微机电（MEMS）元件近来赢得市场的高度重视，起因于Wii、PS3、iPhone、iPod touch等产品在市场上的销售佳绩。这些热门产品中都搭配了加速度计，例如Wii、PS3应用此元件来感测玩家的操控动作，并立即转化为游戏或竞赛的逼真画面；iPhone、iPod内建的加速度计可侦测到使用者将设备从直立状态打横，并且自动改变内容的显示方向，让使用者看到整页宽的内容，或是观赏横向的照片。

这种应用上的创新设计，让用户有了全新的体验感受，再加上加速度计在制程技术、成本、功耗与尺寸上的改善，让它能够打入产量最大的消费性电子市场。目前三轴加速度计的单位售价已降到1.5美元以下，在更大的量产供应需求下，将可望降到1美元左右的价格条件，对于消费性电子产品来说将会更有诱因。在本文中将介绍三轴加速度计的应用、制程与技术原理。

汽车操控、安全与导航应用

在获得消费性市场的注目之前，其实加速度计已广泛被应用在汽车电子当中，例如安全气囊（Airbag）、防锁死系统（ABS）、电子稳定程式（ESP）、电子控制悬浮系统（ECS）等等。以目前一台车中愈装愈多的安全气囊来说，整个系统即可包括位于车体外的冲撞感测器（satellite sensor），建置于前座、后座、车门、头部上方等各个地方的加速度感测器（g-sensor），电子控制单元，以及安全气囊等。

当车体受到冲撞时，冲撞感测器能够在数个微秒的时间内高速将此突变状况告知电子控制单元（通常是16位元或32位元的微控制器），此控制器会立即根据碰撞的严重程度、乘客的重量、座椅/安全带的位置等参数资料，以及其他偏布于全车厢的安全系统感测器所传回的资料，立即进行运算评估，并在最短的时间内透过电爆驱动器（squib driver）来启动安全气囊。

除了在车体操控的重要应用外，对于行车的导航，三轴加速度计的也将扮演一席之地。目前利用GPS定位的可携式导航设备（PND）或车用嵌入式导航系统，当卫星讯号接收不良时，如进入隧道或其他天空遮蔽的环境下，就会失去导航能力。为了弥补这块空缺，这些定位设备中已开始导入三轴加速度计、陀螺仪或电子罗盘等MEMS元件，以建置互补性的方位推算系统（Dead Reckoning；DR）。

电子产品硬碟保护

今日的电子设备中普遍使用了高速旋转的硬碟机、光碟机，由于它们内部具有可动的电子元件，如果在运作中受到重大的冲击，很容易造成严重的实体损害。因此，在笔记型电脑、数位相机、数位摄影机、手机、PDA、MP3、PMP、行动DVD等设备当中，逐渐被要求要具有一定的抗冲击或抗跌落能力。

以一般1.2至1.3公尺的自由掉落来说，电子设备在撞击大理石地面时会受到约50000g的冲击力，良好的缓冲设计可以藉由外壳和PCB来大幅降低冲击力，但仍无法保证硬碟装置的不受损害。因此，今日的硬碟机中也内建了三轴加速度计，当系统侦测到有坠落情况发生，硬碟会执行自我保护的步骤，也就是在发现突发的加速度时，会立即关闭不耐震的电子元件电源，避免造成磁头毁损或刮坏磁碟等不可逆的后果。

《图一 加速度计在硬盘保护中的功用（数据源：ST）》

消费性产品的创新性应用

在消费性及手持设备中，三轴加速度计能提供许多创新的应用功能。目前大家已较熟悉的是游戏控制应用，也就是利用加速度计的动态感测功能来感测摇控器左/右倾斜、前/后倾斜、甚至上/下移动等动作，来转换为玩家在游戏中想操控的挥拍、击球、钓鱼、跳跃等动作，而能取代键盘以更直觉的享受到游戏的临场感，也能完成一些过去相当困难的细微操控动作。

姿态与动作识别

在手持设备的姿态识别和介面操控上，三轴加速度计也能实现画面自动转向、图像浏览及目录选择等功能。以iPod touch来说，其内建的加速度计透过测量重力向量，就能确定它是处于垂直状态还是水平状态，并将图像的显示位置自动转正，例如当用户在观赏照片、视讯或检视地图而以横向观看时，画面会自动旋转；当浏览网页或目录时，则可以再转回直向显示。

不仅如此，三轴加速度计也能用来操控画面，也就是藉由倾斜手持设备来实现萤幕显示内容的上下左右浏览，并可透过对单击（单次振动）或双击（连续振动两下）的识别，来进行各种功能的选择，例如歌目选择、手机拨号及静音控制等。

趣味性功能

除了介面控制外，加速度计还能让消费者体验到许多趣味性的功能，例如骰子游戏、虚拟乐器敲击及「闪讯」（Wave Message）等。所谓的骰子游戏是利用加速度计的动态感测功能，藉由摇动手持设备来控制骰子旋转速度及停止时间；虚拟乐器敲击则是藉由对手持设备的挥动感测，来控制敲击乐器的节奏快慢及音量大小。

另一个「闪讯」功能则更富有想像力，其工作原理是在光线较暗的环境下，利用加速度计感测到手持设备的快速左右晃动，并透过主控制器来控制设备上的一排LED发光，藉由人类视网膜延时现象，形成视觉残留的景象，因而形成连续的光影信号。使用者可利用此功能在空中显示自行编辑的文字。

省电控制

对于手持设备来说，降低功耗一直是最重要的任务之一，而透过内建的加速度计，可以侦测到设备的使用状况，并采取适当的省电控制模式，此举将有助于延长手持设备的电池寿命。此外，加速度计也能提供计步器、电子罗盘补正（3D Compass）、照相防手震等附加功能。上述种种的创新应用能力，让三轴加速度计成为手持设备中另一个不可少的新元件。

Thelma制程技术

三轴加速度计能够成功打进消费性的市场，与其在制程技术上的成熟度息息相关。今日的MEMS元件皆致力于采用标准的CMOS半导体制造技术来建立机电结构，以充分利用全球半导体产业的所有相关制造、材料和控制知识。这对于量产及良率控制来说，具有深远的影响意义；此外，采用CMOS制程的MEMS元件，能够随着批次生产、光罩制程的微型化先进制程演进，让产品尺寸变得更小，也能从规模经济中受惠。

不过，MEMS的制程技术与一般晶片的作法仍有差异。在早期的MEMS制造中，主要是采用体型微加工（Bulk Micro-machining）技术，是较简单且稳定的细微加工方式，但由于采用单晶矽材料，使得元件的制造成本相当昂贵。目前的主流技术是采用多晶矽的表面型微加工（Surface Micro-machining），此作法不论是加工的精确度及解析度皆优于体型法，而且更接近积体电路半导体制程的标准作法，更适合用来整合电子电路。

虽然同样采用CMOS制程设备与表面型微加工技术，但MEMS元件的制造商往往会根据自己的经验发展出专属的生产平台与流程，以充分发挥自己的生产能力，达到加速生产周期、良率控制及降低成本等目的。以ST的厚磊晶层（Thick Epitaxial Layer for MicroGyroscopes and Accelerometer, Thelma）技术来说，就是一套先进的的表面微加工制程，专门用来生产灵敏度高、感测范围广的加速度计和陀螺仪元件。

今日的表面微加工技术透过深度蚀刻及?牲层等概念，让微小的装置中也能制造出可动作的精密机械性结构。 Thelma也采用了相同的技巧，它的流程包括六个主要步骤：基底热氧化、水平互连的沉积与表面图样化(patterning)、牺牲层（sacrificial-layer）的沉积与表面图样化、结构层的磊晶生长、用通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沉积。

《图二 表面型微加工示意图（数据源：ST）》

与传统微加工制程相较，Thelma制程会生长一块15微米（um）的多晶矽磊晶层，这是相对较厚的矽结构，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；多晶矽也具有良好的耐疲劳性及抗冲击性。此外，该技术也可以减少晶片面积，因而克服体型微加工过程常见的设计局限。

这套技术提供完整的铸模封装，所生产的元件具有极可靠的物理性质，也能制造出最佳化型态的制止器（stopper），进而能降低电极之间的静电摩擦风险。采用CMOS ASIC制程的意义上，也意味着更低的成本、更稳定的制程技术，以及具有晶片与感测器功能独立的设计弹性。

加速度计技术原理

MEMS的类别众多，加速度计是属于MEMS传感器（Transducer）的一种。 MEMS传感器可分为感测器（Sensor）和致动器（Actuator）两大类，其中感测器会接受外界的刺激，透过感测器传送出电子讯号，再转换为可用的资讯；致动器则接受来自控制器的电子讯号指令，并做出要求的动作反应。 MEMS感测器有很多种，包括加速度计、陀螺仪、压力感测器、热电堆（thermopile）感测器等；MEMS致动器的例子则包括光开关、MEMS显示器等。

就MEMS感测器来说，其感测的方式是对一些微小的物理量进行变化测量，例如电阻值、电容值、应力、位移、变形、间隙（gap）等等，再透过电压讯号来表示这些变化量。今日的加速度计有多种实现的方式，主要为压电式、电容式及热感测式三种方式。这三种技术各有其优缺点，以下将介绍电容式三轴加速度计的技术原理。

电容式加速度计是利用矽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）移动的矽梳齿（Silicon fingers）和一组固定的矽梳齿，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。

《图三 线性加速度计MEMS结构示意图（数据源：ST）》

在此结构下，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介面晶片（Interface chip），由它来输出可量测的电压值，如(图五)所示。因此，一个三轴加速度计元件中必须包含两大单元，一是单纯的机械性MEMS感测器，它包含测量XY轴的区域及测量Z轴的区域，内部有成群移动的电子；一是标准的ASIC介面晶片，它会将电容变化转换为电压讯号输出。

感测器与ASIC介面晶片这两大单元虽然都可采用CMOS制程来生产，但由于实现技术上的差异，两者目前大多仍会采用不同的生产流程，再将两颗元件封装整合在一起，成为系统单封装（SiP）晶片。这两颗元件可以用堆叠（Stacked）或并排（Side by side）方式来进行封装。采用先进LGA封装的ST加速度计元件只有3×5×1.0mm，此尺寸已相当适合小型化手持设备的使用。

不过，手持设备对于尺寸的微小化要求从无止境。为了满足这需求，加速度计的感测与混合讯号单元会朝向晶圆级封装（WLP）发展，以开发出兼具小尺寸、低成本与高效能的产品。至于更长远的目标，自然是设计出单晶片的加速度计产品，进而能大幅减少封装与测试的成本，而这往往是MEMS元件与CMOS晶片整合在一起时，最耗费成本的部分。

规格选用要领

虽然同样是加速度计，但却有不同的规格特性，分别适用特定的应用。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。

加速度计的输出类型选择也很重要，包括类比式和数位式两种。类比式为电压输出，因此系统中必须再外挂一颗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，数位式产品的介面晶片中已整合了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。

此外，选购线性加速度计还得考量一些规格特性，包括满量程（full scale；FS）、解析度及敏感度等：满量程指的是感测器的范围，也就是可以测量之使用参数的最大值及最小值；解析度是指在输出讯号中，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。

结语

三轴加速度计能为消费性电子、手持设备带来许多的创新使用经验，预料将可看到市场应用上的快速起飞，而且单一设备中可能不只内建一个感测器，而会有多感测器的需求。在未来的生活中，电子设备上的多感测器将是一个重要的发展趋势，这将让产品变得更具智慧性，让使用者用起来更亲切、便利和有趣，也让设备得以形塑自己的差异性。

感测器的应用考验着设计者的创意，未来随时可能因感测器的新应用而再创Wii模式的市场高潮。对于加速度计来说，为了缩小尺寸及提升应用价值，制造商将会朝向混合式感测器（Hybrid Sensor）的方向设计，而与陀螺​​仪整合将是即将发生的下一步。未来单功能的感测器将朝低阶市场发展，多功能的混合式感测器则将以更高的附加价值满足中高阶市场的需求。未来的发展，业者仍充满了无穷的机会。

（作者为ST意法半导体公司类比、功率与微机电元件产品市场经理）