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MEMS運動感測器技術現況與系統設計要領
 

【作者: 歐敏銓】   2008年12月03日 星期三

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MEMS加速度感測器(又稱加速度計或g-sensor)因任天堂的Wii遊戲機而一炮而紅,造成市場上對這顆小小元件的濃厚興趣。透過手持遙控器的動作就能完成各種操作目的,加速度計的導入確實開創了新興的使用者介面(UI)模式,而這種直觀性的操作介面,對於手持式設備或電視遙控器也相當具有吸引力。


MEMS加速度計早在1970年代中即已問世,目前最大宗的應用領域為汽車市場,主要的用途包括安全氣囊(Airbag)、防鎖死系統(ABS)、牽引控制系統等等;隨著成本的降低與尺寸的縮小,加速度計也開始被導入消費性的大眾市場。不過,加速度計只是MEMS運動感測器(也稱慣性感測器)的一種,它的功能是用來量測運動體的加速度(也就是速度變化的快慢);若要量測轉動的角速度(角度變化的快慢),那就得用到陀螺儀(Gyrometer, 簡稱Gyro);如果要知道高度變化,需要使用氣壓計;若要知道絕對方向,就得使用電子羅盤(e-compass)。


目前較受重視的運動感測器當屬加速度計和陀螺儀,而陀螺儀的開發其實早於加速度計,但因設計結構較為複雜,元件單價始終偏高,在市場上的普及程度反而不如加速度計。不過,陀螺儀的用途仍然很廣,而結合兩者,舉凡因墜落、傾斜、移動、轉動、撞擊或振動所產生劇烈或微小變化,都能夠被偵測出來。本文將介紹這兩類明星元件的技術現況與系統設計要領。


(表一) 台灣廠商於微機電市場佈局概況<參考資料:拓墣產業研究所2008/4 >

公司名稱

技術概況

主要產品

備註

亞太優勢(APM)

6” Si MEMS晶圓廠和IDM

噴墨列印頭、環境光線感測器、無線通訊及光通訊系統關鍵性零組件模組、壓力感測器

欣興轉投資(2007/1)

騏通

4-6” Si MEMS晶圓廠

瓦斯、濕度及分子感測器、G Sensor

亞太優勢併騏通

探微科技

6” Si MEMS晶圓廠

RF-MEMS、各式感測器

 

新磊微製造

6” Si MEMS晶圓廠和IDM

汽車感測元件、光通訊模組

光磊轉投資/技轉

全球聯合通信

4-6” III-V/MEMS晶圓廠

SAW Filter

 

崇電雷射

Si/III-V Laser MEMS晶圓廠

雷射加工於噴墨頭晶片、生物晶片及多功能晶片

 

微邦科技

4-6” Si MEMS晶圓廠

噴墨列印頭

 

祥群科技

非Si MEMS晶圓廠和IDM

MEMS及生化感測器、光電元件

聯電轉投資

晶宇科技

設計公司

生物晶片

 

研能科技

非Si MEMS晶圓廠和IDM

噴墨列印頭、壓電元件和CMOS相機模組

 

飛赫科技

非Si MEMS晶圓廠和IDM

噴墨列印頭

 

坤德科技

非Si MEMS晶圓廠和IDM

RF-MEMS、各式感測器、汽車感測元件

大同轉投資

樺晶科技

非Si MEMS晶圓廠和IDM

噴墨列印頭、光通訊元件、紅外線感測器

 

國際聯合

非Si MEMS晶圓廠和IDM

噴墨列印頭

華碩轉投資


加速度計技術類型

就微機械結構的原理來看,加速度計的實現主要有四種技術,即壓阻式(Piezoresistive)、電容式(Capacitive)、壓電式(Piezoelectric)和熱對流式。壓阻式的結構簡單、實現較為容易,特別適合用來測量低頻加速度應用;不過,此類感測器的電阻值易隨溫度變化而產生零位漂移及靈敏度漂移,需進行補償。


相較之下,電容式技術由於利用電容效應,因此解析度相當高,也具有很高的靈敏度及量測範圍;其動態回應時間短,適合高頻的加速度應用;另一優勢是可靠性高,可以在高溫、高壓、強輻射及強磁場等惡劣的環境中工作,也能耐受極大衝擊,適用範圍極廣。同時由於電容式為非接觸式量測,因此使用壽命可以很長。這些特性讓電容式成為今日的主流技術。


電容式技術的另一大優勢是能透過回授控制來讓加速度計的振動結構維持在線性操作區域,此特性有助於改善元件的靈敏度,也能提升其穩定性。不過,電容式加速度計採梳狀結構,在生產設計具有相當難度,並不容易掌握。請參考圖一。壓電式雖然也能做到回授控制的要求,而且具有體積小、響應速度快、位移量小和消耗功率低等特色,但由於矽半導體並非壓電材料,而一般的壓電製程不相容於IC標準製程,因此在商業化上仍有許多困難需要克服。


《圖一  梳狀結構的電容式加速度計》
《圖一 梳狀結構的電容式加速度計》資料來源:ST

另一個獨特的作法是MEMSIC所採用的熱對流感測技術,也就是利用一個加熱的重氣泡在加速度影響下的運動來探測加速度。請參考圖二。熱對流式加速度計因採熱傳導原理,其結構中並沒有可動部分,所以不會出現粘連、顆粒等問題,而且能承受50,000g以上的巨大衝擊,也具有低成本優勢;不過,它對環境溫度的變化更為敏感,回應頻率也無法太快,也有功耗偏高的限制,此外,此類感測器只能做到二軸的感測能力,尺寸也比電容式及壓電式來得大。



《圖二  MEMSIC的熱對流式加速度計原理圖》
《圖二 MEMSIC的熱對流式加速度計原理圖》資料來源:MEMSIC

陀螺儀技術類型

加速度計運用的是牛頓第二運動定律,而MEMS陀螺儀則是仰賴柯氏力效應(Coriolis Effect)來偵測出待測軸向上的角速度變化量。有多種技術可以用來實現MEMS陀螺儀,包括音叉式(Tunning Fork)、雙質量振動式(Dual-mass Vibrating)、半球諧振式(HRG)、環式(Ring Gyro)及梳狀驅動諧振式(Comb-drive resonator)等等。


這些技術都有一個共同點,即它們是以振動塊(vibrating mass),而非傳統的旋轉塊(rotating mass)為基礎。主要原因是以MEMS技術中難以做出全程旋轉的結構,而使用振動方式並透過科氏力效應的計算,也同樣能獲得角速度變化的測量。在此結構中,振動塊為驅動端,另外還會有感測端,將物理變化量傳送出去。


為了達成諧振的動作,必須採用適當的材料,包括矽晶、陶瓷、石英等,其中以石英的性能最佳(可靠性、靈敏度、抗溫度漂移),但以矽晶的成本最低,且能採用標準的CMOS晶片製程。


業界元件之實現技術

不論是加速度計或陀螺儀,目前雖然以CMOS製程為主要的製造技術,但不同廠商推出的產品,其內涵還是很大的差異。最常見也可行的作法是將MEMS機械結構與負責訊號調整與測量的電路分開設計,再透過封裝的方式整合在一起,封裝上可以採堆疊(Stacked)或並排(Side by side)其中一種方式。在MEMS感測器的晶片中,除了機械結構外,另一部分為ASIC介面晶片(Interface chip),此晶片會接收MEMS端傳來的電容變化,並將它轉換為類比的電壓值輸出,或是再進一步轉換為數位化的訊號。


偵測到的類比或數位訊號會傳送到微處理器或應用晶片,在這裏進行位移、方向、姿態的運算。感測器和處理器整合在一起就成為一個感測器模組,此模組再與電子設備中的其他單元(如顯示器)一同工作,形成完整的應用系統。請參考圖三。


《圖三  MEMS感測器系統開發架構》
《圖三 MEMS感測器系統開發架構》

雖然同樣可採CMOS製程,但MEMS結構與偵測電路的設計需求仍有很大的差異,因此採封裝作法能大幅降低整合上的難度。不過,晶圓級的整合終究能提供更佳的元件密度,有助於降低尺寸與量產成本,也能減少額外元件及阻抗損耗,以及封裝、測試上的成本,所以MEMS元件還是會朝向單晶片的途徑發展。


目前有些IDM大廠,如ADI、Infineon等已可做到CMOS MEMS的單晶片製程技術,而台積電在今年也已發表其CMOS MEMS製程。不過,雖然同樣是CMOS MEMS製程,在生產流程上卻有很大的差異。ADI、Infineon由於自行掌握MEMS和電路的所有技術,所以能將其MEMS製程放在整個生產流程的中段(稱為Intra-CMOS);台積電等台灣的晶圓代工廠則偏向於先做完CMOS的IC電路,再完成MEMS的結構(稱為Post-CMOS),此舉有助於讓生產流程單純化。請參考圖四。


《圖四  TSMC的CMOS MEMS製程示意圖》
《圖四 TSMC的CMOS MEMS製程示意圖》資料來源:TSMC發表於World Micromachine Summit 2008

另外有一種折衷的作法,即是採晶圓級的封裝技術。以陀螺儀廠商InvenSense為例,即提出Nasiri Fabrication的MEMS生產技術,也就是將訊號調整電路與MEMS結構在晶圓層次進行整合,透過晶圓接合(wafer-bonding)製程為兩者提供電性連結,以減少不必要的電容與電感配置,進而能提升效能,也能降低成本與尺寸。


除了矽材料外,石英材料也能用來設計運動感測器。然而有能力做到石英微型化生產的廠商並不多,其中日系的Epson Toyocom和Citizen即基於石英技術推出自己的陀螺儀感測器,而這家廠商皆是歷史悠久的鐘錶大廠。Epson Toyocom稱自己的技術為QMEMS(Quartz MEMS),並做出雙T架構的陀螺儀,能夠實現高穩定性及精確性的優點。請參考圖五。



《圖五  Epson QMEMS陀螺儀工作原理》
《圖五 Epson QMEMS陀螺儀工作原理》資料來源:Epson Toyocom

就台灣的MEMS產業來說,已發展出涵蓋設計、晶圓、封裝、測試、材料/設備/工具和系統整合的完整產業鏈,但設計單位主要來自學界或工研院,業界以晶圓廠及封測廠居多。這些晶圓廠的製程又可分為矽製程與非矽製程,其中亞太優勢已發展為相當重要的MEMS晶圓代工廠,但營收與半導體代工廠仍有很大的距離。此外,由於MEMS元件具有製程的特殊性,台灣的廠商各有投入的領域,但從表一可以看出,在運動感測器上的投入廠商並不多。


就設計公司來說,其實市場上已有許多的供應商,請參考表二及表三。這些廠商以美系及日系為主,他們本身皆擁有自己獨到的製程技術或實現方法,而產品規格及定位也有所區分,有的主打高階的工業或車規市場,有的則主推中低階的消費性應用。


(表二) 加速度計廠商列表<製表:歐敏銓>

廠商

產品

軸數

國家

ADI

iMEMS系列

1, 2, 3軸

美系

ST

LIS系列

2軸, 3軸

美系

Freescale

MMA7xxx系列

1, 2, 3軸

美系

MEMSIC

MXA及MXD系列

2軸

美系

KIONIX

KXP/KXR等系列

1, 3軸

美系

Bosch

BMA及SMB系列

3軸

德系

VTI

SCA3000系列

3軸

芬蘭

Panasonic

PIMITES

2軸

日系

OKI

ML8953A

3軸

日系

Hitachi-metals

H34WR

3軸

日系

Mitsumi

MM3AAS

3軸

日系


系統設計要領

如前所述,舉凡與慣性運動行為相關的偵測,都有機會導入加速度計或陀螺儀來進行偵測。然而,運動感測器的規格相當多樣,必須針對應用目的來選擇最適合的元件。首要要選擇的是感應軸的方向,如需要單軸、雙軸、三軸的加速度計或陀螺儀,或兩者皆需要,甚至還需要壓力計和電子羅盤;選定軸向數後,還得考量許多應用特性,以加速度計為例,注意因素包括:量測範圍、輸出介面、靈敏度、0g準位、頻寬需求、線性度、功率消耗、電源電壓、溫度補償、自我測試等等,以下將介紹幾項重要的設計考量因素。


1. 量測範圍(full scale, FS):

加速度計量測範圍的單位是g,而陀螺儀量測範圍的單位為角度/秒。不同的應用所需的量測範圍並不相同,舉例來說,遊戲、傾角測量或姿態識別等一般性的用途來說,加速度計的FS達±2g已經足夠;但若要用來偵測高速移動、撞擊等動作,就會需要選用FS達±6g或±8g以上的加速度計元件。


2. 靈敏度(Sensitivity):

靈敏度指的是感測器可感測及輸出的最小輸出變化量,這和ADC的位元數及感測器的FS有關。以±2g量測範圍搭配8-bit ADC的加速度計來說,其靈敏度大約為(±2g /256bit)8mg/bit。同樣的ADC,但選用FS愈高的加速度計,靈敏度反而下降,因此FS愈高不一定就愈好。選擇高位元數的ADC能夠提升靈敏度,但成本則會增加許多。


3. 頻寬:

感測器元件的頻寬與系統反應速度有關,不同的應用需要的頻寬不同。以手持設備的姿態識別與單擊、雙擊動作偵測應用來說,只需選用低頻(0~20Hz)的加速度計即可;若需用於硬碟自由墜落的感測保護,必須選用中頻(~50Hz)以上的產品;對於汽車衝撞感測或洗衣機振動感測的應用來說,就需選用高頻(~100Hz)的加速度計。


4. 輸出介面:

感測器常見的輸出介面為類比輸出和數位輸出兩種,其中類比輸出介面輸出的電壓與感應軸量得的加速度或角速度成比例關係,此比例常數即是感測器的靈敏度,與電源電壓有關。以ADI的ADXL320為例,當電源電壓為5V時,其靈敏度為312mV/g;當電源電壓降到3V時,靈敏度提高為174mV/g。


採用類比輸出,系統設計者必須再外掛一顆ADC將類比訊號轉為數位訊號,而高品質的ADC價格不低,有時甚至高於MEMS的單獨售價。相較之下,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,是更簡易的設計選擇。除了這兩種介面外,有的加速度計能提供數位PWM輸出或頻率(Hz/g)的輸出介面,但較不常見。


5. 偏置漂移(offset drift)與歸零測試:

偏置漂移是感測器設計最讓人頭痛的問題之一。感測器的輸出量可能因內部或外部的因素而產生零點或靈敏度的偏置漂移,這時元件本身或系統設計者要有能力對元件進行補償修正,否則偵測出來的誤差愈來愈來,其結果就會失去意義。偏置誤差的原因可能來自封裝過程或感測器MEMS結構本身、量測時的雜訊因素,最常見的則是溫度效應。


以電容式加速度計來說,其MEMS結構往往為梳狀設計,其交錯的梳狀電極在來回移動時,很可能會出現極間粘連的現象。此外,電容式感測器對於微粒相當敏感,如果一顆極小微粒落在兩極之間,電容的容值將發生突變,從而使輸出信號的零點出現巨大偏移,造成元件失效。因此半導體製程中的微粒控制非常重要,但要讓微粒數量降低,淨化級別就得提高,製造成本也會越高。


當感測器的零點輸出出現偏置時,就必須進行校正。為了簡化對個別元件的自我測試程序,今日的感測器往往會提供自我測試接腳(Self Test pin, ST pin)。在加速度計的0g及靈敏度校準上,設計者必須透過專屬的驗證平台來完成,也就是將加速度計元件置於校準後的水平面上,測出+1g及-1g時的電壓偏置讀值,再進行修正。


(表三) MEMS陀螺儀廠商列表<製表:歐敏銓>

廠商

產品

 

ADI

iMEMS系列

1軸

美系

ST

LY530AL

1軸

美系

InvenSense

IDG系列

1軸

美系

Bosch

 

 

德系

BEI

LCG50

1軸

美系

Honeywell

 

 

美系

Silicon Sensing

CRG, CRS系列

1軸

英商

Atlantic Inertial Systems

SiRRS01

1軸

美/英商

Epson Toyocom

 

1軸

日系

Citizen

CGS系列

1軸

日系

Murata

 

 

日系

Matsushita

 

 

日系


結論

今日多數的電子產品市場已進入了微利時代,要突顯自己的價值,就得展現出加值的功能表現,而MEMS元件正能滿足這樣的需求。有趣地是,同樣導入了3軸加速度計的消費性產品,可以做出截然不同的應用功能,如使用者介面、慣性導航、計步器、遊戲操控等等。Wii的成功證明了這類感測元件確實充滿了應用的潛力,最大的限制就是設計者的想像力。


然而,運動感測器還只是MEMS元件裏小小的一個類型,其中適合手持設備應用的新興技術還包括MEMS麥克風、微型投影機、顯示技術、振盪器、RF開關等等。除了消費性的應用外,MEMS在汽車、生醫、工業、國防等領域也扮演了重要的角色。這些元件雖小,能耐卻是不容小覷,而跨機、電(甚至光、熱)領域的技術整合也是未來必然的發展趨勢。


(作者為本刊編輯總監,聯絡信箱:owen@hope.com.tw )


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