近年來微機電系統（MicroElectroMechanical Systems；MEMS）一詞可說是愈來愈熱門，但許多人仍不解其意，在本文開始之前或許能做些說明。

許多人都知道何謂積體電路（Integrated Circuit；IC），IC是將電路中的電阻、電容、二極體、電晶體等電子元件及線路，不斷以更精巧、更縮密的尺寸來製造，即是將電子電路微縮化，此可稱為微電子、微電路。

將同樣的道理從電子領域對應到機械領域，MEMS就是不斷將機械性元件以更微縮的方式來製造，此可稱為微機械，微電子包含微電子元件與微電子線路，而微機械也包含微機械元件與微機械結構，不過MEMS除了具有微機械外同時也搭配上微電子，讓機械與電子融合、接軌，如此在極小的尺寸內同時有機械與電子功效，就稱為MEMS。

《圖一 圖中一隻大小連1mm都不到的蜘蛛?，其腳下的機械性齒輪卻比牠更小，此即是運用MEMS技術製程的微型機械化元件。(資料來源：www.eee.metu.edu.tr)》 - BigPic:639x479

MEMS的應用延伸

MEMS是近年來才有的嗎？答案為否。MEMS技術已有多年歷史，只不過MEMS與類比電路一樣，都因為數位電路技術的飛躍性成長而相形失色，相對之下MEMS與類比電路的技術突破就偏緩慢，因此MEMS過去多未受重視，僅少數幾家業者長時間投入於MEMS領域，如美國德州儀器（TI）、德國博世（Bosch）等。

不過近年來數位電路的技術發展漸現瓶頸，加上歐美日等先進各國策略性地大舉投入奈米技術（Nanometer Technology）的發展，此與MEMS技術密切關連。此外MEMS的應用範疇開始擴展延伸，使大眾開始注視MEMS。

到底MEMS技術的應用如何擴展延伸呢？特別是消費性產品領域的擴展延伸，本文以下將對此進行更深入的討論。同時以今日多項最具代表性的MEMS為例來說明。

噴墨頭

噴墨印表機的噴墨頭（inkjet print head）是目前使用最多年、用量最大的MEMS裝置，其中機械部分是由許多孔徑極細的噴嘴管所構成，而電子部分則負責控制墨水在管中的溫度，運用電子加熱方式對管內的墨水加溫，墨水受熱後產生壓力氣泡，迫使墨水以墨滴方式噴出管外，之後墨滴沾至列印紙上，反覆進行此程序即可完成列印。

按理而言印表機為電腦的周邊裝置，屬於電腦、資訊（Computer、Information）領域而非消費性（Consumer）領域，不過近年來噴墨印表機積極追求更普及性的應用市場，例如用印表機列印數位相片，列印個性化月曆、T恤、馬克杯等，因此在商務型印表機外，家用型印表機也能歸入消費性領域。

除了家庭列印市場較商務列印市場廣大外，噴墨頭技術的新進業者也傾向先進入家用市場，以台灣的明基電通（BenQ）而言，其自行研發的噴墨頭技術就較傾向用於家庭用噴墨印表機，原因是商務型機種需要較高的列印表現，有較高的技術挑戰性。

因為噴墨頭技術已有多年歷史，許多專利已逐漸到期，過去技術集中在少數業者手上，如美國的惠普（HP）、歐洲的意法（ST）等，並由少數業者自研自產的情形將逐漸解除，取而代之的是代研代產，例如台灣的亞太優勢微系統（Asia Pacific Microsystems；APM）、台積電（TSMC）都積極投入於MEMS方面的代工技術。

壓力感測器

壓力感測器（Pressure Sensor）是另一個普及性的MEMS裝置，且運用廣泛。不過近年來較熱門的一項應用是在汽車領域中，即是胎壓監督系統（Tire Pressure Monitoring System；TPMS）。

《圖二 運用MEMS技術製造出的極微小8×8矩陣型壓力感測器。(資料來源： mems.mirc.gatech.edu)》 - BigPic:662x390

《圖三 美國Freescale的MPXY8300胎壓監督晶片內整合了壓力感測器、8位元微控器、無線射頻收發器、以及XY的雙軸加速度感測器。(資料來源：media.freescale.com)》 - BigPic:734x620

TPMS是在汽車的輪胎與鋼圈間埋入壓力感測器，機械部分是壓力感測，而電子部分是將感測到的壓力數據進行調變，然後以無線電方式發送至汽車本體，汽車本體接收到發波後進行解調即可得知各輪胎的壓力值。不過MEMS部分僅限於埋於輪胎內的部分，汽車本體的數據接收就不需要用到MEMS技術。

以上所言屬於汽車底盤部分的監督、控制，不屬於消費性應用，真正屬於消費性應用的是今年日本任天堂（Nintendo）在E3展中展示的新款Wii遊戲控制器：Wii Fit。Wii Fit是一塊類似體重計的腳踏板，遊戲的玩家將雙腳置於踏板上，並運用雙腳重心與平衡性來進行遊戲，而Wii Fit內部所用的必然是壓力感測器。

《圖四 Wii Fit內部具有壓力感測器，可感應玩家雙腳的壓力重心變動，以此來進行遊戲的操控。》 - BigPic:914x568

值得一提的是，Wii Fit雖會用上壓力感測器，但壓力感測器可用各種工藝技術來製造，MEMS技術只是其一而非唯一，所以Wii Fit也可能使用其他技術製成的壓力感測器，不一定是MEMS型壓力感測器。然而Wii Fit僅是預告而尚未正式發表，未來仍有變更設計的可能。

數位微鏡裝置

數位微鏡裝置（Digital Micro-mirror Device；DMD）是TI發展多年的一項MEMS技術，早在80年代就已投入，但一直到近年來才從商業銷售中獲利，DMD主要是用於DLP（Digital Light Processing）技術原理的投影機中，除了DLP外也有其他的投影技術，如LCD技術、LCoS技術等，過往也有CRT技術。

嚴格而論DMD不僅僅是MEMS，而是MOEMS（Micro-Opto-ElectroMechanical Systems），可稱為微光機電系統，即是除了「機械」、「電子」之外也牽涉到了「光學」原理，DMD的機械部分是可以活動的微型鏡片，而電子部分則控制微型鏡片的機械性活動，是要讓鏡片朝左偏向，或者是要讓鏡片朝右偏向，至於光學部分則是將光打向鏡片，之後由鏡片的偏向來決定是要將光略去，還是要將光投影出來，如此反覆動作即可形成影像的投影。

瞭解DMD裝置、DLP原理後，進一步則談論其應用屬性，過去投影機的價格相當昂貴，大體只有研討會、展覽館、商務簡報等場合會用上，而購買投影機的必然是機構、企業等用戶，屬於商務類型的市場。

然而近年來投影機價格不斷下降，同時數位性的視聽家電也不斷普及，所以業者大力鼓吹「家庭劇院」的概念，鼓勵家庭在自家建構起劇院級的影音環境，如此投影機將逐漸成為必要的角色，如此投影機就成為消費性產品，DMD、DLP即可跨入消費性應用。

加速度感測器

導航定位

加速度感測器（Accelerometer）與陀螺儀（Gyroscope）過去多用在慣性導航系統（Inertial navigation system）中，特別是一些大型運輸器上的導航系統，如輪船、飛機等，加速度感測器與陀螺儀可以用多種技術來製造，不過運用MEMS技術才能使其體積達到最大的精縮。

一旦體積獲得精縮，就能使裝置運用在更多地方，然而礙於機械性結構的限制，加速度感測器能運用MEMS技術而讓體積大幅縮小，但同樣運用MEMS技術來精縮陀螺儀的體積卻不能獲得相同的精縮程度，所以加速度感測器能擁有比陀螺儀更廣泛的應用，精縮後的陀螺儀依然以導航為其主要應用，精縮後可從飛機、輪船的運用轉移到汽車中運用。

當然，今日有多種導航技術，最流行的莫過於GPS（Global Positioning System）的衛星定位，然而GPS必須在行車於戶外時才有用，因為定位資訊是從大氣層外的衛星發送回地面，電波經過長遠的傳遞衰減後其信號已相當微弱（只有手機電波強度的數百分之一），無法穿透汽車鐵殼來進行接收，車上的GPS接收器必須只隔著玻璃（信號能量仍足以穿透玻璃，但裝有隔熱紙例外）進行信號接收。

所以，汽車一旦駛入地下停車場，或者進入隧道後，就完全接收不到衛星信號，如此定位將短暫失效，但過大的停車場或過長的隧道等依然要導航定位，或者在高聳密集的巷道內接收也會不良，這時就需要輔助性的導航，而加速度感測器就可以派上用場，目前業者正積極發展「GPS＋加速度感測器」的導航系統，讓導航盡可能連續不中斷。

但是，加速度感測器也並非是唯一的輔助導航手段，地磁感應也是另一種被看好的作法，或者是手機基地台定位等，且汽車空間也足以使用陀螺儀，所以在附註定位的角逐中加速度感測器也不能掉以輕心。同樣的，個人導航、行車導航的產品近年來大熱銷，導航產品也已被視為消費性產品，而非飛機、輪船上所用的專業設備。

硬碟防護

除了導航外加速度感測器還有多種應用，例如近年來手持行動裝置（如MP3隨身聽、PMP等）經常使用微型硬碟（Micro Drive）內來做為其儲存，但硬碟相當懼怕晃震，突如其來的晃震將使硬碟內的讀寫頭拍打到碟面，造成資料損毀。

因此，業者在微型硬碟上設置加速度感測器，一旦硬碟遭受突如其來的外力，感測器將提前感應，進而通知硬碟上的控制器，控制器可及時將讀寫臂拉離碟面，防止讀寫頭拍打碟面，以此來確保資料安全。

在消費性的MP3隨身聽、PMP（Portable Media Player）的微型硬碟逐漸採行此種保護技術後，回推到資訊領域的硬碟也將設置相同的防護機制。

汽車防護

加速度感測器不僅防護硬碟，事實上更早之前就用於汽車中，汽車內的安全氣囊（Air Bag）是否要開啟，就是先透過加速度感測器來感應車速與撞擊程度，並在及短時間內進行研判，以決定是否要開啟安全氣囊。

安全氣囊只是最初步的一項汽車防護應用，如今則有更多的應用，例如將加速度感測器設置於汽車的兩側，之後感應與比對汽車兩側的加速度，一旦左右加速度在短時間內改變劇烈，表示汽車正在急速左偏右偏，表示行車遭遇危險，這時汽車就會啟動緊急處理機制，必要時甚至由電腦接手方向盤，以確保駕駛與車內乘客的安全。

類似的，汽車的各處將埋設愈來愈多的加速度感測器，並不斷回報各處的加速度值，透過電腦快速運算來研判車體的運算，並啟動更多的行車防護機制。

遊戲控制

加速度感測器的另一項妙用是電玩娛樂，Nintendo的Wii電視遊樂器，其遊戲控制器：Wii Remote內就設置了三軸（Tri-Axis）加速度感測器，可以感應玩家對控制手把的移動性，包括X（左右）、Y（前後）、Z（上下）等方位的移動都能感應。

要注意的是，Wii Remote的主要控制雖是用加速度感測器，但在此加速度感測器也不是唯一的感測器，事實上Wii Remote內還設置了影像感測器（Image Sensor），運用該影像感測器（已不屬於MEMS技術，而是屬於光電半導體技術）來感應來自Wii的感測條（Sensor Bar）發出的紅外光，以此做為手把動作的輔助性移動感應。

自從Wii因應手勢型遊戲遙控器而大受歡迎後，Sony的PlayStation 3也跟進推出手勢型遊戲控制器，運用的技術一樣使用到加速度感測器。

創意親和式設計

同樣是明星消費性產品上的應用，美國蘋果（Apple）推出的手機：iPhone，其機內也設置了加速度感測器，主要是用來感測使用者如何拿持iPhone。iPhone除了手機通話外也可充當口袋型電子相簿、掌上型上網機、可攜式媒體播放器等，當使用者橫拿iPhone時，iPhone就以橫向方式顯示相片、網頁、動畫視訊，反之若是直拿著iPhone手機，則相片、網頁、影像等也會對應轉向90度，改成直向方式顯示，以此來增加使用上的舒適度、方便性。

以上是多種加速度感測氣的應用，然而不同的應用需要不同的加速度感測器，有的只要用單軸型，有的要XY兩軸型，有的則是XYZ三軸型，有的應用要感受高速移動性需要使用高g型（如Air Bag），有的為低g型（如iPhone），並非單一種加速度感測器就能適用所有的應用。

麥克風

有許多技術可以製造出麥克風（Microphone），MEMS同樣只是多種方式中的一種，以MEMS技術製成的麥克風有時也稱為麥克風晶片（microphone chip），或者是矽型麥克風（silicon microphone）。

即便是用MEMS技術來製造麥克風也有數種不同的作法，包括電容法、壓電法、壓阻法、光學法（屬於微光機電）、微流法（或稱熱流法），各種方式各有其優缺點，例如光學法擁有較高的精度，但成本偏高，僅適合航太之類的先進應用，或如壓阻法難以提升靈敏度，且技術尚不易實用化，或者壓電法存有雜訊的問題等。

環顧來看現階段最可行、也使用最多的是電容法，事實上傳統麥克風（稱為駐極式麥克風：Electret Condenser Microphone；ECM）其原理也屬電容法。

以MEMS技術製成的麥克風與傳統麥克風相比有多項好處，以MEMS的晶圓方式生產將比傳統方式生產更有效率、更適合大量生產，另外也容易與其他微電子電路整合製造，例如做成陣列式麥克風、數位式麥克風、與匯集多功效的系統單晶片一同整合、或與影像性電路（如影像感測器）一同整合等。

此外用MEMS技術製造的麥克風擁有較整齊的生產品質、特性表現較穩定一致、在與其他應用電路一同生產製造時較能承受高溫製程（例如過錫爐）、再加上體積比傳統麥克風更為嬌小，所以更適合短小輕薄的產品設計。

《圖五 Infineon的MEMS型麥克風SMM310僅傳統麥克風約50％的體積，功耗更是只有過往的33％。(資料來源：Infineon.com)》 - BigPic:861x590

《圖六 Akustica的MEMS型數位麥克風AKU20xx系列，其封裝尺寸僅4x4mm，適合單一麥克風的產品運用，或者是筆記型電腦內的麥克風陣列應用。(資料來源：Akustica.com)》 - BigPic:625x521

所以，純就取代傳統麥克風而言MEMS型麥克風就具有極大的優勢，但更重要的是其他的擴展應用，隨著新一代PC逐漸用HD Audio（高清晰音效）來取代AC’97後，PC的錄音音質也比過去更受到重視，HD Audio強調用陣列式麥克風來強化錄音的音質，進而強化語音辨識應用的辨識率，而MEMS型麥克風比傳統麥克風更適合做成陣列式組態。

再者，隨著Internet的普及，愈來愈多人使用網路電話，傳統用類比麥克風來感測，之後將類比感測數據進行數十公分、甚至上公尺的距離傳遞，則類比信號將因傳遞過程中的雜訊干擾而減損信號真實度，為了在長距離傳輸後依然能保持聲音的真確度，近年來開始提議數位式麥克風，即是類比感測後立即將感測值轉換成數位型態，再以數位方式進行長距離傳遞，而數位訊號具有較高的抗雜訊性。

關於此也是MEMS方式製造的麥克風優於傳統麥克風，如前所述，MEMS型麥克風可以與微電子電路整合，MEMS型麥克風內可以整合前級放大器（Pre-Amplifier，或稱前置放大器）、類比數位轉換器（Analog-Digital Converter；ADC），前級放大器將感測到的類比聲波信號放大，之後再由ADC轉換成數位型態，最後再進行輸出傳遞。

類似的，現在影像電話的應用愈來愈普遍，為了應用更方便，也為了更短小輕薄取向的設計，MEMS型麥克風能與影像感測器一併整合製造，如此同一個晶片既負責聲音接收也負責影像接收，將有助於影音同步應用的推行。

MEMS前程似錦

以上所談的是比較常見的幾項MEMS裝置，其他還有通訊應用的薄膜諧振濾波器（Film Bulk Acoustic Resonator；FBAR），或如微流體感測器應用在醫療領域的血液流量感測，汽車引擎內注油量的感測等，由於與消費性無關，在此不予討論。

雖然MEMS應用愈來愈廣，但最為看好的依然是消費性領域，原因是消費性應用的用量大，技術層次卻多半低於產業性應用，所以往後數年內的市場將不可限量，為此過去多年來只以汽車用零件為主業務的Bosch，於2005年分立出Bosch Sensortec，就是期望其原有只服務車用領域的MEMS部門別再僅限於汽車應用，而能在更廣泛應用的MEMS市場中有更多的作為，因而將其分立。由此就更能感受到MEMS的未來商機。