加速度计与MEMS明日之星

中心议题：

• 介绍电容式加速度计的结构和优点
• 分析该电容式加速度计的未来发展趋势

解决方案：

• 电容式加速度计的电容值一般与电极材料无关
• 用堆栈或并排方式封装芯片

电容式加速度计是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等独特优点。随着MEMS和半导体制程的进步，大幅改善其原先的一些使用限制，也让电容式作法成为今日市场上极受欢迎的一种加速度计设计途径。

图2　电容式加速度计的MEMS结构示意图原文位置
资料来源：ST

电容式加速度计的结构中会有可移动的质块与相对的固定端，分为作为电容的两极。当外界加速度使可移动极与固定极发生相对位移时，两极间的电容量也会产生变化，通过特殊电路可将此变化量转换成相对应的输出信号。

电容式加速计的好处甚多，比起压阻式或热对流式容易因外界温度变化而产生零位漂移，电容式的电容值一般与电极材料无关，因此可选择温度系数低的材料;加上本身发热极小，温度对稳定性的影响甚微。此外，电容式除了可以实现微型化需求外，也能在高温、高压、强辐射及强磁场等恶劣的环境中工作，也能耐受极大冲击，适用范围极广。

另一个优点是它的动态响应时间很短，能在几MHz的频率下工作，因此特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小，可以用较高频率供电，因此系统工作频率高，可以用于测量高速变化的参数。除了上述优点外，电容式还可测极低的加速度和位移(0.01mm以下)，灵敏度及分辨力可以做到很高。

图3　加速度计传感器的技术原理原文位置
资料来源：ST

在电容式的结构中，当其中的质块出现加速度运动时，就会产生电容量的差异变化(DC)，此变化会传送给另一颗接口芯片(Interface chip)，由它来输出可量测的电压值。因此，一个3轴加速度计芯片中必须包含两大单元，一是单纯的机械性MEMS传感器，它包含测量XY轴的区域及测量Z轴的区域，内部有成群移动的电子;另一则是标准的ASIC接口芯片，它会将电容变化转换为电压讯号输出。

传感器与ASIC接口芯片这两大单元虽然都可采用CMOS制程来生产，但由于实现技术上的差异，两者目前大多仍会采用不同的生产流程，再将两颗芯片封装整合在一起，成为系统级封装(SiP)芯片。这两颗芯片可以用堆栈(Stacked)或并排(Side by side)方式来进行封装。采用先进LGA封装的ST加速度计芯片只有3×5×1.0mm，此尺寸已相当适合小型化手持设备的使用。

不同的应用需选用不同规格的加速度计，以手持设备的姿态识别与单击、双击动作侦测应用来说，只需选用低频(0~20Hz)的加速度计即可;若需用于硬盘自由坠落的感测保护，必须选用中频(~50Hz)以上的产品;对于汽车冲撞感测或洗衣机振动感测的应用来说，就需选用高频(~100Hz)的加速度计。

未来的MEMS明星
今日MEMS的当红产品，当然是加速度计，不过，还有许多的微机电芯片具有极佳的市场爆发力，包括陀螺仪、MEMS麦克风、IMOD显示器、嵌入式超小型投影机、MEMS振荡器等。陀螺仪是继加速度计后另一个备受注目的运动传感器，它能补足加速度计在转向角度上的不足，因此两者的互补能提供更精准的运动行为判断。除此之外，陀螺仪也能用于照相防震、3D摇控、空中鼠标、游戏游戏杆等应用中。

新的MEMS麦克风(也称硅晶麦克风)具有小尺寸、抗噪讯及易开发等优势，已成为取代传统驻极体电容式麦克风(Electret Condenser Microphone, ECM)的主流选择;Qualcomm开发的IMOD(Interferometric Modulator) 技术是一项基于MEMS的干涉测量调节显示技术，强调能够像光的薄膜干涉那样，获得如蝴蝶翅膀和孔雀羽毛那样斑斓的色彩，而且能比其它显示技术提供更低的耗电量。

此外，超小型投影机小到能嵌入手机当中，进而让手机能够投射出更大的屏幕，而不会受限于今日仅数寸的显示器，让手机用户能更进一步地享受视听效果。MEMS振荡器的应用则将冲击整个电子产业，因为它已成为长久以来用来提供频率的石英晶体振荡器的可行取代方案。

图4　通过手机、PDA投影的显示应用模式
资料来源：Microvision

结语
MEMS芯片的运用，就如同人通过五官接受外界的信息一般，通过信息处理(如人的大脑)，再做出相应的动作。这种能力让微小的芯片也能具备感知与反应能力，大幅提升了机电系统的智能性。我们今日看到的微机电芯片功能或许只是其能力的一个雏型，未来仍有很大的想象空间，等待我们去实现。