MEMS製程日新月異　感應器巧扮創新火車頭

圖1　第四代iPOD Nano為活用加速度感應器的案例之一

然而近幾年來，感應器已由關鍵元件進一步提升成為產生創新價值的主要元件。產品研發團隊利用感應器創造出革新應用的一波風潮，讓不少媒體甚至以「感應器創新」(Sensor Innovation)來形容這場變革。這類案例實在不勝枚舉，例如早在2005年，蘋果電腦的PowerBook G4就內建加速度感應器元件，讓硬碟在筆記型電腦不當掉落時能夠即時將磁頭移開碟盤以避免撞擊，進而保護內部資料與裝置。其他更知名的案例還有任天堂的Wii遊戲機，其遙控器利用了小型三軸加速度感應器以及CMOS影像感應器，讓消費者可直覺地操作遊戲中的角色，進而大受歡迎。iPhone、iPod Touch以及第四代的iPod Nano等可攜式媒體播放器(圖1)也是活用加速度感應器的好例子。  

要開發新一代裝置，對於感應器技術、體系、種類與應用必須具備深入的了解。在這波感應器創新的背後，微機電系統(Micro Electro Mechanical System, MEMS)技術的進步實為最大功臣，各種小型化、高性能且成本低廉的感應器之所以能夠問世，都拜MEMS技術的進步所賜。  

不同感應器各有優劣  

從技術觀點來看，不管是何種感應系統(Sensing System)，其架構都是以感應器為核心，加上訊號處理、訊號傳送以及訊號處理演算所構成。感應器的輸入訊號種類繁多且差異極大。例如輸入訊號的類型有光、聲音、歪斜、加速度等。在輸出訊號部分則較為單純，大體上可分為電氣訊號與非電氣訊號兩大類，其下可再細分成類比訊號、數位訊號、電壓或電流等等。而訊號的傳送方式則可能透過有線或無線來達成，傳送路徑也可能是專有或共用。例如可進行人體接近檢測的感應器，其輸入訊號是紅外線的強度，輸出訊號則是電壓；又如汽車交通量的計量感應器，其輸入訊號是來自車體的音波反射，輸出訊號是反射波的電壓變化；再如，數位相機的焦點檢測感應器，其輸入是影像的對比，輸出是CCD輸出電壓的振幅。  

若是以訊號轉換手法來分類的話，有所謂「能量變換型感應器」以及「能量控制型感應器」之分。以光感應器的光二極體為例，感應器的輸出乃是吸收了光能的一部分而轉換成電氣能量。而輸出的功率或能量不比輸入端大，因此又稱為被動型感應器。另外一方面，如CdS光傳導型感應器或熱敏電阻(Thermistor)溫度感測元件，因光、溫度而變化電氣阻抗。為了將這個阻抗變化轉換為電壓或電流的變化，會從外部的電源施予電壓或是電流。使得輸出電力是外部電源電力的一部分，並沒有從受取對象變換能量為電力；僅是依據檢測對象的光或是熱作用，從電源控制輸出能量，比輸入的消耗功率大，有增幅的作用，又稱為主動型感應器。從對象的反應來獲得資訊的方式，乃是主動感應的類型。比如汽車雷達送出電波，藉由反射波來得知對象的距離或是連續送出超音波，經由都卜勒效應(Doppler Effect)來求得對象的速度等，就是明顯的範例。相機的焦點調節則通常兩種機制兼備，當照射物明亮時，可以調節光的路徑；較暗的場合，則是投射紅外線來調節焦點，前者是被動式感應，後者則是主動式感應。  

感應器的訊號轉換，乃是物理法則的支配現象。在各種物理法則中，大致有「場」及「物性」兩大法則左右訊號變化。場法則是描述電磁場於空間或時間作用的法則。例如靜電容量變化的變位感應器、電磁誘導型感應器等，皆是利用場法則進行訊號轉換。這些感應器的構造、大小直接影響到特性，而構成材料的物性，比如介電率、透磁率等，卻不會造成顯著影響，是典型的構造型感應器。物性法則是記述材料固有物理特性的法則，半導體感應器就是屬於這一類。構造型感應器與物性感應器，兩者相輔相成。構造型感應器容易實現安定高感度的特徵，可以依據對象與用途來設計，但製造過程相對複雜；物性感應器由材料的特性所決定，設計自由度較低，且多數物性值易受溫度影響，應用時必須注意使用環境的變化。然此類感應器的好處在於構造體單純，容易低價化與小型化。因此，重視高性能表現的場合，多採用構造型感應器；重視大小與價格的應用，則應考慮物性感應器。  

魚與熊掌可以兼得全賴MEMS之助  

MEMS感測器的出現則打破了構造型感應器與物性感應器之間的分野。就運作原理而言，這類元件是構造型感測器，但其製造技術卻近似物性型感應器，是魚與熊掌兼得的好元件。MEMS元件的生產類似印刷技術，在一個基板上可整合多顆感應器。低價容易量產是其特色，且具有感度安定的特性。MEMS感應器是在一片晶圓(Wafer)上，生產大量安定品質的晶片，對於消費性產品需要大量生產與價格合理的前提是有利的。此乃半導體積體電路特徵的延伸。  

若MEMS元件以矽材料製作時，將具備更容易整合的特性，因為感應器元件的增幅機能或控制功能，可以和感測器本身一起實作在同一晶片上。但由於MEMS型感應器的製造需要龐大的設備投資，因此在委託半導體廠代工生產的型態出現後，感應器的開發與生產出現分工，在某種程度上也改變了感應器產業的生態。  

前述蘋果公司的iPhone、新世代iPod、任天堂的Wii所使用的三軸加速度感應器、實現數位相機防手震功能的角速度感應器以及筆記型電腦所使用的矽麥克風等，都是MEMS技術運用在感測器上的案例。MEMS是一種半導體微加工技術的應用，利用蝕刻技術與光罩轉寫來實現複雜的構造元件，且可以大規模量產，因此其應用領域除通訊與消費可攜式產品外，汽車、家電、工業設備、醫療、生技檢驗等皆是其應用空間。  

MEMS加速度感應器正紅  

圖2　亞德諾的兩軸加速度感應器

目前最流行的加速度感應器，其運作原理為感應出加速度方向的XYZ三軸成分，從而得出物體在三度空間中的運動向量，若應用需求較為單純，市面上亦有許多兩軸的方案可供選擇。圖2為ADXL202兩軸加速度感應器，晶片中心的部分是多結晶矽，梳子櫛構造的靜電容量型兩軸感應器。當施予加速度之際，慣性力會朝XY軸方向移動，改變了梳子櫛構造的間隔，進而使靜電容量產生對應的變化。晶片的外圍即是讀出訊號的線路。感應器元件與讀出資訊的處理線路，搭載在同一晶片上，可將配線的寄生電容抑制在最小狀態。目前梳子櫛構造的感應器可以檢測100fF的電容變化。利用光蝕刻樣式所作成的對稱容量檢測構造，可形成差動容量檢測回路，不僅可以使元件小型化，亦可提高檢測感度。  

另一種常見的動態感應器則是可檢測出迴轉或是振動的角速度感應器(Angular Velocity Sensor)，也被稱為陀螺儀(Gyroscope)。一般的防震系統中可以有兩個角速度感應器，分別偵測垂直及水平的移動並予以量化，斜向移動則由結合兩者的結果而成。其最適合的應用領域為數位相機、攝影機或是手機等裝置。  

MEMS感應器邁向精密量測應用  

MEMS的小型化以及高感度，除了可以應用在運動檢測之外，亦可滿足高精確度資訊檢測的應用。例如原子間力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)，即利用MEMS技術做出薄薄的懸臂(Cantilever)來掃描觀察對象的表面，由於原子間的動力會使懸臂產生撓曲變化，因此若輔以光變位器來測量，即可將表面原子間的動力影像化。此類採用薄薄懸臂的高感度顯微鏡，係一泛用性很高的技術，能夠將生物構成分子高解析度影像化的磁氣共鳴力顯微鏡(Magnetic Resonance Force Microscope, MRFM)即是其延伸應用。  

小型化亦有助於提升元件的反應速度，進而使得檢測系統的時間軸解析能力提升，這在某些有特別需求的領域更是關鍵，尤其是攸關精密分析的裝置，譬如將氣體取入活門，經過氣體分離圓柱後，以不同氣體具備不同熱傳導特性原理來進行檢驗的色譜法氣體分析(Gas Chromatography)感應器便是這方面的應用。  

此外，以MEMS製作醫學檢測元件的應用案例也已浮現，例如像髮毛般纖細的血壓感應器。這類血壓感應器在外徑125微米光纖的前端，利用MEMS技術作出橫隔膜(Diaphragm)，透過血壓撓曲檢測光干涉頻譜的變化。此類醫療用感應器為了防止被量測者傳染或是感染的問題，必須使用後丟棄。因此其晶片價格必須非常低廉，而MEMS技術可在晶圓上製造出大量的晶片，正好克服了這個 課題。  

電路整合能力有助開拓新市場  

可將多個感應器或電子線路整合成單晶片，是MEMS的一大特徵。MEMS技術的整合好處，除帶來更小型化與低成本的感測器元件外，也開啟了幾類新應用領域，如可執行微小壓力檢測之容量型感應器，即是CMOS技術與MEMS技術的組合。  

陣列化感應器則是另一個突出的案例，這類應用可用多顆感應器同時取得資訊，但由於高度整合的緣故，使得感應陣列的配線數較少，因此資訊取出效率更高。目前市面上的應用有一次元的陣列或是二次元的陣列，如恩益禧(NEC)紅外線熱感應器便是二次元陣列安排的範例。該檢測器使用測輻射熱器(Bolometer)技術，當集熱板吸收紅外線，使得集熱板溫度產生變化並引起阻抗變化後，就可檢測出該待測物的紅外線影像。目前紅外線成像的解析能力能有長足進步，便得歸功於MEMS技術。現在已有廠商可提供解析度達640×480等級的產品，能夠感測到人體在室溫下放射的10微米遠紅外線。  

MEMS技術亦可改善射頻(RF)電路的性能表現，特別是對寄生電感或寄生電容敏感的RF迴路。這類處理無線高頻訊號的技術，又被稱為RFMEMS。這類特殊MEMS元件以無線抗原抗體感應器(Wireless Immuno Sensor)為代表。此元件係一檢知抗原抗體引起磁氣變化之感應器。在磁氣感應器上固定化檢測對象抗原之抗體，然後依據抗原抗體之反應，在抗體上與特定的抗原結合，此時，帶有磁珠的抗體會依此反應結合，從側面施予交流磁場，利用磁氣感應器來檢知磁珠的量。磁氣感應器呈現陣列的複數配列，感應元件可以安置諸如愛滋病(AIDS)或登革熱等欲檢知抗原之對應抗體，因而可以察知病狀。以加州柏克萊大學所開發的晶片為例，整合了通訊線路與線圈。線圈的目的是靠近測試系統時，可以利用結合效應對無線供給電源，並讀出資訊。此類感應器有使用後丟棄的必要性，晶片的高度整合與大量生產同樣重要。  

MEMS構造創新不斷　新型感應器與日俱增  

在過去這幾年間，MEMS感應器的設計構造也有長足進步，以往必須使用多個感應器元件來取得的資訊，現已可用單一元件來取代，MEMS感應器的內部構成也因而更加單純。為高精準度的汽車導航系統而開發的靜電漂浮迴轉陀螺儀即是此類案例。  

檢測移動感應器之中，也有以迴轉陀螺儀為基礎的高精確度移動檢測。這個感應器裡頭有一枚外徑1.5毫米的矽輪，透過靜電力的驅動，以每分鐘七萬四千轉的轉速懸空運轉。當感應元件傾斜時，會導致矽輪傾斜或回轉軸產生偏移的現象，進而造成靜電容量變化。若是施加不會產生偏移的電壓，因靜電力轉動矽輪，此時可成為回轉軸直交的兩軸與三軸加速度高精度的測量。  

這個感應器可依靜電容量全方位的位置檢知，並採用高速數位控制以及靜電作動器(Actuator)的技術。由於矽輪的是懸空運轉的，因此不會產生因磨擦或磨耗造成元件特性劣化；高速回轉也提高了感應器的量測精度。  

針對運動控制所設計的振動陀螺儀也朝向機能複合化的方向前進。目前振動陀螺儀最主要的應用領域為為汽車的安全控制，如防止車子橫滑或空轉的車身穩定控制(Vehicle Stability Control, VSC)系統。在這個系統中，除了振動陀螺儀之外，還有車輪速感應器、操舵感應器、測量汽車偏航速率(Yaw Rate)的角速度感應器或加速度感應器。當車子發生了迴旋空轉被偏航率感應器感測到之後，四輪獨立的煞車即可防止空轉，而橫滑可以由加速度感應器來檢知加以控制。  

圖3　兩軸光掃描距離影像感應器

以豐田汽車(Toyota)所製造的偏航速率加速度感應器來說，晶片呈水平安置，因驅動電極產生的兩個靜電力左右音叉振動，位於晶片左右兩端的配重會由於科里奧利力(Coriolis Force)(註)前後差動振動，此時使用檢測電極檢測靜電容量便可得知偏航速率。  

另一個構造面進化的實際MEMS感應器案例則為電磁式兩軸光掃描距離影像感應器(圖3)。這類感應器是雷射雷達高度化，實現汽車事故防止系統所需的感應器元件，其運作原理如圖4。

圖4　兩軸光掃描距離畫像感應器動作原理示意圖

首先，就元件構造來看，元件最外部為永久磁鐵，對中央的方向支架(Gimbal)線圈通電，線圈中央的鏡片會雙向移動進行光掃描。光約以每奈秒30公分的速度前進，脈衝雷射光經由高速電子電路來檢測到對象物的反射時間，因而得以知道到對象物的距離。藉由掃描光，解析到對象物的距離分布，除了知曉距離之外，還可約略知道對象物的輪廓，因此通常運用於汽車的前方監視系統，可以檢知前方的行人與前方汽車。  

材料/製程決定MEMS感應器未來發展方向  

半導體的微加工技術向來以矽材料為主，但MEMS微機電感應器為了突破矽材料的特性限制，通常會採用其他材料。從整合訊號處理電路的加速度感應器之製造工程，比較能夠理解這個論點。採用MEMS技術的加速度感應器，是在形成電子線路的晶片表面側邊形成感應器元件。  

感應器元件係由多結晶矽作成，其製程步驟如下：首先，在形成鋁配線之前，先完成搭載CMOS電路的晶圓，然後沉積一個磷玻璃(PSG)犧牲層，接著再沉積形成元件的多結晶矽，並造出鋁配線，最後再將PSG犧牲層除去。為了緩和多結晶矽的應力，這個製程通常會實施時間長達3小時，溫度達攝氏1,100度的熱處理過程。但這個製程步驟可能會破壞內部微細電晶體，因此MEMS感應器與電子線路的整合製造，經常還採用3微米的古老雙載子CMOS技術。若要在這種製程條件下實作複雜的大規模線路或高速訊號線路，困難度非常高。  

若不在材料方面改弦易轍，光仰賴加工工程的進步，將面臨一道難以跨越的高牆。因此，導入新材料是一條不得不走的路。彈簧(發條)是機械零件的基本要素。以德州儀器(TI)數位光源處理(DLP)投影技術的核心元件--數位微鏡投影元件(Digital Micro-mirror Device, DMD)為例，這是一個以MEMS技術形成可動的微細鏡，再加上電路線路及鋁配線所構成的元件。  

該微細鏡乃是藉由低溫形成的鋁合金彈簧來支撐。但由於鋁合金的蠕變(Creep)現象，使得以鋁合金製作的彈簧特性難以卓越。因此，歐美對於在微細化CMOS線路上形成優秀彈簧之研究相當積極。例如多結晶矽鍺(SiGe)就是比鋁合金更優異的彈簧材料，因其可在攝氏400度的低溫環境下形成優越特性的彈簧。  

比利時的IMEC(Interuniversity Microelectronics Center)與德國Robert Bosch GmbH曾經共同進行多結晶矽鍺在MEMS構造體上形成之研究。其研究團隊可於使用鋁配線的CMOS電路上，加工線寬0.35微米的閘極材料，並利用MEMS技術形成振動陀螺儀感應器。在其製程步驟中，MEMS感應器的實作順序在鋁配線形成電路之後，且不會對已經完成的電晶體造成破壞。至於多結晶矽鍺的應力控制，可透過改變矽與鍺的比例分配來達成。  

由於這種方法是在CMOS電路形成層上逐次地累積MEMS感應器形成層，因此又叫作表面微機件(Micro-machine)製程。如果不是採用這個方法，就必須針對材料特性開發對應貼合技術。例如在表面形成氫酸基，利用氫結合來接合晶圓或金屬。這個手法可以在大氣中以低溫的方式來接合。  

除了透過矽鍺材料之外，壓電材料也可以被運用來製作MEMS元件。如日本松下(Panasonic)針對汽車導航應用開發了一個非矽製程的陀螺儀感應器，就是利用壓電材料的薄膜濺射(Sputter)方式，以矽酮樹脂振動器形成振動陀螺儀。其他非矽製程的案例還有另一家日系廠商山武(Yamatake)公司，該公司針對高溫高壓、腐蝕性高的應用環境，利用藍石英或藍寶石(Sapphire)開發靜電容量型的耐蝕性壓力感應器。此外，業界還可見使用碳化矽(SiC)或鑽石材料來進行微機電架構實作的案例。  

封裝技術亦是MEMS感應器實作中重要的一環。由於MEMS製程會在晶片上作出機械構造，因此無法沿用積體電路利用樹脂封裝的方式，否則便有可能會對元件的可動部造成損壞。此外，若是使用傳統單一裸晶(Die)的封裝方式，其組裝作業必定帶來高成本。因此，採用以晶圓為封裝處理的對象之晶圓級封裝(Wafer-Level Package, WLP)是降低成本的重要技術。  

至於MEMS元件的測試，挑戰遠比半導體積體電路來得更大，因為MEMS元件的測試往往必須在封裝完成之後才能實行，如此才能確保元件可正確動作。而半導體積體電路，在進行晶圓處理時就可以實施測試。這是使MEMS元件的最終成本往往比半導體元件來得高昂的原因之一。  

使用WLP帶來不少好處，如可靠度更高，毋需組裝工程設備，且測試費用低廉等。至於從封裝晶片拉出外部配線的手法則琳琅滿目，完全視各家廠商的封裝技術而定。  

最後，MEMS感應器與半導體雖然製程上有許多類似之處，但半導體製程已高度標準化，為產業分工孕育出良好的環境，因此成本得以大幅降低。反觀MEMS由於涉及機械、電子、電機等多種知識，特別是非矽MEMS，由於牽涉到材料問題，因此相關技術不僅難以外流，更難以標準化，也就遑論打造高效率的產業分工體系了。這也是導致矽MEMS與非矽MEMS元件價格差異顯著的原因。  

由感測升級至辨識與認知才能創造真正價值  

使用感應器元件來進行量測，通常不外乎是想了解檢測對象的的資訊量。然而，在今日的感測器應用中，漸漸出現量化感應計算無法派上用場的案例。例如遺傳因子排列或腦部活動狀態等，其檢測結果除了包含檢知對象的資訊外，更必須透過知識體系化來包裝呈現，可以說是辨識或認知感應。以全球衛星定位系統(GPS)為範例，接收機可得到所在位置的經緯度資訊，但光只有這些數字是沒有太大意義的，還必須結合當地道路的知識體系，才能讓GPS系統提供對大多數人有價值的資訊。因此設計工程師必須具備從感測升級到辨識與認知才能創造產品新價值的觀念，才能妥善利用這些新技術開發出更吸引消費者青睞的產品。  

註：科里奧利力，簡稱科氏力，來自於物體運動所具有的慣性。在旋轉狀態下進行直線運動的質點，由於慣性的作用，有沿著原有運動方向繼續運動的趨勢，但由於物體本身旋轉的緣故，經歷了一段時間後，其運動軌跡會產生偏離。  

參考資料

．Nikkei Electronics與日經網站。 ．http://www.cqpub.co.jp/dwm/contents/0072/ dwm007201030.pdf。 ．http://www.nec-avio.co.jp/。 ．http://www-bsac.eecs.berkeley.edu/scripts/ show_pdf_publication.php?pdfID=1089668242。 ．www.itri.org.tw/chi/lib/ DownloadFile.aspx?AttNBR=1873。 ．hcjapan.blogspot.com/2007/11/toyota.html。 ．http://www.signal.co.jp/vbc/mems/。 ．cu.nsysu.edu.tw/1000113089/ Surface%20Micromachinig92.pdf 。 ．http://www.hitechnic.com/。 ．http://jp.yamatake.com/。