低階元件漸成熟　MEMS挑戰先進技術

微機電系統(MEMS)是一項智慧型微小化的系統，包含感測、處理或致動等功能，其中特性是將兩個或兩個以上之電子、機械、光學、化學、生物、磁學或其他性質，並整合到一個單一或多晶片上。其應用領域極為廣泛，除了較為人所知的車輛應用，以及近期頗為熱門的消費性電子與通訊產品外，其他包括製造業、自動化、航太工業、土木營建、環境保護、農林漁牧等，都可以見到微機電系統的蹤影。  

正因為應用環境差異大，適合之技術也迥異，進而影響各廠商之布局策略，同時讓微機電系統戰場風雲密布。  

消費性電子成必經之路　微機電系統龍頭易主  

儘管微機電系統看來商機勃勃、潛力無限，但對各家業者來說，若無法慎選市場，同時獲得客戶青睞，將難以在市場上存活。  

如取代德州儀器(TI)坐上2008年微機電系統營收寶座的意法半導體(ST)，就是因為順利搭上消費性電子、無線通訊的應用，而獲得此波成功(表1)。

表1　2008年前二十大MEMS代工廠商
排名	廠商	營收(百萬美元)
1	意法半導體	193
2	德州儀器	59
3	Miralyne	28
4	Dalsa Semiconductor	26
5	Silex	25
6	Memstech	21
7	IMT	20
8	索尼	19
9	亞太優勢	18
10	Tronic’s Microstyems	16
11	Colibrys	15
12	Semefab	9
13	Memscap	8
14	Touch Microstyems	7
15	Xfab	7
16	Olympus	6
17	Jazz Semiconductor	4
18	Dai Nippon Printing	3
19	Honeywell	3
20	Robert Bosch	2

資料來源：Yole Development

據了解，意法半導體的微機電系統加速度計、陀螺儀與壓力感測器等元件，由於順利應用於消費者及行動裝置上，因此營收倍增。2007年意法半導體之加速度計銷售收入僅2,900萬美元，但2008年時達到2億2,000萬美元；2007年之市場成長率亦僅4%，隔年即達20%，皆是佐證。而任天堂(Nintendo)Wii與蘋果(Apple)iPhone雙雙採用意法半導體之三軸加速度感測器，也是該公司得以順利成長之關鍵。此外，該公司更計畫將相關產品遍及至其他消費性電子領域如數位相機、個人導航裝置(PND)等，同時也寄望此類產品可持續帶來業績成長。  

過去數年德州儀器受惠於數位光源處理(DLP)帶動而獲得顯著成長；而其他微機電系統廠商則多倚賴可擴充印刷技術的噴墨印字頭驅動。但從意法半導體之崛起可以看出，消費性電子將是未來微機電系統之最大成長來源，而其他廠商也快步跟進此一市場(圖1)。如在汽車領域深耕逾20年的博世(Robert Bosch)就是一例。

資料來源：飛思卡爾 圖1　2006～2013年MEMS應用占比

博世另起爐灶專攻消費性電子市場

博世是全球最大的微機電系統感測器製造商之一，其微機電系統晶片產量每年均超過一億顆。而至2005年，該公司成立了子公司Bosch Sensortec，以拓展汽車以外的微機電系統產品，並進軍消費性和其他產品領域。  

Bosch Sensortec總經理兼執行長Frank Melzer指出，將Bosch Sensortec獨立出來是因為看到了非汽車微機電系統感測器應用領域的潛在需求，而包括加速度計在內的諸多應用，也是帶動商機的來源所在。  

事實上，隨著全球汽車產業表現不佳，汽車專用微機電系統製造商的營收也受到衝擊。iSuppli調查指出，受到2008年全球汽車產量大幅減少，其微機電系統營收也下降達8.5%，如博世的汽車微機電系統銷售額就下降達6.13%。因此，Melzer不諱言，消費性電子將是博世必經之路。  

據悉，自1995～2008年，博世的微機電系統感測器產量高達十億顆，而2008年博世也製造出高達兩億顆微機電系統感測器。

飛思卡爾(Freescale)也積極搶進消費性電子市場。該公司於2009年第一季採購相關半導體設備如深蝕刻機台，並大幅擴充產能，特別針對消費性電子之重力感測器有所著墨。市場人士預估，飛思卡爾可望在今年第三季時陸續供貨，甚至帶來新一波價格戰。

目前三軸加速度計晶片報價約在1美元以下，部分廠商則喊出0.7美元。但隨著飛思卡爾在消費性市場動作加大，報價甚至可能下殺0.2美元，讓業者間競爭加劇。而先進產線的完成，正是為何相關廠商能不斷削價競爭的主因。  

200毫米生產線/8吋晶圓廠有助降低成本  

意法半導體技術行銷經理郁正德透露，在2006年以前，微機電系統的應用範圍很窄，僅限於車輛應用如安全氣囊碰撞感測器等，且受限於技術，不但微機電系統晶片尺寸大、功耗高，再加上成本昂貴，幾乎無法在消費端看到微機電系統的身影。  

不過，隨著意法半導體逐步發展出創新工程技術，並開發出多種微機電系統架構，再加上該公司於2006年正式打造全球第一座8吋晶圓廠，專職生產微機電系統產品，同時也提供200毫米之產線，讓意法半導體與其他競爭者拉開距離。

透過新產線的成立，意法半導體將晶圓直徑增加了50%，晶片數量也增加了一倍，進而大幅降低晶片單位成本，為意法半導體帶來更多競爭優勢。郁正德透露，借助上述優勢，該公司不但可推出微機電系統線性加速度感測器，也新增了陀螺儀產品，可檢測傾斜和角運動，適用於更複雜的遊戲控制器、虛擬現實感測器、運動控制、指向裝置及汽車導航功能，如慣性導航和地圖比對等。  

圖2　飛思卡爾射頻、類比與感測器部門全球通路發展暨亞太中心總監Benjamin Tan表示，近年微機電系統發展日益蓬勃，而該公司也不會忽視該市場。

此外，飛思卡爾則在2008年1月快馬加鞭，同樣建立一條先進的微機電系統200毫米生產線，積極搶進日益增長的感應器市場。透過此生產線的協助，讓該公司可在加速、壓力及接近感應器等廣泛的產品線上打造適當的解決方案，如在2009年6月發布的數位化輸出壓力感測器就是一例。該產品乃針對筆記型或桌上型電腦硬碟(HDD)的保護，提供高度精準的氣壓與高度偵測功能，適合各種成本有限的消費性電子及工業應用。

飛思卡爾射頻、類比與感測器部門全球通路發展暨亞太中心總監Benjamin Tan(圖2)指出，該公司向來看好微機電系統及其相關應用，包括加速度計、壓力感測與無線感測器都是關注重點。而若單以微機電系統打造之感測器市場來看，該公司排名第三的位置也還有進步空間。他指出，飛思卡爾乃透過系統級封裝(SiP)將感測器晶片進行整合，並藉此打造適合大量製造且高品質的產品。而200毫米生產線也有助上述產品的快速問世。  

目前全球尚有數家微機電系統製造商已開始或即將導入8吋晶圓廠，除意法半導體、飛思卡爾之外，還有德州儀器、Dai Nippon Printing、Silex、Omron與Jazz半導體等。業界分析，隨著晶圓廠的演進，業者間的價格戰也將更加激烈。  

車輛應用尚有發展空間  

不過，儘管消費性電子引起眾人注意，針對應用在車輛上的微機電系統產品，各廠也未停下研發腳步。如亞德諾(ADI)就在2009年4月時宣布與全球第二大車用晶片供應商英飛凌(Infineon)共同攜手打造下一代汽車安全氣囊系統。  

亞德諾微機電產品副總裁兼總經理Mark Martin表示，該公司在車用微機電系統領域已有逾15年的發展經驗，累計微機電系統傳感器出貨更逾五億顆；因此這次與英飛凌的合作，將可為安全系統供應商和原始設備供應商(OEM)提供一次購足(One-stop-shopping)服務，為系統設計工程師節省大量時間和資金，並正確的將安全系統整合到汽車中，以提供最安全的汽車操控介面。  

據悉，兩家業者的合作係由亞德諾負責汽車安全系統用之慣性加速度計和陀螺儀，英飛凌則提供汽車安全系統的專用元件如微控制器(MCU)、衛星通訊用傳感器、安全氣囊觸控晶片、電源晶片、控制器區域網路(CAN)、本地互聯網路(LIN)收發器與壓力感測器等。  

奇招紛陳拚市占　先進技術論英雄  

隨著微機電系統技術日益演進，各家業者對於下一步產品的規畫也呼之欲出。舉例來說，在單軸、雙軸加速度計日益成熟後，三軸加速度計將躍居主流，近期包括意法半導體、亞德諾與飛思卡爾等廠商也都推出產品(表2)，搶攻市占。

表2　近期加速度器產品規格比較　　　　　　　　　　　　　　　製表者：侯俊宇
規格/廠商	亞德諾	飛思卡爾	Kionix	意法半導體	MEMSIC	InvenSense	工研院
尺寸(立方毫米)	23.2	52.2	13.5	15	88.2	8.1	19.2
範圍(重力)	±3.6	±2	±2	±2	±1.5	±2/±4/±8/±24	±2
解析度(mg@100Hz)	2.8	3.5	1.8	2	6	12	3
雜訊層(μg/√Hz)	300	350	175	60	900	-	300
可程式化	NA	Y	NA	Y	NA	Y	Y

資料來源：各單位，工研院整理(08/2009)

舉例來說，意法半導體就在2009年6月時推出全球最薄的三軸數位式微機電系統加速計，該款元件厚度只有0.75毫米，面積為3毫米×5毫米，特別適合節省空間的產品設計如如智慧型手機、個人導航裝置(PND)、可攜式遊戲機與個人醫療電子設備等。  

同樣側重可攜式裝置、手持式儀器及其他以電池運作的裝置，亞德諾於今年4月推出之三軸數位式微機電系統加速度計產品特別重視低功耗議題。該款動作感測器能夠在低至1.8伏特的主要供應電壓下運作，並進行小至0.25度傾斜變化的量測。  

而飛思卡爾原本是將加速度計由控制晶片與微機電系統感測晶片封裝而成，但為增加附加價值，飛思卡爾稍早時在加速度計中再加入一顆微控制器晶片，並視不同領域而進行配合，可望增加競爭力。該公司稍早時發布之加速度計厚度亦僅0.8毫米。  

圖3　工研院南分院微系統科技中心副主任張平表示，國內微機電系統之投入也不落人後，日前該中心即先後推出多項技術，可應用於消費端與車輛駕駛環境。

除了外商之外，國內針對此領域的投入也未曾稍歇，如研發火車頭工研院就同樣發表應用於三軸加速度計之微機電系統技術。  

工研院南分院微系統科技中心副主任張平(圖3)透露，該中心發展之三軸加速度計，乃以半導體製程製造出感應器的微結構，並搭配特殊應用積體電路(ASIC)進行讀取，不只尺寸小、成本低、耗能少，其靈敏度高、雜訊層低的優異性能，也已與國際水準相當。  

張平表示，三軸加速度計的應用非常多元，除了常見的應用如人機介面控制、健康偵測、硬碟防摔與車輛翻覆偵測、電子穩定控制等，該中心研發之全域慣性定位系統，也是以微機電系統三軸加速度計所開發。據了解，此類導航應用乃透過偵測物體本身的移動狀況，加以演算與訊號處理後得出實際運動的軌跡，有助於車輛駕駛之定位。此類應用特別適用在短距離的情況，亦可與現有的全球衛星定位系統(GPS)搭配使用，當車輛進入隧道或地下室、或是當行人進入室內或登山、潛水時，都可追蹤其所在位置。  

而當三軸加速度計逐漸成熟後，更進階的六軸加速度計之進展，同樣牽動業者的敏感神經。目前各家一線大廠均已投入相關技術與產品之研發，如意法半導體利用系統級封裝方式整合一顆三軸加速度計與三軸磁力計(Magnetometer)，未來還將再整合壓力感測器或陀螺儀。  

以陀螺儀起家之業者InvenSense，也透露正在開發類似的六軸加速度計產品(圖4)，透過整合三軸加速度計與陀螺儀，以提供更完整的物體運動感測能力。

資料來源：InvenSense 圖4　InvenSense之六軸加速度計產品。

陀螺儀成新戰場  

事實上，除了加速度計之外，各家業者瞄準的下一波應用就是陀螺儀(圖5)。有別於加速度計，陀螺儀主要用來測量角速度(Angular Rate)，以判別物體的運動狀態，並帶動新一波商機。如意法半導體就於今年6月時推出單軸和雙軸微機電系統陀螺儀產品，該產品利用矽的獨特機械特性，在半導體晶片內置入可以偵測動作的結構，並應用於人機介面、可攜式和汽車導航系統、數位相機和錄影機的圖像穩定功能等。同時也可在備受市場青睞的人機介面中，使加速度感測器的功能更為完整。陀螺儀可為遊戲機和遙控指向設備帶來更生動的用戶體驗、提升汽車導航系統的航位推算(Dead Reckoning, DR)和/或地圖比對(Map Matching)性能，以及防止因手震影響數位錄影機或數位相機的影像品質，實現更清晰銳利的畫質。

資料來源：意法半導體 圖5　儘管技術難度較高，但陀螺儀可帶來的使用樂趣也更勝一籌。

而InvenSense於2008年1月率先問世的兩軸陀螺儀，更以4毫米×5毫米×1.2毫米之小巧尺寸轟動一時。該款產品較當時其他產品尺寸減少四分之一，並適用於價格敏感且體積限制的可攜式消費性應用，包括數位相機及數位攝影機、PND、3D滑鼠及多媒體與遊戲控制器等。  

不過，張平也說，相較於加速度計，陀螺儀由於對於敏感度的要求更高、同時須具備抗干擾的能力，因此設計技術門檻也隨之提升，各家業者若有意進軍此市場，則勢必須要在技術研發端下一番苦功，才會有所收穫。  

從加速度計與陀螺儀的技術演進與市場變革可以看出，微機電系統蘊含的龐大商機是吸引各家業者紛紛投入的最大原因。不過隨著投入者眾，各家業者如何在競爭激烈的市場中獲得客戶之採納，關鍵將在能否端出性價比與產品問世時間最符合客戶需求之解決方案。