感測器產業的 MEMS 革命
時間往前大約 15 至 20 年的不久之前，用於氣壓、動作和磁場等無所不在的物理參數的感測器仍有著大體積、高成本、高耗電等問題，就電氣設計來說也與標準電路不相容。但隨著 MEMS 型感測器 (微機電系統) 的快速發展，透過進一步擴展目前已應用在傳統電子積體電路上的高階製程與技巧，將感測器蝕刻到矽晶上，一切從此有了大幅的轉變。
這些 MEMS 型感測器最早使用在市場廣大的安全氣囊感測器，迅速取代以彈簧載荷的 Ball-in-Tube 感測器，自此證明了 MEMS 技術的可行性，除了全面改變了工程師對感測領域的想法，更重要的是，其產品獲得了更多的功能。像是智慧型手機、無人機、自動駕駛車及觸覺回饋「產生器」等產品現在都在其滿載的電路板上裝入了體積更小、成本更低、功耗更少的加速度計、陀螺儀和其他感測器，不費吹灰之力地擴充了高效能的感測功能。甚至是採用聲學震動傳感器的麥克風也採用 MEMS 技術，以應用在包括智慧型手機等各種使用案例。
根據 IHS 市場調查指出，與高價 MEMS 裝置相關之物聯網應用的直接和間接市場預期在 2018 年將大幅成長。(資料來源：IHS)
MEMS 型感測器的應用範圍廣泛，包括從小型低成本的產品，到大型高價的產品。這類感測器一方面可以嵌入到穿戴式裝置，用來追蹤使用動作和脈搏，另一方面，目前許多汽車也都載入了多部 MEMS 感測器，其作用包括觸發安全氣囊、感測車身是否將要翻覆、依載重和路面狀況調整避震器設定、追蹤剎車性能，還有監控許多其他的性能和安全相關因素。
「但隨著 MEMS 型感測器 (微機電系統) 的快速發展，透過進一步擴展目前已應用在傳統電子積體電路上的高階製程與技巧，將感測器蝕刻到矽晶上，一切從此有了大幅的轉變。」
不同於以往大體積「組裝式」的感測器，僅能產生簡單基本的類比輸出或粗糙的數位輸出，MEMS 裝置有著更多突出的優點，包括尺寸小、耐用、低功耗、適合一體式的多軸裝置，這些裝置通常加入了校正功能，而且還能補償非線性或溫度的偏移，也能執行自我測試。
MEMS 感測器基本資訊
幾乎所有的 MEMS 感測器都使用矽晶片，是最常見的半導體材料。電子電路「用在」製造半導體上時，使用的元件主要取決於其電子特性，但 MEMS 裝置則不同，其將重點放在物理特性上。它是一種容易處理及蝕刻的晶體材料，機械特性一致且堅固耐用，能同時當作機械和電子元件使用。
以 MEMS 加速度計為例，它是最早量產的 MEMS 感測器，廠商和使用者都從中得到了許多學習經驗，這類感測器有多種設計：其中一種最常見的，就是將帶有側壁的「檢測質量塊」蝕刻到固定壁之間的矽晶內，質量塊用作為矽晶彈簧的栓繩往自由移動的方向錨定。從電子層面來看，此結構是一種微型電容器，電容值僅達微微法拉 (百萬兆分之一或 10−12 F)，甚至是飛法拉 (10−15 F) 等級。
基本的 MEMS 型加速度計使用含栓繩但可移動的質量塊，以固定板圍繞，組成一個高敏感度的動作回應電容器；實際的矽晶設計則更為精細且複雜。
作用軸上的晶片加速時，檢測質量塊便會移動，板之間的電容將發生極小的變化，然後關聯的晶片電路將會感測這細微的變化並加以放大。經過放大、濾波和緩衝後，與檢測質量塊移位對應的輸出將以類比訊號提供，或在 MEMS 裝置內經過數位化，用跟相關微控制器相容的格式提供。
這原理聽起來簡單，但第一款可用的 MEMS 型加速度計是在投入大量時間和精神，直到大約十年前才問世。雖然這些 MEMS 型加速度計採用矽IC的設計和生產技術，但卻是針對矽晶上的電子電路所設計，而非針對機械裝置。因此，新設計工具的開發必須著重在機械方面的模型和生產 (亦即材料強度、散熱問題)，以及作用電路上。
標準矽晶遮罩與蝕刻技巧大多為 2D 或適中的 3D 尺度，必須大幅擴展，才能支援複雜的三維遮罩和蝕刻，以符合底切的需求，讓檢測質量塊能夠移動。封裝也是一項挑戰，因為在封裝週期內卡入或來自封裝本身的任何微粒都會干擾檢測質量塊的移動。另外，標準的電子生產測試系統和線路也是問題之一，因為它們是針對電子效能的測試所設計。但是，測試也有機械方面的難題需要克服，因為現有適用於機電型感測器的測試系統無法應付IC封裝。
加速度
雖然有些精密且能成功運作的系統早在 MEMS 裝置問世之前就已推出，讓每項感測運作，許多系統受限於成本、重量、功率和效能限制，只能實作一維或二維的感測功能。有些 MEMS 感測器可作為例子，顯示此情況的改變；需注意的是，很多 MEMS 感測器與動作和方向有關，是最難有效感測的其中兩種參數，同時也是無人機和物聯網應用中最關鍵的啟用元件。
慣性測量
三軸加速度計再往上一級，就是完整的慣性測量單元 (IMU)，其加入了陀螺儀，可用來評估絕對 (慣性) 座標系的方向。其適用於不具備 GPS（水下、室內或受限於干擾或編碼）用於實作影像穩定的應用，或是系統需要交叉檢查 GPS 結果的應用。效能最高的 IMU 採用旋輪陀螺儀來穩定參考平台，為最高基準的機械與電子設計和實作的展現，這些球形裝置造價高達數百萬美元，耗電量達數百瓦，直徑可能從 10 cm 到 30 cm，重達數十公斤。
相較下，MEMS 讓 IMU 得以實作到無法符合上述任一規格的應用，雖然老實說其效能或許差了點，但就像 MEMS 與 PIGA 這兩種加速度計也存在著差距，卻足以符合多數應用的需求。六軸 IMU 即可提供 X、Y 和 Z 軸的加速感測，還有沿著這些軸的旋轉感測。
9 軸慣性動作感測器
6 軸感測器加速度計和陀螺儀可提供關於加速度和旋轉的資訊，但些微的錯誤可能隨時間累積，使大致的方向產生偏移。
要解決此問題，可再額外加入一個絕對方向感測器，也就是 3 軸磁強計，構成一個由 3 軸陀螺儀、3 軸加速度計和 3 軸磁強計組成的 9 軸慣性動作感測器。
加入這個額外的磁場，感測演算法便能補償任何長時間累積的偏移。如此一來，位置的測量與追蹤將更正確精準，甚至也能用在複雜的移動過程中。
同時也能實現各種全新的應用， 包括像是 CAD 套件中 3D 游標的完整控制，飛航模擬器、頭戴式麥克風和遙控車等應用。另外，亦能大幅改善虛擬環境中的導航，像是 CAD 模型和虛擬遊戲環境。也能輕鬆追蹤短距離的全空間頭部移動和長距離的活動，或是捕捉細微的手勢、呼吸和心率，還有步伐和震顫。
結論
針對像是物聯網，以及陸海空用的自動駕駛/半自動駕駛載具，其驚人的量產應用商機，主要是因各種技術大幅度且近乎同步的發展所帶動，包括高效率的電子馬達和控制器；輕量化、高容量的電池；小巧的 GPS 接收器和處理器；高效能的中央處理器；用於控制的有效 RF 連結 (無論是供智慧型手機控制或專用控制)；當然還有超小體積、高解析度的攝影機。
此外，同樣重要的還有可用於遠端導引及導航 (無論是否使用 GPS) 的多重感測器，像是電子羅盤，以及 MEMS 型的動作、加速度、慣性測量和磁場裝置。廣義來看，這些高效能裝置的問世完全改變了設計的取捨平衡，將感測器從大尺寸、高成本、高重量、耗電且電子介面不相容的傳感器變成了截然不同的產品。
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[1]“Everything about STMicroelectronics’ 3-axis digital MEMS Gyroscopes,” http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/technical_article/DM00034730.pdf
[2]http://www.st.com/web/en/resource/sales_and_marketing/promotional_material/brochure/brmems.pdf
