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異軍突起的MEMS運動感測器
 

【作者: 郁正德】   2007年08月20日 星期一

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前言

微機電(MEMS)曾經是高深而新鮮的技術新名詞,然而,當商業化的瓶頸逐步被克服後,近來MEMS已被廣泛應用在一些電子設備當中,而且能為產品帶來嶄新的功能。任天堂的Wii遊戲機是一個最好的例子,透過MEMS運動感測器(3軸加速度計)對動作的感測能力,將遊戲的玩法帶入全新的領域,也炒熱市場對MEMS的興趣。


何謂MEMS?它是一項結合電子與機械的微小化工程技術,也就是應用半導體製程技術來製作各種微小的精密機械元件,而且能進一步與今日的光電系統整合,以提供精微的感測或控制能力。早在Wii出現前,MEMS元件就已在多個市場中大行其道,其中最著名的是例子是在印表機的噴墨頭中,已普遍使用微流體元件;另一個成功的例子則是微面鏡數位光處理(Digital Light Processing;DLP)元件,目前被廣泛用於投影顯示器當中。


今日備受矚目的焦點,則是MEMS在消費性應用中的發展。由於消費性市場的需求量龐大,MEMS可望因進入此市場而獲得長足的成長,In-Stat/MDR市調公司即預測,2003~2008年消費電子市場中MEMS銷售額的複合年增率將達到13.2%,我們也預估到了2010年時,這個市場對MEMS的需求量將可達15億件,屆時的產值可望達到14~15億美元。


除了遊戲機控制器、NB硬碟中的加速度計外,在手機及數位相機中開始加入穩定影像的整合式雙軸陀螺儀、音效系統中採用矽晶麥克風,甚至在鐘錶中採用具多種定時應用功能的矽晶共振器等。不過,最值得期待的,還是MEMS在手機和遊戲機等消費性產品與人機介面新產品的應用潛力,因為它們的汰換速度快,而且市場量可觀。


MEMS製程技術

兩種微加工技術

半導體製程技術一日千里,而MEMS產業也致力於應用CMOS製程來開發元件,以獲得低成本、易於擴大產量、提升良率及具設計彈性等優勢。目前主流的製程技術有兩種,分別是體型微加工(Bulk Micro-machining)及


表面型微加工(Surface Micro-machining)。體型法是較簡單且穩定的細微加工方式,但表面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。請參考(圖一)所示。



《圖一 表面型微加工示意圖 》
《圖一 表面型微加工示意圖 》資料來源:ST

為了充分發揮其累積的設計經驗及製程設備,MEMS製造商在製程中雖採用了與CMOS相同製程的設備,但不同的公司往往有自己的設備使用方式與步驟。不過,為了加速生產週期及降低成本,各家廠商最好能為自己的核心技術發展出標準化的生產平台,例如ST的厚磊晶層(Thick Epitaxial Layer for MicroGyroscopes and Accelerometer, Thelma)技術。


舉例:Thelma表面微加工製程

Thelma是一種表面微加工製程,可用來實現靈敏度高、感測範圍廣的加速度計及陀螺儀等元件。其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。


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。


線性加速度計技術架構

位移與感測原理

以下來看看當紅的線性加速度計的技術架構與規格。2軸與3軸線性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。



《圖二 線性加速度計MEMS結構示意圖 》
《圖二 線性加速度計MEMS結構示意圖 》資料來源:ST

因此,簡單的說,線性加速度計的感測原理是當其中的運動體(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(圖三)所示。因此,一個3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,如(圖四)所示;一是標準的ASIC介面晶片,它與一般ASIC的不同之處在於具備高解析度且帶正電荷。


《圖三 線性加速度計由感測單元與介面晶片組成 》 - BigPic:569x351
《圖三 線性加速度計由感測單元與介面晶片組成 》 - BigPic:569x351資料來源:ST

《圖四 3軸加速度計感測單元分為XY軸與Z軸兩大部分 》
《圖四 3軸加速度計感測單元分為XY軸與Z軸兩大部分 》資料來源:ST

線性加速度的輸出類型

線性加速度計有兩種輸出類型,一是類比式,一是數位式。兩者的機械感測器構造是相同的,差異是在介面晶片的構造,類比式介面晶片的基本構造包括多工器(Multiplexer, MUX)、電荷放大器(Charge Amplifier)和解多工器(DEMUX);數位式介面晶片則另整合了一套類比轉數位(ADC)電路,能夠直接以SPI或I2C等數位介面進行傳輸。


由於目前仍然沒有解決利用COMS製程來實現MEMS元件的標準化製造,為了將MEMS感測器與類比或數位電路整合在一起,系統單封裝(SiP)成為最佳的解決之道。MEMS感測器和介面晶片可以用堆疊(Stacked)或並排(Side by side)方式來封裝成一顆元件。傳統的封裝方式為SO24和QFN,2005年時,ST率先首次推出了採用小型化的LGA封裝MEMS感測器,進一步降低了該元件的尺寸普及成本。今日採先進LGA封裝的元件尺寸只有3x5x1.0mm,相當適合小型化手持設備的使用。


產品規格剖析

數位式

數位式自然比類比式更好,因類比式為電壓輸出,還得外掛一顆ADC來做類比數位轉換,而高品質的ADC所費不貲,甚至可能比買MEMS還貴。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、解析度、敏感度

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。


以THELMA製程實現的類比式3軸加速度計元件為例,它們的FS為±2g /±6g/±8g,也就是可在4kHz(x與y方向)及2.5 kHz(z方向)的最大頻寬範圍內測量2、6或8個g的靜、動態加速度。實際需量測的g值可由用戶自行選擇,這樣做的好處是可以用相同的感測器來達成不同應用的需求,例如± 2 g 用於傾角量測,± 6 g 用於振動量測。這些元件在100Hz頻寬內的解析度為0.5mg,敏感度上則視搭配8-bit/12-bit/16-bit的ADC而定,ADC的bit數愈高,敏感度也就愈高。


其他

其他要考慮的規格特性還包括可靠性、低功耗和歸零測試等問題。可靠性與使用環境息息相關,例如應用汽車中與消費性電子中的感測器,就會有不同的需求,在汽車中對溫度範圍的要求很廣,在高溫下及長時間使用後仍然要很穩定,而且需能承受極劇烈的震動。以廠商的3軸加速度計為例,能達到-40℃至85℃的溫度範圍,在0.1ms中可承受的震動值高達10000g,耐衝擊性相當高。


低功耗

低功耗則是使用電池的可攜式產品極為強調的設計重點,也是MEMS感測器想打入此市場的必要條件。為了降低功耗,當系統停止量測時,應該讓感測元件進入省電模式(power down),ST的加速度計在運作狀態下的電流功耗為1mA,當省電模式時,電流功耗更只有10uA。此外,這些元件內建了Wake-up和Free Fall的中斷信號功能,因此只要一振動或產生掉落狀況,它們就會立即重新啟動進入運作狀態。


歸零測試

另一個讓設計者頭痛的問題,則是如何進行歸零測試,感測器的偏移(offset)誤差定義為在輸出應該是零(在某些特別的情況下,是實際輸出值和指定輸出值之間的差異)的情況下卻存在的非零輸出值,這往往和溫度有關,不過不容易進行測試。為解決此問題,廠商在加速度計設計了嵌入式自我測試功能,也就是不需真正去移動元件,即可利用靜電力來進行測試,此舉讓終端用戶也能自行測試其產品的使用狀況;此測試完全是電子式、可重覆及可靠的。此外,廠商也可以提供工廠微調參數(factory trimmed parameters)。


運動感測器應用趨勢

線性加速度計等運動感測器的應用領域非常廣泛,舉凡需要感測由於墜落、傾斜、移動、定位、撞擊或振動產生微小變化的產品,都可以導入線性加速度計,請參考(圖五)所示。


《圖五 運動感測器可應用的廣泛領域 》 - BigPic:593x322
《圖五 運動感測器可應用的廣泛領域 》 - BigPic:593x322資料來源:ST

汽車應用

汽車是較早採用MEMS感測器的應用領域:低重力加速度計可用於電子停車制動(EPB)、安全帶預緊器(Pre-tensioner)、防側翻、汽車動態控制(VDC);中/高重力加速度計可用於懸吊系統、安全氣囊;MEMS陀螺儀(Gyroscope)則可用於慣性導航、防側翻和VDC。此外,MEMS壓力感測器則可以用在進氣歧管(Manifold)絕對壓力量測、氣壓計、氣囊、動態懸吊系統等場合。


目前熱門的GPS導航系統,讓市場人士對其技術發展保持高度興趣。下一代可攜式導航設備(PND)和車用嵌入式導航系統將會導入方位推算系統(Dead Reckoning;DR),此系統是將3軸加速度計、陀螺儀(Gyroscope)和磁羅盤等MEMS元件與GPS結合,當汽車在無法接收GPS訊號的地方或GPS訊號不良時,DR功能就能取代GPS繼續進行導航定位。透過上述各種感測器,DR可以推算出汽車的行進距離和方向。在短距離內,DR系統所提供的資料比GPS的訊號來得準確,因此可做為短距離內的汽車定位誤差修正輔助,不過,當時間增加時,誤差累積效應會愈來愈大,導航的精確度就會大幅下降。


硬碟應用

MEMS感測器在資訊與消費性產品中的硬碟機中,也居於重要的地位。過去硬碟機因墜落而產生損毀,因此今日的硬碟機中也內建了重力加速度計,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。其作法是當硬碟不慎掉落時,感測器會立即傳出警訊,要求系統關閉馬達並將讀寫頭從碟片表面上方移開,因此不會有任何元件與硬碟機內的儲存媒介相互碰觸,如此一來即能保護行動設備在發生意外振動或摔落時,其檔案內容仍能安全無虞。請參考(圖六)所示。



《圖六 加速度計在硬碟保護中的功用 》
《圖六 加速度計在硬碟保護中的功用 》資料來源:ST

除了硬碟保護外,新一代的硬碟機更計畫導入更多的感測元件,讓硬碟機能夠依據所處的環境來自動調整其運作狀況。它能感測到外在嚴寒或酷熱的溫度變化、高海拔的山區,或處於震動劇烈的行進環境,甚至還能感測到濕度的變化,並根據各種狀態將硬碟的運作處於最佳狀況,讓使用者隨時都能順利地處理資料、觀看影片或欣賞音樂。


攝影防抖動應用

對於抖動更為敏感的,則是例如手機或數位相機靜態的照相或是像DV的動態錄影。為了避免因為拍攝時的抖動而造成影像的模糊,攝影設備的製造商無不致力於發展防抖動的技術。較簡單的作法是透過軟體的後製功能來做影像補償,但效果有限。最佳的方式是透過精密的鏡頭或CCD/CMOS感光元件機構,最大程度的降低使用者抖動所造成的影像模糊問題。


這是難度相當高的技術,以Nikon及Canon的作法為例,其影像穩定系統(Image Stabilizer)是依靠磁力包裹懸浮鏡頭,並在鏡頭組內建置MEMS感測器陀螺儀及微處理器,當感測到微小的移動時,微處理器需立即計算出需要補償的位移量,指示鏡頭組做出補償,以攝影機、相機拍攝的影像儘量保持清晰。


手持設備HMI介面操控

另一個新興的應用領域,就是利用MEMS感測器來做為操控手持設備的人機介面(Human Machine Interface;HMI)。這是打破傳統鍵盤或觸控輸入的一種創新介面作法,手持設備用戶可以利用一些特定動作來達到介面控制的目的,例如利用傾斜角度來左右瀏覽地圖或照片、利用搖動方式來啟動例如播放下一首音樂的應用功能或關閉設備,只要轉動90度就會自動翻轉螢幕。更有趣的自然是遊戲機的操控,將搖控器的動作直覺性的轉化為網球揮拍、釣魚、打保齡球等極具臨場感的遊戲經驗。


結論

在應用上,MEMS感測器還有相當大的發揮空間,例如Nike即結合基於重力加速度計的步程計與相關軟體,推出了一款具有熱量計算功能的跑鞋。除了消費性電子、資訊設備與汽車電子的應用,它們也可用在家電、醫療設備及工業控制等領域,例如可在洗衣機中加入MEMS感測器,用來感測並調整洗衣時的進水量及馬達轉速。


在技術上,MEMS元件和半導體元件一樣愈做愈小,進一步降低功耗與成本,也更適用於消費性的應用領域。MEMS的發展速度可望與摩爾定律並駕其驅,甚至超過摩爾定律,不過,在製程技術上,目前仍不需要跨入次奈米的等級。另一個重要的發展趨勢,則是不同種類感測器的整合,不久之後,市場將會出現類似感測器叢集的產品。


不過,MEMS發展上的最大挑戰,或許正來自於製程與測試的標準化問題。對於大量生產的元件來說,這是降低成本、加速量產的關鍵,但目前MEMS的開發往往具備高度的特殊性,每次的開發就得改變製程,造成商業化的極大瓶頸。這也是廠商會推動Thelma標準化生產平台的原因,這樣一來現有的製程技術才能重複使用。當MEMS因量產而降低成本,勢必能引起更大的使用風潮,甚至有機會發展為電子設備中的新一代介面,這將帶來嶄新的使用經驗。


(作者為意法半導體公司類比、功率與微機電元件產品市場經理)


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