微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS)技術係指在矽晶圓上將機械結構與電子電路設計整合的新製程技術，可用來製造許多低成本的感測器和致動器。隨著MEMS技術發展，MEMS感測器的尺寸越來越小，感測器的敏感度(Sensitivity)、訊噪比(Signal to Noise Ratio)也隨之改善。
MEMS感測技術簡介
MEMS技術應用主要包括感測器與致動器，最常見的MEMS感測器包括加速度計(Accelerometer)、陀螺儀(Gyroscope)、溫度感測器、壓力感測器和生化感測器等等。其中，MEMS慣性感測器應用近年來快速發展，隨著慣性感測應用需求日益複雜，多軸複合感測器整合度越來越高，其MEMS慣性感測器發展趨勢如圖1所示。過去慣性量測單元(Inertial Measurement Unit, IMU)模組已整合為單一MEMS慣性感測器設計，慣性感測軸數不斷提高，甚至高達6軸以上。
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| 圖1 MEMS慣性感測器發展驅勢圖 |
運動與姿態感測技術應用除了已在遊戲主機任天堂(Nintendo)Wii及微軟(Microsoft)Kinect上展現前所未見的遊戲互動體驗外，近年來MEMS慣性感測器也開始在人機互動的操控方向上進行多功能異質元件和軟體應用的整合，大幅改變消費性電子產品的操作模式，甚至成為智慧手持裝置的基本功能(圖2)。
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| 圖2 MEMS慣性感測元件於智慧手持裝置之應用 |
MEMS慣性感測器符合行動裝置追求的輕、薄、短小設計趨勢，已廣泛應用於消費性電子產品與汽機車電子產品，整體MEMS慣性感測元件產業如圖3所示。根據市調機構Yole Developpement的統計，全球慣性元件2013年總產值將達到約20億8千萬美元市場規模，預估在2015年總產值將攀升至25億6千萬美元，這現象也說明了配置MEMS慣性感測元件為一標準元件已是必然。
MEMS慣性感測器中常見的是線性加速度計與陀螺儀，近年來，MEMS元件供應大廠進行三軸加速度計和三軸陀螺儀的整合，更是大幅提升慣性元件的利潤空間並建構新的技術門檻，藉此區隔僅具單一元件技術的供應廠商；這是目前全球慣性元件廠商面對下一波競爭的必要手段，也是多軸慣性感測元件被市場研究單位預期將成為下一波新產品的原因。
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| 圖3 MEMS慣性感測產業市場示意圖 |
隨著MEMS慣性感測器市場滲透率的逐漸普及，運動與姿態感測之應用技術發展也更加迅速，多軸MEMS慣性感測器已是智慧手持裝置的標準配備元件。多年以來，工研院南分院積極投入多軸MEMS慣性感測器開發與相關智慧手持裝置技術開發，包括相機防手震技術、動作感知技術與室內行人導航技術應用等，本文將介紹工研院南分院所開發的MEMS慣性感測器於光學相機防手震系統的整合應用。
光學防手震系統應用面廣
隨著MEMS慣性感測器廣泛應用於消費性電子與智慧手持裝置，其中包含相機防手震技術，一般而言，相機防手震系統已是高階手持式攝影裝置如數位相機或數位攝錄影機(DV)的必備功能。當使用者手持攝影裝置時，相機防手震系統可防止影像因使用者手振動產生影像模糊，相機防手震的需求也隨著使用者習慣與高變焦倍率鏡頭的發展趨勢而增加。
市面上相機防手震功能主要區分為電子防手震(Electric Image Stabilization, EIS)與光學防手震(Optical Image Stabilization, OIS)系統，其中，光學防手震系統如圖4所示，圖4(A)為影像感測器移動之光學防手震(Sensor-shift Optical Image Stabilization)，圖4(B)為鏡頭移動之光學防手震(Lens-shift Optical Image Stabilization)，利用光學鏡頭內鏡組(Lens)或感測器(Image Sensor)的移動與調整來補償使用者的手振動，故不會犧牲影像的解析度與大小，這也是光學防手震系統的主要優點；特別是前者透過致動器與機構設計以平移影像感測器達到防手震功能，因為影像感測器防手震的致動器功率需求較低，因此較適合微型化設計。
手振動訊號感測與補償
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| 圖4 光學式防手震系統示意圖(A)感測器移動光學之防手震系統；(B)鏡頭移動光學之防手震系統。 |
相機防手震系統利用MEMS陀螺儀以感測相機使用者手振動角度訊號，而手振動的頻率特性主要落於在2～12Hz之間，所以訊號處理演算法針對手振動訊號頻帶特性設計濾波器，陀螺儀感測的手部顫抖角速度訊號，經類比數位轉換器(ADC)將類比訊號轉為數位訊號，濾除高頻雜訊後，計算顫抖角度訊號相對應的位移補償訊號，透過手振動補償控制器驅動壓電微致動器，以補償使用者手部顫抖的偏移，以達防手震效果，該體波式壓電致動光學防手震系統示意圖如圖5所示。
微型體波式壓電致動器問世
壓電材料技術已發展多年並廣泛應用於各種場合，不論用於發電(動能轉電能，正壓電效應)還是致動(電能轉動能，逆壓電效應)方面，都已經有相當穩定且成熟的產品。微型壓電致動器具有結構簡單、體積小與低耗能的優點，在許多微型致動應用場合，已大量取代馬達、電磁閥設計。
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| 圖5 體波式壓電致動光學防手震系統示意圖 |
工研院南分院研發的體波式壓電致動器更具低噪音優勢，可提高產品品質，該設計係利用不對稱式電極設置，在壓電材料的輸入電壓訊號，透過逆壓電效應的微小變形量、彈性扣件與共振模態設計來產生力量輸出以移動彈性扣件。因共振模態設計需求，故開發共振頻率自動追蹤電路，藉由體波式致動器的電壓-電流相位差回授訊號，以改變頻率訊號產生電路參數，達成共振頻率自動追蹤的功能。共振頻率自動追蹤技術有效改善體波式致動器的表現與量產組裝的變異影響，圖6顯示具有共振頻率自動追蹤功能之體波式壓電致動器完整的驅動電路設計。
體波式壓電致動器單次變形位移量相當小，因此適合高精度定位需求，但因共振模態頻率相當高(大於200kHz)，長行程位移輸出則可採用位移累加的方式來達成，故其移動速度也相當快，符合影像感測器移動之光學防手震需求，故工研院南分院開發之防手震模組採用雙軸體波式致動器設計，雙軸體波式致動器用以承載並移動影像感測器，藉此補償使用者手顫抖的線性振動位移量，以避免影像模糊。
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| 圖6 體波式壓電致動器驅動電路設計 |
防手震系統效能驗證
一般而言，防手震效能級數可由以安全快門速度的倍率來估算，安全快門速度等於焦距長度分之1秒的快門時間，以鏡頭焦距是40毫米(mm)為例，安全快門就是1/40秒，使用低於安全快門速度拍出清晰影像，防手震級數就是安全快門速度的倍率；如果以安全快門是1/40秒為例，防手震效能3級即代表相機在(1/40)×23=1/5秒快門速度下仍然能拍下清晰的影像。
相關文獻探討防手震效能的主要驗證方式有影像清晰度(Image Sharpness)或Stabilization Rate(SR)，其中，影像的清晰程度可藉由ISO-12233標準圖表來鑑別防手震的效果，本文則採用SR實驗來驗證體波式壓電致動光學防手震系統的效能。
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| 圖7 體波式壓電致動光學防手震系統SR實驗照片 |
從SR實驗結果發現體波式壓電致動光學防手震系統在4～12Hz，其SR均小於-15dB，比市售具3級光學防手震相機的效能佳，其4、8、12Hz的SR實驗拍攝影像如圖7所示，系統最佳防手震效能為-21.9dB(6Hz震動情況下)。
MEMS感測技術前景看好
本文介紹之光學防手震系統只是MEMS陀螺儀在眾多消費性電子與智慧型手持式裝置應用場合的一例，MEMS慣性感測技術的應用，除了光學防手震系統應用外，也包括手勢辨識、手機室內/外導航系統與醫療看(照)護系統等。借助整合型MEMS感測器(MEMS Combo Sensor)產品，室內使用者行走狀態的行人定位推算(Pedestrian Dead Reckoning, PDR)，以及真實空間和虛擬空間聯動的擴增實景(Augmented Reality, AR)等應用將得以實現。
此外，工研院南分院也投入MEMS慣性感測元件的設計開發，目標整合加速度計、角速度計(陀螺儀)和電子羅盤，以打造小體積、低耗電、高精準度與多軸數的MEMS慣性感測器，目前已成功開發完成。
MEMS慣性元件在消費性電子與工業級應用市場的帶動下，銷售量已呈逐年爆炸性攀升，未來幾年，在不斷推陳出新的創新應用與相關市場需求下，整合型MEMS慣性感測器出貨量將巨幅成長，預期6-DOF慣性感測元件(包括加速度計與陀螺儀)，以及由此兩種元件衍伸出的9-DOF慣性感測元件(再加入三軸磁力計)和10-DOF慣性感測元件(再加入高度計)將日益受到重視，並將成為MEMS元件中年營收最大的產品。因此，開發尺寸與性能兼備的多自由度慣性感測元件快速切入市場，將是國內元件商迫切且必要的產品布局方向。
(本文作者皆任職於工研院南分院微系統中心)