中心議題：

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

解決方案：

• 電容式加速度計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、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作等獨特優(yōu)點。隨著MEMS和半導(dǎo)體制程的進步，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設(shè)計途徑。

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

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

電容式加速計的好處甚多，比起壓阻式或熱對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，溫度對穩(wěn)定性的影響甚微。此外，電容式除了可以實現(xiàn)微型化需求外，也能在高溫、高壓、強輻射及強磁場等惡劣的環(huán)境中工作，也能耐受極大沖擊，適用范圍極廣。

另一個優(yōu)點是它的動態(tài)響應(yīng)時間很短，能在幾MHz的頻率下工作，因此特別適用于動態(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)加速度運動時，就會產(chǎn)生電容量的差異變化(DC)，此變化會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3軸加速度計芯片中必須包含兩大單元，一是單純的機械性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)部有成群移動的電子;另一則是標(biāo)準(zhǔn)的ASIC接口芯片，它會將電容變化轉(zhuǎn)換為電壓訊號輸出。

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)，但由于實現(xiàn)技術(shù)上的差異，兩者目前大多仍會采用不同的生產(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)方式來進行封裝。采用先進LGA封裝的ST加速度計芯片只有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，以手持設(shè)備的姿態(tài)識別與單擊、雙擊動作偵測應(yīng)用來說，只需選用低頻(0~20Hz)的加速度計即可;若需用于硬盤自由墜落的感測保護，必須選用中頻(~50Hz)以上的產(chǎn)品;對于汽車沖撞感測或洗衣機振動感測的應(yīng)用來說，就需選用高頻(~100Hz)的加速度計。

未來的MEMS明星
今日MEMS的當(dāng)紅產(chǎn)品，當(dāng)然是加速度計，不過，還有許多的微機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、MEMS振蕩器等。陀螺儀是繼加速度計后另一個備受注目的運動傳感器，它能補足加速度計在轉(zhuǎn)向角度上的不足，因此兩者的互補能提供更精準(zhǔn)的運動行為判斷。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)是一項基于MEMS的干涉測量調(diào)節(jié)顯示技術(shù)，強調(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，超小型投影機小到能嵌入手機當(dāng)中，進而讓手機能夠投射出更大的屏幕，而不會受限于今日僅數(shù)寸的顯示器，讓手機用戶能更進一步地享受視聽效果。MEMS振蕩器的應(yīng)用則將沖擊整個電子產(chǎn)業(yè)，因為它已成為長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、PDA投影的顯示應(yīng)用模式
資料來源：Microvision

結(jié)語
MEMS芯片的運用，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，大幅提升了機電系統(tǒng)的智能性。我們今日看到的微機電芯片功能或許只是其能力的一個雛型，未來仍有很大的想象空間，等待我們?nèi)崿F(xiàn)。