任天堂Wii遊戲機的熱賣，除使遙控器內的微機電系統加速度計備受關注外；亦將其應用由過去的汽車領域，成功地帶入消費性電子領域。未來隨著半導體製程技術進展，MEMS感測器尺寸將朝小型化、低成本化與整合化發展，應用領域亦將更加廣泛，市場成長潛力無窮。
微機電系統(MEMS)之所有應用，都是基於慣性運動定律而產生，並延伸出多種設計，並由不同廠商所力拱。諸如壓阻式(Piezoresistive)加速度計、電容式(Capacitive)加速度計與熱對流式(Thermal)加速度計(表1)等，都因為各有特性，加上廠商們別具技術專業，因而帶來業界頗為豐富多元的市場發展。當然，要評斷孰優孰劣有其難度，可從技術本質中進行了解，有助發現其中奧妙，甚或進而找到商機。
| 表1 加速度計的技術發展類型 |
| 工作特性\技術 |
壓阻式 |
電容式 |
熱對流式 |
主要發展廠商 |
日系廠商 |
歐美廠商 |
MEMSIC |
| 面積尺寸 |
3x3毫米 ~ 5x5毫米 |
3x5毫米 ~ 5x6毫米 |
7毫米x7毫米 |
| 厚度 |
0.92毫米 ~ 1.48毫米 |
0.9毫米 ~ 1.45毫米 |
1.8毫米 |
| 功耗 |
0.35 ~ 2.0 mA |
0.32 ~ 0.8 mA |
4.2 mA |
| 回應頻率 |
50 ~ 250 Hz |
50 ~ 1.5 kHz |
17 Hz |
| 耐衝擊力 |
5000 ~ 7000g |
2000 ~ 10000g |
50000g |
| 對環境溫度變化的敏感度 |
±2 ~ ±9%程度 |
±1.5 ~ ±3%程度 |
±15% |
資料來源：意法半導體，資策會MIC整理(04/2008)
慣性運動定律為基礎 加速度計設計方式各有優劣
慣性運動定律主要是用來測量物體的位移運動量的改變，包括方向、位移、掉落速度等變化。其依循虎克定律(F=kx)、牛頓第二定律(F=ma)等定律，透過測量一些微小的物理量變化，例如電阻值、電容值、應力、位移、變形與間隙等，就能進一步計算出加速度，再將這些變化量轉成電壓訊號輸出。
應用此原理，可設計出單軸、雙軸和三軸加速度計，基本的加速度計主要包含一個機械式MEMS感測器及一個特定應用積體電路(ASIC)介面晶片。機械式MEMS感測器內部有數個可移動的電子元件，主要是測量單軸、雙軸或三軸的電容變化量；而ASIC介面晶片的功能是將接收到的電容變化轉換為電壓訊號輸出，以供系統進行相對的判斷與動作。
至於加速度計之工作原理(圖1)，是根據慣性運動定律而設計的。當加速度計與受測物體因外力影響而加速運動時，慣性質量會受到慣性力的作用向相反方向運動。當外界加速度變化時，慣性質量的位移也發生相對應的變化，並使得轉換器的電容、電阻發生相對應的變化，轉換器再將其轉換為電壓輸出，藉由輸出電壓的變化，就等於測得慣性質量的位移。
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資料來源：資策會MIC ITIS計畫(04/2008)
圖1 加速度計工作原理 |
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半導體材料受到應力作用時，其電阻率會發生變化，透過這種壓阻效應來感測位移的變化，並設計出壓阻式加速度計。由於壓阻式結構簡單、外型小巧，而且能提供極佳的性能表現，特別適合用來測量低頻加速度應用。不過，壓阻式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，因而會產生溫度誤差，須進行補償。 |
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這類加速度計是利用矽材料特質所設計出的可移動式結構，它的機械結構包括可移動的質塊與相對的固定端，分別作為電容的兩極。當外界因加速度而使得可移動端與固定端發生相對位移時，兩極間的電容量即會產生變化，透過特殊電路可將此變化量轉換成相對應的輸出訊號。
電容式加速度計因為可選用溫度係數低的材料，本身產生的熱量也很少，因此溫度變化對其穩定性的影響不大，不像壓阻式會產生零位漂移問題。
由於利用電容效應，因此電容式加速度計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；此外也可以在高溫、高壓、強輻射及強大磁場等惡劣環境中工作，適用範圍極廣。再者，電容式感測器的結構簡單，而且為非接觸式量測，因此使用壽命較長。
不過，由於電容式加速度計結構中的兩極距離很近，如果設計不當，很可能會因震動而出現極間粘連現象。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，電容值將發生突變，而使輸出訊號的零點產生巨大偏移而失效。因此，半導體製程中的微粒控制非常重要，對於無塵室的淨化等級也必須提高，製造成本也會越高。 |
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該類加速度計乃採熱傳導原理，是以可移動的熱對流氣團作為慣性質量。因此在其結構中，會有一個空腔，此空腔中會形成一個懸浮的熱氣團質塊，在空腔底部的中央放置一個熱源，並在熱源的四周以等距離且對稱的方式放置由鋁和多晶矽組成的熱電耦。由於自由對流熱場的傳遞性，任何方向的加速度都會擾亂熱場，並導致四周的熱電耦組的輸出電壓出現差異，此輸出電壓的變化與所感應的加速度成等比例變化。
熱對流式的優點在於不會有其他機械方式可能出現的粘連、顆粒等問題，同時能承受50,000g以上的巨大衝擊；此外，它具有低成本的採用優勢。不過，熱對流式的工作原理使其對環境溫度變化相當敏感，因而容易產生零位漂移和靈敏度漂移；它的功耗相對較大，頻率回應也較慢，一般小於35Hz；此外，目前熱對流式加速度計只能做到二軸的方向性。 |
成本/尺寸衝擊消費性市場微加工技術左右感測器發展
隨著MEMS感測器逐漸朝向消費性市場發展，為了使其小型化，並在量產能力上達到低成本與低功耗，因此近年來廠商陸續投入對於材料及技術的發展。 在材料方面，MEMS感測器和晶片設計一樣，也是以矽為主要材料。因為矽具有優異的電性、熱量與機械特性，而且其運動特性非常可靠。此外，矽不易折斷，使用週期可以高達到上兆次。
MEMS感測器利用矽製程技術，採用標準化的半導體製程來設計微機電系統，除了應用其材料特性之外，也是充分利用全球半導體產業的相關製造和封測技術，將有助於MEMS感測器的量產及良率控制。此外，採用半導體製程的MEMS感測器，能夠隨著光罩製程的微型化先進製程演進，讓產品尺寸變得更小。 MEMS技術主要分為體型微加工技術(Bulk Micro-machining)與表面微加工技術(Surface Micro-machining)等，另外還有廠商會應用一些整合技術，如電鑄、晶片黏合以及特別的保護與封裝技術，以依據不同的應用需求，選擇不同的微加工技術。相關技術比較如表2。
| 表2 加速度計的技術發展類型 |
| 特性\製程 |
Bulk
體型微加工 |
Surface
表面型微加工 |
THELMA
厚磊晶層微加工 |
最小光微影技術 |
3μm |
1μm |
0.8μm |
| 光罩層數 |
8~10 |
>25 |
8~10 |
| 晶圓尺寸 |
4或6吋 |
6或8吋 |
8吋 |
| 無塵室等級 |
10/100 |
10/100 |
10/100 |
| 基板材料 |
MonoSi |
PolySi |
Si Epipoly |
資料來源：意法半導體，資策會MIC整理(04/2008)
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體型微加工技術是直接將矽基材進行乾式或濕式的蝕刻，以做出各式各樣的微機械結構，此技術要求的精準度較低，適合設計尺寸較厚的結構，也是最早開始採用的矽晶式MEMS元件製造技術。
由於微加工技術發展是利用矽基材的晶格特性做微機械結構，因此體型微加工相對於表面微加工技術能獲得較堅固的結構；然而它的缺點是很難做出多變與複雜的結構，而且單晶矽材料的製造成本也較貴。 |
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由不同材料層構成基板層的表面微加工技術，透過深度蝕刻及犧牲層(Sacrificial Layer)等作法，做出多層與複雜的結構，使能夠製造出可動作的精密機械性結構，並逐漸成為今日MEMS生產的主流技術。利用犧牲層技術的微加工製程包括下列步驟：首先在矽晶上沈積犧牲層，透過光微影(Lithography)技術將設計好的保留區域圖形，精確地複製到晶圓上，再利用蝕刻將不要的部分除開；接著在沈積結構層(Structure Layer)上，再蝕刻掉不要的部分；最後再將犧牲層全部蝕刻移除，即可做出可移動的機械結構。
表面型微加工技術雖然獲得MEMS廠商的肯定，但其控制技術仍然有相當的門檻。最主要的技術問題在於如何克服薄膜製程的張應力特性，以控制結構的平整性；此外，技術的可靠性也將影響此技術能否做出商品化的產品。 |
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THELMA(Thick Epitaxial Layer for MicroGyroscopes and Accelerometer)厚磊晶層技術是由意法半導體(ST)開發的先進表面微加工製程，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。採用THELMA技術，主要用來生產靈敏度高、感測範圍廣的加速度計、陀螺儀和機電濾波器/諧振器元件。 |
整合化MEMS技術日益當紅
MEMS感測器主要透過系統封裝方式來與AISC介面晶片整合在一起。為了達到微型化、低成本與高效能的產業需求，MEMS感測器的封裝技術必須往晶圓級封裝發展，長期而言，將會朝向開發單晶片MEMS感測器之目標邁進，以降低封裝、測試與量產的成本。
此外，若是能將MEMS元件與半導體晶片加以整合為系統單晶片(SoC)，也可縮小成品的整體體積，並提高成品的封裝完成度及處理效能。因此，將MEMS與半導體晶片的電子電路整合，也是廠商投入研發的重點。
例如，相關廠商VTI日前開發出一項整合MEMS與ASIC的技術稱為Chip-on-MEMS。此技術的概念是將極薄的ASIC採覆晶方式置於MEMS晶圓上方，如此可直接將ASIC黏著於MEMS元件，以製造出尺寸更小、更具處理效率且成本大幅降低的感測元件，適合用於量大的產品。
應用多元 MEMS加速度計市場起飛
MEMS慣性運動感測器主要是偵測物體的定位與移動、自由落體、傾斜度、震動與撞擊等項目，未來的主要應用發展領域以汽車與資訊/消費性電子應用最為熱門，主要是提升應用時的安全與操控能力。
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在此領域，感測器主要應用於安全、操控與導航功能，所應用的微機電元件包含加速度感測器、陀螺儀和壓力感測器等，其中約有三成為MEMS感 測器。
加速度計依據重力加速度的低中高速有不同的應用。低重力加速度計可應用於電子停車制動、安全帶預緊器、防側翻與汽車動態控制。中高重力加速度計則應用於懸吊系統、安全氣囊。
此外，加速度計在行車紀錄器(黑盒子)的應用也受到矚目，行車紀錄器可內建加速度計和相機，當感測器偵測到緊急煞車或衝撞事故時，會將前後數十秒間的影像加以記錄，此功能將有助於車禍肇事原因的調查與保險理賠業務。
陀螺儀主要應用於車用電子的防側翻、汽車動態控制及慣性導航。在慣性導航方面，廠商結合三軸加速度計、陀螺儀、電子羅盤等MEMS元件，透過三軸加速度感測器與里程計推估出汽車的行進位置變化，及利用陀螺儀來感測、判別車輛的轉彎方向與坡度，使達到航位推算(DR)的應用。
由於汽車在行經衛星訊號不良的地帶如高樓林立的街道或隧道，全球衛星定位系統(GPS)的導航功能將會失效，因此利用慣性導航定位輔助功能，可提供臨時性推算定位技術，使行車導航更為準確、便利。 |
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加速度感測器及陀螺儀也可應用於資訊及消費性電子領域，諸如保護硬碟的自由落體偵測、螢幕旋轉、利用傾斜進行選單操作或遊戲控制，是最受業者青睞的主要應用。
對於可攜式的資訊設備如筆記型電腦、可攜式多媒體播放器(PMP)、數位攝影機來說，可運用於硬碟的墜落防護。當感測器偵測到硬碟掉落時，將會關閉馬達，並使讀寫頭移開磁片表面，以免內部元件碰撞，損壞資料。
在消費性電子應用方面，任天堂遊戲機Wii的遙控器的控制方式，便是利用加速度計與陀螺儀對於位移、速度及傾斜角度的偵測，來感測搖控器左右傾斜、前後傾斜、甚至上下左右移動等動作。而這些動作也可轉換為玩家在遊戲中想操控的揮拍、擊球、釣魚、跳躍等動作，而能取代鍵盤以更直覺的享受到遊戲的臨場感，也能完成一些過去相當困難的細微操控動作。
此外，手機或數位相機由橫幅轉動90度成直幅握持，其螢幕圖像會自動旋轉。另數位相機的防手震功能，係透過陀螺儀偵測數位相機的振動幅度，當振動幅度過大時，則會利用馬達對鏡頭進行微調，以補償因為手持晃動的影響，達到拍照時的防手震功能。 |
加速度計進軍終端市場 動作感應帶來全新操控體驗
動作感應技術基本上是加速度計的應用方式之一，以目前的技術來說，應用MEMS加速度計並搭配陀螺儀架構成慣性量測系統，已隨著3C產業的發展，逐漸被大量應用，最熱門的是次世代所用到的動作感應控制方式，主要是應用加速度計與陀螺儀，感應使用者的動作，並藉以操控設備，使具有更直覺、趣味性的控制方式。
除了遊戲控制的功能外，運動感測器提供許多創新且人性化的介面操控功能，也就是利用感測器來做為操控手持設備的人機介面。例如3D滑鼠便是利用陀螺儀的感測能力，直接在空中完成滑鼠操作的目的，不須瞄準任何接收位置；這種人性化的操作方式將是未來數位家庭市場最重要的人機溝通介面。
半導體製程助益大 MEMS不斷創新
隨著MEMS的應用範圍與市場需求逐漸擴大，穩定且標準化的製程工序也相對重要。MEMS的微加工製程也從半導體製程衍生而來，包括光微影、材料沈積、蝕刻等，由於運用半導體製程技術，能夠隨著批次生產、光罩製程的微型化製程演進，讓產品尺寸變得更小，不僅能符合消費性電子產品小型化需求，對於增加量產能力也有幫助。
另一方面，由於MEMS感測器必須針對不同使用功能與應用環境來設計，因此封裝上並無標準模式，必須根據產品的需求而有多種不同封裝技術。隨著近年來，MEMS的微加工製程逐漸採用與半導體製程相容的技術，並同時將相關電路或晶片架構加以整合朝SoC發展，因此近來也開始發展出晶片級封裝(CiP)或系統級封裝(SiP)。未來，應用半導體製程的封裝技術與標準化測試流程，以使部分封裝與測試流程達到標準化，可提高生產效率及產品良率。
MEMS感測器因為Wii遊戲機的遙控器而使其聲名大噪，並由過去的汽車領域而逐漸朝向消費性電子領域應用發展。
展望未來的新興應用發展，MEMS也可應用在工業控制、家電與醫療器材等領域。例如內建計步器的運動鞋，可以計算跑步者的運動量；又如新一代的洗衣機中加入MEMS感測器，可以調整洗衣服時的進水量及馬達轉速。
更進一步的應用，則是利用多重感測器的設計，整合加速度計與陀螺儀，使達到運動感測應用，讓電子產品的控制方式變得更有智慧，也能提供消費更多創新、便利、親切和有趣的應用性。
(本文作者為資策會MIC資深產業分析師)