|
序言 |
微機電系統 (MEMS) 是人類邁向智能未來與探索微觀世界不可或缺的重要科技。所謂 MEMS，就是以成熟的半導體製程作為基礎，透過靈活運用各種不同的材料、多元的專業領域知識，將具有電子或機械功能的元件或系統進行適當整合，並使之微小化的先進技術。MEMS 產業發展迄今已經超過 50 年，早期 MEMS 的應用重心主要是在汽車、工業及資訊領域，直到 2006 年，由於兩大知名公司 Nitendo 與 Apple 藉由MEMS 動作感測元件創新運用在消費性電子市場上、並獲得全面成功，才使它成為家喻戶曉的熱門科技名詞，並真正普及應用到個人生活領域。
目前已經成功商品化的 MEMS 產品非常多，包括壓力感測器、噴墨晶片、數位微反射鏡、加速度計、陀螺儀、微麥克風、室溫紅外線感測器、氣體感測器、以及一些光通訊和射頻應用元件等，根據市場研究機構預估，2023 年全球 MEMS 市場規模將高達 310 億美元，而 2018 至 2023 年間的複合年成長率 (CAGR) 約為 17.5%。目前 MEMS 最主要的產業應用在消費性電子及汽車電子兩大領域，其市場佔比分別為 60% 和 20%，其餘的 20% 則包括電信、醫療、工業和航太應用等。
|
MEMS 是世界各國公認最具有前瞻性的研究領域，同時也是 21 世紀最具震撼力的明星產業之一。近幾年來隨著全球 5G 與物聯網的快步發展，加速推升了智慧型手機、穿戴電子設備、無人機、自駕車輛、工業 4.0 及智慧家庭等科技領域的 MEMS 應用需求，預期此將很快為 MEMS 產業迎來爆發性的成長。閎康科技於本期特別邀請了在 MEMS 研究領域頂尖學者 方維倫教授，為「科技新航道 | 合作專欄」撰文，全面介紹 MEMS 技術的應用發展概況，並詳述其研究團隊多年來在兩大 MEMS 前瞻元件「微型揚聲器」及「微掃描面鏡」的技術開發成果，與讀者分享此一重要科技領域的學術研究進展。 |
|
閎康科技研發中心處長 陳弘仁 2022/11/28
超越摩爾的微機電系統技術！將感測器與致動器微型化
國立清華大學動力機械工程系、奈微所：方維倫教授
機械工程系：劉世棋、羅松成
奈微所：鄭皓謙、張書瑋
（本篇由方維倫教授提供；閎康科技修編）
-
微機電系統 (Microelectromechanical system, MEMS) 是一種透過半導體相關的製程步驟，如黃光微影 (Photolithography)、薄膜沉積 (Thin Film Deposition)、摻雜 (Doping)、以及蝕刻 (Etching) 等，在矽晶圓上製作微小機械結構的技術，也可以進一步和微電子元件整合，建構完整的機電系統，實現微型化的機械結構、感測器 (Sensor)、和致動器 (Actuator)，並應用於生、光、機、電等多元的範疇。
微機電系統藉由半導體製程所帶來的微縮 (Miniaturization)、集成 (Integration)、以及批量製造 (Batch Fabrication) 等優點，使得相關產品具有尺寸小、耗電少、價格低等諸多競爭優勢，也成為許多新興產業如物聯網、智慧應用 (Smart-X)、元宇宙 (Metaverse) 的關鍵技術，其應用的範圍與需求的數量急遽上升，圖 1 為法國的市場研究公司 Yole 所預測的 MEMS 未來趨勢。由於機械結構的特性，微機電系統不需要跟隨摩爾定律 (Moore’s Law) 的腳步，致力於縮小元件的尺寸；反之，微機電系統可以提供半導體相關領域，藉由多樣化 (diversification) 、亦即所謂的超越摩爾 (More than Moore) 的方式，來拓展半導體製程的影響力和應用，因此具有重要的戰略價值，值得國內相關業者加以重視。
圖1 MEMS 傳感器的未來趨勢[1]。 |
|
微機電系統的應用 – 從智慧生活、物聯網、至元宇宙 |
|
微機電系統的應用概略整理於圖 2，可大致分為： 1.微結構，例如：探針卡 (Probe Card)、原子力顯微鏡 (AFM) 的微型探針，生醫晶片的微流道等[2-4]。 2.微感測器，例如：麥克風、壓力計、加速度計、陀螺儀等[5-7]。 3.微致動器，例如：噴墨頭的加熱器或壓電致動器、德州儀器公司 (TI) 單槍投影機光投影晶片的面鏡致動器等[8-10]。 目前微機電系統的產品仍以感測器為主，早期主要用於提升行車安全，例如胎壓監控的壓力計、安全氣囊啟動的加速度計；隨後也陸續擴展至消費性電子產品，如助聽器的麥克風、體感遊戲機的慣性感測器等，而智慧型穿戴裝置和智慧型手機，更是大量利用微機電感測器尺寸小、耗電低的特色，在有限的空間放置包括麥克風、加速度計、陀螺儀、磁力計、壓力計、溫濕度計、氣體感測器等，提供消費者更多元的人機互動、更優異的操作體驗、和更豐富的資訊。 |
 圖2 微機電系統應用領域[43]。 |
|
近年來，隨著物聯網、大數據、人工智慧、以及元宇宙等概念興起，帶動微型感測器和致動器的應用範圍與需求，從系統的觀點來審視，微致動器更是不可或缺的元件，2019 年 IEEE Medal of Honor[註1]獲獎者 Dr. Kurt Petersen，受邀於筆者 (方教授) 於2017年主辦的國際研討會 Transducers 演講時，即預測微致動器未來的重要性。 *註 1：此為 IEEE 最高榮譽，每年僅一位獲獎者。 |
 圖3 熱致動之噴墨頭操作原理示意圖[11]。
圖4 德州儀器公司開發之數位光處理技術所使用的微面鏡陣列[12-13]。 |
|
微致動器與壓電薄膜 |
微機電系統是利用半導體製程於晶圓上批量製造與整合，因此微致動器和傳統的機械致動器，例如內燃機和馬達，無論在外型或驅動原理，皆有著極顯著的差異，目前在文獻上較常見之致動器包括：靜電式 (Electrostatic)、電磁式 (Electromagnetic)、電熱式 (Electrothermal)、以及壓電式 (Piezoelectric) 等四個類型。前述 HP 噴墨頭屬於電熱式、TI 光投影晶片屬於靜電式致動器。由於電熱式、靜電式致動器與半導體製程有較佳的相容性，因此許多研究皆以此二種方式作為致動元件。
|
然而各式致動器仍存在待解決的問題，靜電式致動器必須解決活動空間、靜電吸附 (Pull-in) 效應、驅動電壓等問題[15]、電磁式致動器往往需要組裝相關的電磁元件，操作過程也有升溫耗能的考量[16]、耗能與可靠度是電熱式致動器的隱憂、壓電式致動器則受限於與半導體製程相容的壓電薄膜取得不易、以及壓電薄膜的穩定性[17-18]。由於壓電材料出色的致動能力及廣泛的應用潛力，近年來許多重要的研究和商業機構，皆積極投入壓電薄膜製程技術的開發，也有突破性的發展，使得壓電致動器成為頗受矚目的元件。
簡言之，壓電材料如氮化鋁 (AlN)、鋯鈦酸鉛 (Pb(Zr1-xTix)O3, PZT) 等等，具備將機械能與電能互相轉換的特性，稱之為壓電效應，而根據其能量轉換的方式，可進一步區分為正壓電、逆壓電效應，其中逆壓電效應是將輸入的電訊號轉換為壓電材料的線性形變 (電能轉換為機械能)，如果設計如圖 5 所示之多膜層堆疊的懸浮微機械結構，將使懸浮微機械結構頂端產生顯著的位移輸出，此設計即可作為壓電致動器。
由圖 6 得知，壓電致動器的組成相當簡單，主要包括結構層、電極層、和壓電薄膜，因此膜層的堆疊及結構、壓電薄膜的形狀設計及材料，都會影響壓電致動器的特性。關於壓電薄膜的致動能力，通常取決於材料的壓電係數 (機電轉換能力)，如表 1 所示，在眾多壓電薄膜中，PZT 擁有出色的壓電係數，是備受期待的壓電致動材料。 |
 圖5 作為壓電致動器之懸浮微機械結構示意圖[43]。 圖6 壓電致動器之膜層堆疊結構[43]。
表1 常見壓電材料的壓電係數。 |
|
近年來，以 PZT 壓電薄膜所開發的微致動器在應用方面，廣泛受到注目的有微型揚聲器 (Microspeakers)、自駕車及元宇宙的關鍵元件微掃描面鏡 (Micro Scanning Mirrors)。 |
|
微型揚聲器 – 更具臨場感的聲效體驗 |
|
近年真無線藍芽耳機 (True Wireless Stereo, TWS)、智慧眼鏡 (Smart Glasses)、元宇宙擴增實境 (Augmented Reality, AR) 與虛擬實境 (Virtual Reality, VR) 等產品的需求持續上升，因此，決定臨場感的關鍵 「聽覺」相關元件頗受矚目。
聲場可依據應用情境分為開放聲場的自由場、封閉聲場的壓力場，如圖 7 所示。目前微型揚聲器研發的方向以入耳式之封閉聲場的壓力場為主，為了讓使用者聽到更完整及具臨場感的聲音，會採用多單元的揚聲器、並搭配分頻器達到更寬廣的頻率響應，如圖 8 所示。以 TWS 為例，利用磁致動之動圈式 (Dynamic Driver) 與動鐵式 (Balanced Armature) 或壓電陶瓷式 (Piezoelectric Ceramics) 的組成，形成多單元揚聲器。 |
圖7 開放聲場的自由場及封閉聲場的壓力場的示意圖[43]。
圖8 多單元揚聲器搭配分頻器的示意圖[43]。 |
在 TWS 的應用上，耳機內部空間有限 (尤其厚度方面)，上述三種揚聲器仰賴傳統加工製造，其揚聲器體積難以再進一步縮小，且製造公差亦反應在聲學響應上。因此微機電技術開發的微型揚聲器便從中嶄露頭角，其中，提升壓電薄膜材料之壓電係數、更完備製造的方法接續產出，進而縮小尺寸 (厚度 1.5mm 以下[19-21]) 並降低驅動電壓，然而聲壓大小與振膜的總出平面 (Out-of-plane) 位移量成正比，為了在縮小振膜的情況下滿足聲壓需求，需仰賴結構設計以維持聲壓表現。
藉由微機電技術的優勢，產品的一致性易有突破性進展，使演算法能更精準地完成降噪 (Noise Cancellation)。此外，微型揚聲器還有以下設計考量，包含頻率範圍 (Frequency Response)、總諧波失真 (Total Harmonic Distortion, THD)、功耗 (Power Consumption)，其中頻率範圍會決定聲音的完整度；總諧波失真則為與原始訊號不同訊號；功耗說明單位時間中所消耗的能源，對於 TWS 的使用時數尤為重要。
以方教授實驗室所開發的元件為例，三種不同的微型揚聲器振膜設計包括圖 9 所示之封閉式振膜[22]、圖 10 所示之部分封閉式振膜[22]、以及圖 11 所示之懸臂式振膜[23]。首先是封閉式振膜，其振膜四周皆為固定端，且無任何結構縫隙，是最簡易的結構設計、且製程簡單，但其性能易受薄膜殘餘應力的影響，致使振膜剛性往往大於原來的設計，高頻聲壓表現較佳。
|
圖9 封閉式振膜[22]。 |
圖10 部分封閉式振膜[22]。 |
|
其次是部分封閉式振膜，此振膜透過結構設計，降低平面方向之剛性，除了可提升低頻聲壓，亦得以透過初始形變來釋放部分殘餘應力。此振膜的振動模態稱為活塞模態，具有更大的平均出平面位移的優勢，也有文獻提到，相較於封閉式振膜之活塞模態，此設計擁有更好的輸出音質[24]及一致性；最後是懸臂式振膜，此設計由單一或多重懸臂結構組成，與部分封閉式振膜相似，但有一端為自由端，相較於前面兩種，能將殘餘應力完全釋放，其一致性高。 |
圖11 懸臂式振膜[23]。 |
|
透過前述多單元揚聲器搭配分頻驅動原理，可利用微機電技術實現將低音喇叭 (Woofer) 與高音喇叭 (Tweeter) 放置在同一晶片，拓寬頻寬[23, 25]再透過反向驅動技術，將位於單一晶片的多單元揚聲器之聲壓及頻寬最佳化，如圖 12 所示[23]。因此，微機電壓電微型揚聲器結構可透過不同設計，將多單元揚聲器整合於單一晶片，可有效的縮小揚聲器的體積，並透過多單元達到更廣的頻域，且有更快速的機械響應 (Mechanical Response)。
換言之，輸入電訊號使結構振動產生聲壓，然後將聲壓傳遞至人們耳朵，其間的機電聲轉換過程，相位延遲 (Group Delay) 量較低[20]。不僅如此，微機電揚聲器功耗大約為傳統的揚聲器的一半。綜合上述特色，微機電揚聲器讓使用者聽到更完整的聲音、較低的相位延遲、及更長的使用時間，能顯著提升聽覺體驗。 |
|
圖12 多單元揚聲器搭配分頻器量測結果[23]。
迄今已問市之壓電式微型揚聲器產品仍屈指可數，因此尚處於萌芽階段，Usound 於 2018 年發表圖 13 之全球首款壓電式微型揚聲器 Ganymede[20]，為聲學產業注入活水；xMEMS 於 2020 年發表利用晶圓級微機電製程製作之壓電式 MEMS 微型揚聲器 Montara[21] (圖 14) ，兼具尺寸優勢與生產效益，提供未來揚聲器市場更多選擇性。整體而言，現有的產品存在著許多改善的空間，壓電式微型揚聲器的無窮潛力，將撼動傳統揚聲器所把持的生態。
|
圖13 Usound Ganymede [20]。 |
圖14 xMEMS Montara[21]。 |
|
微掃描面鏡 – 虛實整合的視覺感受 |
約莫三十年前，德州儀器公司已透過光學投影晶片，為微機電致動器的應用提供了最佳的示範和想像空間[8]。而在光通訊蓬勃發展的千禧年前後，以微掃描面鏡為主的光開關[26]，更是炙手可熱的關鍵元件。歷經顯示、通訊等產業架構不斷的更新與變革，微掃描面鏡的應用也隨之浮浮沉沉，近年來隨著智慧車輛、元宇宙等新興的應用，微掃描面鏡又再次站上舞台成為焦點，且還伴隨著新興的壓電致動技術，相信在 Technology Push 和 Marketing Pull 的條件下，微掃描面鏡會帶來全新的光景與衝擊。
典型的微掃描面鏡如圖 15 所示，主要的微結構包括彈簧、面鏡、和致動器，其操作原理是利用前述之靜電、熱電、電磁、或壓電等微致動器，驅動懸浮的微面鏡和彈簧，然後以特定的頻率進行周期性的往復扭轉，此時，若搭配外接的雷射光源，將光束入射於微面鏡，即可透過往復扭轉的微面鏡，將反射的雷射光點掃描成一維的線條，而更完整的微掃描面鏡結構或系統如圖 16 所示，甚至可將雷射光點掃描成二維的畫面，藉此實現許多的應用。
|
|
|
圖15 典型的微掃描面鏡結構示意圖[43]。
圖16 快慢軸微掃描面鏡組合之二維掃描成像示意圖[43]。
一般而言，可以將相關應用簡單區分為：
(1) 成像：直接以雷射掃描的畫面作為投影成像的應用，如微型投影機[27]。
(2) 感測：以雷射掃描的光點的反射作為感測的應用，如條碼器或光達 (LiDAR) [28]。
誠如前面微致動器的說明，由於製程的相容性與成熟度，早期發表的微掃描面鏡，大多均由靜電方式驅動，然而因高驅動電壓、易產生吸附 (Pull-in) 效應等問題，使得其應用受到限制，尤其是操作條件較為惡劣、可靠度要求較高的車用環境。近年來隨著壓電薄膜技術逐漸成熟與普及，壓電致動的微掃描面鏡提供了車用環境一個關鍵解決方案。
|
微掃描面鏡的應用—光達 |
近年來隨著智慧車輛的風潮在全球興起，各大國際知名的半導體廠商陸續關注車用傳感器的開發，其中，光達是透過雷射光來掃描周遭景物的主動遙測技術[29]，其擁有長感測距離和高影像解析度，加上無論在黑暗環境中、抑或是降雨和起霧等天氣條件下，皆能保持良好的偵測能力，是實現自駕車的關鍵技術。
目前有幾項競爭技術可實現車用光達[30-32]，然因應微縮化的趨勢，以微掃描面鏡實現的光達系統逐漸受到重視，相比於採用旋轉馬達來進行雷射光轉向的傳統機械式光達，基於微掃描面鏡的光達系統擁有體積小、耗能少以及成本低的優勢，在車用光達的應用領域中相當具有競爭力。
|
微掃描面鏡的應用—車用抬頭顯示器 |
近年來元宇宙的相關議題熱絡，汽車產業在其中的商機，也引起了許多關注，許多車廠嘗試將擴增實境 (Augmented Reality, AR) 和虛擬實境 (Virtual Reality, VR) 等技術應用與汽車中，讓駕駛者有更加良好的行車體驗。其中，擴增實境式抬頭顯示器 (AR HUD) 能以擴增實境的方式，呈現與外界環境互動的影像，如圖 17 所示[33]，讓元宇宙的應用加入汽車中，帶來新的商機。
以微掃描面鏡作為控制光行進路徑的元件，結合如圖 18 中 RGB 三原色的雷射光，可實現投影成像技術，稱之為雷射掃描成像 (Laser Beam Scanning, LBS)[34]。與現有的技術相比，目前的抬頭顯示器多以薄膜電晶體液晶顯示器 (TFT-LCD) 來呈現影像，雖然技術成熟且成本低廉，可惜其亮度不足，不易在有強環境光的情況下看到影像，而 LBS 技術使用雷射光，所以擁有高亮度的優點，非常適合車用抬頭顯示器的應用，是未來相當看好的技術。
|
圖17 AR 抬頭顯示器[33]。 |
圖18 結合 RGB 三原色雷射光的 LBS 成像技術[34]。 |
|
透過結構剛性、振動模態等機械特性的調配，壓電薄膜和驅動電極的分布等等，得以實現較佳的驅動元件和傳動結構的設計，以獲得更優異的掃描頻率、掃描角度等性能指標。 |
|
微掃描面鏡元件可以根據操作的特性，區分為共振式和非共振式驅動[35]，以及一維掃描和二維掃描面鏡[36]，就應用的角度而言，微掃描面鏡有三項關鍵的設計考量，包含掃描頻率、掃描角度、以及面鏡的尺寸，其中掃描頻率會決定雷射感測、或成像的像素密集度和更新率；掃描角度則定義了雷射感測的視野範圍、或光學成像的畫面大小；面鏡的尺寸則與雷射感測的最遠距離和成像解析度正相關[37]。
微掃描面鏡設計的挑戰，即來自上述掃描頻率、掃描角度、以及面鏡尺寸等三項設計指標的相互權衡 (Trade Off)，舉例來說，面鏡尺寸增大時，將提升其轉動慣量，使得掃描角度和共振頻率降低；另外，降低彈簧剛性可提升掃描角度，然而共振頻率卻因此而下降。由此可知，三項指標很難同時達到改善的效果，需根據應用規格來決定設計的優先順序，因此現存之壓電式致動器，有非常多元的結構設計，如圖 19 所示[38-41]。 |
圖19 現有之壓電致動微掃描面鏡有多元的結構設計[38-41]。 |
以筆者 (方教授) 實驗室所開發的掃描面鏡為例，說明其在設計上的考量。圖 20 為以懸臂壓電致動器驅動之微掃描面鏡設計，中央面鏡周圍的四組彎折式致動器為驅動源，隨著驅動電壓的輸入，懸臂末端將產生一末端位移，藉此帶動面鏡偏轉。該設計藉由彎折式的懸臂樑結構，延長致動器的等效長度，藉此讓這些致動器能夠在相同驅動條件下，達到更大的末端位移，進一步使面鏡轉動的角度增加。
圖 21 為另一種微掃描面鏡的設計，該設計運用雙邊對稱的半月形壓電致動器，作為振動能量的產生器，並且藉由繞折狀彈簧設計連接面鏡本體和壓電致動器，將振動能量傳遞到面鏡，使其產生出平面方向扭轉。繞折狀彈簧設計會顯著影響振動能量傳遞的效果，以極端狀況為例，當彈簧設計剛性 (Stiffness) 太低，意味著彈簧太軟，所有的振動能量會由彈簧自身吸收，彈簧會因而產生很大的形變，但是能量並沒有傳遞到面鏡；當彈簧設計剛性太高，意味著彈簧太硬，面鏡與致動器之間強鏈接限制了致動器的運動，使其振動效果不佳。
圖20 彎折式致動器之面鏡元件[43]。 |
圖21 半月型致動器之面鏡元件[43]。 |
壓電式的微掃描面鏡目前仍處於研發階段，除了機械結構的設計會影響性能表現外，由於微掃描面鏡在應用過程中需要長時間的高頻操作，壓電薄膜可靠度以及穩定性也是邁向產品化前，必須掌握的兩大議題，不少學者針對環境溫溼度以及元件循環測試等條件，進行相關之研究[42]，以確保壓電元件在各種條件下皆能穩定操作。整體而言，壓電式微掃描面鏡具有優異的光學掃描特性及市場優勢，近年來吸引各國的產學研界的團隊投入研究，也加速了壓電式微掃描面鏡的開發，在智慧車輛以及元宇宙的推波助瀾下，微掃描面鏡更找到了一個發揮的舞台，該元件未來是否會大放異彩，且讓我們拭目以待。
|
結語 |
透過半導體相關製程實現的微機電系統，目前已有廣泛的商業應用，也具有重要的戰略價值，可以進一步延伸我國半導體產業的影響力與競爭力，值得國內相關業者的重視。近年來除了微感測器，微致動器也頗受矚目，尤其是以壓電薄膜製造的微致動器和相關應用，本文介紹了兩項頗具潛力的壓電致動器元件 - 微型揚聲器與微掃描面鏡，這兩項致動器的應用遍及智慧載具 (包括車輛、無人機、搬運車等)、元宇宙等多種新興產業，吸引眾多研究團隊和企業投入，因此陸續有性能優異的元件問世，相關的封裝以及量測技術也越來越完善，希望藉由本文的拋磚引玉，帶動國內產業和人才及早布局相關技術。
近年來由於業界看好壓電薄膜傳感元件的潛力，因此吸引許多儀器供應商和晶圓製造商，投入關鍵設備與材料的開發，預計可以加速壓電薄膜傳感元件商品化的腳步。另一方面，壓電薄膜機械性質的探討，以及其對於相關應用可靠度的影響，都是未來成功商品化必須面對的挑戰，也期許國內的產學研單位及早建立材料和元件的測試技術，深化我國在壓電薄膜傳感元件的競爭力。
|
閎康編輯室後記 |
微機電系統 (MEMS) 技術起源於 70 年代，迄今共歷經了 4 次重要的產業發展熱潮。第一波產業熱潮發生在 80 年代的初期至中期，當時對於矽壓阻特性與矽材體加工技術方面的研究已漸成熟，因此發展出矽壓阻式壓力感測器和電容式加速計產品，並廣泛應用於汽車及工業領域。第二波發展熱潮出現在 90 年代附近，當時個人電腦及資訊產業正蓬勃發展。
1988 年時，惠普 (HP) 公司在市場上首度推出熱氣泡式 MEMS 噴墨晶片產品，而德州儀器 (TI) 公司也在 1996 年時開發出數位微反射鏡元件 (Digital Micromirrors Device, DMD)，並成功運用在商用投影機及顯示器上。此兩項重要的 MEMS 產品深深影響了整個世界。即使到了現在，此兩產品在全球仍然個別保有超過 50% 的市佔率，而 HP 與 TI 兩家公司，也仍是 MEMS 市場營收名列前茅的主角。
在 90 年代中後期時，隨著全球光通訊產業快速興起，帶動了當時 MEMS 領域的第三波市場熱潮。此波光通訊產業成長約在 2000 年時達到了最高峰，但隨後由於全球寬頻通訊的實際市場需求遠不如預期，使得該產業迅速泡沫化並進入蕭條，而相關的 MEMS 發展也隨之式微。光通訊產業一直到 2004 年之後才又逐漸恢復好轉，但之前 MEMS 市場的強大發展動能已不復見。到了 2006 年左右，由於任天堂 (Nintendo) 遊戲機 Wii 採用 MEMS 技術實現體感控制之創舉，掀起了第四波應用在消費性電子市場的發展浪潮。
許多的消費性電子裝置 (尤其是智慧型手機) 藉由大幅整合包括加速度計、陀螺儀、電子羅盤、壓力感測器及微麥克風等 MEMS 元件，來達到諸如體感控制、定位導航、系統保護、語音識別等系統功能。目前全球智慧型手機的數量已高達 15 至 20 億支，而每部手機皆使用超過 10 顆的感測器。此具有龐大商機的消費性電子應用市場，需求規模仍在持續不斷地擴大當中。然而，數年之後，當此波市場發展達到飽和時，所有人不免要問，下一波 MEMS 產業可能的新亮點又將會是什麼?
在 2014 年台灣半導體產業協會 (TSIA) 的年會中，張忠謀以「Next Big Thing」為題發表演說。他表示，下一個 Big Thing 將會是「物聯網 (Internet of Things, IoT)」，而 IoT 商機可望於 5 到 10 年內萌芽，IoT 即將建構的美好生活令人充滿想像。人類將透過一個由全球數億人所共有共享的巨型智慧網路基礎建設，進行全面性的社群交流與資訊分享，並且經由連結實體物件及虛擬分析整合，達到無所不在的偵測、識別、控制及服務。根據全球知名諮詢機構 McKinsey & Company 預估，2025 年全球 IoT 市場規模將高達 6.2 兆美元，面對如此豐厚的產業商機，已吸引了包括 Apple、Google、IBM、Samsung 等眾多國際大廠爭相佈局發展。
IoT 整體架構基本上是由感測層、網路層及應用層所組成，而其三大關鍵技術類別則包括感測器、網路通訊以及大數據分析，特別是感測器技術，為 IoT 智慧基礎建設中最核心的項目。未來 IoT 可藉由億萬個遍布於體內、體外與周圍環境中的智慧感測裝置，長期收集記錄所有關心的目標訊息，並利用先進分析技術處理這些巨量資料，持續創造出預測性演算法或智動化系統，來達到改善能源使用效率、提供優質醫療服務、增加生活舒適便利性、降低安全風險、以及提高生產力等目的。
依據市場研究資料，在 2007 年時已有 1000 萬個感測器將各式各樣的裝置連結到網際網路上；而 2013 年時，聯網的感測裝置已激增到 35 億個。預估到 2030 年時，連結 IoT 的感測器數量將超過 100 兆個之多。憑藉半導體晶圓製程的成熟優勢，MEMS 感測器具有靈敏度高、性能均一、成本便宜、可批次生產等特點，不僅適合普及應用在數量龐大的消費性電子產業，未來也必然成為 IoT 感測應用市場上的營收亮點。
隨著 IoT 應用需求強勢崛起，預期很快此將會為 MEMS 迎來下一波的產業發展熱潮。根據市場研究預估，全球 IoT 感測器市場在 2018 年至 2023 年間，營收規模將由 52.8 億美元增加至 224.8 億美元，複合年成長率 (CAGR) 達到 33.6%。而未來 10 年，該市場規模也將大幅增加超過 300%。若是以 IoT 感測器需求爆發的可能時間點區分，首波 MEMS 產業應用熱潮應仍會是在行動裝置與智慧穿戴產品市場，其次為車輛物聯網，之後才會真正進入到需求廣泛且種類多樣化的工業物聯網 (IIOT)、以及智慧城市等基礎設施應用。
IoT 應用環境條件嚴苛、且系統佈建愈趨複雜，各種技術困難也必然愈來愈多，例如網路頻寬、延遲、能源消耗、系統可靠度 (Reliability) 等關鍵性問題，都必需逐一克服。面對即將到來的萬物互聯時代，MEMS 感測器除了持續有更多創新元件問世、以因應各種不同智慧互聯需求外，其在整合功能方面也將發生巨大改變，而預期必然出現的三大系統整合趨勢包括嵌入人工智慧 (AI) 的邊緣運算 (Edge Computing)、自測試 (Built-in Self-test, BIST)、以及能量採集 (Energy Harvesting)。
現有的 IoT 系統仍然停留在簡易之監控與分析功能，當 AI 技術成熟時，將可賦予 IoT 系統高效的物體辨識、語音溝通、及決策判斷等能力，使升級進化成「智慧物聯網 （AIoT）」。邊緣運算技術是 IoT 系統中極為重要的環節，例如最受矚目的無人車自動駕駛系統，即需仰賴邊緣運算來提高資訊反饋的速度與效率。該運作機制主要由大量車體配備的 MEMS 感測器採集周遭環境數據，再透過高效計算能力的邊緣運算系統進行資訊處理，並將該演算結果依需求回傳至終端設備或上傳至雲端，藉此同時取得最佳的通訊能力及應變速度，提升自動駕駛之可靠度與安全性。
根據市場觀察，結合 AI 的 MEMS 感測器產業生態圈已在逐漸成形，例如 Bosch Sensortec 在 CES 2021 中，發布了使用具有嵌入式 AI 的 MEMS 慣性感測器之穿戴式裝置，而其它 MEMS 大廠包括 STMicroelectronics、Infineon、ADI、Knowles、Vesper Technologies、以及許多新興的 AI 系統公司例如 Syntiant、Cartesiam 與 Aspinity 等，都已實質進入該市場競爭、並已推出相關應用產品。此外，感測晶片的高穩定性也是 IoT 應用極其必要的要求，尤其當採用於自動駕駛、或生物感測等領域時，感測器需要能極長時間維持穩定運作，其一旦出錯，將可能造成難以估計的危害或損失。因此，IoT 感測器的超高可靠度需求將會是未來一大技術挑戰，而內建自測試系統也將成為確保 IoT 應用安全性的必要功能。
MEMS 能量採集技術是未來在 IoT 系統應用上，有機會解決大量且廣泛散布的微感測晶片群、其供電管理困擾之終極方法。之前 MEMS 能量採集元件因受限於物理尺寸微小，通常僅能產生不到 1mW 的微量電力、難以實際應用。而近年來，隨著奈米及壓電材料科技的進步，能量採集元件在關鍵技術上已取得了相當大的進展。許多知名公司看準未來 IoT 市場感測應用的龐大商機，已紛紛對此前瞻技術展開布局、甚至搶先推出先導產品。例如美國 IoT 系統公司 Wireless Sensor Solutions LLC，其在 2017 年藉由收購新創公司 MicroGen Systems 來快速取得其轉化環境機械振動成為電能的 MEMS 壓電能量採集技術，用以建立具有市場優勢的 IoT 無線感測節點產品。而日本 Fujitsu 公司也已自行開發出可同時經由光與熱兩種不同來源獲取能量的複合式 MEMS 能量採集元件，並實際應用在自家數款 IC 產品的超低功耗電路上。根據 Fujitsu 表示，未來擬將該技術進一步導入家庭與建築物中實現能源管理，以及農場無線感測網路的智慧檢測應用。
許多國際大廠包括 ADI、Atmosic、EnOcean、Metis Microsystems、ONiO、Powercast、Renesas Electronics、STMicroelectronics 和 Texas Instruments 等，都已陸續推出不同的能量採集技術方案。可以預見在未來無須額外提供能量即能正常運作的 MEMS 微晶片，必然會廣泛應用在人體醫療植入或周遭環境中，尤其是一些感測器需求數量較龐大的無線監控網路，例如生態環境監測、災害預警系統、或智慧生活空間等。藉由四周環境包括太陽熱能、人體溫度、步行運動、無線電波、工業設備和道路附近的振動等來源採集免費能量，無須管理或解決困擾的晶片供電問題。隨著 MEMS 能量採集技術發展逐漸成熟，相信在不久的將來，很快就能見到結合無線傳輸功能、且無須供電的智慧感測晶片邁入商用化、普及應用於生活環境當中，成為 MEMS 領域當中最具爆發力的創新應用之一。
本篇文章針對 MEMS 重要元件技術及其應用，提供了全面性的介紹。作者方維倫教授是全球 MEMS 研究領域最頂尖的學者，於國立清華大學擔任教職已達 24 年，主要是從事 MEMS 感測器與微系統之相關研究，期間發表了近 500 篇的國際期刊和研討會論文。由於傑出的研究表現，方老師獲得了許多國內外重要學術獎項，包括 3 次科技部傑出研究獎、IEEE Fellow (美國，第一位在 IEEE Sensors Council 獲選為 Fellow 的台灣學者)、IOP Fellow (英國) 等，並擔任微機電與感測器領域頂尖 SCI 期刊主編和編輯。方老師平日也積極協助國內產業界發展，除了培育近 50 位博士級高階人才投入業界，同時也時常透過產學合作解決業界各種技術問題、獲證的發明專利數量超過 130 件，其對於台灣 MEMS 感測器和物聯網的產業創新與國際化，具有相當卓越的貢獻。閎康科技非常榮幸今年度可以和方教授攜手進行產學合作計畫，提供該團隊在 MEMS 壓電感測元件研究上所需之完整分析服務。閎康科技擁有完備的檢測設備與專業技術經驗，能全面滿足電子材料、製程及封裝方面之各種分析檢測需求。
Reference:
[1]http://www.yole.fr/.
[2]Z. Yanwei, Z. Yongxia, and R. B. Marcus, "Thermally actuated microprobes for a new wafer probe card," Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 8, no. 1, pp. 43-49, 1999.
[3]J. Brugger, R. A. Buser, and N. F. d. Rooij, "Micromachined atomic force microprobe with integrated capacitive read-out," Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 2, no. 3, pp. 218-220, 1992.
[4]B. He, N. Tait, and F. E. Regnier, “Fabrication of nanocolumns for liquid chromatography,” Anal. Chem., vol. 70, pp. 3790–3797, 1998.
[5]S. C. Lo, C. K. Chan, M. Wu and W. Fang, “Design and Implementation of Differential MEMS Microphones Using the Two Polysilicon Processes for SNR Enhancement,” J. Micromech. Microeng., 30 055006, 2020.
[6]Y. -C. Liu, M. -H. Tsai, S. -S. Li and W. Fang, "A Fully-differential, Multiplex-Sensing Interface Circuit Monolithically Integrated With Tri-axis Pure Oxide Capacitive CMOS-MEMS Accelerometers," TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXVII, pp. 610-613, 2013.
[7]N. M. Nguyen, C. Y. Chang, G. Pillai and S. S. Li, "Design of Piezoelectric MEMS Bulk Acoustic Wave Mode-Matched Gyroscopes Based on Support Transducer," MEMS, pp. 338-341, 2021.
[8]P. F. V. Kessel, L. J. Hornbeck, R. E. Meier, and M. R. Douglass, "A MEMS-based projection display," Proceedings of the IEEE, vol. 86, no. 8, pp. 1687-1704, 1998.
[9]M. Wu and W. Fang, "Design and fabrication of MEMS devices using the integration of MUMPs, trench-refilled molding, DRIE and bulk silicon etching processes," Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 15, no. 3, pp. 535-542, 2004.
[10]A. Vergara, T. Tsukamoto, W. Fang, and S. Tanaka, "Integration of buried piezoresistive sensors and PZT thin film for dynamic and static position sensing of MEMS actuator," Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 30, no. 11, p. 115020, 2020.
[11]J. Stasiak, S. Richards, and S. Angelos, “Hewlett Packard‘s inkjet MEMS technology: past, present, and future,” in Proc.SPIE, vol. 7318, p. 73180U, 2009.
[12]https://www.ti.com/dlp-chip/overview.html
[13]D. Michael, “DMD reliability: a MEMS success story,” in Proc. SPIE, vol. 4980, pp. 1-11, 2003.
[14]H. Wang, L. Zhou, X. Zhang, and H. Xie, “Thermal Reliability Study of an Electrothermal MEMS Mirror,” IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, vol. 18, no. 3, pp. 422-428, 2018.
[15]M. Wu, H. Lin, and W. Fang, “A Poly-Si-Based Vertical Comb-Drive Two-Axis Gimbaled Scanner for Optical Applications,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 18, no. 20, pp. 2111-2113, 2006.
[16]J. J. Bernstein, W. P. Taylor, J. D. Brazzle, C. J. Corcoran, G. Kirkos, J. E. Odhner, A. Pareek, M. Waelti, and M. Zai, “Electromagnetically actuated mirror arrays for use in 3-D optical switching applications,” J. Microelectromech. Syst., vol. 13, no. 3, pp. 526–535, 2004.
[17]J. Wang, C. Salm, E. Houwman, M. Nguyen, and J. Schmitz, “Humidity and polarity influence on MIM PZT capacitor degradation and breakdown,” IEEE International Integrated Reliability Workshop (IIRW), pp. 65-68, 2016.
[18]M. F. Bevilacqua, V. Casuscelli, S. Costantini, P. Ferrari, and I. Pedaci, "High Temperature Operating Lifetime Test on piezo-MEMS devices," the 6th IEEE International Forum on Research and Technology for Society and Industry (RTSI), pp. 452-456, 2021.
[19]https://www.knowles.com/subdepartment/dpt-ba-receivers/subdpt-hearing-instruments-receivers
[20]https://www.usound.com/products/
[21]https://xmems.com/products/
[22]H. H. Cheng, S. C. Lo, Z. R. Huang, Y. J. Wang, M. Wu, and W. Fang, “On the Design of Piezoelectric MEMS Microspeaker for the Sound Pressure Level Enhancement,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 306, 2020.
[23]Y. J. Wang, S. C. Lo, M. L. Hsieh, S. D. Wang, Y. C. Chen, M. Wu, W. Fang, “Multi-Way In-Phase/Out-of-Phase Driving Cantilever Array for Performance Enhancement of PZT MEMS Microspeaker,” IEEE 34th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), pp. 83-84, 2021.
[24]I. Shahosseini, E. Lefeuvre, J. Moulin, E. Martincic, M. Woytasik, and G. Lemarquand, “Optimization and Microfabrication of High Performance Silicon-Based MEMS Microspeaker,” IEEE Sensors Journal, vol. 13, no. 1, pp. 273-284, 2013.
[25]F. Stoppel, C. Eisermann, S. Gu-Stoppel, D. Kaden, T. Giese and B. Wagner, “Novel Membrane-less Two-way MEMS Loudspeaker Based on Piezoelectric Dual-concentric Actuators,” 19th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS), pp. 2047-2050, 2017.
[26]V. A. Aksyuk, F. Pardo, D. Carr, D. Greywall, H. B. Chan, M. E. Simon, A. Gasparyan, H. Shea, V. Lifton, C. Bolle, S. Arney, R. Frahm, M. Paczkowski, M. Haueis, R. Ryf, D. T. Neilson, C. R. Giles, and D. Bishop, "Beam-Steering Micromirrors for Large Optical Cross-Connects," J. Lightwave Technol., vol. 21, no. 3, p. 634, 2003.
[27]https://www.projectorcentral.com/Microvision-SHOWWX_Laser_Pico.htm
[28]https://velodynelidar.com/what-is-lidar/
[29]H. W. Yoo et al., "MEMS-based lidar for autonomous driving," e & i Elektrotechnik und Informationstechnik, vol. 135, no. 6, pp. 408-415, 2018.
[30]https://velodynelidar.com/products/alpha-prime/.
[31]https://www.continental-automotive.com/.
[32]https://quanergy.com/products/s3/.
[33]https://www.fic.com.tw/zh-hant/automotive/ar-hud/
[34]https://www.st.com/content/st_com/en/about/innovation---technology/laser-beam-scanning.html
[35]S. Holmström, U. Baran, and H. Urey, "MEMS Laser Scanners: A Review," Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 23, no. 2, pp. 259-275, 2014.
[36]R. Konsta, M. Dmitry, M. E. Y. Oili, and K. Jukka, "Resonating AlN-thin film MEMS mirror with digital control," Journal of Optical Microsystems, vol. 2, no. 1, p. 011006, 2022.
[37]K. Hwang, Y.-H. Seo, J. Ahn, P. Kim, and K.-H. Jeong, "Frequency selection rule for high definition and high frame rate Lissajous scanning," Scientific Reports, vol. 7, no. 1, pp. 14075, 2017.
[38]T. Masanao, A. Masahiro, Y. Yoshiaki, and T. Hiroshi, "A two-axis piezoelectric tilting micromirror with a newly developed PZT-meandering actuator," 2007 IEEE 20th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), pp. 699-702, 2007.
[39]U. Baran, D. Brown, S. Holmstrom, D. Balma, W. O. Davis, P. Muralt, and H. Urey, "Resonant PZT MEMS Scanner for High-Resolution Displays," Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 21, no. 6, pp. 1303-1310, 2012.
[40]K. Meinel, C. Stoeckel, M. Melzer, S. Zimmermann, R. Forke, K. Hiller, and T. Otto, "Piezoelectric Scanning Micromirror With Built-In Sensors Based on Thin Film Aluminum Nitride," IEEE Sensors Journal, vol. 21, no. 8, pp. 9682-9689, 2021.
[41]G. Mendicino, M. Merli, R. Carminati, N. Boni, A. Opreni, and A. Frangi, "Electro-mechanical validation of a resonant MEMS mirror with PZT actuation and PZR sensing," Proc.SPIE, vol. 11697,2021.
[42]R. P. Dahl-Hansen, F. Tyholdt, J. Gjessing, A. Vogl, P. Wittendorp, J. Vedum, and T. Tybell, "On the Effect of Water-Induced Degradation of Thin-Film Piezoelectric Microelectromechanical Systems," Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 30, no. 1, pp. 105-115, 2021.
[43]方維倫教授實驗室
