从Wii掀起MEMS风潮
自从20年前由ADI(亚德诺半导体)做成业界第一颗MEMS (微机电系统)XL传感器单芯片起，有近十年的时间MEMS传感器几乎都是以汽车的安全气囊应用为主力，以及航天飞行应用上。最近十年，随着MEMS厂商在技术发展上屡见突破，让业界发展出基于MEMS技术的各式产品。尤其是在2000年后，任天堂Wii游戏机大胆采用ADI(亚德诺)和ST(意法半导体)两家的MEMS动作传感器，随即风靡全球消费市场，也让这两家厂商奠定在MEMS市场的领先地位。本文将简介MEMS产品概况以及从ADI及ST这两家厂商最新产品的进展从而了解MEMS技术的发展方向。
MEMS类别多
MEMS以种类分，主要分惯性(Inertial)产品与非惯性产品，惯性产品分为单轴、双轴和振动传感器等High-g(重力加速度)加速计(accelerometer)，以及单轴、双轴和三轴的low-g加速计，另外有角速度陀螺仪(angular rate gyros)和多重传感器方案。整合技术趋势反应在惯性传感器上十分鲜明，将多重加速计、陀螺仪乃至压力传感器与微处理器(8位/32位)都整合成单一封装将是业界致力的方向。在加速计与陀螺仪主要供货商有ADI、ST、Bosch、Panasonic、Epson Toyocom、 Kionix等。值得一提的Epson Toyocom也运用MEMS技术发展出MEMS振荡器-QMEMS，另一家SiTime也是MEMS振荡器厂商。
在非惯性产品方面，主要为MEMS麦克风，在数字化环境渐趋成熟下，MEMS麦克风具有高音质、高感度、低耗电、耐高温、抗噪声、高整合、小尺寸、低价格…等多重功能/成本优势可望逐步取代受到噪声、音质、耐受性限制的传统麦克风，并在应用领域做更大的延展。这块新兴市场先期由楼氏电子与Akustica(今年被Bosch所并)所主导，近年包括ADI、 ST、NXP等大厂陆续抢进，竞争更形激烈。此外，新兴的非惯性MEMS技术正朝向生医MEMS和RF MEMS发展，值得期待。
动作传感器成CE和手机热门应用
根据iSuppli 2009年6月出炉的市场分析，2008年在消费电子与手机市场的MEMS厂商营收排名，ST位居龙头，2007至2008年的成长率高达128%。iSuppli指出，ST是全球第一家专为消费性产品建置8英吋MEMS晶圆厂的公司，于2006年开始量产。在三年前，此举甚为大胆，因为当时消费市场尚未真正起飞。由于2008年动作传感器需求激增， 相较于其他对手受限于产能， ST因有该新厂充裕的产能而胜出。据统计，ST在手机加速计的市占率达57%，其次为Bosch Sensortec的13%，ADI 11%，Hokuriku 8%，Kionix 6%。
MEMS传感器在可携式领域自2007年起逐年呈强劲的成长。应用范围扩及摇控器、PDN、MP3播放器、数字相机、游戏机控制器、笔电、手机到电子书阅读器。ADI MEMS大中华区营销经理Stephen Wu指出，由于MEMS惯性传感器具有加速、振动、撞击、倾斜与旋转等五种动作感测特性(表2)，应用潜力庞大。在先进手机应用中内建加速计与陀螺仪甚至磁力计将成主流， 使其具有先进计步、智能屏幕、3D定位、智能响铃、Air Mouse(空中操作鼠标)结合无线遥控、游戏、相机光学防手震及室内定位服务等功能于一身。
针对电子书与平板计算机的应用，Stephen Wu指出业者可藉由加速计设计差异化特色，如定位、轻拍、倾斜控制浏览图像等smart GUI功能或具有智能屏幕便于阅读位置辨识。
ADI加了磁力计让三轴智慧传感器更强大
以ADI iSensor智能传感器产品系列新成员ADIS16405为例，它是一颗结合多轴惯性/磁力计感测于一身的单芯片， ADIS16405六自由度（6DoF）惯性测量单元（IMU）内建简单的高性能三轴磁力计传感器，可用于提高首向准确度。同时推出的ADIS16300四自由度（4DoF）IMU则具有业界突破性的价格，其价格仅为其他同级产品的1/10。与整合度较低且需要高度用户对准的许多IMU产品不同， ADIS16405所有必需的运动感测与校准都是在工厂内完成的。这意味着系统整合时间的大幅缩短，用户实现就像供电及连接SPI（串行外设接口）端口一样简单。这使得系统设计工程师可以缩短长达一年的系统开发时间，同时节省数十万美元的测试设备成本。
ADIS16405可提供0.05°的速度传感器正交校准准确度，不仅改善了系统的整体准确度，而且简化了终端系统的设计。磁力计传感器已经过校准，并与惯性传感器轴进行对准。扩展的校准与动态补偿使产品可提供低于2.0度/√hr的角随机游走和40 ppm/℃的温度稳定性。所有传感器均可透过标准SPI接口进行存取，藉由这一接口还可对内部数字滤波进行控制。
车用市场更大宗 ST积极转进
不同于早在车用市场建立基础的ADI，近年强打可携消费应用的策略，ST是从消费市场打回要求相对严苛的汽车应用。事实上，MEMS动作传感器在消费市场虽然年复合成长率达两位数，但市场规模最大者还是来自汽车市场(见图)，因此促使ST切入此一各立山头的市场。ST MEMS与医疗电子事业群汽车产品部经理Marco Ferraresi表示，ST的加速计与陀螺仪植基于稳固的一站式MEMS技术与制造能力，迄今出货数已超过6亿颗给客户。与其他同业在MEMS技术上的差异在于，ST拥有三个关键要素:
1. 微米级传感器是透过称为THELMA的特殊制程来实现。
2. 以先进的模拟芯片结合智能型功能于一身。
3. 专注于封装与校正的特性
基于种种优势，ST推出创新的高精密度汽车智能型电子系统动作传感器，可用于适应性头灯系统（adaptive front light）、自动更正高强度气体放电（high-intensity discharge，HID）灯、惯性刹车灯、电子手煞车（e-parking brake）、先进防盗系统以及汽车动态控制等系统。
AIS226DS是一款双轴共平面加速度计，测量精密度高于两个独立传感器解决方案。该组件的最大感测加速度为±6g，其中「g」代表重力加速度。举例来说，在载有人的火箭发射飞向太空时，机组人员所感受的重力加速度大约为3g。新款AIS226DS还能可靠地分辨小于0。02度的细微倾斜角度。精确的倾斜角度测量功能对高度自动更正灯、电子手刹车以及坡道起步辅助（Hill Start Aid，HSA）应用相当的重要。
动作可透过在一颗芯片上的微型MEMS动作传感器。这个组件还整合一个SPI或I2C输出的接口芯片，使传感器可直接连接汽车的电子控制组件（Electronic Control Unit，ECU）。此外，其他的汽车系统也可以使用AIS226DS，包括交通事故或违规驾驶监测器，还有当卫星讯号消失时，使用汽车动作数据提高航位推算准确度的GPS导航系统。AIS226DS并可用于许多汽车以外的应用，例如，工业设备中的震动感测、运送货柜的黑盒子监视器、倾斜仪（inclinometer）以及机器人系统。
业界首颗模拟陀罗仪问世
此外，ST也推出一款高性能单一封装的模拟陀螺仪，可沿三个垂直轴精确地测量角速度。以优异的精确性、稳定性取胜，配合小型尺寸，意法半导体的3轴陀螺仪让各种消费性电子产品可以广泛采用真实动作控制的用户接口。
LYPR540AH 3轴陀螺仪可执行360°角速度侦测，使手机、游戏机、个人导航系统等便携设备具有高精确3D手势和动作识别功能。与一个3轴加速度计配合使用，意法半导体的最新陀螺仪让设计人员能够开发惯性测量单元（IMU，Inertial Measurement Unit），追踪并提供人、车辆以及其他物体的动作类型、速度和方向的全部信息。
这款创新的3轴陀螺仪的每个轴都能同时提供两个独立的输出信号：用于侦测高精确慢动作的400dps全量程数值，和用于侦测速度非常快的手势和动作的1，600dps全量程数值。这两个同步的全量程输出讯号配合高分辨率，以及在宽温度范围（-40℃～85℃）和长时间作业下出色的稳定性，为业界树立新的侦测精确和稳定性标准，并且简化传感器的软硬件整合设计。
除了陀罗仪外，ST近期也推出全新中型G加速度计，最大可测量值达到24g，相当于一级方程式赛车（F1）在强刹车时所产生的加速度的5倍左右。LIS331HH拥有市场上独一无二的功能组合，包括多种10g以上量程、小尺寸、高分辨率、低功耗，以及嵌入式智能型功能，可在广泛的消费性电子和工业应用中实现高精确度的动作测量。
在±6/±12/±24g的量程范围内，意法半导体最新的MEMS加速度计LIS331HH的输出数据极其精确。中型g传感器能够监测高强度震动和检测高冲击，而不会失去任何信息。在与游戏相关的应用中，中型g传感器可提升用户接口体验，增加以前感受不到的真实程度。
两个独立、可编程的中断讯号可立即通知前瞻事件，例如，当加速度值高/低于用户默认值时。
LIS331HH动作传感器可设置成睡眠模式，有助于降低系统的总体功耗。在睡眠模式下，加速度计使读取链（read chain）保持活动状态，功耗低于10μA；当一个事件发生时，传感器将从睡眠模式唤醒，自动提高输出数据速率。
意法半导体的数字输出中型g加速度计在宽温度范围内拥有很高的稳定性，以达成零g偏差和高灵敏度。采用超紧凑的耐用设计，撞击承受能力高达10,000g。芯片内建自我测试功能，客户可在组装于电路板后验证其传感器的功能，无需再做电路板动作测试。
结语
包括ADI及ST等大厂都朝向功能更加强大尺寸更小型的智能型传感器迈进，要达此目标企业资源必须足够充沛，才有能力结合多重传感器与处理器甚至整合软硬件于一身。以ST为例,该公司开发出内建计10颗惯性量测单元的模块，体积只有15cm3，但ST不以此为满足，下一代模块的功耗将更低，体积只有50mm3，这一讯息相当令人期待，另一方面也显示MEMS产业的竞技门坎将越来越高，谁能胜出犹待观察。
