消费性市场的需求量庞大，MEMS可望因进入此市场而获得长足的成长，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。

除了游戏机控制器、NB硬盘中的加速度计外，在手机及数字相机中开始加入稳定影像的整合式双轴陀螺仪、音效系统中采用硅晶麦克风，甚至在钟表中采用具多种定时应用功能的硅晶共振器等。不过，最值得期待的，还是MEMS在手机和游戏机等消费性产品与人机接口新产品的应用潜力，因为它们的汰换速度快，而且市场量可观。

MEMS制程技术

两种微加工技术

半导体制程技术一日千里，而MEMS产业也致力于应用CMOS制程来开发组件，以获得低成本、易于扩大产量、提升良率及具设计弹性等优势。目前主流的制程技术有两种，分别是体型微加工（Bulk Micro-machining）及

表面型微加工（Surface Micro-machining）。体型法是较简单且稳定的细微加工方式，但表面法不论是加工的精确度及分辨率皆优于体型法，而且更接近集成电路半导体制程的标准作法，更适合用来整合电子电路。请参考(图一)所示。

《图一 表面型微加工示意图 》 数据源：ST

为了充分发挥其累积的设计经验及制程设备，MEMS制造商在制程中虽采用了与CMOS相同制程的设备，但不同的公司往往有自己的设备使用方式与步骤。不过，为了加速生产周期及降低成本，各家厂商最好能为自己的核心技术发展出标准化的生产平台，例如ST的厚磊晶层（Thick Epitaxial Layer for MicroGyroscopes and Accelerometer, Thelma）技术。

举例：Thelma表面微加工制程

Thelma是一种表面微加工制程，可用来实现灵敏度高、感测范围广的加速度计及陀螺仪等组件。其流程包括六个主要步骤：基底热氧化、水平互连的沈积与表面图样化（patterning）、牺牲层（sacrificial-layer）的沈积与表面图样化、结构层的磊晶生长、用信道蚀刻将结构层图样化、以及牺牲层的氧化物去除与接触金属化沈积。

与传统微加工制程相较，Thelma制程会生长一块15微米（um）的多晶硅磊晶层，这是相对较厚的硅结构，它能增加垂直表面积，因而增大平行于基底行动的静电启动器中的总电容器；多晶硅也具有良好的耐疲劳性及抗冲击性。此外，该技术也可以减少芯片面积，因而克服体型微加工过程常见的设计局限。

线性加速度计技术架构

位移与感测原理

以下来看看当红的线性加速度计的技术架构与规格。2轴与3轴线性加速度计是利用硅的机械性质所设计出的可移动结构，能够感测不同方向的加速度或振动等运动状况。它的机械结构中包括一组随自由质量（free mass）（即运动体）移动的硅梳齿（Silicon fingers）和一组固定的硅梳齿，前者的功能是可移动的电极，后者则是固定的电极，当可移动的梳齿产生了位移，就会产生电容性的改变，此一改变与位移成比例关系。

《图二 线性加速度计MEMS结构示意图 》 数据源：ST

线性加速度计MEMS结构示意图因此，简单的说，线性加速度计的感测原理是当其中的运动体（rotor）出现加速度运动时，就会产生电容量的差异变化（ΔC），此变化会传送给另一颗接口芯片（Interface chip），由它来输出可量测的电压值，如(图三)所示。

《图三 线性加速度计由感测单元与接口芯片组成 》 - BigPic:569x351 数据源：ST

《图四 3轴加速度计感测单元分为XY轴与Z轴两大部分 》 数据源：ST

3轴加速度计感测单元分为XY轴与Z轴两大部分

线性加速度的输出类型

线性加速度计有两种输出类型，一是模拟式，一是数字式。两者的机械传感器构造是相同的，差异是在接口芯片的构造，模拟式接口芯片的基本构造包括多任务器（Multiplexer, MUX）、电荷放大器（Charge Amplifier）和解多任务器（DEMUX）；数字式接口芯片则另整合了一套模拟转数字（ADC）电路，能够直接以SPI或I2C等数字接口进行传输。

产品规格剖析

数字式

数字式自然比模拟式更好，因模拟式为电压输出，还得外挂一颗ADC来做模拟数字转换，而高质量的ADC所费不赀，甚至可能比买MEMS还贵。此外，选购线性加速度计还得考虑一些规格特性，包括满量程（full scale；FS）、分辨率及敏感度等。

满量程、分辨率、敏感度

满量程指的是传感器的范围，也就是可以测量之使用参数的最大值及最小值；分辨率是指在输出讯号中，能够侦测到的输入参数最小增量；敏感度则是能够产生可侦测之输出变化的物理参数的最小输入值，与ADC的等级有关。

以THELMA制程实现的模拟式3轴加速度计组件为例，它们的FS为±2g /±6g/±8g，也就是可在4kHz（x与y方向）及2.5 kHz（z方向）的最大带宽范围内测量2、6或8个g的静、动态加速度。实际需量测的g值可由用户自行选择，这样做的好处是可以用相同的传感器来达成不同应用的需求，例如± 2 g 用于倾角量测，± 6 g 用于振动量测。这些组件在100Hz带宽内的分辨率为0.5mg，敏感度上则视搭配8-bit/12-bit/16-bit的ADC而定，ADC的bit数愈高，敏感度也就愈高。

其他

以THELMA制程实现的模拟式3轴加速度计组件为例，它们的FS为±2g /±6g/±8g，也就是可在4kHz（x与y方向）及2.5 kHz（z方向）的最大带宽范围内测量2、6或8个g的静、动态加速度。实际需量测的g值可由用户自行选择，这样做的好处是可以用相同的传感器来达成不同应用的需求，例如± 2 g 用于倾角量测，± 6 g 用于振动量测。这些组件在100Hz带宽内的分辨率为0.5mg，敏感度上则视搭配8-bit/12-bit/16-bit的ADC而定，ADC的bit数愈高，敏感度也就愈高。

其他要考虑的规格特性还包括可靠性、低功耗和归零测试等问题。可靠性与使用环境息息相关，例如应用汽车中与消费性电子中的传感器，就会有不同的需求，在汽车中对温度范围的要求很广，在高温下及长时间使用后仍然要很稳定，而且需能承受极剧烈的震动。以厂商的3轴加速度计为例，能达到-40℃至85℃的温度范围，在0.1ms中可承受的震动值高达10000g，耐冲击性相当高。

低功耗

归零测试

另一个让设计者头痛的问题，则是如何进行归零测试，传感器的偏移（offset）误差定义为在输出应该是零（在某些特别的情况下，是实际输出值和指定输出值之间的差异）的情况下却存在的非零输出值，这往往和温度有关，不过不容易进行测试。为解决此问题，厂商在加速度计设计了嵌入式自我测试功能，也就是不需真正去移动组件，即可利用静电力来进行测试，此举让终端用户也能自行测试其产品的使用状况；此测试完全是电子式、可重复及可靠的。此外，厂商也可以提供工厂微调参数（factory trimmed parameters）。

运动传感器应用趋势

线性加速度计等运动传感器的应用领域非常广泛，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，都可以导入线性加速度计，请参考(图五)所示。

《图五 运动传感器可应用的广泛领域 》 - BigPic:593x322 数据源：ST

运动传感器可应用的广泛领域

汽车是较早采用MEMS传感器的应用领域：低重力加速度计可用于电子停车制动（EPB）、安全带预紧器（Pre-tensioner）、防侧翻、汽车动态控制（VDC）；中／高重力加速度计可用于悬吊系统、安全气囊；MEMS陀螺仪（Gyroscope）则可用于惯性导航、防侧翻和VDC。此外，MEMS压力传感器则可以用在进气歧管（Manifold）绝对压力量测、气压计、气囊、动态悬吊系统等场合。

目前热门的GPS导航系统，让市场人士对其技术发展保持高度兴趣。下一代可携式导航设备（PND）和车用嵌入式导航系统将会导入方位推算系统（Dead Reckoning；DR），此系统是将3轴加速度计、陀螺仪（Gyroscope）和磁罗盘等MEMS组件与GPS结合，当汽车在无法接收GPS讯号的地方或GPS讯号不良时，DR功能就能取代GPS继续进行导航定位。透过上述各种传感器，DR可以推算出汽车的行进距离和方向。在短距离内，DR系统所提供的数据比GPS的讯号来得准确，因此可做为短距离内的汽车定位误差修正辅助，不过，当时间增加时，误差累积效应会愈来愈大，导航的精确度就会大幅下降。

硬盘应用

MEMS传感器在信息与消费性产品中的硬盘机中，也居于重要的地位。过去硬盘机因坠落而产生损毁，因此今日的硬盘机中也内建了重力加速度计，当系统侦测到有坠落情况发生，硬盘会执行自我保护的步骤。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。请参考(图六)所示。

《图六 加速度计在硬盘保护中的功用 》 数据源：ST

加速度计在硬盘保护中的功用

除了硬盘保护外，新一代的硬盘机更计划导入更多的感测组件，让硬盘机能够依据所处的环境来自动调整其运作状况。它能感测到外在严寒或酷热的温度变化、高海拔的山区，或处于震动剧烈的行进环境，甚至还能感测到湿度的变化，并根据各种状态将硬盘的运作处于最佳状况，让用户随时都能顺利地处理数据、观看影片或欣赏音乐。

摄影防抖动应用

对于抖动更为敏感的，则是例如手机或数字相机静态的照相或是像DV的动态录像。为了避免因为拍摄时的抖动而造成影像的模糊，摄影设备的制造商无不致力于发展防抖动的技术。较简单的作法是透过软件的后制功能来做影像补偿，但效果有限。最佳的方式是透过精密的镜头或CCD／CMOS感光组件机构，最大程度的降低用户抖动所造成的影像模糊问题。

这是难度相当高的技术，以Nikon及Canon的作法为例，其影像稳定系统（Image Stabilizer）是依靠磁力包裹悬浮镜头，并在镜头组内建置MEMS传感器陀螺仪及微处理器，当感测到微小的移动时，微处理器需立即计算出需要补偿的位移量，指示镜头组做出补偿，以摄影机、相机拍摄的影像尽量保持清晰。

手持设备HMI接口操控更有趣的自然是游戏机的操控，将摇控器的动作直觉性的转化为网球挥拍、钓鱼、打保龄球等极具临场感的游戏经验。

结论

更有趣的自然是游戏机的操控，将摇控器的动作直觉性的转化为网球挥拍、钓鱼、打保龄球等极具临场感的游戏经验。

在应用上，MEMS传感器还有相当大的发挥空间，例如Nike即结合基于重力加速度计的步程计与相关软件，推出了一款具有热量计算功能的跑鞋。除了消费性电子、信息设备与汽车电子的应用，它们也可用在家电、医疗设备及工业控制等领域，例如可在洗衣机中加入MEMS传感器，用来感测并调整洗衣时的进水量及马达转速。

不过，MEMS发展上的最大挑战，或许正来自于制程与测试的标准化问题。对于大量生产的组件来说，这是降低成本、加速量产的关键，但目前MEMS的开发往往具备高度的特殊性，每次的开发就得改变制程，造成商业化的极大瓶颈。这也是厂商会推动Thelma标准化生产平台的原因，这样一来现有的制程技术才能重复使用。当MEMS因量产而降低成本，势必能引起更大的使用风潮，甚至有机会发展为电子设备中的新一代接口，这将带来崭新的使用经验。

（作者为意法半导体公司模拟、功率与微机电组件产品市场经理）