加速度計(jì)與MEMS明日之星

　　微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)在發(fā)展了近四十年后，近來因?yàn)橛螒驒C(jī)(Wii、PS3)、手機(jī)(iPhone)、MP3(iPod touch)等消費(fèi)性電子產(chǎn)品的應(yīng)用，終于劃下時(shí)代性的一刻，成功打入產(chǎn)量最大的消費(fèi)性市場(chǎng)。這對(duì)于微機(jī)電產(chǎn)業(yè)來說無疑是值得慶賀的時(shí)刻，因?yàn)橛刑嗟难邪l(fā)心力已投入這項(xiàng)將微機(jī)械與微電子工程融合的微機(jī)電設(shè)計(jì)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(jìn)軍更廣泛市場(chǎng)的一個(gè)開端，打開這個(gè)市場(chǎng)的功臣即是加速度計(jì)(accelerometer)。在本文中將會(huì)對(duì)加速度計(jì)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(jìn)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(jī)的噴墨頭(ink jet)及氣相色譜儀(gas chromatography)的研究;1975年后開始進(jìn)行加速度計(jì)、數(shù)字光投影機(jī)、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(jī)械感測(cè)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(fèi)電子、汽車、醫(yī)療、工業(yè)等等各個(gè)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(dòng)器，其中又以加速度計(jì)居多，例如低重力加速度計(jì)可用于電子停車制動(dòng)(EPB)、安全帶預(yù)緊器(Pre-tensioner)、防側(cè)翻、汽車動(dòng)態(tài)控制(VDC);中/高重力加速度計(jì)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(jī)噴墨頭的運(yùn)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(jì)也被用于保護(hù)硬盤，當(dāng)硬盤不慎掉落時(shí)，傳感器會(huì)立即傳出警告信息，要求馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)并將磁頭從盤片表面上移開，因此不會(huì)有任何部件與硬盤機(jī)內(nèi)的儲(chǔ)存媒介相互碰觸，如此一來即能保護(hù)行動(dòng)設(shè)備在發(fā)生意外振動(dòng)或摔落時(shí)，內(nèi)部所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)仍能安全無虞。另一個(gè)大幅成長(zhǎng)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(jì)在硬盤保護(hù)中的功用
資料來源：ST

　　加速度計(jì)的創(chuàng)新應(yīng)用

　　在現(xiàn)階段，消費(fèi)性市場(chǎng)最有興趣的，還是如何導(dǎo)入加速度計(jì)。加速度計(jì)的應(yīng)用是令人期待的，舉凡需要感測(cè)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(dǎo)入加速度計(jì)。因此，除了上述的防撞保護(hù)外，它還能提供操控手持設(shè)備的人機(jī)接口(Man Machine Interface, MMI)以及許多有趣的增值功能：

　　創(chuàng)新MMI人機(jī)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(jī)接口功能。它利用加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)感測(cè)功能來感測(cè)搖控器左/右傾斜、前/后傾斜、甚至上/下移動(dòng)等動(dòng)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(dòng)作，而能取代鍵盤以更直覺的享受到游戲的臨場(chǎng)感，也能完成一些過去相當(dāng)困難的細(xì)微操控動(dòng)作。

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　　不僅如此，3軸加速度計(jì)也能實(shí)現(xiàn)畫面自動(dòng)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(jì)通過測(cè)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(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(shí)，畫面會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn);當(dāng)瀏覽網(wǎng)頁或目錄時(shí)，則可以再轉(zhuǎn)回直向顯示。

　　還有一些直觀的用法，例如運(yùn)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(shí)現(xiàn)屏幕顯示內(nèi)容的上下左右瀏覽，并可通過對(duì)單擊(單次振動(dòng))或雙擊(連續(xù)振動(dòng)兩下)的識(shí)別，來進(jìn)行各種功能的選擇，例如歌目選擇、手機(jī)撥號(hào)及靜音控制等。

　　有趣的增值功能

　　加速度器對(duì)于動(dòng)作的感測(cè)，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(dòng)手持設(shè)備來控制骰子旋轉(zhuǎn)速度及停止時(shí)間;虛擬樂器敲擊是藉由對(duì)手持設(shè)備的揮動(dòng)感測(cè)，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(dòng)時(shí)，加速度計(jì)會(huì)感測(cè)動(dòng)作并驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，在空中形成連續(xù)的光影信號(hào)。

　　其它應(yīng)用

　　對(duì)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(jì)，可以偵測(cè)到設(shè)備的使用狀況，并采取適當(dāng)?shù)氖‰娍刂颇Ｊ?，此舉將有助于延長(zhǎng)手持設(shè)備的電池壽命。此外，加速度計(jì)也能提供計(jì)步器、電子羅盤補(bǔ)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(jì)成為手持設(shè)備中另一個(gè)不可少的芯片。

　　電容式加速度計(jì)技術(shù)

　　接著來看看加速度計(jì)的設(shè)計(jì)原理。常見的加速度計(jì)技術(shù)包括壓阻式(Piezoresistive)、電容式(Capacitive)、壓電式(Piezoelectric)及熱對(duì)流式(Thermal)。目前市場(chǎng)上商業(yè)化的加速度計(jì)主要是采用壓阻式、電容式與熱對(duì)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(duì)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(diǎn)，但電容式在各項(xiàng)功能評(píng)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(jì)是將被測(cè)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(jiǎn)單、高分辨力、可非接觸測(cè)量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。隨著MEMS和半導(dǎo)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(jì)設(shè)計(jì)途徑。

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

　　電容式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)中會(huì)有可移動(dòng)的質(zhì)塊與相對(duì)的固定端，分為作為電容的兩極。當(dāng)外界加速度使可移動(dòng)極與固定極發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，兩極間的電容量也會(huì)產(chǎn)生變化，通過特殊電路可將此變化量轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

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　　電容式加速計(jì)的好處甚多，比起壓阻式或熱對(duì)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(duì)穩(wěn)定性的影響甚微。此外，電容式除了可以實(shí)現(xiàn)微型化需求外，也能在高溫、高壓、強(qiáng)輻射及強(qiáng)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(yīng)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(cè)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(cè)量高速變化的參數(shù)。除了上述優(yōu)點(diǎn)外，電容式還可測(cè)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(jì)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(yùn)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)，由它來輸出可量測(cè)的電壓值。因此，一個(gè)3軸加速度計(jì)芯片中必須包含兩大單元，一是單純的機(jī)械性MEMS傳感器，它包含測(cè)量XY軸的區(qū)域及測(cè)量Z軸的區(qū)域，內(nèi)部有成群移動(dòng)的電子;另一則是標(biāo)準(zhǔn)的ASIC接口芯片，它會(huì)將電容變化轉(zhuǎn)換為電壓訊號(hào)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(shí)現(xiàn)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(tǒng)級(jí)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(jìn)行封裝。采用先進(jìn)LGA封裝的ST加速度計(jì)芯片只有3