- MEMS運動傳感器技術分類
- MEMS運動傳感器制造工藝與封裝
- MEMS運動傳感器技術在不同方面的應用
微機電運動傳感器（MEMS Motion Sensor）技術主要應用于汽車電子領域，但是憑借Wii和iPhone的熱賣，該技術一舉在消費電子市場也闖出了一片天地。
據市場研究機構The Information Network調查，2008年全球MEMS應用市場增長率達到了11%，市場規(guī)模約78億美元，其中MEMS在消費電子應用比例接近50%，整體市場規(guī)模將近35億美元。該機構預測，到2012年，全球MEMS應用市場規(guī)模將達154億美元，其中MEMS消費性電子應用規(guī)模更可增長到71億美元。
另一家市場研究機構iSuppli也指出，手機將是MEMS技術下一個最具潛力的應用市場，增長幅度預計可超過汽車傳感領域和電腦周邊，到2012年，MEMS在手機領域的應用規(guī)模更可一舉達到8.669億美元，出貨量可達2.009億顆。
MEMS市場的研究權威Yole Development更認為，2012年MEMS在手機應用的整體市場規(guī)模有機會上看25億美元。
當然，要將MEMS運動傳感器技術真正導入消費電子應用，也并非一件容易的事情，首要任務就是克服價格與技術成熟度的問題。不過，有Wii和iPhone熱賣在前，市場和主要芯片供應商一致看好該項技術的成長潛力。
MEMS運動傳感器技術
MEMS運動傳感器囊括多種傳感器技術。用來測量物體加速度的傳感器叫做加速度傳感器（加速度計）；用來測量物體角速度的傳感器叫做角速度傳感器（陀螺儀）；也有將二者相結合的慣性測量單元（IMU；Inertial Measurement Unit）。另外，還有測量高度變化的氣壓計，以及感測絕對方向的電子羅盤。
目前由于價格因素，市面上出售的運動傳感器大都是加速度計。據iSuppli調查顯示，2008年加速度計的出貨量較2007年增長了將近2倍，預計2009年的出貨增長率可望達到40%左右。
而陀螺儀的研發(fā)雖然早于加速度計，但是因為設計結構較為復雜，單價始終偏高，在市場上的普及程度反而不如加速度計。據iSuppli調查顯示，陀螺儀至少要到2010年之后，才會有比較明顯的市場需求出現。不過，陀螺儀的用途仍然很廣。而隨著制造與整合技術的進步以及市場需求的增加，集加速度計與陀螺儀于一身的IMU芯片，未來必將成為運動傳感器真正的王者。
加速度計的類型
加速度計的類型主要有四種：壓阻式、電容式、壓電式和熱對流式。
·壓阻式：結構簡單，實現較為容易，特別適合用來測量低頻加速度應用。不過，這類傳感器的電阻值易隨溫度變化而產生零位漂移及靈敏度漂移，需要進行補償。
·電容式：由于利用電容效應，因此分辨率相當高，也具有很高的靈敏度及量測范圍，其動態(tài)響應時間短，適合高頻的加速度應用。而且可靠性高，能夠在高溫、高壓、強輻射及強磁場等惡劣的環(huán)境中工作，也能耐受極大沖擊，適用范圍極廣。同時由于電容式為非接觸式量測，所以使用壽命可以很長。另外，電容式技術能夠通過回授控制來讓加速度計的振動結構維持在線性操作區(qū)域，此特性有助于改善傳感器的靈敏度，也能提升其穩(wěn)定性。不過，電容式加速度計采梳狀結構，在生產設計具有相當難度，并不容易掌握。
·壓電式：雖然也能做到回授控制的要求，而且具有體積小、響應速度快、位移量小和消耗功率低等特色，但由于硅半導體并非壓電材料，而一般的壓電工藝不兼容于IC標準工藝，因此在商業(yè)化上仍有許多困難需要克服。
·熱對流式：利用一個加熱的重氣泡在加速度影響下的運動來探測加速度。該方式因為采用熱傳導原理，其結構中并沒有可動部分，所以不會出現粘連、顆粒等問題，而且能承受50000g以上的巨大沖擊，也具有低成本優(yōu)勢。不過，它對環(huán)境溫度的變化更為敏感，響應頻率也無法太快，也有功耗偏高的限制。此外，此類傳感器只能做到二軸的感測能力，尺寸也比電容式及壓電式大。
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陀螺儀的類型
陀螺儀的類型主要包括音叉式、雙質量振動式、半球諧振式、環(huán)式及梳狀驅動諧振式等。
這些技術有一個共同點，即它們都是以振動塊而非傳統(tǒng)的旋轉塊（rotating mass）為基礎。主要原因是MEMS技術中難以做出全程旋轉的結構，而使用振動方式并通過科里奧利效應（Coriolis Effect）的計算，也同樣能夠獲得角速度變化的測量。在此結構中，振動塊為驅動端，另外還會有感測端，將物理變化量傳送出去。
為了形成諧振的動作，必須采用適當的材料，包括硅晶、陶瓷、石英等，其中以石英的性能最佳（可靠性、靈敏度、抗溫度漂移），但以硅晶的成本最低，且能采用標準的CMOS芯片工藝。
制造工藝與封裝
制造的材料不同，所使用的工藝也不同。利用石英制造的代表廠商，例如日本的Epson Toyocom，該公司以石英（QUARTZ）材料的穩(wěn)定性，結合了MEMS制造技術，在2006年推出了“QMEMS”技術。根據該公司對QMEMS的描述就是：通過微加工技術，使水晶材料具備機械、電子、光學、化學等方面的特性，并增加高精度、高穩(wěn)定附加值的技術。
為此，工程師采用類似于生產芯片的制造技術，但使用光罩蝕刻制造時，平坦度的要求會變得更加嚴格。此外，半導體生產設備必須調整成能適合處理石英原料，而非原先所使用的硅晶。首先，光刻膠的薄膜平放在晶圓上，在晶圓上有用來完成元件設計的光感應式光罩。平面光罩下當執(zhí)行紫外線曝光流程后，便可產生出曝光和未曝光的區(qū)域，然后不需要的區(qū)域可藉由化學洗劑的幫助來蝕刻掉，留所需的形狀。最后，此晶圓會進行切割并被切成小方塊，所生產出來的MEMS芯片就可以進行封裝了。
但是，為了壓低MEMS運動傳感器的價格，擴大其市場應用范圍，一種利用既有標準CMOS工藝來生產MEMS產品的技術便應運而生。這種名為CMOS-MEMS的技術無需特殊的生產設備，可直接在既有的半導體生產流程上完成MEMS的產品。相較于過去MEMS產品必須先在自有廠房內完成機械結構的生產模式，CMOS-MEMS技術對于量產、系統(tǒng)整合和低價化更有優(yōu)勢。
不論是加速度計或陀螺儀，最常見也是最可行的作法都是將MEMS機械結構與負責信號調整與測量的電路分開設計，再通過封裝的方式整合在一起，封裝上可以采取堆棧或并排其中一種方式。專家表示，機械與電路是兩個差異性很大的元件，要將之結合存在很大的障礙，如果機械與電路一定要強行結合，那么將會犧牲性能。采用分開設計的方式，在性能與質量上更有保障，因此分開設計是最好的方式。
不過，晶圓級的整合畢竟能夠提供更優(yōu)異的元件緊湊度，有助于降低尺寸與量產成本，也能減少額外元件及阻抗損耗，以及封裝、測試上的成本，所以MEMS元件還是會朝向單芯片的方向發(fā)展。據了解，目前有些IDM大廠，如ADI、Infineon等已可做到CMOS-MEMS的單芯片工藝技術。這是因為ADI、Infineon擁有MEMS和電路的所有技術，所以能將其MEMS工藝放在整個生產流程的中段。而像臺積電、聯(lián)電等臺灣的晶圓代工廠，雖然也有CMOS-MEMS工藝，但是都偏向于先做完CMOS的IC電路，再完成MEMS的結構。
