MEMS加速度感测器（又称加速度计或g-sensor）因任天堂的Wii游戏机而一炮而红，造成市场上对这颗小小元件的浓厚兴趣。透过手持遥控器的动作就能完成各种操作目的，加速度计的导入确实开创了新兴的使用者介面（UI）模式，而这种直观性的操作介面，对于手持式设备或电视遥控器也相当具有吸引力。

MEMS加速度计早在1970年代中即已问世，目前最大宗的应用领域为汽车市场，主要的用途包括安全气囊（Airbag）、防锁死系统（ABS）、牵引控制系统等等；随著成本的降低与尺寸的缩小，加速度计也开始被导入消费性的大众市场。不过，加速度计只是MEMS运动感测器（也称惯性感测器）的一种，它的功能是用来量测运​​动体的加速度（也就是速度变化的快慢）；若要量测转动的角速度（角度变化的快慢），那就得用到陀螺仪（Gyrometer, 简称Gyro）；如果要知道高度变化，需要使用气压计；若要知道绝对方向，就得使用电子罗盘（e-compass）。

目前较受重视的运动感测器当属加速度计和陀螺仪，而陀螺仪的开发其实早于加速度计，但因设计结构较为复杂，元件单价始终偏高，在市场上的普及程度反而不如加速度计。不过，陀螺仪的用途仍然很广，而结合两者，举凡因坠落、倾斜、移动、转动、撞击或振动所产生剧烈或微小变化，都能够被侦测出来。本文将介绍这两类明星元件的技术现况与系统设计要领。

加速度计技术类型

就微机械结构的原理来看，加速度计的实现主要有四种技术，即压阻式（Piezoresistive）、电容式（Capacitive）、压电式（Piezoelectric）和热对流式。压阻式的结构简单、实现较为容易，特别适合用来测量低频加速度应用；不过，此类感测器的电阻值易随温度变化而产生零位漂移及灵敏度漂移，需进行补偿。

相较之下，电容式技术由于利用电容效应，因此解析度相当高，也具有很高的灵敏度及量测范围；其动态回应时间短，适合高频的加速度应用；另一优势是可靠性高，可以在高温、高压、强辐射及强磁场等恶劣的环境中工作，也能耐受极大冲击，适用范围极广。同时由于电容式为非接触式量测，因此使用寿命可以很长。这些特性让电容式成为今日的主流技术。

电容式技术的另一大优势是能透过回授控制来让加速度计的振动结构维持在线性操作区域，此特性有助于改善元件的灵敏度，也能提升其稳定性。不过，电容式加速度计采梳状结构，在生产设计具有相当难度，并不容易掌握。请参考图一。压电式虽然也能做到回授控制的要求，而且具有体积小、响应速度快、位移量小和消耗功率低等特色，但由于矽半导体并非压电材料，而一般的压电制程不相容于IC标准制程，因此在商业化上仍有许多困难需要克服。

《图一 梳状结构的电容式加速度计》 数据源：ST

另一个独特的作法是MEMSIC所采用的热对流感测技术，也就是利用一个加热的重气泡在加速度影响下的运动来探测加速度。请参考图二。热对流式加速度计因采热传导原理，其结构中并没有可动部分，所以不会出现粘连、颗粒等问题，而且能承受50,000g以上的巨大冲击，也具有低成本优势；不过，它对环境温度的变化更为敏感，回应频率也无法太快，也有功耗偏高的限制，此外，此类感测器只能做到二轴的感测能力，尺寸也比电容式及压电式来得大。

《图二 MEMSIC的热对流式加速度计原理图》 数据源：MEMSIC

陀螺仪技术类型

加速度计运用的是牛顿第二运动定律，而MEMS陀螺仪则是仰赖柯氏力效应（Coriolis Effect）来侦测出待测轴向上的角速度变化量。有多种技术可以用来实现MEMS陀螺仪，包括音叉式（Tunning Fork）、双质量振动式（Dual-mass Vibrating）、半球谐振式（HRG）、环式（Ring Gyro）及梳状驱动谐振式（ Comb-drive resonator）等等。

这些技术都有一个共同点，即它们是以振动块（vibrating mass），而非传统的旋转块（rotating mass）为基础。主要原因是以MEMS技术中难以做出全程旋转的结构，而使用振动方式并透过科氏力效应的计算，也同样能获得角速度变化的测量。在此结构中，振动块为驱动端，另外还会有感测端，将物理变化量传送出去。

为了达成谐振的动作，必须采用适当的材料，包括矽晶、陶瓷、石英等，其中以石英的性能最佳（可靠性、灵敏度、抗温度漂移），但以矽晶的成本最低，且能采用标准的CMOS晶片制程。

业界元件之实现技术

不论是加速度计或陀螺仪，目前虽然以CMOS制程为主要的制造技术，但不同厂商推出的产品，其内涵还是很大的差异。最常见也可行的作法是将MEMS机械结构与负责讯号调整与测量的电路分开设计，再透过封装的方式整合在一起，封装上可以采堆叠（Stacked）或并排（Side by side）其中一种方式。在MEMS感测器的晶片中，除了机械结构外，另一部分为ASIC介面晶片（Interface chip），此晶片会接收MEMS端传来的电容变化，并将它转换为类比的电压值输出，或是再进一步转换为数位化的讯号。

侦测到的类比或数位讯号会传送到微处理器或应用晶片，在这里进行位移、方向、姿态的运算。感测器和处理器整合在一起就成为一个感测器模组，此模组再与电子设备中的其他单元（如显示器）一同工作，形成完整的应用系统。请参考图三。

《图三 MEMS传感器系统开发架构》

虽然同样可采CMOS制程，但MEMS结构与侦测电路的设计需求仍有很大的差异，因此采封装作法能大幅降低整合上的难度。不过，晶圆级的整合终究能提供更佳的元件密度，有助于降低尺寸与量产成本，也能减少额外元件及阻抗损耗，以及封装、测试上的成本，所以MEMS元件还是会朝向单晶片的途径发展。

目前有些IDM大厂，如ADI、Infineon等已可做到CMOS MEMS的单晶片制程技术，而台积电在今年也已发表其CMOS MEMS制程。不过，虽然同样是CMOS MEMS制程，在生产流程上却有很大的差异。 ADI、Infineon由于自行掌握MEMS和电路的所有技术，所以能将其MEMS制程放在整个生产流程的中段（称为Intra-CMOS）；台积电等台湾的晶圆代工厂则偏向于先做完CMOS的IC电路，再完成MEMS的结构（称为Post-CMOS），此举有助于让生产流程单纯化。请参考图四。

《图四 TSMC的CMOS MEMS制程示意图》 数据源：TSMC发表于World Micromachine Summit 2008

另外有一种折衷的作法，即是采晶圆级的封装技术。以陀螺仪厂商InvenSense为例，即提出Nasiri Fabrication的MEMS生产技术，也就是将讯号调整电路与MEMS结构在晶圆层次进行整合，透过晶圆接合（wafer-bonding）制程为两者提供电性连结，以减少不必要的电容与电感配置，进而能提升效能，也能降低成本与尺寸。

除了矽材料外，石英材料也能用来设计运动感测器。然而有能力做到石英微型化生产的厂商并不多，其中日系的Epson Toyocom和Citizen即基于石英技术推出自己的陀螺仪感测器，而这家厂商皆是历史悠久的钟表大厂。 Epson Toyocom称自己的技术为QMEMS（Quartz MEMS），并做出双T架构的陀螺仪，能够实现高稳定性及精确性的优点。请参考图五。

《图五 Epson QMEMS陀螺仪工作原理》 数据源：Epson Toyocom

就台湾的MEMS产业来说，已发展出涵盖设计、晶圆、封装、测试、材料/设备/工具和系统整合的完整产业链，但设计单位主要来自学界或工研院，业界以晶圆厂及封测厂居多。这些晶圆厂的制程又可分为矽制程与非矽制程，其中亚太优势已发展为相当重要的MEMS晶圆代工厂，但营收与半导体代工厂仍有很大的距离。此外，由于MEMS元件具有制程的特殊性，台湾的厂商各有投入的领域，但从表一可以看出，在运动感测器上的投入厂商并不多。

就设计公司来说，其实市场上已有许多的供应商，请参考表二及表三。这些厂商以美系及日系为主，他们本身皆拥有自己独到的制程技术或实现方法，而产品规格及定位也有所区分，有的主打高阶的工业或车规市场，有的则主推中低阶的消费性应用。

系统设计要领

如前所述，举凡与惯性运动行为相关的侦测，都有机会导入加速度计或陀螺仪来进行侦测。然而，运动感测器的规格相当多样，必须针对应用目的来选择最适合的元件。首要要选择的是感应轴的方向，如需要单轴、双轴、三轴的加速度计或陀螺仪，或两者皆需要，甚至还需要压力计和电子罗盘；选定轴向数后，还得考量许多应用特性，以加速度计为例，注意因素包括：量测范围、输出介面、灵敏度、0g准位、频宽需求、线性度、功率消耗、电源电压、温度补偿、自我测试等等，以下将介绍几项重要的设计考量因素。

1. 量测范围（full scale, FS）：

加速度计量测范围的单位是g，而陀螺仪量测范围的单位为角度/秒。不同的应用所需的量测范围并不相同，举例来说，游戏、倾角测量或姿态识别等一般性的用途来说，加速度计的FS达±2g已经足够；但若要用来侦测高速移动、撞击等动作，就会需要选用FS达±6g或±8g以上的加速度计元件。

2. 灵敏度（Sensitivity）：

灵敏度指的是感测器可感测及输出的最小输出变化量，这和ADC的位元数及感测器的FS有关。以±2g量测范围搭配8-bit ADC的加速度计来说，其灵敏度大约为（±2g /256bit）8mg/bit。同样的ADC，但选用FS愈高的加速度计，灵敏度反而下降，因此FS愈高不一定就愈好。选择高位元数的ADC能够提升灵敏度，但成本则会增加许多。

3. 频宽：

感测器元件的频宽与系统反应速度有关，不同的应用需要的频宽不同。以手持设备的姿态识别与单击、双击动作侦测应用来说，只需选用低频（0~20Hz）的加速度计即可；若需用于硬碟自由坠落的感测保护，必须选用中频（~50Hz）以上的产品；对于汽车冲撞感测或洗衣机振动感测的应用来说，就需选用高频（~100Hz）的加速度计。

4. 输出介面：

感测器常见的输出介面为类比输出和数位输出两种，其中类比输出介面输出的电压与感应轴量得的加速度或角速度成比例关系，此比例常数即是感测器的灵敏度，与电源电压有关。以ADI的ADXL320为例，当电源电压为5V时，其灵敏度为312mV/g；当电源电压降到3V时，灵敏度提高为174mV/g。

采用类比输出，系统设计者必须再外挂一颗ADC将类比讯号转为数位讯号，而高品质的ADC价格不低，有时甚至高于MEMS的单独售价。相较之下，数位式介面晶片则另整合了一套类比转数位（ADC）电路，能够直接以SPI或I2C等数位介面进行传输，是更简易的设计选择。除了这两种介面外，有的加速度计能提供数位PWM输出或频率（Hz/g）的输出介面，但较不常见。

5. 偏置漂移（offset drift）与归零测试：

偏置漂移是感测器设计最让人头痛的问题之一。感测器的输出量可能因内部或外部的因素而产生零点或灵敏度的偏置漂移，这时元件本身或系统设计者要有能力对元件进行补偿修正，否则侦测出来的误差愈来愈来，其结果就会失去意义。偏置误差的原因可能来自封装过程或感测器MEMS结构本身、量测时的杂讯因素，最常见的则是温度效应。

以电容式加速度计来说，其MEMS结构往往为梳状设计，其交错的梳状电极在来回移动时，很可能会出现极间粘连的现象。此外，电容式感测器对于微粒相当敏感，如果一颗极小微粒落在两极之间，电容的容值将发生突变，从而使输出信号的零点出现巨大偏移，造成元件失效。因此半导体制程中的微粒控制非常重要，但要让微粒数量降低，净化级别就得提高，制造成本也会越高。

当感测器的零点输出出现偏置时，就必须进行校正。为了简化对个别元件的自我测试程序，今日的感测器往往会提供自我测试接脚（Self Test pin, ST pin）。在加速度计的0g及灵敏度校准上，设计者必须透过专属的验证平台来完成，也就是将加速度计元件置于校准后的水平面上，测出+1g及-1g时的电压偏置读值，再进行修正。

结论

今日多数的电子产品市场已进入了微利时代，要突显自己的价值，就得展现出加值的功能表现，而MEMS元件正能满足这样的需求。有趣地是，同样导入了3轴加速度计的消费性产品，可以做出截然不同的应用功能，如使用者介面、惯性导航、计步器、游戏操控等等。 Wii的成功证明了这类感测元件确实充满了应用的潜力，最大的限制就是设计者的想像力。

然而，运动感测器还只是MEMS元件里小小的一个类型，其中适合手持设备应用的新兴技术还包括MEMS麦克风、微型投影机、显示技术、振荡器、RF开关等等。除了消费性的应用外，MEMS在汽车、生医、工业、国防等领域也扮演了重要的角色。这些元件虽小，能耐却是不容小觑，而跨机、电（甚至光、热）领域的技术整合也是未来必然的发展趋势。

（作者为本刊编辑总监，联络信箱：owen@hope.com.tw ）