消費性微機電系統（MEMS）元件應用商機火速蔓延。為實現更智能化的情境感知功能，行動、可穿戴設備與物聯網節點等裝置制造商，正大舉內建各種MEMS傳感器，因而加快MEMS元件規格演進，并帶動整體出貨量大幅攀升。

　　隨著各式物聯網（IoT）應用開枝散葉，微機電系統（MEMS）傳感器技術也不斷精進。在高階手機大量導入九軸MEMS傳感器后，加入氣壓計 （Barometric Pressure Sensor）的十軸傳感器（10-axis）亦已受到游戲產業青睞，逐漸在市場占有一席之地，預計2014年后各式應用將加速萌芽。

　　圖1 Bosch Sensortec亞太區總裁百里博指出，該公司在消費性電子的MEMS市占率已達第二名的位置，據統計，每兩只手機中就有一只是采用Bosch的傳感器。

　　Bosch Sensortec亞太區總裁百里博（Leopold Beer）（圖1）表示，MEMS傳感器應用潛力十足，除行動裝置外、遙控器、物流業、家電及健康照護產業皆已加速導入MEMS系列元件，以實現適地性服務（Location based Service）、室內位置追蹤、擴增實境（Augmented Reality）、使用者介面（User Interface）等功能，而各種應用中，行動裝置及游戲產業應用是最大的市場營收來源，每年有超越三億顆的出貨量。

　　市場研究機構IHS研究報告指出，2008-2017年MEMS市場營收將由約600億美元翻倍成長至1,200億美元，而消費性電子及行動裝置為最大的應用領域，其營收規模的年復合成長率（CAGR）可達16%。

　　百里博進一步指出，隨著各式MEMS應用遍地開花，多種市場需求亦如雨后春筍般涌出，例如加速度計（Accelerometer）須因應高效能需求提升至14位元，且封裝尺寸須再縮小，至于陀螺儀（Gyroscope）則須同時降低雜訊干擾及功耗。

　　除了加速度計與陀螺儀在規格上有所改善外，百里博指出，未來氣壓計也將與九軸MEMS傳感器搭配，做為實現高精準室內定位的關鍵元件，并與應用處理器（AP）的感測數據融合函數庫（Libraries）結合，在游戲應用市場中大展身手。

　　百里博認為，在物聯網市場持續蓬勃發展的情況下，未來MEMS市場將持續成長，無論是可穿戴設備、物聯網節點（IoT Nodes）、智能開關（Smart Switch）或射頻連結（RF-Link）、傳感器等物聯網標簽（IoT Tag）皆將普遍地出現在生活中（圖2），而六軸、九軸甚至十軸的MEMS傳感器將可以分別藉由低功耗、高效能的優勢切入各類型的應用市場。

　　圖2 MEMS創新應用市場　圖片來源：Bosch Sensortec

　　瞄準KitKat感測需求　低功耗Sensor Hub亮相

　　值得一提的是，Google最新Android作業系統版本--KitKat也趕搭上物聯網商機順風車，特別針對行動裝置感測功能及功耗進行定義，因此行動裝置不僅須導入大量的MEMS傳感器實現智能功能，尚須搭配超低功耗的Sensor Hub方案及演算法，以實現更為理想的感測融合（Sensor Fusion）功能。

　　圖3 QuickLogic亞太區業務暨行銷總監王義祖（右）強調，Sensor Hub系實現感測融合的關鍵元件，而其低功耗特色將成為在市場中致勝的重要特色。圖左為QuickLogic全球行銷副總裁Brian Faith

　　QuickLogic 亞太區業務暨行銷總監王義祖（圖3）表示，Google在2013年10月底發布的最新Android作業系統--KitKat，新增兩種混合傳感器支援特色，包括計步器（Step Counter）及步伐偵測器（Step Counter），藉此讓消費者可以透過應用程式（App）在步行、跑步、爬樓梯時都可以追蹤運動數據。

　　據了解，計步器即是在裝置啟動之后即開始追蹤步數，至于步伐偵測器則透過分析加速度計輸入值，判別使用者何時邁開步伐，但因為上述功能的邏輯（Logic）及傳感器管理功能內建于硬體平臺上，因此應用程式無須再加入偵測演算法，換言之，傳感器管理及運算的功能可從軟體上卸載，改由硬體實現，因此上述感測功能可在1毫瓦以下的低功耗運作。

　　王義祖指出，目前智能型手機除導入多顆低功耗感測MEMS傳感器外，亦將加入一顆傳感器中樞（Sensor Hub）元件，以實現感測融合功能。但以目前微控制器（MCU）做為Sensor Hub，再搭配九軸MEMS傳感器的方案為例，其功耗高達20毫瓦，而QuickLogic的超低功耗Sensor Hub方案則可以微控制器三十分之一的功耗運作，而在未來陀螺儀功耗進一步降低后，整體感測方案功耗將可降低至5毫瓦上下，在KitKat作業系統中成為降低功耗的重要關鍵（圖4）。

　　圖4 九軸MEMS與Sensor Hub搭配方案功耗比較　資料來源：QuickLogic

　　QuickLogic 指出，其超低功耗Sensor Hub經驗證后確認可與高通（Qualcomm）、聯發科、輝達（NVIDIA）、博通（Broadcom）等多家廠商的應用處理器搭配，并讓原始設備制造商（OEM）利用參考設計（Reference Design）快速導入作業系統為Android 4.4的行動裝置中。

　　以軟體實現Gyro功能　九軸MEMS功耗僅μA

　　事實上，業界已有MEMS廠商看見陀螺儀降低功耗的需求，已開發出利用模擬演算法取代陀螺儀，再加上六軸多功能組合（Combo）傳感器的方案，可將運作功耗降低至450微安培（μA），僅為一般九軸方案的十分之一。

　　圖5 Kionix***區總經理洪育浩指出，陀螺儀是九軸MEMS傳感器中最耗電的部分，因此業界提出以軟體替代陀螺儀功能的創新方案。

　　Kionix ***區總經理洪育浩（圖5）表示，中高階智能型手機為實現更為精準的感測功能，大部分已導入九軸MEMS傳感器，包含加速度計、磁力計 （Magnetometer）以及陀螺儀，其中，加速度計可實現手機節電、螢幕翻轉偵測、計步器等基礎功能，而磁力計則可做為室內導航（Indoor Navigation System）之用，至于陀螺儀目前的應用大多是角速度偵測/補償功能，如游戲搖桿、相機防手震等。

　　洪育浩進一步指出，陀螺儀目前在手機的應用相對較少，但卻最耗電。一般陀螺儀平均功耗為3-4毫安培（mA），因此部分廠商常建議客戶采用獨立式的陀螺儀，搭配內含磁力計及加速度計的六軸MEMS傳感器，讓陀螺儀在相關功能運作時再開啟，以達省電效果，不過相較起九軸方案，分離式方案將讓客戶多花費至少1美元的成本。

　　有鑒于此，Kionix推出以六軸MEMS傳感器加上以模擬演算法實現陀螺儀功能的合成方案，可將運作功耗降至450微安培，待機功耗更僅需1微安培。洪育浩透露，該方案已獲得知名品牌平板廠青睞，將導入2014年的設計中。

　　另外，由于微軟（Microsoft）Windows 8或8.1作業系統，規定行動裝置制造商導入九軸傳感器同時，須再搭載一顆Sensor Hub方案，因此Kionix也進一步研發出以軟體為基礎的Sensor Hub方案，可搭配六軸MEMS傳感器加虛擬陀螺儀的九軸方案，以兩顆元件實現感知融合情境，降低制造商整體物料清單（BOM）成本。

　　洪育浩指出，該方案預計2014年第一季可通過微軟認證，成為行動裝置廠商在低功耗浪潮下的另一理想選擇。未來，Kionix的超低功耗九軸MEMS方案將持續瞄準高成長的行動裝置市場，包括可穿戴設備、智能手機、平板，以及健康照護裝置等，以實現微安培等級的九軸MEMS感測應用功能。

　　值得一提的是，在行動裝置領域，MEMS制程不僅讓各式傳感器大展身手，另一方面MEMS振蕩器（Oscillator）技術亦有所突破。

　　單芯片整合技術再突破　MEMS振蕩器崛起

　　CMEMS振蕩器由于突破在單芯片中整合互補式金屬氧化物半導體（CMOS）及MEMS電路的技術挑戰，正挾高頻率穩定度、小尺寸等優勢，逐步蠶食傳統石英晶體振蕩器市占，讓MEMS元件快速拓展時脈應用疆域。

　　圖6 芯科實驗室時脈產品資深產品經理沈炫均認為，CMEMS振蕩器結合CMOS與MEMS制程雙方的技術優勢，將可以為時脈市場帶來新氣象。

　　芯科實驗室（Silicon Labs）時脈產品資深產品經理沈炫均（圖6）表示，石英晶體振蕩器歷史悠久，其壓電效應（Piezoelectric Effect）可支援高Q值的共振頻率，且具備低相位雜訊（Phase Noise）等優勢，不過仍存有高成本、封裝復雜、前置時間（Lead Time）長等缺點，且在時間推進下，將產生老化（Aging）現象。

　　事實上，振蕩器市場已歷經多次技術變革，由傳統的石英元件，進階到雙顆晶粒（Dual-die）的MEMS振蕩器，但后者需要特殊的MEMS晶圓代工廠，且雙晶粒架構制作過程復雜/昂貴，訊號整合度亦不太理想，因此，業界已推展至下世代的振蕩器技術，在CMOS的晶圓廠中整合MEMS與CMOS技術，推出單芯片CMEMS振蕩器。

　　沈炫均指出，單芯片CMEMS振蕩器系采用標準CMOS晶圓制程，以CMOS晶粒為基礎，再加上MEMS諧振器堆疊（Resonator Stack），兩者容易整合為單芯片模式，因此不僅尺寸可縮小，成本亦可顯著降低。另一方面，相較于傳統石英晶體振蕩體的前置時間難以預估且冗長，通用型的CMEMS振蕩器可以在2周內產出樣品，且具備現場可編程特性。

　　沈炫均強調，CMEMS利用被動補償（Passive Compensation）技術改善溫度穩定性及老化問題，相較于傳統MEMS諧振器方案的頻率飄移比例為-30-40ppm/℃，CMEMS頻率飄移則可以維持在±1ppm/℃，并且對撞擊（Shock）、震動（Vibration）免疫力極高，在10年內頻率穩定度將可維持在±20ppm的水準。

　　顯而易見，MEMS正挾尺寸、成本、效能、穩定度等各項優勢，大舉滲透平板電腦、數位相機、智能電視、游戲機等各式應用市場，成為電子產品中不可或缺的關鍵元件；未來在物聯網趨勢下，整體出貨量更將節節攀升。