传感器产业的 MEMS 革命

时间往前大约 15 至 20 年的不久之前，用于气压、动作和磁场等无所不在的物理参数的传感器仍有着大体积、高成本、高耗电等问题，就电气设计来说也与标准电路不兼容。但随着 MEMS 型传感器 (微机电系统) 的快速发展，透过进一步扩展目前已应用在传统电子集成电路上的高阶制程与技巧，将传感器蚀刻到硅晶上，一切从此有了大幅的转变。

这些 MEMS 型传感器最早使用在市场广大的安全气囊传感器，迅速取代以弹簧载荷的 Ball-in-Tube 传感器，自此证明了 MEMS 技术的可行性，除了全面改变了工程师对感测领域的想法，更重要的是，其产品获得了更多的功能。像是智能型手机、无人机、自动驾驶车及触觉回馈「产生器」等产品现在都在其满载的电路板上装入了体积更小、成本更低、功耗更少的加速度计、陀螺仪和其他传感器，不费吹灰之力地扩充了高效能的感测功能。甚至是采用声学震动传感器的麦克风也采用 MEMS 技术，以应用在包括智能型手机等各种使用案例。

时间往前大约 15 至 20 年的不久之前，用于气压、动作和磁场等无所不在的物理参数的传感器仍有着大体积、高成本、高耗电等问题，就电气设计来说也与标准电路不兼容。但随着 MEMS 型传感器 (微机电系统) 的快速发展，透过进一步扩展目前已应用在传统电子集成电路上的高阶制程与技巧，将传感器蚀刻到硅晶上，一切从此有了大幅的转变。

这些 MEMS 型传感器最早使用在市场广大的安全气囊传感器，迅速取代以弹簧载荷的 Ball-in-Tube 传感器，自此证明了 MEMS 技术的可行性，除了全面改变了工程师对感测领域的想法，更重要的是，其产品获得了更多的功能。像是智能型手机、无人机、自动驾驶车及触觉回馈「产生器」等产品现在都在其满载的电路板上装入了体积更小、成本更低、功耗更少的加速度计、陀螺仪和其他传感器，不费吹灰之力地扩充了高效能的感测功能。甚至是采用声学震动传感器的麦克风也采用 MEMS 技术，以应用在包括智能型手机等各种使用案例。

「随着 MEMS 型传感器 (微机电系统) 的快速发展，透过进一步扩展目前已应用在传统电子集成电路上的高阶制程与技巧，将传感器蚀刻到硅晶上，一切从此有了大幅的转变。」

不同于以往大体积「组装式」的传感器，仅能产生简单基本的模拟输出或粗糙的数字输出，MEMS 装置有着更多突出的优点，包括尺寸小、耐用、低功耗、适合一体式的多轴装置，这些装置通常加入了校正功能，而且还能补偿非线性或温度的偏移，也能执行自我测试。

MEMS 传感器基本信息

几乎所有的 MEMS 传感器都使用硅芯片，是最常见的半导体材料。电子电路「用在」制造半导体上时，使用的组件主要取决于其电子特性，但 MEMS 装置则不同，其将重点放在物理特性上。它是一种容易处理及蚀刻的晶体材料，机械特性一致且坚固耐用，能同时当作机械和电子组件使用。

以 MEMS 加速度计为例，它是最早量产的 MEMS 传感器，厂商和使用者都从中得到了许多学习经验，这类传感器有多种设计：其中一种最常见的，就是将带有侧壁的「检测质量块」蚀刻到固定壁之间的硅晶内，质量块用作为硅晶弹簧的栓绳往自由移动的方向锚定。从电子层面来看，此结构是一种微型电容器，电容值仅达微微法拉 (百万兆分之一或 10−12 F)，甚至是飞法拉 (10−15 F) 等级。

基本的 MEMS 型加速度计使用含栓绳但可移动的质量块，以固定板围绕，组成一个高敏感度的动作响应电容器；实际的硅晶设计则更为精细且复杂。

作用轴上的芯片加速时，检测质量块便会移动，板之间的电容将发生极小的变化，然后关联的芯片电路将会感测这细微的变化并加以放大。经过放大、滤波和缓冲后，与检测质量块移位对应的输出将以模拟讯号提供，或在 MEMS 装置内经过数字化，用跟相关微控制器兼容的格式提供。

这原理听起来简单，但第一款可用的 MEMS 型加速度计是在投入大量时间和精神，直到大约十年前才问世。虽然这些 MEMS 型加速度计采用硅IC的设计和生产技术，但却是针对硅晶上的电子电路所设计，而非针对机械装置。因此，新设计工具的开发必须着重在机械方面的模型和生产 (亦即材料强度、散热问题)，以及作用电路上。

标准硅晶屏蔽与蚀刻技巧大多为 2D 或适中的 3D 尺度，必须大幅扩展，才能支持复杂的三维屏蔽和蚀刻，以符合底切的需求，让检测质量块能够移动。封装也是一项挑战，因为在封装周期内卡入或来自封装本身的任何微粒都会干扰检测质量块的移动。另外，标准的电子生产测试系统和线路也是问题之一，因为它们是针对电子效能的测试所设计。但是，测试也有机械方面的难题需要克服，因为现有适用于机电型传感器的测试系统无法应付IC封装。

加速度

虽然有些精密且能成功运作的系统早在 MEMS 装置问世之前就已推出，让每项感测运作，许多系统受限于成本、重量、功率和效能限制，只能实作一维或二维的感测功能。有些 MEMS 传感器可作为例子，显示此情况的改变；需注意的是，很多 MEMS 传感器与动作和方向有关，是最难有效感测的其中两种参数，同时也是无人机和物联网应用中最关键的启用组件。

惯性测量

三轴加速度计再往上一级，就是完整的惯性测量单元 (IMU)，其加入了陀螺仪，可用来评估绝对 (惯性) 坐标系的方向。其适用于不具备 GPS（水下、室内或受限于干扰或编码）用于实作影像稳定的应用，或是系统需要交叉检查 GPS 结果的应用。效能最高的 IMU 采用旋轮陀螺仪来稳定参考平台，为最高基准的机械与电子设计和实作的展现，这些球形装置造价高达数百万美元，耗电量达数百瓦，直径可能从 10 cm 到 30 cm，重达数十公斤。

相较下，MEMS 让 IMU 得以实作到无法符合上述任一规格的应用，虽然老实说其效能或许差了点，但就像 MEMS 与 PIGA 这两种加速度计也存在着差距，却足以符合多数应用的需求。六轴 IMU 即可提供 X、Y 和 Z 轴的加速感测，还有沿着这些轴的旋转感测。

9 轴惯性动作传感器

6 轴传感器加速度计和陀螺仪可提供关于加速度和旋转的信息，但些微的错误可能随时间累积，使大致的方向产生偏移。

要解决此问题，可再额外加入一个绝对方向传感器，也就是 3 轴磁强计，构成一个由 3 轴陀螺仪、3 轴加速度计和 3 轴磁强计组成的 9 轴惯性动作传感器。

加入这个额外的磁场，感测算法便能补偿任何长时间累积的偏移。如此一来，位置的测量与追踪将更正确精准，甚至也能用在复杂的移动过程中。

同时也能实现各种全新的应用，  包括像是 CAD 套件中 3D 光标的完整控制，飞航仿真器、头戴式麦克风和遥控车等应用。另外，亦能大幅改善虚拟环境中的导航，像是 CAD 模型和虚拟游戏环境。也能轻松追踪短距离的全空间头部移动和长距离的活动，或是捕捉细微的手势、呼吸和心率，还有步伐和震颤。