微機電系統(MEMS)在發展了近四十年後，近來因為遊戲機(Wii、PS3)、手機(iPhone)、MP3(iPod touch)等消費性電子產品的應用，終於劃下時代性的一刻，成功打入產量最大的消費性市場。這對於微機電產業來說無疑是值得慶賀的時刻，因為有太多的研發心力已投入這項將微機械與微電子工程融合的微機電設計訴求之上，如今總算看到令人欣慰的一些成果。
當然，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及應用有更多的著墨，在此之前，我們要先來看看MEMS的領域及發展進程。
MEMS發展歷程
MEMS的研發早在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，接著有印表機的噴墨頭(ink jet)及氣相色譜儀(gas chromatography)的研究;1975年後開始進行加速度計、數字光投影機、微流體(micro-fluidics)、MEMS振蕩器、MEMS開關(Switch)的研究;1985年左右開始研究MEMS麥克風;薄膜體聲波諧振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)和陀螺儀(Gyroscope)則是1990年代以後才開始的新領域。
MEMS的應用領域很廣，舉凡需要用到微機械感測與控制的應用，都有可能導入MEMS的晶片，這些領域涵蓋了信息、通訊、消費電子、汽車、醫療、工業等等各個領域。目前廣泛應用MEMS晶片的應用領域是汽車電子及信息電子，在汽車的操控性及安全性方面，已採用不少的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於電子停車制動(EPB)、安全帶預緊器(Pre-tensioner)、防側翻、汽車動態控制(VDC);中/高重力加速度計可用於懸吊系統、安全氣囊;此外，MEMS陀螺儀(Gyroscope)則可用於慣性導航、防側翻和VDC。
在信息應用方面，最常見的是印表機噴墨頭的運用，這仍是目前MEMS晶片最大的應用領域之一。此外，加速度計也被用於保護硬碟，當硬碟不慎掉落時，傳感器會立即傳出警告信息，要求馬達停止轉動並將磁頭從碟片表面上移開，因此不會有任何部件與硬碟機內的儲存媒介相互碰觸，如此一來即能保護行動設備在發生意外振動或摔落時，內部所存儲的數據仍能安全無虞。另一個大幅成長的晶片則是微面鏡，最成功的例子是TI所研發的數字光處理(DLP)技術，目前已普遍用於投影顯示器當中。
圖1 加速度計在硬碟保護中的功用
資料來源：ST
加速度計的創新應用
在現階段，消費性市場最有興趣的，還是如何導入加速度計。加速度計的應用是令人期待的，舉凡需要感測由於墜落、傾斜、移動、定位、撞擊或振動產生微小變化的產品，都可以導入加速度計。因此，除了上述的防撞保護外，它還能提供操控手持設備的人機接口(Man Machine Interface, MMI)以及許多有趣的增值功能：
創新MMI人機界面
Wii的搖控遊戲功能，正是讓大家印象最深刻的創新型態人機接口功能。它利用加速度計的動態感測功能來感測搖控器左/右傾斜、前/後傾斜、甚至上/下移動等動作，來轉換為玩家在遊戲中想操控的揮拍、擊球、釣魚、跳躍等動作，而能取代鍵盤以更直覺的享受到遊戲的臨場感，也能完成一些過去相當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畫面自動轉向、圖像瀏覽及目錄選擇等功能。以iPhone及iPod touch來說，其內建的加速度計通過測量重力向量，就能確定它是處於垂直狀態還是水平狀態，並將圖像的顯示位置自動轉正，例如當用戶在觀賞照片、視訊或檢視地圖而以橫向觀看時，畫面會自動旋轉;當瀏覽網頁或目錄時，則可以再轉回直向顯示。
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備來實現屏幕顯示內容的上下左右瀏覽，並可通過對單擊(單次振動)或雙擊(連續振動兩下)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
加速度器對於動作的感測，還能創造出許多有趣的應用，如骰子遊戲、虛擬樂器敲擊及「閃訊」(Wave Message)等。骰子遊戲是藉由搖動手持設備來控制骰子旋轉速度及停止時間;虛擬樂器敲擊是藉由對手持設備的揮動感測，來控制敲擊樂器的節奏快慢及音量大小;閃訊則是在光線較暗的環境下，當手持設備快速左右移動時，加速度計會感測動作並驅動LED發光，在空中形成連續的光影信號。
其它應用
對於手持設備來說，降低功耗一直是最重要的任務之一，而通過內建的加速度計，可以偵測到設備的使用狀況，並採取適當的省電控制模式，此舉將有助於延長手持設備的電池壽命。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。上述種種的創新應用能力，讓3軸加速度計成為手持設備中另一個不可少的晶片。
電容式加速度計技術
接著來看看加速度計的設計原理。常見的加速度計技術包括壓阻式(Piezoresistive)、電容式(Capacitive)、壓電式(Piezoelectric)及熱對流式(Thermal)。目前市場上商業化的加速度計主要是採用壓阻式、電容式與熱對流式，日系廠商主要採用壓阻式技術，ADI、ST等歐美廠商則採用電容式技術，對流式的代表廠商則為MEMSIC。從(表1)可以看出，三者各有其優缺點，但電容式在各項功能評比中皆居於中等或極佳的表現，因此發展的潛力極大。
電容式加速度計是將被測非電量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器。它具有結構簡單、高分辨力、可非接觸測量，並能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作等獨特優點。隨著MEMS和半導體製程的進步，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計途徑。
圖2 電容式加速度計的MEMS結構示意圖
資料來源：ST
電容式加速度計的結構中會有可移動的質塊與相對的固定端，分為作為電容的兩極。當外界加速度使可移動極與固定極發生相對位移時，兩極間的電容量也會產生變化，通過特殊電路可將此變化量轉換成相對應的輸出信號。
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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生零位漂移，電容式的電容值一般與電極材料無關，因此可選擇溫度係數低的材料;加上本身發熱極小，溫度對穩定性的影響甚微。此外，電容式除了可以實現微型化需求外，也能在高溫、高壓、強輻射及強磁場等惡劣的環境中工作，也能耐受極大衝擊，適用範圍極廣。
另一個優點是它的動態響應時間很短，能在幾MHz的頻率下工作，因此特別適用於動態測量。又由於其介質損耗小，可以用較高頻率供電，因此系統工作頻率高，可以用於測量高速變化的參數。除了上述優點外，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原理
資料來源：ST
在電容式的結構中，當其中的質塊出現加速度運動時，就會產生電容量的差異變化(DC)，此變化會傳送給另一顆接口晶片(Interface chip)，由它來輸出可量測的電壓值。因此，一個3軸加速度計晶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軸的區域及測量Z軸的區域，內部有成群移動的電子;另一則是標準的ASIC接口晶片，它會將電容變化轉換為電壓訊號輸出。
傳感器與ASIC接口晶片這兩大單元雖然都可採用CMOS製程來生產，但由於實現技術上的差異，兩者目前大多仍會採用不同的生產流程，再將兩顆晶片封裝整合在一起，成為系統級封裝(SiP)晶片。這兩顆晶片可以用堆棧(Stacked)或並排(Side by side)方式來進行封裝。採用先進LGA封裝的ST加速度計晶片只有3