消费性电子带起应用风潮

目前运动感测元件已被成功地使用在生活中许多的消费性装置上，例如；数位相机与数位摄影机上的手​​振侦测、投影机上的姿态侦测，配备硬碟装置的笔记型电脑与MP3的掉落状态侦测等；自从2007年任天堂Wii上市后，引爆新型态的动作输入介面，不但让大家眼睛为之一亮，其业已然成为未来数位生活输入介面的主流选择，未来数位家庭中，因为大量的影音娱乐内容的提供，使得收看内容的选择装置也将由互动式遥控器来取代传统式的数字式遥控器，此互动式遥控器可整合电脑、电视和游戏机的控制装置于一身，成为数位家庭娱乐中心的唯一遥控器，而其核心─运动感测元件，更是因此受到注目，也掀起一波应用的热潮。

价格仍是普及门槛 IMU将成代名词

这些以惯性感测元件为心脏的运动感测器产品的创新应用，不但为惯性感测元件在汽车上的应用之外，开启了消费性市场的大门，也宣告了消费性装置大量配备惯性感测元件的时代来临。展望未来，运动感测元件在手机市场上的应用是目前最受各运动感测器供应商的瞩目与期待，过去以日本和韩国手机厂商最为积极投入运动感测器在手机应用上的开发，时至今日，世界手机大厂如Nokia与SonyEricsson，甚至Apple的iPhone上也都已开始配备运动感测器，以增加手机的使用方便性、娱乐性、和自动模式控制，但目前价格仍旧是元件切入手机的主要门槛。

《图一 未来数字家庭中，将由交互式遥控器来取代传统式的数字式遥控器，此交互式遥控器可整合计算机、电视和游戏机的控制装置于一身，成为数字家庭娱乐中心的遥控器。》

惯性运动感测元件，包括量测直线运动的加速度计，量测旋转运动的角速度计、以及结合两者于一体的惯性量测单元(IMU；Inertial Measurement Unit)。目前由于价格的因素，市售的运动感测元件大都仅指加速度计，随着制作与整合技术的进步以及市场需求的增加，整合角速度计与加速度计于一身的IMU晶片未来势必将成为运动感测元件真正的代名词。

MEMS加速度计的技术与市场发展趋势

本文以下将以加速度计为主，浅介其市场技术、制程技术、技术指标和发展趋势，同时也借此文介绍工研院目前之研发技术与未来在惯性运动感测元件技术开发上之布局。

MEMS加速计的技术分类

目前市售的微机电加速度计产品其感测机制可分为电容式、压阻式、与热耦式三种，这三种感测机制各有其优点与限制，如图二所示。其中电容式加速度计具有高灵敏度、低杂讯、低电流消耗等优点，但其易受电磁干扰的影响，因此在封装上必须考量防电磁干扰的封装设计；压阻式速度计具有低输出阻抗的优点，但其受温度的影响较大，灵敏度相对于电容式加速度计来说也较低；热耦式加速度计则具有低造价的优势，但电流消耗上过大，反应时间过长，使得其在应用选择上有些受限。以惯性运动感测元件产品技术之延续性(由加速度计至角速度计)的角度来看，电容式相对来说是较具有技术延续性的一种技术选择。在过去因为汽车市场对于加速度计自我测试功能的要求，使得电容式加速度计在汽车市场的应用上成为主流，原因是电容式可采用静电来使结构产生变形，进而造成电容的变化，相对来说，压阻式则必须另外设计电容式结构或采用其他方式来使结构产生变形，以达到压阻的变化，这无异增加了技术实践的复杂度。

《图二 市售加速度计的感测机制分类》

MEMS加速度计的CMOS制程技术

在加速度计元件的制程技术上，目前市售的加速度计大都采用Hybrid的方式透过打线与封装将MEMS感测单元与CMOS读取电路两个不同的晶片组合起来，另外也有采用单晶片(Monolithic)方式制作的产品，例如Analog Devices Inc的电容式加速度计、MEMSIC的热耦式加速度计、以及许多日系厂牌(如Hitachi、HDK等)的压阻式加速度计；单晶片方式制作的加速度计，其制作也可分为MEMS与CMOS制程混合的「Intra-CMOS MEMS」制程，和先做CMOS制程再做MEMS制程的「Post-CMOS MEMS」制程，另外也有先做MEMS制程再做CMOS制程的「Pre-CMOS MEMS」制程；其中除了Post-CMOS MEMS制程外，其他两种制作方式现阶段来说，除非有CMOS Foundry的密切合作与支持，否则都有其现实实践上的障碍。当今市场上压阻式的加速度计产品几乎都采用Post-CMOS MEMS的制作方式，但电容式加速度计则尚未有Post-CMOS MEMS制作方式的产品出现于市场上。

CMOS MEMS制作方式的最大优势在于容易与应用系统晶片整合，另外如能克服量产化的障碍与良率，CMOS 电容式加速度计也具有相当大的价格竞争潜力，而未来其所形成的产业模式也可能遵循着IC产业的轨迹，造就许多Fabless的整合设计公司与专注于专利开发和专利授权的专业设计公司。但在目前要将Post-CMOS MEMS技术用于电容式加速度计与角速度计的生产制造上仍有良率与晶圆级低温气密封装上的问题尚待克服。

至于以Hybrid方式组装实践的加速度计，目前大都以晶片堆叠的方式来组装以达到缩小封装面积的目标，虽然此种方式的制作良率较高，但在价格竞争的驱动力下，如何在感测元件与封装方式上做一整体的设计与技术突破来达到降低感测元件与封装成本的目标将是产品设计者所必须一体考量的重要处。

感测结构尺寸与杂讯的乘积是技术指标

运动感测元件(加速度计与角速度计)在其技术发展的趋势上，有两点重要的共同技术指标是其产品的竞争力的来源，这两点共同技术指标包括杂讯基准(Noise Floor) 、以及感测结构尺寸与成本。

《图三 工研院南分院微系统科技中心之电容式加速度计特性》

惯性感测元件的杂讯一般来说可以来自两个来源，一是与感测结构有关的机械杂讯，另一是来自读取电路的电子杂讯，机械杂讯基本上是与惯性质量成反比关系，同时与阻尼成正比，为了达到降低机械杂讯的目的，通常是必需透过较重的惯性质量来完成，但在制作技术的限制上，惯性质量的厚度无法无限制的增加，这也因此造成为达到较低的机械杂讯目标必须使用较大的惯性质量面积尺寸，所以在运动感测元件的设计上，如何在较有限的尺寸上设计出较低的机械杂讯与较高的灵敏度是一元件设计的重要技术挑战。除此之外，感测晶片尺寸的大小与成本有着直接的正比关系，如何缩小感测晶片的尺寸并达到性能需求是反应技术竞争力的另一重要点，整体简单地说，运动感测元件发展的技术指标可以用感测结构尺寸与杂讯的乘积来做为一技术衡量指标。

整合讯号前处理是另一趋势

另外为达到产品使用上的竞争力，许多与应用相关的整合解决方案和产品特点(Feature)也被设计出来以更加符合应用开发上的需求。举例来说，整合信号前处理的惯性感测模组将输出信号变换成资料形式，将可大幅降低应用系统的硬体资源与应用开发上时程；可程式化选择元件灵敏度与输入信号的功能，将使应用系统的硬体与软体更具效率和弹性；可程式化的崁入式判断功能，可使元件在某些应用上能解读输入信号与预设信号特征模式(Pattern)的一致性，并以此做为警示信号发出的根据。

《图四 产品之噪声基准与感测结构尺寸比较图》

工研院的发展现况

工研院南分院微系统科技中心在2007年开始切入惯性感测元件的开发，目前在电容式三轴加速度计的开发上，先期产品与原型晶片已成功的产出并经过特性验证，如图三。此电容式加速度计具有专利的结构设计，补强了一般三轴加速度计之Z轴灵敏度较差的缺点，同时此加速度计也具有可程式化的偏值与灵敏度，可依使用者的需求程式化调整，其整体X/Y/Z三轴输出的杂讯基准分别可达到138、159、和49μg/√Hz，它轴灵敏度最大仅达0.7%，图四是一杂讯基准与感测结构尺寸的比较图，由图中可见此工研院自行开发的加速度计性能已达国际竞争的水平。下一阶段目标是以Post-CMOS MEMS制作方式将已经验证过的读取电路和感测结构单元以单晶片整合的方式实践，预期在2009年将会有先期样品的完成。

除了加速度计外，工研院南分院微系统科技中心对一系列惯性感测元件开发上也已有整体的布局，目前，已着手进行另一重要运动感测元件─角速度计的先期开发，在整体市场环境的需求下，预定以两至三年的时间为国内厂商提供一角速度计的产品技术方案，同时也期望透过业界的先期参与同步进行开发以缩短开发时程。

《图五 工研院先期产品与原型芯片已成功的产出并经过特性验证。图为原型芯片在系统上测试》

除了加速度计外，工研院南分院微系统科技中心对一系列惯性感测元件开发也有整体的布局，目前，微系统科技中心已开始进行另一重要运动感测元件─角速度计的先期开发，在整体市场环境的需求下，预定以两至三年的时间为国内厂商提供一角速度计的产品技术方案，届时整合加速度计与角速度计于单一封装体或什至同单一感测晶片上的三至六轴惯性量测单元(IMU)将构成满足现今许多消费性应用的完整应用解决方案，并达到在消费性应用上更具成本竞争力的目标。同时也冀望透过业界的先期参与同步开发进行以缩短开发时程，如此一来，在此类惯性感测元件技术商品化的同时，不但可提供台湾MEMS产业、IC设计产业与封测产业一及时的技术支援与布局，以面对即将到来的这波市场机会，也可在产业效益上，结合国内微机电代工厂、IC代工厂和封测厂组成一完整的产业链，为国内产业提供一完整的制造解决方案。

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