加速度計與MEMS明日之星

　　微機電系統(MEMS)在發(fā)展了近四十年后，近來(lái)因為游戲機(Wii、PS3)、手機(iPhone)、MP3(iPod touch)等消費性電子產(chǎn)品的應用，終于劃下時(shí)代性的一刻，成功打入產(chǎn)量最大的消費性市場(chǎng)。這對于微機電產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是值得慶賀的時(shí)刻，因為有太多的研發(fā)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(jìn)軍更廣泛市場(chǎng)的一個(gè)開(kāi)端，打開(kāi)這個(gè)市場(chǎng)的功臣即是加速度計(accelerometer)。在本文中將會(huì )對加速度計的技術(shù)及應用有更多的著(zhù)墨，在此之前，我們要先來(lái)看看MEMS的領(lǐng)域及發(fā)展進(jìn)程。

　　MEMS發(fā)展歷程

　　MEMS的研發(fā)早在1970年代初期就已展開(kāi)，最早期的研究包括石英晶體諧振器(Quartz Resonator)和壓力傳感器等，接著(zhù)有打印機的噴墨頭(ink jet)及氣相色譜儀(gas chromatography)的研究;1975年后開(kāi)始進(jìn)行加速度計、數字光投影機、微流體(micro-fluidics)、MEMS振蕩器、MEMS開(kāi)關(guān)(Switch)的研究;1985年左右開(kāi)始研究MEMS麥克風(fēng);薄膜體聲波諧振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)和陀螺儀(Gyroscope)則是1990年代以后才開(kāi)始的新領(lǐng)域。

　　MEMS的應用領(lǐng)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(lǐng)域涵蓋了信息、通訊、消費電子、汽車(chē)、醫療、工業(yè)等等各個(gè)領(lǐng)域。目前廣泛應用MEMS芯片的應用領(lǐng)域是汽車(chē)電子及信息電子，在汽車(chē)的操控性及安全性方面，已采用不少的MEMS傳感器和制動(dòng)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(chē)制動(dòng)(EPB)、安全帶預緊器(Pre-tensioner)、防側翻、汽車(chē)動(dòng)態(tài)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(jiàn)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(lǐng)域之一。此外，加速度計也被用于保護硬盤(pán)，當硬盤(pán)不慎掉落時(shí)，傳感器會(huì )立即傳出警告信息，要求馬達停止轉動(dòng)并將磁頭從盤(pán)片表面上移開(kāi)，因此不會(huì )有任何部件與硬盤(pán)機內的儲存媒介相互碰觸，如此一來(lái)即能保護行動(dòng)設備在發(fā)生意外振動(dòng)或摔落時(shí)，內部所存儲的數據仍能安全無(wú)虞。另一個(gè)大幅成長(cháng)的芯片則是微面鏡，最成功的例子是TI所研發(fā)的數字光處理(DLP)技術(shù)，目前已普遍用于投影顯示器當中。

圖1 加速度計在硬盤(pán)保護中的功用
資料來(lái)源：ST

　　加速度計的創(chuàng )新應用

　　在現階段，消費性市場(chǎng)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(dòng)、定位、撞擊或振動(dòng)產(chǎn)生微小變化的產(chǎn)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 Machine Interface, MMI)以及許多有趣的增值功能：

　　創(chuàng )新MMI人機界面

　　Wii的搖控游戲功能，正是讓大家印象最深刻的創(chuàng )新型態(tài)人機接口功能。它利用加速度計的動(dòng)態(tài)感測功能來(lái)感測搖控器左/右傾斜、前/后傾斜、甚至上/下移動(dòng)等動(dòng)作，來(lái)轉換為玩家在游戲中想操控的揮拍、擊球、釣魚(yú)、跳躍等動(dòng)作，而能取代鍵盤(pán)以更直覺(jué)的享受到游戲的臨場(chǎng)感，也能完成一些過(guò)去相當困難的細微操控動(dòng)作。

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　　不僅如此，3軸加速度計也能實(shí)現畫(huà)面自動(dòng)轉向、圖像瀏覽及目錄選擇等功能。以iPhone及iPod touch來(lái)說(shuō)，其內建的加速度計通過(guò)測量重力向量，就能確定它是處于垂直狀態(tài)還是水平狀態(tài)，并將圖像的顯示位置自動(dòng)轉正，例如當用戶(hù)在觀(guān)賞照片、視訊或檢視地圖而以橫向觀(guān)看時(shí)，畫(huà)面會(huì )自動(dòng)旋轉;當瀏覽網(wǎng)頁(yè)或目錄時(shí)，則可以再轉回直向顯示。

　　還有一些直觀(guān)的用法，例如運用加速度來(lái)操控顯示畫(huà)面，也就是藉由傾斜手持設備來(lái)實(shí)現屏幕顯示內容的上下左右瀏覽，并可通過(guò)對單擊(單次振動(dòng))或雙擊(連續振動(dòng)兩下)的識別，來(lái)進(jìn)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(dòng)作的感測，還能創(chuàng )造出許多有趣的應用，如骰子游戲、虛擬樂(lè )器敲擊及「閃訊」(Wave Message)等。骰子游戲是藉由搖動(dòng)手持設備來(lái)控制骰子旋轉速度及停止時(shí)間;虛擬樂(lè )器敲擊是藉由對手持設備的揮動(dòng)感測，來(lái)控制敲擊樂(lè )器的節奏快慢及音量大小;閃訊則是在光線(xiàn)較暗的環(huán)境下，當手持設備快速左右移動(dòng)時(shí)，加速度計會(huì )感測動(dòng)作并驅動(dòng)LED發(fā)光，在空中形成連續的光影信號。

　　其它應用

　　對于手持設備來(lái)說(shuō)，降低功耗一直是最重要的任務(wù)之一，而通過(guò)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(cháng)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(pán)補正(3D Compass)、照相防手震等附加功能。上述種種的創(chuàng )新應用能力，讓3軸加速度計成為手持設備中另一個(gè)不可少的芯片。

　　電容式加速度計技術(shù)

　　接著(zhù)來(lái)看看加速度計的設計原理。常見(jiàn)的加速度計技術(shù)包括壓阻式(Piezoresistive)、電容式(Capacitive)、壓電式(Piezoelectric)及熱對流式(Thermal)。目前市場(chǎng)上商業(yè)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(chǎng)商主要采用壓阻式技術(shù)，ADI、ST等歐美廠(chǎng)商則采用電容式技術(shù)，對流式的代表廠(chǎng)商則為MEMSIC。從(表1)可以看出，三者各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但電容式在各項功能評比中皆居于中等或極佳的表現，因此發(fā)展的潛力極大。

　　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(jiǎn)單、高分辨力、可非接觸測量，并能在高溫、輻射和強烈振動(dòng)等惡劣條件下工作等獨特優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)MEMS和半導體制程的進(jìn)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(chǎng)上極受歡迎的一種加速度計設計途徑。

圖2　電容式加速度計的MEMS結構示意圖
資料來(lái)源：ST

　　電容式加速度計的結構中會(huì )有可移動(dòng)的質(zhì)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(dòng)極與固定極發(fā)生相對位移時(shí)，兩極間的電容量也會(huì )產(chǎn)生變化，通過(guò)特殊電路可將此變化量轉換成相對應的輸出信號。

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　　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(chǎn)生零位漂移，電容式的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，因此可選擇溫度系數低的材料;加上本身發(fā)熱極小，溫度對穩定性的影響甚微。此外，電容式除了可以實(shí)現微型化需求外，也能在高溫、高壓、強輻射及強磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中工作，也能耐受極大沖擊，適用范圍極廣。

　　另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的動(dòng)態(tài)響應時(shí)間很短，能在幾MHz的頻率下工作，因此特別適用于動(dòng)態(tài)測量。又由于其介質(zhì)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(yōu)點(diǎn)外，電容式還可測極低的加速度和位移(0.01mm以下)，靈敏度及分辨力可以做到很高。

圖3　加速度計傳感器的技術(shù)原理
資料來(lái)源：ST

　　在電容式的結構中，當其中的質(zhì)塊出現加速度運動(dòng)時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生電容量的差異變化(DC)，此變化會(huì )傳送給另一顆接口芯片(Interface chip)，由它來(lái)輸出可量測的電壓值。因此，一個(gè)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(dòng)的電子;另一則是標準的ASIC接口芯片，它會(huì )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(lái)生產(chǎn)，但由于實(shí)現技術(shù)上的差異，兩者目前大多仍會(huì )采用不同的生產(chǎn)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(lái)進(jìn)行封裝。采用先進(jìn)LGA封裝的ST加速度計芯片只有3