加速度計與ＭＥＭＳ明日之星

微機電系統(MEMS)在發展了近四十年后，近來因為游戲機(Wii、PS3)、手機(iPhone)、MP3(iPod touch)等消費性電子產品的應用，終于劃下時代性的一刻，成功打入產量最大的消費市場。這對于微機電產業來說無疑是值得慶賀的時刻，因為有太多的研發心力已投入這項將微機械與微電子工程融合的微機電設計訴求之上，如今總算看到令人欣慰的一些成果。

當然，這仍然只是MEMS進軍更廣泛市場的一個開端，打開這個市場的功臣即是加速度計(accelerometer)。在本文中將會對加速度計的技術及應用有更多的著墨，在此之前，我們要先來看看MEMS的領域及發展進程。

MEMS發展歷程

MEMS的研發早在1970年代初期就已展開，最早期的研究包括石英晶體諧振器(QuartzResonator)和壓力傳感器等，接著有打印機的噴墨頭(inkjet)及氣相色譜儀(gaS chromategraphy)的研究；1975年后開始進行加速度計、數字光投影機、微流體(micro-fluidics)、MEMS振蕩器、MEMS開關(Switch)的研究；1985年左右開始研究MEMS麥克風；薄膜體聲波諧振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)和陀螺儀(Gy－roscope)則是1990年代以后才開始的新領域。

MEMS的應用領域很廣，舉凡需要用到微機械感測與控制的應用，都有可能導入MEMS的芯片，這些領域涵蓋了信息、通訊、消費電子、汽車、醫療、工業等等各個領域。目前廣泛應用MEMS芯片的應用領域是汽車電子及信息電子，在汽車的操控性及安全性方面，已采用不少的MEMS傳感器和制動器，其中又以加速度計居多，例如低重力加速度計可用于電子停車制動(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于懸吊系統、安全氣囊；此外，MEMS陀螺儀(Gyroscope)則可用于慣性導航、防側翻和VDC。

在信息應用方面，最常見的是打印機噴墨頭的運用，這仍是目前MEMS芯片最大的應用領域之一。此外，加速度計也被用于保護硬盤，當硬盤不慎掉落時，傳感器會立即傳出警告信息，要求馬達停止轉動并將磁頭從盤片表面上移開，因此不會有任何部件與硬盤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，內部所存儲的數據仍能安全無虞。另一個大幅成長的芯片則是微面鏡，最成功的例子是TI所研發的數字光處理(DLP)技術，目前已普遍用于投影顯示器當中。

加速度計的創新應用

在現階段，消費性市場最有興趣的，還是如何導入加速度計。加速度計的應用是令人期待的，舉凡需要感測由于墜落、傾斜、移動、定位、撞擊或振動產生微小變化的產品，都可以導入加速度計。因此，除了上述的防撞保護外，它還能提供操控手持設備的人機接口(Man Ma-chineInterface，MMI)以及許多有趣的增值功能：

創新MMI人機界面

Wii的遙控游戲功能，正是讓大家印象最深刻的創新型態人機接口功能。它利用加速度計的動態感測功能來感測遙控器左，右傾斜、前／后傾斜、甚至上，下移動等動作，來轉換為玩家在游戲中想操控的揮拍、擊球、釣魚、跳躍等動作，而能取代鍵盤以更直覺的享受到游戲的臨場感，也能完成一些過去相當困難的細微操控動作。

不僅如此，3軸加速度計也能實現畫面自動轉向、圖像瀏覽及目錄選擇等功能。以iPhone及iPod touch來說，其內建的加速度計通過測量重力向量，就能確定它是處于垂直狀態還是水平狀態，并將圖像的顯示位置自動轉正，例如當用戶在觀賞照片、視訊或檢視地圖而以橫向觀看時，畫面會自動旋轉；當瀏覽網頁或日錄時，則可以再轉回直向顯示。

還有一些直觀的用法，例如運用加速度來操控顯示畫面，也就是藉由傾斜手持設備來實現屏幕顯示內容的上下左右瀏覽，并可通過對單擊(單次振動)或雙擊(連續振動兩下)的識別，來進行各種功能的選擇，例如歌目選擇、手機撥號及靜音控制等。

有趣的增值功能

加速度器對于動作的感測，還能創造出許多有趣的應用，如骰子游戲、虛擬樂器敲擊及[閃訊](Wave Message)等。骰子游戲是藉由搖動手持設備來控制骰子旋轉速度及停止時間；虛擬樂器敲擊是藉由對手持設備的揮動感測，來控制敲擊樂器的節奏快慢及音量大小；閃訊則是在光線較暗的環境下，當手持設備快速左右移動時，加速度計會感測動作并驅動LED發光，在空中形成連續的光影信號。

其它應用

對于手持設備來說，降低功耗一直是最重要的任務之一，而通過內建的加速度計，可以偵測到設備的使用狀況，并采取適當的省電控制模式，此舉將有助于延長手持設備的電池壽命。此外，加速度計也能提供計步器、電子羅盤補正(3D Compass)、照相防手震等附加功能。上述種種的創新應用能力，讓3軸加速度計成為手持設備中另一個不可少的芯片。

電容式加速度計技術

接著來看看加速度計的設計原理。常見的加速度計技術包括壓阻式(Piezoresistive)、電容式(Capacitive)、壓電式(Piezoelectric)及熱對流式(Thermal)。目前市場上商業化的加速度計主要是采用壓阻式、電容式與熱對流式，日系廠商主要采用壓阻式技術，ADI、ST等歐美廠商則采用電容式技術，對流式的代表廠商則為MEMSIC。

電容式加速度計是將被測非電量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器。它具有結構簡單、高分辨力、可非接觸測量，并能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作等獨特優點。隨著MEMS和半導體制程的進步，大幅改善其原先的一些使用限制，也讓電容式作法成為今日市場上極受歡迎的一種加速度計設計途徑。

電容式加速度計的結構中會有可移動的質塊與相對的固定端，分為作為電容的兩極。當外界加速度使可移動極與固定極發生相對位移時，兩極間的電容量也會產生變化，通過特殊電路可將此變化量轉換成相對應的輸出信號。

電容式加速計的好處甚多，比起壓阻式或熱對流式容易因外界溫度變化而產生零位漂移，電容式的電容值一般與電極材料無關，因此可選擇溫度系數低的材料；加上本身發熱極小，溫度對穩定性的影響甚微。此外，電容式除了可以實現微型化需求外，也能在高溫、高壓、強輻射及強磁場等惡劣的環境中工作，也能耐受極大沖擊，適用范圍極廣。

另一個優點是它的動態響應時間報短，能在幾MHz的頻率下工作，因此特別適用于動態測量。又由于其介質損耗小，可以用較高頻率供電，因此系統工作頻率高，可以用于測量高速變化的參數。除了上述優點外，電容式還可測極低的加速度和位移(0.01μm以下)，靈敏度及分辨力可以做到很高。

在電容式的結構中，當其中的質塊出現加速度運動時，就會產生電容量的差異變化(△c)，此變化會傳送給另一顆接口芯片(Inter-facechip)，由它來輸出可量測的電壓值。因此，一個3軸加速度計芯片中必須包含兩大單元，一是單純的機械性MEMS傳感器，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；另一則是標準的ASIC接口芯片，它會將電容變化轉換為電壓訊號輸出。

傳感器與ASIC接口芯片這兩大單元雖然都可采用CMOS制程來生產，但由于實現技術上的差異，兩者目前大多仍會采用不同的生產流程，再將兩顆芯片封裝整合在一起，成為系統級封裝(SiP)芯片。這兩顆芯片可以用堆棧(Stacked)或并排(Side by side)方式來進行封裝。采用先進LGA封裝的ST加速度計芯片只有3×5×1.0mm，此尺寸已相當適合小型化手持設備的使用。

不同的應用需選用不同規格的加速度計，以手持設備的姿態識別與單擊、雙擊動作偵鍘應用來說，只需選用低頻(0～20Hz)的加速度計即可；若需用于硬盤自由墜落的感鍘保護，必須選用中頻(～50Hz)以上的產品；對于汽車沖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。

未來的MEMS明星

今日MEMS的當紅產品，當然是加速度計，不過，還有許多的微機電芯片具有極佳的市場爆發力，包括陀螺儀、MEMS麥克風、IMOD顯示器、嵌入式超小型投影機、MEMS振蕩器等。陀螺儀是繼加速度計后另一個備受注目的運動傳感器，它能補足加速度計在轉向角度上的不足，因此兩者的互補能提供更精準的運動行為判斷。除此之外，陀螺儀也能用于照相防震、3D遙控、空中鼠標、游戲游戲桿等應用中。

新的MEMS麥克風(也稱硅晶麥克風)具有小尺寸、抗噪訊及易開發等優勢，已成為取代傳統駐極體電容式麥克風(Electret CondenserMicrophone，ECM)的主流選擇；Qualcomm開發的IMOD(Interferometric Modulator)技術是一項基于MEMS的干涉測量調節顯示技術，強調能夠像光的薄膜干涉那樣，獲得如蝴蝶翅膀和孔雀羽毛那樣斑斕的色彩，而且能比其它顯示技術提供更低的耗電量。

此外，超小型投影機小到能嵌入手機當中，進而讓手機能夠投射出更大的屏幕，而不會受限于今日僅數寸的顯示器，讓手機用戶能更進一步地享受視聽效果。MEMS振蕩器的應用則將沖擊整個電子產業，因為它已成為長久以來用來提供頻率的石英晶體振蕩器的可行取代方案。

結語

MEMS芯片的運用，就如同人通過五官接受外界的信息一般，通過信息處理(女人的大腦)，再做出相應的動作。這種能力讓微小的芯片也能具備感知與反應能力，大幅提升了機電系統的智能性。我們今日看到的微機電芯片功能或許只是其能力的一個雛型，未來仍有很大的想象空間，等待我們去實現。