中心議題：

• 介紹電容式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)
• 分析該電容式加速度計(jì)的未來發(fā)展趨勢

解決方案：

• 電容式加速度計(jì)的電容值一般與電極材料無關(guān)
• 用堆棧或并排方式封裝芯片

電容式加速度計(jì)是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡單、高分辨力、可非接觸測量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。隨著MEMS和半導(dǎo)體制程的進(jìn)步，大幅改善其原先的一些使用限制，也讓電容式作法成為今日市場上極受歡迎的一種加速度計(jì)設(shè)計(jì)途徑。

圖2　電容式加速度計(jì)的MEMS結(jié)構(gòu)示意圖原文位置
資料來源：ST

電容式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)中會(huì)有可移動(dòng)的質(zhì)塊與相對(duì)的固定端，分為作為電容的兩極。當(dāng)外界加速度使可移動(dòng)極與固定極發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，兩極間的電容量也會(huì)產(chǎn)生變化，通過特殊電路可將此變化量轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

電容式加速計(jì)的好處甚多，比起壓阻式或熱對(duì)流式容易因外界溫度變化而產(chǎn)生零位漂移，電容式的電容值一般與電極材料無關(guān)，因此可選擇溫度系數(shù)低的材料;加上本身發(fā)熱極小，溫度對(duì)穩(wěn)定性的影響甚微。此外，電容式除了可以實(shí)現(xiàn)微型化需求外，也能在高溫、高壓、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場等惡劣的環(huán)境中工作，也能耐受極大沖擊，適用范圍極廣。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間很短，能在幾MHz的頻率下工作，因此特別適用于動(dòng)態(tài)測量。又由于其介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高，可以用于測量高速變化的參數(shù)。除了上述優(yōu)點(diǎn)外，電容式還可測極低的加速度和位移(0.01mm以下)，靈敏度及分辨力可以做到很高。

圖3　加速度計(jì)傳感器的技術(shù)原理原文位置
資料來源：ST

在電容式的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)其中的質(zhì)塊出現(xiàn)加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電容量的差異變化(DC)，此變化會(huì)傳送給另一顆接口芯片(Interface chip)，由它來輸出可量測的電壓值。因此，一個(gè)3軸加速度計(jì)芯片中必須包含兩大單元，一是單純的機(jī)械性MEMS傳感器，它包含測量XY軸的區(qū)域及測量Z軸的區(qū)域，內(nèi)部有成群移動(dòng)的電子;另一則是標(biāo)準(zhǔn)的ASIC接口芯片，它會(huì)將電容變化轉(zhuǎn)換為電壓訊號(hào)輸出。

傳感器與ASIC接口芯片這兩大單元雖然都可采用CMOS制程來生產(chǎn)，但由于實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的差異，兩者目前大多仍會(huì)采用不同的生產(chǎn)流程，再將兩顆芯片封裝整合在一起，成為系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)芯片。這兩顆芯片可以用堆棧(Stacked)或并排(Side by side)方式來進(jìn)行封裝。采用先進(jìn)LGA封裝的ST加速度計(jì)芯片只有3×5×1.0mm，此尺寸已相當(dāng)適合小型化手持設(shè)備的使用。

不同的應(yīng)用需選用不同規(guī)格的加速度計(jì)，以手持設(shè)備的姿態(tài)識(shí)別與單擊、雙擊動(dòng)作偵測應(yīng)用來說，只需選用低頻(0~20Hz)的加速度計(jì)即可;若需用于硬盤自由墜落的感測保護(hù)，必須選用中頻(~50Hz)以上的產(chǎn)品;對(duì)于汽車沖撞感測或洗衣機(jī)振動(dòng)感測的應(yīng)用來說，就需選用高頻(~100Hz)的加速度計(jì)。

未來的MEMS明星
今日MEMS的當(dāng)紅產(chǎn)品，當(dāng)然是加速度計(jì)，不過，還有許多的微機(jī)電芯片具有極佳的市場爆發(fā)力，包括陀螺儀、MEMS麥克風(fēng)、IMOD顯示器、嵌入式超小型投影機(jī)、MEMS振蕩器等。陀螺儀是繼加速度計(jì)后另一個(gè)備受注目的運(yùn)動(dòng)傳感器，它能補(bǔ)足加速度計(jì)在轉(zhuǎn)向角度上的不足，因此兩者的互補(bǔ)能提供更精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)行為判斷。除此之外，陀螺儀也能用于照相防震、3D搖控、空中鼠標(biāo)、游戲游戲桿等應(yīng)用中。

新的MEMS麥克風(fēng)(也稱硅晶麥克風(fēng))具有小尺寸、抗噪訊及易開發(fā)等優(yōu)勢，已成為取代傳統(tǒng)駐極體電容式麥克風(fēng)(Electret Condenser Microphone, ECM)的主流選擇;Qualcomm開發(fā)的IMOD(Interferometric Modulator) 技術(shù)是一項(xiàng)基于MEMS的干涉測量調(diào)節(jié)顯示技術(shù)，強(qiáng)調(diào)能夠像光的薄膜干涉那樣，獲得如蝴蝶翅膀和孔雀羽毛那樣斑斕的色彩，而且能比其它顯示技術(shù)提供更低的耗電量。

此外，超小型投影機(jī)小到能嵌入手機(jī)當(dāng)中，進(jìn)而讓手機(jī)能夠投射出更大的屏幕，而不會(huì)受限于今日僅數(shù)寸的顯示器，讓手機(jī)用戶能更進(jìn)一步地享受視聽效果。MEMS振蕩器的應(yīng)用則將沖擊整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)，因?yàn)樗殉蔀殚L久以來用來提供頻率的石英晶體振蕩器的可行取代方案。

圖4　通過手機(jī)、PDA投影的顯示應(yīng)用模式
資料來源：Microvision

結(jié)語
MEMS芯片的運(yùn)用，就如同人通過五官接受外界的信息一般，通過信息處理(如人的大腦)，再做出相應(yīng)的動(dòng)作。這種能力讓微小的芯片也能具備感知與反應(yīng)能力，大幅提升了機(jī)電系統(tǒng)的智能性。我們今日看到的微機(jī)電芯片功能或許只是其能力的一個(gè)雛型，未來仍有很大的想象空間，等待我們?nèi)?shí)現(xiàn)。