從Wii掀起MEMS風潮
自從20年前由ADI(亞德諾半導體)做成業界第一顆MEMS (微機電系統)XL感測器單晶片起，有近十年的時間MEMS感測器幾乎都是以汽車的安全氣囊應用為主力，以及航太飛行應用上。最近十年，隨著MEMS廠商在技術發展上屢見突破，讓業界發展出基於MEMS技術的各式產品。尤其是在2000年後，任天堂Wii遊戲機大膽採用ADI(亞德諾)和ST(意法半導體)兩家的MEMS動作感測器，隨即風靡全球消費市場，也讓這兩家廠商奠定在MEMS市場的領先地位。本文將簡介MEMS產品概況以及從ADI及ST這兩家廠商最新產品的進展從而瞭解MEMS技術的發展方向。
MEMS類別多
MEMS以種類分，主要分慣性(Inertial)產品與非慣性產品，慣性產品分為單軸、雙軸和振動感測器等High-g(重力加速度)加速計(accelerometer)，以及單軸、雙軸和三軸的low-g加速計，另外有角速度陀螺儀(angular rate gyros)和多重感測器方案。整合技術趨勢反應在慣性感測器上十分鮮明，將多重加速計、陀螺儀乃至壓力感測器與微處理器(8位元/32位元)都整合成單一封裝將是業界致力的方向。在加速計與陀螺儀主要供應商有ADI、ST、Bosch、Panasonic、Epson Toyocom、 Kionix等。值得一提的Epson Toyocom也運用MEMS技術發展出MEMS振盪器-QMEMS(該技術本刊於126期10月號有專文報導，敬請參閱)，另一家SiTime也是MEMS振盪器廠商。
在非慣性產品方面，主要為MEMS麥克風，在數位化環境漸趨成熟下，MEMS麥克風具有高音質、高感度、低耗電、耐高溫、抗雜訊、高整合、小尺寸、低價格…等多重功能/成本優勢可望逐步取代受到雜訊、音質、耐受性限制的傳統麥克風，並在應用領域做更大的延展。這塊新興市場先期由樓氏電子與Akustica(今年被Bosch所併)所主導，近年包括ADI、 ST、NXP等大廠陸續搶進，競爭更形激烈。此外，新興的非慣性MEMS技術正朝向生醫MEMS和RF MEMS發展，值得期待。
動作感測器成CE和手機熱門應用
根據iSuppli 2009年6月出爐的市場分析，2008年在消費電子與手機市場的MEMS廠商營收排名，ST位居龍頭，2007至2008年的成長率高達128%。iSuppli指出，ST是全球第一家專為消費性產品建置8英吋MEMS晶圓廠的公司，於2006年開始量產。在三年前，此舉甚為大膽，因為當時消費市場尚未真正起飛。由於2008年動作感測器需求激增， 相較於其他對手受限於產能， ST因有該新廠充裕的產能而勝出。據統計，ST在手機加速計的市佔率達57%，其次為Bosch Sensortec的13%，ADI 11%，Hokuriku 8%，Kionix 6%。
MEMS感測器在可攜式領域自2007年起逐年呈強勁的成長。應用範圍擴及搖控器、PDN、MP3播放機、數位相機、遊戲機控制器、筆電、手機到電子書閱讀器。ADI MEMS大中華區行銷經理Stephen Wu指出，由於MEMS慣性感測器具有加速、振動、撞擊、傾斜與旋轉等五種動作感測特性(表2)，應用潛力龐大。在先進手機應用中內建加速計與陀螺儀甚至磁力計將成主流， 使其具有先進計步、智慧螢幕、3D定位、智慧響鈴、Air Mouse(空中操作滑鼠)結合無線遙控、遊戲、相機光學防手震及室內定位服務等功能於一身。
針對電子書與平板電腦的應用，Stephen Wu指出業者可藉由加速計設計差異化特色，如定位、輕拍、傾斜控制瀏覽圖像等smart GUI功能或具有智慧螢幕便於閱讀位置辨識。
慣性感測器五大動作感測功能及應用
*加速感測(Acceleration Sensing): 速度與位置量測
應用:使用者介面:資料登錄(手勢辨識),電玩控制器:上下左右動作,硬碟保護及吉他音效
*振盪感測(Vibration Sensing):偵測不良，反常或聲響的振動
應用:工業設備監控,結構健康監控,地震偵測,相機影像穩定性與快門速度最佳化的應用,樂器
*撞擊感測(Shock Sensing):偵測撞擊事件
應用:汽車安全氣囊,硬碟保護,微型硬碟保護,地震偵測,頭盔運動,活動監控如計步計,資料登錄的輕拍偵測,手機的資料保護
*傾斜(Tilt)感測:有關水平傾斜量量測
應用:汽車警報器, 顯示器介面與控制, 電子羅盤補償,手機相機的相片風景定位,數位投影機基本校正,可攜式血壓計
*旋轉感測(Rotation):單軸周圍旋轉角度的量測
應用:GPS和PND死角推測,電源管理等狀況感知,運動訓練工具,機器人,重型設備平台穩定性
資料來源:ADI，整理:編輯部
ADI加了磁力計讓三軸智慧感測器更強大
以ADI iSensor™智慧感測器產品系列新成員ADIS16405為例，它是一顆結合多軸慣性/磁力計感測於一身的單晶片， ADIS16405六自由度（6DoF）慣性測量單元（IMU）內建簡單的高性能三軸磁力計感測器，可用於提高首向準確度。同時推出的ADIS16300四自由度（4DoF）IMU則具有業界突破性的價格，其價格僅為其他同級產品的1/10。與整合度較低且需要高度用戶對準的許多IMU產品不同， ADIS16405所有必需的運動感測與校準都是在工廠內完成的。這意味著系統整合時間的大幅縮短，用戶實現就像供電及連接SPI（串列外設介面）埠一樣簡單。這使得系統設計工程師可以縮短長達一年的系統開發時間，同時節省數十萬美元的測試設備成本。
ADIS16405可提供0.05°的速度感測器正交校準準確度，不僅改善了系統的整體準確度，而且簡化了終端系統的設計。磁力計感測器已經過校準，並與慣性感測器軸進行對準。擴展的校準與動態補償使產品可提供低於2.0 °/√hr的角隨機遊走和40 ppm/°C的溫度穩定性。所有感測器均可透過標準SPI介面進行存取，藉由這一介面還可對內部數位濾波進行控制。
車用市場更大宗 ST積極轉進
不同於早在車用市場建立基礎的ADI，近年強打可攜消費應用的策略，ST是從消費市場打回要求相對嚴苛的汽車應用。事實上，MEMS動作感測器在消費市場雖然年複合成長率達兩位數，但市場規模最大者還是來自汽車市場(見圖)，因此促使ST切入此一各立山頭的市場。ST MEMS與醫療電子事業群汽車產品部經理Marco Ferraresi表示，ST的加速計與陀螺儀植基於穩固的一站式MEMS技術與製造能力，迄今出貨數已超過6億顆給客戶。與其他同業在MEMS技術上的差異在於，ST擁有三個關鍵要素:
1.微米級傳感器是透過稱為THELMA的特殊製程來實現。
2.以先進的類比晶片結合智慧型功能於一身。
3.專注於封裝與校正的特性
基於種種優勢，ST推出創新的高精密度汽車智慧型電子系統動作感測器，可用於適應性頭燈系統（adaptive front light）、自動校正高強度氣體放電（high-intensity discharge，HID）燈、慣性煞車燈、電子手煞車（e-parking brake）、先進防盜系統以及汽車動態控制等系統。
AIS226DS是一款雙軸共平面加速度計，測量精密度高於兩個獨立感測器解決方案。該元件的最大感測加速度為±6g，其中「 g」代表重力加速度。舉例來說，在載有人的火箭發射飛向太空時，機組人員所感受的重力加速度大約為3g。新款AIS226DS還能可靠地分辨小於0。02度的細微傾斜角度。精確的傾斜角度測量功能對高度自動校正燈、電子手煞車以及坡道起步輔助（Hill Start Aid，HSA）應用相當的重要。
動作可透過在一顆晶片上的微型MEMS動作感測器。這個元件還整合一個SPI或I2C輸出的介面晶片，使感測器可直接連接汽車的電子控制元件（Electronic Control Unit，ECU）。此外，其他的汽車系統也可以使用AIS226DS，包括交通事故或違規駕駛監測器，還有當衛星訊號消失時，使用汽車動作資料提高航位推算準確度的GPS導航系統。AIS226DS並可用於許多汽車以外的應用，例如，工業設備中的震動感測、運送貨櫃的黑盒子監視器、傾斜儀（inclinometer）以及機器人系統。
業界首顆類比陀羅儀問世
此外，ST也推出一款高性能單一封裝的類比陀螺儀，可沿三個垂直軸精確地測量角速度。以優異的精確性、穩定性取勝，配合小型尺寸，意法半導體的3軸陀螺儀讓各種消費性電子産品可以廣泛採用真實動作控制的用戶介面。
LYPR540AH 3軸陀螺儀可執行360°角速度偵測，使手機、遊戲機、個人導航系統等可攜式裝置具有高精確3D手勢和動作識別功能。與一個3軸加速度計配合使用，意法半導體的最新陀螺儀讓設計人員能夠開發慣性測量單元（IMU，Inertial Measurement Unit），追蹤並提供人、車輛以及其他物體的動作類型、速度和方向的全部資訊。
這款創新的3軸陀螺儀的每個軸都能同時提供兩個獨立的輸出訊號：用於偵測高精確慢動作的400dps全量程數值，和用於偵測速度非常快的手勢和動作的1，600dps全量程數值。這兩個同步的全量程輸出訊號配合高分辨率，以及在寬溫度範圍（-40°C至85°C）和長時間作業下出色的穩定性，為業界樹立新的偵測精確和穩定性標準，並且簡化感測器的軟硬體整合設計。
除了陀羅儀外，ST近期也推出全新中型G加速度計，最大可測量值達到24g，相當於一級方程式賽車（F1）在強刹車時所產生的加速度的5倍左右。LIS331HH擁有市場上獨一無二的功能組合，包括多種10g以上量程、小尺寸、高解析度、低功耗，以及嵌入式智慧型功能，可在廣泛的消費性電子和工業應用中實現高精確度的動作測量。
在±6/±12/±24g的量程範圍內，意法半導體最新的MEMS加速度計LIS331HH的輸出數據極其精確。中型g感測器能夠監測高強度震動和檢測高衝擊，而不會失去任何資訊。在與遊戲相關的應用中，中型g感測器可提升用戶介面體驗，增加以前感受不到的真實程度。
兩個獨立、可編程的中斷訊號可立即通知前瞻事件，例如，當加速度值高/低於用戶預設值時。
LIS331HH動作感測器可設置成睡眠模式，有助於降低系統的總體功耗。在睡眠模式下，加速度計使讀取鏈（read chain）保持活動狀態，功耗低於10uA；當一個事件發生時，感測器將從睡眠模式喚醒，自動提高輸出數據速率。
意法半導體的數位輸出中型g加速度計在寬溫度範圍內擁有很高的穩定性，以達成零g偏差和高靈敏度。採用超緊湊的耐用設計，撞擊承受能力高達10,000g。晶片內建自我測試功能，客戶可在組裝於電路板後驗證其感測器的功能，無需再做電路板動作測試。
結語
包括ADI及ST等大廠都朝向功能更加強大尺寸更小型的智慧型感測器邁進，要達此目標企業資源必須足夠充沛，才有能力結合多重感測器與處理器甚至整合軟硬體於一身。以ST為例,該公司開發出內建計10顆慣性量測單元的模組，體積只有15cm3，但ST不以此為滿足，下一代模組的功耗將更低，體積只有50mm3，這一訊息相當令人期待，另一方面也顯示MEMS產業的競技門檻將越來越高，誰能勝出猶待觀察。
自從20年前由ADI(亞德諾半導體)做成業界第一顆MEMS (微機電系統)XL感測器單晶片起，有近十年的時間MEMS感測器幾乎都是以汽車的安全氣囊應用為主力，以及航太飛行應用上。最近十年，隨著MEMS廠商在技術發展上屢見突破，讓業界發展出基於MEMS技術的各式產品。尤其是在2000年後，任天堂Wii遊戲機大膽採用ADI(亞德諾)和ST(意法半導體)兩家的MEMS動作感測器，隨即風靡全球消費市場，也讓這兩家廠商奠定在MEMS市場的領先地位。本文將簡介MEMS產品概況以及從ADI及ST這兩家廠商最新產品的進展從而瞭解MEMS技術的發展方向。
MEMS類別多
MEMS以種類分，主要分慣性(Inertial)產品與非慣性產品，慣性產品分為單軸、雙軸和振動感測器等High-g(重力加速度)加速計(accelerometer)，以及單軸、雙軸和三軸的low-g加速計，另外有角速度陀螺儀(angular rate gyros)和多重感測器方案。整合技術趨勢反應在慣性感測器上十分鮮明，將多重加速計、陀螺儀乃至壓力感測器與微處理器(8位元/32位元)都整合成單一封裝將是業界致力的方向。在加速計與陀螺儀主要供應商有ADI、ST、Bosch、Panasonic、Epson Toyocom、 Kionix等。值得一提的Epson Toyocom也運用MEMS技術發展出MEMS振盪器-QMEMS(該技術本刊於126期10月號有專文報導，敬請參閱)，另一家SiTime也是MEMS振盪器廠商。
在非慣性產品方面，主要為MEMS麥克風，在數位化環境漸趨成熟下，MEMS麥克風具有高音質、高感度、低耗電、耐高溫、抗雜訊、高整合、小尺寸、低價格…等多重功能/成本優勢可望逐步取代受到雜訊、音質、耐受性限制的傳統麥克風，並在應用領域做更大的延展。這塊新興市場先期由樓氏電子與Akustica(今年被Bosch所併)所主導，近年包括ADI、 ST、NXP等大廠陸續搶進，競爭更形激烈。此外，新興的非慣性MEMS技術正朝向生醫MEMS和RF MEMS發展，值得期待。
動作感測器成CE和手機熱門應用
根據iSuppli 2009年6月出爐的市場分析，2008年在消費電子與手機市場的MEMS廠商營收排名，ST位居龍頭，2007至2008年的成長率高達128%。iSuppli指出，ST是全球第一家專為消費性產品建置8英吋MEMS晶圓廠的公司，於2006年開始量產。在三年前，此舉甚為大膽，因為當時消費市場尚未真正起飛。由於2008年動作感測器需求激增， 相較於其他對手受限於產能， ST因有該新廠充裕的產能而勝出。據統計，ST在手機加速計的市佔率達57%，其次為Bosch Sensortec的13%，ADI 11%，Hokuriku 8%，Kionix 6%。
MEMS感測器在可攜式領域自2007年起逐年呈強勁的成長。應用範圍擴及搖控器、PDN、MP3播放機、數位相機、遊戲機控制器、筆電、手機到電子書閱讀器。ADI MEMS大中華區行銷經理Stephen Wu指出，由於MEMS慣性感測器具有加速、振動、撞擊、傾斜與旋轉等五種動作感測特性(表2)，應用潛力龐大。在先進手機應用中內建加速計與陀螺儀甚至磁力計將成主流， 使其具有先進計步、智慧螢幕、3D定位、智慧響鈴、Air Mouse(空中操作滑鼠)結合無線遙控、遊戲、相機光學防手震及室內定位服務等功能於一身。
針對電子書與平板電腦的應用，Stephen Wu指出業者可藉由加速計設計差異化特色，如定位、輕拍、傾斜控制瀏覽圖像等smart GUI功能或具有智慧螢幕便於閱讀位置辨識。
慣性感測器五大動作感測功能及應用
*加速感測(Acceleration Sensing): 速度與位置量測
應用:使用者介面:資料登錄(手勢辨識),電玩控制器:上下左右動作,硬碟保護及吉他音效
*振盪感測(Vibration Sensing):偵測不良，反常或聲響的振動
應用:工業設備監控,結構健康監控,地震偵測,相機影像穩定性與快門速度最佳化的應用,樂器
*撞擊感測(Shock Sensing):偵測撞擊事件
應用:汽車安全氣囊,硬碟保護,微型硬碟保護,地震偵測,頭盔運動,活動監控如計步計,資料登錄的輕拍偵測,手機的資料保護
*傾斜(Tilt)感測:有關水平傾斜量量測
應用:汽車警報器, 顯示器介面與控制, 電子羅盤補償,手機相機的相片風景定位,數位投影機基本校正,可攜式血壓計
*旋轉感測(Rotation):單軸周圍旋轉角度的量測
應用:GPS和PND死角推測,電源管理等狀況感知,運動訓練工具,機器人,重型設備平台穩定性
資料來源:ADI，整理:編輯部
ADI加了磁力計讓三軸智慧感測器更強大
以ADI iSensor™智慧感測器產品系列新成員ADIS16405為例，它是一顆結合多軸慣性/磁力計感測於一身的單晶片， ADIS16405六自由度（6DoF）慣性測量單元（IMU）內建簡單的高性能三軸磁力計感測器，可用於提高首向準確度。同時推出的ADIS16300四自由度（4DoF）IMU則具有業界突破性的價格，其價格僅為其他同級產品的1/10。與整合度較低且需要高度用戶對準的許多IMU產品不同， ADIS16405所有必需的運動感測與校準都是在工廠內完成的。這意味著系統整合時間的大幅縮短，用戶實現就像供電及連接SPI（串列外設介面）埠一樣簡單。這使得系統設計工程師可以縮短長達一年的系統開發時間，同時節省數十萬美元的測試設備成本。
ADIS16405可提供0.05°的速度感測器正交校準準確度，不僅改善了系統的整體準確度，而且簡化了終端系統的設計。磁力計感測器已經過校準，並與慣性感測器軸進行對準。擴展的校準與動態補償使產品可提供低於2.0 °/√hr的角隨機遊走和40 ppm/°C的溫度穩定性。所有感測器均可透過標準SPI介面進行存取，藉由這一介面還可對內部數位濾波進行控制。
車用市場更大宗 ST積極轉進
不同於早在車用市場建立基礎的ADI，近年強打可攜消費應用的策略，ST是從消費市場打回要求相對嚴苛的汽車應用。事實上，MEMS動作感測器在消費市場雖然年複合成長率達兩位數，但市場規模最大者還是來自汽車市場(見圖)，因此促使ST切入此一各立山頭的市場。ST MEMS與醫療電子事業群汽車產品部經理Marco Ferraresi表示，ST的加速計與陀螺儀植基於穩固的一站式MEMS技術與製造能力，迄今出貨數已超過6億顆給客戶。與其他同業在MEMS技術上的差異在於，ST擁有三個關鍵要素:
1.微米級傳感器是透過稱為THELMA的特殊製程來實現。
2.以先進的類比晶片結合智慧型功能於一身。
3.專注於封裝與校正的特性
基於種種優勢，ST推出創新的高精密度汽車智慧型電子系統動作感測器，可用於適應性頭燈系統（adaptive front light）、自動校正高強度氣體放電（high-intensity discharge，HID）燈、慣性煞車燈、電子手煞車（e-parking brake）、先進防盜系統以及汽車動態控制等系統。
AIS226DS是一款雙軸共平面加速度計，測量精密度高於兩個獨立感測器解決方案。該元件的最大感測加速度為±6g，其中「 g」代表重力加速度。舉例來說，在載有人的火箭發射飛向太空時，機組人員所感受的重力加速度大約為3g。新款AIS226DS還能可靠地分辨小於0。02度的細微傾斜角度。精確的傾斜角度測量功能對高度自動校正燈、電子手煞車以及坡道起步輔助（Hill Start Aid，HSA）應用相當的重要。
動作可透過在一顆晶片上的微型MEMS動作感測器。這個元件還整合一個SPI或I2C輸出的介面晶片，使感測器可直接連接汽車的電子控制元件（Electronic Control Unit，ECU）。此外，其他的汽車系統也可以使用AIS226DS，包括交通事故或違規駕駛監測器，還有當衛星訊號消失時，使用汽車動作資料提高航位推算準確度的GPS導航系統。AIS226DS並可用於許多汽車以外的應用，例如，工業設備中的震動感測、運送貨櫃的黑盒子監視器、傾斜儀（inclinometer）以及機器人系統。
業界首顆類比陀羅儀問世
此外，ST也推出一款高性能單一封裝的類比陀螺儀，可沿三個垂直軸精確地測量角速度。以優異的精確性、穩定性取勝，配合小型尺寸，意法半導體的3軸陀螺儀讓各種消費性電子産品可以廣泛採用真實動作控制的用戶介面。
LYPR540AH 3軸陀螺儀可執行360°角速度偵測，使手機、遊戲機、個人導航系統等可攜式裝置具有高精確3D手勢和動作識別功能。與一個3軸加速度計配合使用，意法半導體的最新陀螺儀讓設計人員能夠開發慣性測量單元（IMU，Inertial Measurement Unit），追蹤並提供人、車輛以及其他物體的動作類型、速度和方向的全部資訊。
這款創新的3軸陀螺儀的每個軸都能同時提供兩個獨立的輸出訊號：用於偵測高精確慢動作的400dps全量程數值，和用於偵測速度非常快的手勢和動作的1，600dps全量程數值。這兩個同步的全量程輸出訊號配合高分辨率，以及在寬溫度範圍（-40°C至85°C）和長時間作業下出色的穩定性，為業界樹立新的偵測精確和穩定性標準，並且簡化感測器的軟硬體整合設計。
除了陀羅儀外，ST近期也推出全新中型G加速度計，最大可測量值達到24g，相當於一級方程式賽車（F1）在強刹車時所產生的加速度的5倍左右。LIS331HH擁有市場上獨一無二的功能組合，包括多種10g以上量程、小尺寸、高解析度、低功耗，以及嵌入式智慧型功能，可在廣泛的消費性電子和工業應用中實現高精確度的動作測量。
在±6/±12/±24g的量程範圍內，意法半導體最新的MEMS加速度計LIS331HH的輸出數據極其精確。中型g感測器能夠監測高強度震動和檢測高衝擊，而不會失去任何資訊。在與遊戲相關的應用中，中型g感測器可提升用戶介面體驗，增加以前感受不到的真實程度。
兩個獨立、可編程的中斷訊號可立即通知前瞻事件，例如，當加速度值高/低於用戶預設值時。
LIS331HH動作感測器可設置成睡眠模式，有助於降低系統的總體功耗。在睡眠模式下，加速度計使讀取鏈（read chain）保持活動狀態，功耗低於10uA；當一個事件發生時，感測器將從睡眠模式喚醒，自動提高輸出數據速率。
意法半導體的數位輸出中型g加速度計在寬溫度範圍內擁有很高的穩定性，以達成零g偏差和高靈敏度。採用超緊湊的耐用設計，撞擊承受能力高達10,000g。晶片內建自我測試功能，客戶可在組裝於電路板後驗證其感測器的功能，無需再做電路板動作測試。
結語
包括ADI及ST等大廠都朝向功能更加強大尺寸更小型的智慧型感測器邁進，要達此目標企業資源必須足夠充沛，才有能力結合多重感測器與處理器甚至整合軟硬體於一身。以ST為例,該公司開發出內建計10顆慣性量測單元的模組，體積只有15cm3，但ST不以此為滿足，下一代模組的功耗將更低，體積只有50mm3，這一訊息相當令人期待，另一方面也顯示MEMS產業的競技門檻將越來越高，誰能勝出猶待觀察。
