微機電系統(MEMS)感測器應用持續增溫，尤其在iPad問世、智慧型手機普及率擴大，以及三大遊戲機廠全力推廣動作感測型產品的驅動下，滲透率勢亦將節節攀高。

根據研究機構iSuppli指出，儘管2009年景氣不佳，MEMS感測元件在手機及消費性電子的銷售額仍逆勢成長7.6%，從2008年的11億美元增加至2009年的11億9,000萬美元。預估2008∼2013年，消費性MEMS元件產值的平均年複合成長率(CAGR)更將高達18.4%。

慣性感測元件應用日廣

在消費性電子領域，最常用的MEMS感測元件分別為加速度計(Accelerometer)與陀螺儀(Gyrometer)，前者可提供速度和位移的資訊，後者則可量測角速度的變化。

看好MEMS技術的應用潛力，工研院在4年多前，就已結合加速度計、陀螺儀和動作解碼技術開發出互動式體感輸入介面，可應用於三維遊戲滑鼠(3D Gaming Mouse)，以及針對網路電視(IPTV)所設計、利用手勢擺動即可操作選台功能的遙控器。

圖1 工研院南分院微系統科技中心經理陳永裕指出，微慣性導航系統可與GPS形成互補，實現更精確的導航效果。

目前，工研院則致力於開發微慣性導航系統，期能以加速度計與陀螺儀來進行定位。工研院南分院微系統科技中心經理陳永裕(圖1)表示，全球衛星定位系統(GPS)的訊號涵蓋範圍仍有不足且會有遮蔽現象，此時MEMS慣性感測元件即可彌補這方面缺憾。

不過，由於慣性元件的雙重積分效應會導致積分發散，使導航軌跡偏移，所幸，工研院已成功利用自行研發的演算法克服此問題。陳永裕表示，目前工研院利用演算法在微慣性定位技術上取得突破，可藉由最短距離分析、路網走向分析與動態環域調整等技術實現商規慣性長距離定位。

另外，MEMS麥克風也是目前熱門的應用，由於其具有體積小與耗電量少等優勢，可以應用在許多電子產品上。然而，在麥克風收音時，如何降低周遭的雜音干擾，保持音訊的清晰度是重要關鍵，麥克風陣列便是為達到此一目的而設計(圖2)。

資料來源：工研院 圖2 利用麥克風陣列實現降噪的應用示意圖

陳永裕分析，MEMS麥克風陣列係利用兩個指向收音的麥克風將周遭聲音收入，再經由頻譜消去(Spectral Substitution)或是適應性噪音消除(Adaptive Noise Cancellation)演算法加以處理，以消除背景噪音和回音。但須注意的是，兩支麥克風所接收的聲音要有所差異，才能達到降噪的目的。

整合型MEMS元件露鋒芒

圖3 意法半導體技術行銷經理郁正德表示，以SiP方式整合MEMS元件與ASIC，具有較大的設計彈性，並可為不同客戶量身打造所需產品。

在各種MEMS感測器中，加速度計與陀螺儀經常被混為一談，但兩者的功能實際上並不相同，且無法相互取代。意法半導體(ST)技術行銷經理郁正德(圖3)表示，加速度計之所以能偵測到傾斜，是因為一般狀態下加速度計會受到地心引力影響，感測到垂直向下的向量，如果因外力造成加速度計傾斜時，此一垂直向下的力量會因為受到不同方向的作用力而產生新的合力。此時加速度計只能感測到新的合力變化，並依賴演算法來判定是否產生傾斜。由此可知，加速度計並無法完全取代陀螺儀，如果設計人員想準確偵測旋轉而非傾斜，仍應導入專門量測角速度的陀螺儀。

因此，在市場需求日趨多元下，將不同的MEMS感測器整合在一起是必然的發展趨勢。而為達到高整合的目的，意法半導體已採用系統級封裝(SiP)方式，開始推出多模感測器方案，如整合三軸加速度計與二軸陀螺儀的慣性量測單元(IMU)，以及三軸加速度計與三軸磁力計整合的方案。

資料來源：意法半導體 圖4 為因應多模感測器整合的發展趨勢，意法半導體已推出整合五種感測器的開發平台。

郁正德指出，考量到製程良率、元件體積、設計複雜度及設計彈性，該公司採用SiP技術作為元件整合的發展策略，也就是將MEMS元件與介面晶片分開設計，然後整合至同一封裝(圖4)。相較於系統單晶片(SoC)製程，SiP除擁有更大的設計彈性外，還能依不同客戶需求，提供更低成本和更高穩定性的感測器產品。 雖然關於MEMS感測器採用SoC設計的討論甚囂塵上，但郁正德認為，目前採用SiP封裝才能帶來最佳的成本效益，而且其模組可以經過重新設計後重複利用，如此供應商就可以一款MEMS元件，衍生出多種解決方案。相較之下，採用SoC方案，則每一款元件方案都必須另外開一套光罩，其成本就相當可觀，因此SiP策略至今仍有許多優勢是單晶片設計無法達成的。

MEMS開發挑戰重重

儘管MEMS感測元件的應用商機極為誘人，但要投入MEMS元件的開發並非易事，除同時具備半導體與MEMS領域專業知識的人才難覓外，MEMS產業生態體系與相關製造參數資料庫尚未健全，亦形成極大的進入障礙。

圖5 利順精密開發設計部經理吳名清指出，MEMS機構設計、ASIC開發、封裝與測試，是打造MEMS感測器不可或缺的四大環節。

利順精密開發設計部經理吳名清(圖5)表示，由於MEMS元件的設計及製程均高度客製化，加上MEMS晶圓代工服務的商業模式仍未成熟，因此綜觀現今MEMS市場，無晶圓廠(Fabless)設計業者相對較少，主要仍由整合元件製造商(IDM)所主導。不僅如此，囿於現今相關技術的資料庫不足，因此設計業者通常必須歷經長久的試誤過程，才能逐漸從中獲得寶貴經驗。

MEMS元件的開發，主要包括MEMS感測器、特定應用積體電路(ASIC)、封裝及測試等四大技術層面。MEMS感測器設計是利用半導體製程來實現微小的機械結構，也就是用來感測運動變化的動件。ASIC則用來將感測器的訊號轉換成電壓訊號並肩負感測器的校正補償任務，以便讓每一顆感測器的表現趨於一致。封裝的目的是將MEMS感測動件與ASIC加以整合，同時保護MEMS感測動件免於外力侵害，為開發MEMS感測器最大的挑戰。最後，再經由測試作業完成每一顆感測器的誤差校正。

吳名清指出，感測結構的設計會因不同製造技術而有不同的考量，目前主要的MEMS製造技術有面型加工(Surface Process)、體型加工(Bulk Process)及CMOS MEMS加工三種。面型加工是以多晶矽和二氧化矽材料交互搭配，並利用薄膜製程在矽晶圓上形成機械結構。這種作法最大挑戰在於如何控制均勻應力(Uniform Stress)和梯度應力(Gradient Stress)。此外，粘黏(Stiction)問題亦是MEMS感測動件實作的另一棘手挑戰，尤其在電容式MEMS感測器開發時更是經常發生。

體型加工所產生的動件結構則較厚，因此訊號品質可較面型加工佳，但其材料成本相對會增加許多。至於CMOS MEMS技術則是希望利用現今的IC晶圓廠製程來生產MEMS，其最大好處是可讓ASIC和MEMS在同一個裸晶(Die)上完成整合，進而實現單體(Monolithic)MEMS感測器方案。

吳名清分析，由於CMOS MEMS技術可讓半導體晶圓製造商利用既有製程輕易跨足MEMS製造領域，且有機會開發出平台技術，進一步擴大MEMS生產規模，因此極具吸引力。不過，應力問題仍是其邁向商用量產最大的挑戰。至今只有MEMSIC的加速度計因為採用熱感應，沒有可動結構，因而可成功以CMOS MEMS技術量產。

MEMS感測結構設計完成後，必須透過ASIC進行後續的訊號處理。然而，由於MEMS與ASIC整合時容易產生極大的寄生電容，導致MEMS感測訊號失真，因此ASIC設計過程亦不可不慎。此外，由於MEMS設計與ASIC設計往往由不同團隊負責，且各自有專業的領域知識，不僅溝通極為不易，一旦元件整合後發生問題，亦常陷入雙方各持已見的處境，而延誤開發時程。

至於MEMS的封裝技術，目前有SiP及單體式封裝兩種。前者利用打線或晶圓接合(Wafer Bonding)將MEMS與ASIC堆疊或並排在一起，具較高的開發彈性，是目前市場主流，包括意法半導體、博世(Bosch)、飛思卡爾(Freescale)與利順精密均採用此技術。後者則利用標準IC晶圓製程及少數MEMS專用機台進行整合，技術門檻較高。吳名清認為，就消費性電子應用而言，這兩種封裝技術的效能不相上下，主要考量點在於成本結構，而良率的高低即是最大的影響因素。

資料來源：安捷倫 圖6 MEMS感測器測試作業流程

測試作業亦是MEMS感測器開發的重要環節(圖6)。首先，在MEMS感測晶圓製造完成後，須先進行晶圓層級的晶圓針測(Circuit Probe)，以便即早發現失效裸晶，避免造成不必要的浪費，是產品封裝前必經的一道篩選關卡。通過晶圓針測後的晶圓切割成裸晶並與ASIC封裝後，則會再進行最終測試並完成靈敏度補償和溫度校正。待所有測試工作結束後，還必須進行失效分析。吳名清指出，這是未來良率提升與商品化的關鍵，不過，由於失效分析須要晶圓廠的共同參與，因此市場上還沒有相關的驗證服務出現。

工業/醫療市場潛力大

MEMS感測器開發的層層關卡，固然墊高了業者的進入門檻，但仍有許多後進業者陸續投入，顯見MEMS的成長前景仍備受看好。事實上，除汽車與消費性電子市場外，MEMS感測器的應用版圖也不斷向外擴張，其中，工業及醫療應用更被視為下一波產業成長的焦點。

圖7 Kionix行銷總監Ed Brachocki認為，醫療、健身與工業等市場是MEMS感測器下一波成長契機。

Kionix行銷總監Ed Brachocki(圖7)表示，目前加速度計已廣泛用於手機、遊戲機、數位相機、筆記型電腦與可攜式導航裝置等消費性產品，以及汽車的電子穩定控制、電子煞車系統和車燈水平控制(Headlight Leveling)等應用。未來則可進一步與各種系統晶片整合，創造新的應用功能，從而提高產品價值及差異性，並擴大整體市場範疇。其中，醫療照護、健身與活動監測及可攜式工業儀器，甚至安全監控與資產管理設備，均是極具發展潛力的應用領域。

因此，為協助客戶針對不同應用開發更高附加價值的MEMS感測方案，Kionix除在內部成立專門研發團隊幫助客戶打造專屬演算法外，亦提供相關開發工具，縮短整體開發時程。Brachocki指出，在MEMS元件中整合更多嵌入式功能是大勢所趨，初期將從單一MEMS感測器與微控制器(MCU)或數位訊號處理器(DSP)整合開始，而後朝多感測器整合發展，成為慣性量測單元(IMU)。此作法可減輕主中央處理器(CPU)的負擔，滿足更複雜的需求。

Brachocki表示，目前MEMS感測元件在醫療市場的應用已逐漸開枝散葉，如將動作感測技術用於手術用具上，作為訓練器材；或是與微型攝影機結合開發成智慧膠囊，可植入人體從事相關治療行為。而隨著愈來愈多業者投入MEMS元件開發，未來相關技術的躍進將更為迅速，讓MEMS應用充滿更多可能。