加速度計與MEMS明日之星

　　微機電系統(tǒng)(MEMS)在發(fā)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(chǎn)品的應(yīng)用，終于劃下時代性的一刻，成功打入產(chǎn)量最大的消費性市場。這對于微機電產(chǎn)業(yè)來說無疑是值得慶賀的時刻，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(shè)計訴求之上，如今總算看到令人欣慰的一些成果。

　　當(dāng)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(shù)及應(yīng)用有更多的著墨，在此之前，我們要先來看看MEMS的領(lǐng)域及發(fā)展進程。

　　MEMS發(fā)展歷程

　　MEMS的研發(fā)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(Quartz Resonator)和壓力傳感器等，接著有打印機的噴墨頭(ink jet)及氣相色譜儀(gas chromatography)的研究;1975年后開始進行加速度計、數(shù)字光投影機、微流體(micro-fluidics)、MEMS振蕩器、MEMS開關(guān)(Switch)的研究;1985年左右開始研究MEMS麥克風(fēng);薄膜體聲波諧振器(Film Bulk Acoustic Resonator，F(xiàn)BAR)和陀螺儀(Gyroscope)則是1990年代以后才開始的新領(lǐng)域。

　　MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，舉凡需要用到微機械感測與控制的應(yīng)用，都有可能導(dǎo)入MEMS的芯片，這些領(lǐng)域涵蓋了信息、通訊、消費電子、汽車、醫(yī)療、工業(yè)等等各個領(lǐng)域。目前廣泛應(yīng)用MEMS芯片的應(yīng)用領(lǐng)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(yù)緊器(Pre-tensioner)、防側(cè)翻、汽車動態(tài)控制(VDC);中/高重力加速度計可用于懸吊系統(tǒng)、安全氣囊;此外，MEMS陀螺儀(Gyroscope)則可用于慣性導(dǎo)航、防側(cè)翻和VDC。

　　在信息應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域之一。此外，加速度計也被用于保護硬盤，當(dāng)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(zhuǎn)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(nèi)的儲存媒介相互碰觸，如此一來即能保護行動設(shè)備在發(fā)生意外振動或摔落時，內(nèi)部所存儲的數(shù)據(jù)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(fā)的數(shù)字光處理(DLP)技術(shù)，目前已普遍用于投影顯示器當(dāng)中。

圖1 加速度計在硬盤保護中的功用
資料來源：ST

　　加速度計的創(chuàng)新應(yīng)用

　　在現(xiàn)階段，消費性市場最有興趣的，還是如何導(dǎo)入加速度計。加速度計的應(yīng)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(chǎn)生微小變化的產(chǎn)品，都可以導(dǎo)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(shè)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態(tài)感測功能來感測搖控器左/右傾斜、前/后傾斜、甚至上/下移動等動作，來轉(zhuǎn)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(dāng)困難的細微操控動作。

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　　不僅如此，3軸加速度計也能實現(xiàn)畫面自動轉(zhuǎn)向、圖像瀏覽及目錄選擇等功能。以iPhone及iPod touch來說，其內(nèi)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(tài)還是水平狀態(tài)，并將圖像的顯示位置自動轉(zhuǎn)正，例如當(dāng)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(zhuǎn);當(dāng)瀏覽網(wǎng)頁或目錄時，則可以再轉(zhuǎn)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(shè)備來實現(xiàn)屏幕顯示內(nèi)容的上下左右瀏覽，并可通過對單擊(單次振動)或雙擊(連續(xù)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(chuàng)造出許多有趣的應(yīng)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(shè)備來控制骰子旋轉(zhuǎn)速度及停止時間;虛擬樂器敲擊是藉由對手持設(shè)備的揮動感測，來控制敲擊樂器的節(jié)奏快慢及音量大小;閃訊則是在光線較暗的環(huán)境下，當(dāng)手持設(shè)備快速左右移動時，加速度計會感測動作并驅(qū)動LED發(fā)光，在空中形成連續(xù)的光影信號。

　　其它應(yīng)用

　　對于手持設(shè)備來說，降低功耗一直是最重要的任務(wù)之一，而通過內(nèi)建的加速度計，可以偵測到設(shè)備的使用狀況，并采取適當(dāng)?shù)氖‰娍刂颇Ｊ剑伺e將有助于延長手持設(shè)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(chuàng)新應(yīng)用能力，讓3軸加速度計成為手持設(shè)備中另一個不可少的芯片。

　　電容式加速度計技術(shù)

　　接著來看看加速度計的設(shè)計原理。常見的加速度計技術(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，日系廠商主要采用壓阻式技術(shù)，ADI、ST等歐美廠商則采用電容式技術(shù)，對流式的代表廠商則為MEMSIC。從(表1)可以看出，三者各有其優(yōu)缺點，但電容式在各項功能評比中皆居于中等或極佳的表現(xiàn)，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(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它具有結(jié)構(gòu)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(yōu)點。隨著MEMS和半導(dǎo)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(shè)計途徑。

圖2　電容式加速度計的MEMS結(jié)構(gòu)示意圖
資料來源：ST

　　電容式加速度計的結(jié)構(gòu)中會有可移動的質(zhì)塊與相對的固定端，分為作為電容的兩極。當(dāng)外界加速度使可移動極與固定極發(fā)生相對位移時，兩極間的電容量也會產(chǎn)生變化，通過特殊電路可將此變化量轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)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關(guān)，因此可選擇溫度系數(shù)低的材料;加上本身發(fā)熱極小，溫度對穩(wěn)定性的影響甚微。此外，電容式除了可以實現(xiàn)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(huán)境中工作，也能耐受極大沖擊，適用范圍極廣。

　　另一個優(yōu)點是它的動態(tài)響應(yīng)時間很短，能在幾MHz的頻率下工作，因此特別適用于動態(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(tǒng)工作頻率高，可以用于測量高速變化的參數(shù)。除了上述優(yōu)點外，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
資料來源：ST

　　在電容式的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)其中的質(zhì)塊出現(xiàn)加速度運動時，就會產(chǎn)生電容量的差異變化(DC)，此變化會傳送給另一顆接口芯片(Interface chip)，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(qū)域及測量Z軸的區(qū)域，內(nèi)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(zhuǎn)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(chǎn)，但由于實現(xiàn)技術(shù)上的差異，兩者目前大多仍會采用不同的生產(chǎn)流程，再將兩顆芯片封裝整合在一起，成為系統(tǒng)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