「微機電系統」（MEMS）是一種將是將微電子技術與機械工程融合的一種工業技術，早已應用在智慧手機及平板電腦上；而現在穿戴式裝置當紅，穿戴式裝置配備的眾多感測器，都是MEMS的應用範圍。未來MEMS科技更將包山包海，讓我們一起透過這篇文章來認識它的神奇之處。
筆者九十一歲的老爸開始把玩桌上的平板電腦，發覺原本略嫌小的生日全家福相片，在那片「平板」旋轉九十度之後，照片也因為跟著旋轉到比較好的角度，並且因此而放大，他的臉上露出一副驚奇而滿意的表情…
筆者父親是上海復旦大學土木系畢業，算起來也是六十年前的優秀理工科系青年，絕非等閒之輩。當筆者回答他這是一顆「陀螺儀」在那部平板電腦中所產生的效果時，他卻是一副疑惑的眼神，「陀螺儀？」，不是該有個「陀螺」嗎？不就是裝在飛機上保持飛機姿態的玩意嗎？「陀螺」如何做的那麼小，又能放到平板電腦中呢？其實我相信有相同疑惑的人一定不少，但是悶在心裡，又不好意思詢問，希望這篇短文，能夠一解各位心頭的疑惑。
這一切，都是有賴聰明又有創意的科學家，以及生產製造技術進步之賜，一種通稱為「微機電系統」（MicroElectroMechanical System，下稱MEMS）的技術，造就了這些相關產品，也造福了人類。
MEMS定義
MEMS是一種將是將微電子技術與機械工程融合的一種工業技術，目前它的操作範圍通常在微米（micrometer，符號µm）範圍內。所以比它更小的，在奈米（nanometer，符號 nm）範圍的類似的技術有人稱為「奈機電系統」。MEMS在日本被稱作「微機械」（micro-machines），在歐洲被稱作「微系統」（microsystems），也有人也稱它為「微系統技術」（Micro System Technology，MST）。其實名稱不重要，了解它的能力才是比較重要的。
根據維基百科中的敘述，MEMS由尺寸大致為1至100微米（0.001至0.1 mm)的部件組成，而微機電設備的尺寸通常介於0.02mm到1mm之間。它們內部通常包含一個微處理器和若干獲取外界信息的微型感測器。而在這種尺寸範圍下，古典物理基本定律有時候（奈米範圍）並不適用。
MEMS的加工技術由半導體加工技術改造而來，其加工方式包含了機械加工如「成型和電鍍」（Molding and Plating），「濕式蝕刻」（註1 ）(例如使用氫氧化鉀KOH或氫氧化四甲基銨 Tetramethylammonium hydroxide, TMAH等溶液)，「乾式蝕刻」（註2 ） (例如反應式離子蝕刻RIE 和深反應式離子蝕刻 DRIE)，「放電加工」 (EDM)，和其他一些能夠製造微小裝置（例如：蛋白質工程）的加工技術（請參考表一）。
（表一）
範圍
觀測法
製造技術
1~10 mm
目視
機械加工
1 um~ 1 mm
光學顯微鏡
Si蝕刻
1 nm~ 1 um
電子/探針顯微鏡
蛋白質工程
圖一及圖二是兩種典型的MEMS，圖一是一個微感應致動器（俗稱煞車），圖二是一個微小齒輪組，但是人們喜歡拿出來展示技術能力的，通常是圖三 － 一些MEMS裝置，外加一隻塵螨的玉照。
關於MEMS的組成元件，圖四是一個很好的概念圖，其中包含有微結構，微感應器，微電子以及微致動器等。
（圖四） 圖片來源：www.mems-exchange.org
因為裝置體積超小，一般人看到MEMS裝置會以為是純電子產品，其實只答對了一半，因為事實上MEMS產品的設計，顧名思義都幾乎帶有一半的機械裝置。通常這些透過機械裝置所發生的「物理效果」（例如：位移），要先轉換成「電子訊號」並數位化後，經過微電腦的計算，才會做出適當的反應或產生所要的效果。以馬上要為各位介紹的加速器為例，其當然含有IC晶片，但是主要的結構還是微型的機械構造，靠著量測該機械構造的微小位移，經過複雜計算後，才能得到想要知道的結果。
MEMS有兩種基本的運作方式，筆者利用其應用範例，分別介紹如下：
1. 加速計
「加速計」顧名思義，就是偵測物體的加速度（線性速率的變化），物體的加速度知道之後，代入基本的物理公式（Ｆ＝m．a；距離Ｓ＝1/2．a．t^2 ），很容易計算出距離以及力量等，所以，經常被使用來測量距離及衝擊力。圖五代表加速計的工作原理：電位計電位的輸出，乃由彈簧之間的物體位置決定，所以當有加速度發生的時候，彈簧間物體的位置會改變，電壓輸出（方向及大小）也跟著改變，則「線性速率的變化」（即加速度）就可以因此得到。
一般「加速計」由兩部分組成：（1）MEMS傳感器與（2）訊號處理晶片。
（圖五） 圖片來源：i3w55.pixnet.net
真正的MEMS傳感器，其設計如圖六所示，中間的物體與兩邊有彈簧作用的線，因加速度的產生而相對移動，傳感器收集到的「物理位移」類比訊號，經過A/D轉換與訊號處理晶片的計算，就能讓裝置知道加速度的大小。圖七則代表一典型「加速計」的整體構造，有質量塊、彈簧、錨定（固定部）等。
2. 陀螺儀
上面介紹的「加速計」，它的原理很簡單，底下要介紹的MEMS「陀螺儀」就比較複雜了。已經公開的MEMS「陀螺儀」設計，是利用振動物體傳感角速度的概念，經由科氏力（Coriolis force）進行驅動件與感測件之間機械能的轉換。該科氏力的取得，係來自於以下的公式計算所得：
Ｆc = m．a = -2m（w．V） Fc – 科氏力
其中「V」以及「m」是MEMS設計時的已知量，如果能得到感測質量塊上的科氏力加速度，然後結合振動速度，進行同步解調，就可以測出旋轉角速度，進而計算出物體移動的角度。以電視游樂器「Wii」的體感搖桿當作例子，「陀螺儀」可用來計算搖桿傾斜的角度，而三軸「加速計」就能計算出搖桿搖晃的劇烈程度，進而對使用者的姿態作出適當的反應。
因為MEMS「陀螺儀」原理比較複雜，各位倒不用記得那麼多，只要記得其中有一個叫科氏力（Coriolis force）的量測裝置，可測出角速度，以及其中有一個高速震盪元件，但並沒有真實的轉動元件，也就可以了。
底下筆者用圖八至圖十一，來表示MEMS「陀螺儀」的實體構造，那些細細如髮梳的部分，便是占了「一半」功能的機械裝置，而透過該等機械裝置所發生的「物理量改變」等類比效果（例如：科氏力），經轉換成「數位訊號」，再經過微電腦晶片的計算，就能解算出裝置本身的姿勢及位置等資訊了。
MEMS微機電裝置，當然不只「加速器」及「陀螺儀」這兩種而已，另外還有「壓力計」、「微麥克風」、「微馬達」等，端看用戶的需求以及各廠家的設計功力了。
底下的圖十二，就表示了裝置在汽車上的一大堆MEMS裝置，絕對不僅是「加速器」及「陀螺儀」，就可以應付得了的。
（圖十二）
圖片來源：www.wtc-consult.de
MEMS製程
製作MEMS的技術包括微電子技術和微加工技術兩大部分。微電子技術的主要內容有：氧化層生長、光罩製作、光刻選擇摻雜(遮罩擴散、離子注入)、薄膜(層)生長、連線製作等。利用微電子技術可製造所需的積體電路。而微加工技術的主要內容有：矽表面微加工和矽體微加工(各向異性腐蝕、犧牲層)技術、晶片鍵合技術、製作高深寬比結構的LIGA技術等。微加工技術很適合於製作某些壓力感測器、加速度感測器、微泵、微閥、微溝槽、微機械等，兩者結合就能充分發揮成熟的IC製程的優勢，利用矽晶蝕刻轉印製造技術，大批量、低成本地製造高可靠性的MEMS裝置。
MEMS簡單的製程，與IC製程有些雷同，分為以下的步驟：
1. 光罩製作
與IC製程不一樣的地方，IC晶片的一層又一層金屬氧化層間，應該是緊密結合的，而MEMS裝置中不少的部分是應該可以活動的機械結構，所以如何設計活動部分於適當的位置，可以使兩活動部之間的化合物可以在製程中清洗乾淨，使活動部分運動無礙，應該就要看MEMS第一線的設計人員的功力了。
MEMS應用
如果想用「包山包海」來形容MEMS的應用範圍，其實也不為過，MEMS的應用範圍，隨著大眾對產品要求的不斷提高，持續的擴張。例如：從「智慧手機」及「平板電腦」位置與姿態的判定，到產業界的明日之星，「穿戴式裝置」所配備的眾多感測器等，都是MEMS的應用例。
如果換個角度看，如果MEMS的技術沒有即時跟上，上面那些「智慧裝置」即使「智慧」，但是看上去一定「笨重」。
底下的圖十三，是筆者所知道的MEMS應用簡單圖示，一定還有其他的應用領域，就讓聰明的各位自己去發掘了！
（圖十三）
MEMS市場
MEMS的市場有多大呢？這應該可以從表二，2012前二十大MEMS的供應商的營業狀況，看出一些端倪。
筆者觀察到一個有趣的現象是，其中前四大廠商，與5至20名的廠商，差距其實都蠻大的，但是好消息是，這二十家廠商沒有一家業績衰退。而德國的Bosch這幾年異軍突起，不讓那些美國廠商（TI、HP），與法國公司(ST Micro)專美於前。MEMS前20大廠商，其2012年的營業額，總和為8,342百萬美元，相信仍然有很大的成長空間。特別是令人望穿秋水的穿戴式科技，例如iWatch等，若推出後造成其業績成長的大爆發，相關MEMS裝置的業績成長，則有望也躍進一大步。
「MEMS」在「穿戴式裝置」上的應用，是下一期專文的重點，敬請期待。
「濕式蝕刻技術」(Wet etching)，是使用含有水份的化學藥品(水溶液)來與材料產生化學反應，使材料中不需要的部分溶解掉，因為含有水份，故稱為「濕式(Wet)」。
「乾式蝕刻技術」(Dry etching)，是使用氣體離子(電漿)來與材料產生化學反應，使材料中不需要的部分因為化學反應而去除掉，因為不含水份，故稱為「乾式(Dry)」。
作者： 林士強
現任： 北美智權 教育訓練處 資深研發創新顧問
經歷： 法商台灣康旭 研發工程處 專案經理
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