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序言 |
微机电系统 (MEMS) 是人类迈向智能未来与探索微观世界不可或缺的重要科技。所谓 MEMS，就是以成熟的半导体工艺作为基础，透过灵活运用各种不同的材料、多元的专业领域知识，将具有电子或机械功能的组件或系统进行适当整合，并使之微小化的先进技术。MEMS 产业发展迄今已经超过 50 年，早期 MEMS 的应用重心主要是在汽车、工业及信息领域，直到 2006 年，由于两大知名公司 Nitendo 与 Apple 藉由MEMS 动作感测组件创新运用在消费性电子市场上、并获得全面成功，才使它成为家喻户晓的热门科技名词，并真正普及应用到个人生活领域。
目前已经成功商品化的 MEMS 产品非常多，包括压力传感器、喷墨芯片、数字微反射镜、加速度计、陀螺仪、微麦克风、室温红外线传感器、气体传感器、以及一些光通讯和射频应用组件等，根据市场研究机构预估，2023 年全球 MEMS 市场规模将高达 310 亿美元，而 2018 至 2023 年间的复合年成长率 (CAGR) 约为 17.5%。目前 MEMS 最主要的产业应用在消费性电子及汽车电子两大领域，其市场占比分别为 60% 和 20%，其余的 20% 则包括电信、医疗、工业和航天应用等。
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MEMS 是世界各国公认最具有前瞻性的研究领域，同时也是 21 世纪最具震撼力的明星产业之一。近几年来随着全球 5G 与物联网的快步发展，加速推升了智能型手机、穿戴电子设备、无人机、自驾车辆、工业 4.0 及智慧家庭等科技领域的 MEMS 应用需求，预期此将很快为 MEMS 产业迎来爆发性的成长。闳康科技于本期特别邀请了在 MEMS 研究领域顶尖学者 方维伦教授，为「科技新航道 | 合作专栏」撰文，全面介绍 MEMS 技术的应用发展概况，并详述其研究团队多年来在两大 MEMS 前瞻组件「微型扬声器」及「微扫描面镜」的技术开发成果，与读者分享此一重要科技领域的学术研究进展。 |
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闳康科技研发中心处长 陈弘仁 2022/11/28
超越摩尔的微机电系统技术！将传感器与致动器微型化
台湾清华大学动力机械工程系、纳微所：方维伦教授
机械工程系：刘世棋、罗松成
纳微所：郑皓谦、张书玮
（本篇由方维伦教授提供；闳康科技修编）
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微机电系统 (Microelectromechanical system, MEMS) 是一种透过半导体相关的工艺步骤，如黄光光刻 (Photolithography)、薄膜沉积 (Thin Film Deposition)、掺杂 (Doping)、以及刻蚀 (Etching) 等，在硅晶圆上制作微小机械结构的技术，也可以进一步和微电子组件整合，建构完整的机电系统，实现微型化的机械结构、传感器 (Sensor)、和致动器 (Actuator)，并应用于生、光、机、电等多元的范畴。
微机电系统藉由半导体工艺所带来的微缩 (Miniaturization)、集成 (Integration)、以及批量制造 (Batch Fabrication) 等优点，使得相关产品具有尺寸小、耗电少、价格低等诸多竞争优势，也成为许多新兴产业如物联网、智慧应用 (Smart-X)、元宇宙 (Metaverse) 的关键技术，其应用的范围与需求的数量急遽上升，图 1 为法国的市场研究公司 Yole 所预测的 MEMS 未来趋势。由于机械结构的特性，微机电系统不需要跟随摩尔定律 (Moore’s Law) 的脚步，致力于缩小组件的尺寸；反之，微机电系统可以提供半导体相关领域，藉由多样化 (diversification) 、亦即所谓的超越摩尔 (More than Moore) 的方式，来拓展半导体工艺的影响力和应用，因此具有重要的战略价值，值得国内相关业者加以重视。
图1 MEMS 传感器的未来趋势[1]。 |
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微机电系统的应用 – 从智慧生活、物联网、至元宇宙 |
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微机电系统的应用概略整理于图 2，可大致分为： 1.微结构，例如：探针卡 (Probe Card)、原子力显微镜 (AFM) 的微型探针，生医芯片的微流道等[2-4]。 2.微传感器，例如：麦克风、压力计、加速度计、陀螺仪等[5-7]。 3.微致动器，例如：喷墨头的加热器或压电致动器、德州仪器公司 (TI) 单枪投影机光投影芯片的面镜致动器等[8-10]。 目前微机电系统的产品仍以传感器为主，早期主要用于提升行车安全，例如胎压监控的压力计、安全气囊启动的加速度计；随后也陆续扩展至消费性电子产品，如助听器的麦克风、体感游戏机的惯性传感器等，而智能型穿戴装置和智能型手机，更是大量利用微机电传感器尺寸小、耗电低的特色，在有限的空间放置包括麦克风、加速度计、陀螺仪、磁力计、压力计、温湿度计、气体传感器等，提供消费者更多元的人机互动、更优异的操作体验、和更丰富的信息。 |
 图2 微机电系统应用领域[43]。 |
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近年来，随着物联网、大数据、人工智能、以及元宇宙等概念兴起，带动微型传感器和致动器的应用范围与需求，从系统的观点来审视，微致动器更是不可或缺的组件，2019 年 IEEE Medal of Honor[注1]获奖者 Dr. Kurt Petersen，受邀于笔者 (方教授) 于2017年主办的国际研讨会 Transducers 演讲时，即预测微致动器未来的重要性。 *注 1：此为 IEEE 最高荣誉，每年仅一位获奖者。 |
 图3 热致动的喷墨头操作原理示意图[11]。
图4 德州仪器公司开发的数字光处理技术所使用的微面镜数组[12-13]。 |
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微致动器与压电薄膜 |
微机电系统是利用半导体工艺于晶圆上批量制造与整合，因此微致动器和传统的机械致动器，例如内燃机和马达，无论在外型或驱动原理，皆有着极显著的差异，目前在文献上较常见的致动器包括：静电式 (Electrostatic)、电磁式 (Electromagnetic)、电热式 (Electrothermal)、以及压电式 (Piezoelectric) 等四个类型。前述 HP 喷墨头属于电热式、TI 光投影芯片属于静电式致动器。由于电热式、静电式致动器与半导体工艺有较佳的兼容性，因此许多研究皆以此二种方式作为致动组件。
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然而各式致动器仍存在待解决的问题，静电式致动器必须解决活动空间、静电吸附 (Pull-in) 效应、驱动电压等问题[15]、电磁式致动器往往需要组装相关的电磁组件，操作过程也有升温耗能的考虑[16]、耗能与可靠度是电热式致动器的隐忧、压电式致动器则受限于与半导体工艺兼容的压电薄膜取得不易、以及压电薄膜的稳定性[17-18]。由于压电材料出色的致动能力及广泛的应用潜力，近年来许多重要的研究和商业机构，皆积极投入压电薄膜工艺技术的开发，也有突破性的发展，使得压电致动器成为颇受瞩目的组件。
简言之，压电材料如氮化铝 (AlN)、锆钛酸铅 (Pb(Zr1-xTix)O3, PZT) 等等，具备将机械能与电能互相转换的特性，称之为压电效应，而根据其能量转换的方式，可进一步区分为正压电、逆压电效应，其中逆压电效应是将输入的电讯号转换为压电材料的线性形变 (电能转换为机械能)，如果设计如图 5 所示的多膜层堆栈的悬浮微机械结构，将使悬浮微机械结构顶端产生显著的位移输出，此设计即可作为压电致动器。
由图 6 得知，压电致动器的组成相当简单，主要包括结构层、电极层、和压电薄膜，因此膜层的堆栈及结构、压电薄膜的形状设计及材料，都会影响压电致动器的特性。关于压电薄膜的致动能力，通常取决于材料的压电系数 (机电转换能力)，如表 1 所示，在众多压电薄膜中，PZT 拥有出色的压电系数，是备受期待的压电致动材料。 |
 图5 作为压电致动器的悬浮微机械结构示意图[43]。 图6 压电致动器的膜层堆栈结构[43]。
表1 常见压电材料的压电系数。 |
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近年来，以 PZT 压电薄膜所开发的微致动器在应用方面，广泛受到注目的有微型扬声器 (Microspeakers)、自驾车及元宇宙的关键组件微扫描面镜 (Micro Scanning Mirrors)。 |
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微型扬声器 – 更具临场感的声效体验 |
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近年真无线蓝芽耳机 (True Wireless Stereo, TWS)、智慧眼镜 (Smart Glasses)、元宇宙扩增实境 (Augmented Reality, AR) 与虚拟现实 (Virtual Reality, VR) 等产品的需求持续上升，因此，决定临场感的关键 「听觉」相关组件颇受瞩目。
声场可依据应用情境分为开放声场的自由场、封闭声场的压力场，如图 7 所示。目前微型扬声器研发的方向以入耳式的封闭声场的压力场为主，为了让使用者听到更完整及具临场感的声音，会采用多单元的扬声器、并搭配分频器达到更宽广的频率响应，如图 8 所示。以 TWS 为例，利用磁致动的动圈式 (Dynamic Driver) 与动铁式 (Balanced Armature) 或压电陶瓷式 (Piezoelectric Ceramics) 的组成，形成多单元扬声器。 |
图7 开放声场的自由场及封闭声场的压力场的示意图[43]。
图8 多单元扬声器搭配分频器的示意图[43]。 |
在 TWS 的应用上，耳机内部空间有限 (尤其厚度方面)，上述三种扬声器仰赖传统加工制造，其扬声器体积难以再进一步缩小，且制造公差亦反应在声学响应上。因此微机电技术开发的微型扬声器便从中崭露头角，其中，提升压电薄膜材料的压电系数、更完备制造的方法接续产出，进而缩小尺寸 (厚度 1.5mm 以下[19-21]) 并降低驱动电压，然而声压大小与振膜的总出平面 (Out-of-plane) 位移量成正比，为了在缩小振膜的情况下满足声压需求，需仰赖结构设计以维持声压表现。
藉由微机电技术的优势，产品的一致性易有突破性进展，使算法能更精准地完成降噪 (Noise Cancellation)。此外，微型扬声器还有以下设计考虑，包含频率范围 (Frequency Response)、总谐波失真 (Total Harmonic Distortion, THD)、功耗 (Power Consumption)，其中频率范围会决定声音的完整度；总谐波失真则为与原始讯号不同讯号；功耗说明单位时间中所消耗的能源，对于 TWS 的使用时数尤为重要。
以方教授实验室所开发的组件为例，三种不同的微型扬声器振膜设计包括图 9 所示的封闭式振膜[22]、图 10 所示的部分封闭式振膜[22]、以及图 11 所示的悬臂式振膜[23]。首先是封闭式振膜，其振膜四周皆为固定端，且无任何结构缝隙，是最简易的结构设计、且工艺简单，但其性能易受薄膜残余应力的影响，致使振膜刚性往往大于原来的设计，高频声压表现较佳。
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图9 封闭式振膜[22]。 |
图10 部分封闭式振膜[22]。 |
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其次是部分封闭式振膜，此振膜透过结构设计，降低平面方向的刚性，除了可提升低频声压，亦得以透过初始形变来释放部分残余应力。此振膜的振动模态称为活塞模态，具有更大的平均出平面位移的优势，也有文献提到，相较于封闭式振膜的活塞模态，此设计拥有更好的输出音质[24]及一致性；最后是悬臂式振膜，此设计由单一或多重悬臂结构组成，与部分封闭式振膜相似，但有一端为自由端，相较于前面两种，能将残余应力完全释放，其一致性高。 |
图11 悬臂式振膜[23]。 |
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透过前述多单元扬声器搭配分频驱动原理，可利用微机电技术实现将低音喇叭 (Woofer) 与高音喇叭 (Tweeter) 放置在同一芯片，拓宽带宽[23, 25]再透过反向驱动技术，将位于单一芯片的多单元扬声器的声压及带宽优化，如图 12 所示[23]。因此，微机电压电微型扬声器结构可透过不同设计，将多单元扬声器整合于单一芯片，可有效的缩小扬声器的体积，并透过多单元达到更广的频域，且有更快速的机械响应 (Mechanical Response)。
换言之，输入电讯号使结构振动产生声压，然后将声压传递至人们耳朵，其间的机电声转换过程，相位延迟 (Group Delay) 量较低[20]。不仅如此，微机电扬声器功耗大约为传统的扬声器的一半。综合上述特色，微机电扬声器让使用者听到更完整的声音、较低的相位延迟、及更长的使用时间，能显著提升听觉体验。 |
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图12 多单元扬声器搭配分频器量测结果[23]。
迄今已问市的压电式微型扬声器产品仍屈指可数，因此尚处于萌芽阶段，Usound 于 2018 年发表图 13 的全球首款压电式微型扬声器 Ganymede[20]，为声学产业注入活水；xMEMS 于 2020 年发表利用晶圆级微机电工艺制作的压电式 MEMS 微型扬声器 Montara[21] (图 14) ，兼具尺寸优势与生产效益，提供未来扬声器市场更多选择性。整体而言，现有的产品存在着许多改善的空间，压电式微型扬声器的无穷潜力，将撼动传统扬声器所把持的生态。
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图13 Usound Ganymede [20]。 |
图14 xMEMS Montara[21]。 |
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微扫描面镜 – 虚实整合的视觉感受 |
约莫三十年前，德州仪器公司已透过光学投影芯片，为微机电致动器的应用提供了最佳的示范和想象空间[8]。而在光通讯蓬勃发展的千禧年前后，以微扫描面镜为主的光开关[26]，更是炙手可热的关键组件。历经显示、通讯等产业架构不断的更新与变革，微扫描面镜的应用也随之浮浮沉沉，近年来随着智能车辆、元宇宙等新兴的应用，微扫描面镜又再次站上舞台成为焦点，且还伴随着新兴的压电致动技术，相信在 Technology Push 和 Marketing Pull 的条件下，微扫描面镜会带来全新的光景与冲击。
典型的微扫描面镜如图 15 所示，主要的微结构包括弹簧、面镜、和致动器，其操作原理是利用前述的静电、热电、电磁、或压电等微致动器，驱动悬浮的微面镜和弹簧，然后以特定的频率进行周期性的往复扭转，此时，若搭配外接的激光源，将光束入射于微面镜，即可透过往复扭转的微面镜，将反射的激光点扫描成一维的线条，而更完整的微扫描面镜结构或系统如图 16 所示，甚至可将激光点扫描成二维的画面，藉此实现许多的应用。
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图15 典型的微扫描面镜结构示意图[43]。
图16 快慢轴微扫描面镜组合的二维扫描成像示意图[43]。
一般而言，可以将相关应用简单区分为：
(1) 成像：直接以激光扫描的画面作为投影成像的应用，如微型投影机[27]。
(2) 感测：以激光扫描的光点的反射作为感测的应用，如条形码器或光达 (LiDAR) [28]。
诚如前面微致动器的说明，由于工艺的兼容性与成熟度，早期发表的微扫描面镜，大多均由静电方式驱动，然而因高驱动电压、易产生吸附 (Pull-in) 效应等问题，使得其应用受到限制，尤其是操作条件较为恶劣、可靠度要求较高的车用环境。近年来随着压电薄膜技术逐渐成熟与普及，压电致动的微扫描面镜提供了车用环境一个关键解决方案。
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微扫描面镜的应用—光达 |
近年来随着智慧车辆的风潮在全球兴起，各大国际知名的半导体厂商陆续关注车用传感器的开发，其中，光达是透过激光来扫描周遭景物的主动遥测技术[29]，其拥有长感测距离和高影像分辨率，加上无论在黑暗环境中、抑或是降雨和起雾等天气条件下，皆能保持良好的侦测能力，是实现自驾车的关键技术。
目前有几项竞争技术可实现车用光达[30-32]，然因应微缩化的趋势，以微扫描面镜实现的光达系统逐渐受到重视，相比于采用旋转马达来进行激光转向的传统机械式光达，基于微扫描面镜的光达系统拥有体积小、耗能少以及成本低的优势，在车用光达的应用领域中相当具有竞争力。
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微扫描面镜的应用—车用抬头显示器 |
近年来元宇宙的相关议题热络，汽车产业在其中的商机，也引起了许多关注，许多车厂尝试将扩增实境 (Augmented Reality, AR) 和虚拟现实 (Virtual Reality, VR) 等技术应用与汽车中，让驾驶者有更加良好的行车体验。其中，扩增实境式抬头显示器 (AR HUD) 能以扩增实境的方式，呈现与外界环境互动的影像，如图 17 所示[33]，让元宇宙的应用加入汽车中，带来新的商机。
以微扫描面镜作为控制光行进路径的组件，结合如图 18 中 RGB 三原色的激光，可实现投影成像技术，称之为激光扫描成像 (Laser Beam Scanning, LBS)[34]。与现有的技术相比，目前的抬头显示器多以薄膜晶体管液晶显示器 (TFT-LCD) 来呈现影像，虽然技术成熟且成本低廉，可惜其亮度不足，不易在有强环境光的情况下看到影像，而 LBS 技术使用激光，所以拥有高亮度的优点，非常适合车用抬头显示器的应用，是未来相当看好的技术。
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图17 AR 抬头显示器[33]。 |
图18 结合 RGB 三原色激光的 LBS 成像技术[34]。 |
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透过结构刚性、振动模态等机械特性的调配，压电薄膜和驱动电极的分布等等，得以实现较佳的驱动组件和传动结构的设计，以获得更优异的扫描频率、扫描角度等性能指针。 |
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微扫描面镜组件可以根据操作的特性，区分为共振式和非共振式驱动[35]，以及一维扫描和二维扫描面镜[36]，就应用的角度而言，微扫描面镜有三项关键的设计考虑，包含扫描频率、扫描角度、以及面镜的尺寸，其中扫描频率会决定激光感测、或成像的像素密集度和更新率；扫描角度则定义了激光感测的视野范围、或光学成像的画面大小；面镜的尺寸则与激光感测的最远距离和成像分辨率正相关[37]。
微扫描面镜设计的挑战，即来自上述扫描频率、扫描角度、以及面镜尺寸等三项设计指标的相互权衡 (Trade Off)，举例来说，面镜尺寸增大时，将提升其转动惯量，使得扫描角度和共振频率降低；另外，降低弹簧刚性可提升扫描角度，然而共振频率却因此而下降。由此可知，三项指标很难同时达到改善的效果，需根据应用规格来决定设计的优先级，因此现存的压电式致动器，有非常多元的结构设计，如图 19 所示[38-41]。 |
图19 现有的压电致动微扫描面镜有多元的结构设计[38-41]。 |
以笔者 (方教授) 实验室所开发的扫描面镜为例，说明其在设计上的考虑。图 20 为以悬臂压电致动器驱动的微扫描面镜设计，中央面镜周围的四组弯折式致动器为驱动源，随着驱动电压的输入，悬臂末端将产生一末端位移，藉此带动面镜偏转。该设计藉由弯折式的悬臂梁结构，延长致动器的等效长度，藉此让这些致动器能够在相同驱动条件下，达到更大的末端位移，进一步使面镜转动的角度增加。
图 21 为另一种微扫描面镜的设计，该设计运用双边对称的半月形压电致动器，作为振动能量的产生器，并且藉由绕折状弹簧设计连结面镜本体和压电致动器，将振动能量传递到面镜，使其产生出平面方向扭转。绕折状弹簧设计会显著影响振动能量传递的效果，以极端状况为例，当弹簧设计刚性 (Stiffness) 太低，意味着弹簧太软，所有的振动能量会由弹簧自身吸收，弹簧会因而产生很大的形变，但是能量并没有传递到面镜；当弹簧设计刚性太高，意味着弹簧太硬，面镜与致动器之间强链接限制了致动器的运动，使其振动效果不佳。
图20 弯折式致动器的面镜组件[43]。 |
图21 半月型致动器的面镜组件[43]。 |
压电式的微扫描面镜目前仍处于研发阶段，除了机械结构的设计会影响性能表现外，由于微扫描面镜在应用过程中需要长时间的高频操作，压电薄膜可靠度以及稳定性也是迈向产品化前，必须掌握的两大议题，不少学者针对环境温湿度以及组件循环测试等条件，进行相关的研究[42]，以确保压电组件在各种条件下皆能稳定操作。整体而言，压电式微扫描面镜具有优异的光学扫描特性及市场优势，近年来吸引各国的产学研界的团队投入研究，也加速了压电式微扫描面镜的开发，在智慧车辆以及元宇宙的推波助澜下，微扫描面镜更找到了一个发挥的舞台，该组件未来是否会大放异彩，且让我们拭目以待。
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结语 |
透过半导体相关工艺实现的微机电系统，目前已有广泛的商业应用，也具有重要的战略价值，可以进一步延伸半导体产业的影响力与竞争力，值得相关业者的重视。近年来除了微传感器，微致动器也颇受瞩目，尤其是以压电薄膜制造的微致动器和相关应用，本文介绍了两项颇具潜力的压电致动器组件 - 微型扬声器与微扫描面镜，这两项致动器的应用遍及智能载具 (包括车辆、无人机、搬运车等)、元宇宙等多种新兴产业，吸引众多研究团队和企业投入，因此陆续有性能优异的组件问世，相关的封装以及量测技术也越来越完善，希望藉由本文的抛砖引玉，带动产业和人才及早布局相关技术。
近年来由于业界看好压电薄膜传感组件的潜力，因此吸引许多仪器供货商和晶圆制造商，投入关键设备与材料的开发，预计可以加速压电薄膜传感组件商品化的脚步。另一方面，压电薄膜机械性质的探讨，以及其对于相关应用可靠度的影响，都是未来成功商品化必须面对的挑战，也期许产学研单位及早建立材料和组件的测试技术，深化压电薄膜传感组件的竞争力。
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闳康编辑室后记 |
微机电系统 (MEMS) 技术起源于 70 年代，迄今共历经了 4 次重要的产业发展热潮。第一波产业热潮发生在 80 年代的初期至中期，当时对于硅压阻特性与硅材体加工技术方面的研究已渐成熟，因此发展出硅压阻式压力传感器和电容式加速计产品，并广泛应用于汽车及工业领域。第二波发展热潮出现在 90 年代附近，当时个人计算机及信息产业正蓬勃发展。
1988 年时，惠普 (HP) 公司在市场上首度推出热气泡式 MEMS 喷墨芯片产品，而德州仪器 (TI) 公司也在 1996 年时开发出数字微反射镜组件 (Digital Micromirrors Device, DMD)，并成功运用在商用投影机及显示器上。此两项重要的 MEMS 产品深深影响了整个世界。即使到了现在，此两产品在全球仍然个别保有超过 50% 的市占率，而 HP 与 TI 两家公司，也仍是 MEMS 市场营收名列前茅的主角。
在 90 年代中后期时，随着全球光通讯产业快速兴起，带动了当时 MEMS 领域的第三波市场热潮。此波光通讯产业成长约在 2000 年时达到了最高峰，但随后由于全球宽带通讯的实际市场需求远不如预期，使得该产业迅速泡沫化并进入萧条，而相关的 MEMS 发展也随之式微。光通讯产业一直到 2004 年之后才又逐渐恢复好转，但之前 MEMS 市场的强大发展动能已不复见。到了 2006 年左右，由于任天堂 (Nintendo) 游戏机 Wii 采用 MEMS 技术实现体感控制的创举，掀起了第四波应用在消费性电子市场的发展浪潮。
许多的消费性电子装置 (尤其是智能型手机) 藉由大幅整合包括加速度计、陀螺仪、电子罗盘、压力传感器及微麦克风等 MEMS 组件，来达到诸如体感控制、定位导航、系统保护、语音识别等系统功能。目前全球智能型手机的数量已高达 15 至 20 亿支，而每部手机皆使用超过 10 颗的传感器。此具有庞大商机的消费性电子应用市场，需求规模仍在持续不断地扩大当中。然而，数年之后，当此波市场发展达到饱和时，所有人不免要问，下一波 MEMS 产业可能的新亮点又将会是什么?
在 2014 年台湾半导体产业协会 (TSIA) 的年会中，张忠谋以「Next Big Thing」为题发表演说。他表示，下一个 Big Thing 将会是「物联网 (Internet of Things, IoT)」，而 IoT 商机可望于 5 到 10 年内萌芽，IoT 即将建构的美好生活令人充满想象。人类将透过一个由全球数亿人所共有共享的巨型智能网络基础建设，进行全面性的社群交流与信息分享，并且经由链接实体对象及虚拟分析整合，达到无所不在的侦测、识别、控制及服务。根据全球知名咨询机构 McKinsey & Company 预估，2025 年全球 IoT 市场规模将高达 6.2 兆美元，面对如此丰厚的产业商机，已吸引了包括 Apple、Google、IBM、Samsung 等众多国际大厂争相布局发展。
IoT 整体架构基本上是由感测层、网络层及应用层所组成，而其三大关键技术类别则包括传感器、网络通讯以及大数据分析，特别是传感器技术，为 IoT 智慧基础建设中最核心的项目。未来 IoT 可藉由亿万个遍布于体内、体外与周围环境中的智能感测装置，长期收集记录所有关心的目标讯息，并利用先进分析技术处理这些巨量数据，持续创造出预测性算法或智动化系统，来达到改善能源使用效率、提供优质医疗服务、增加生活舒适便利性、降低安全风险、以及提高生产力等目的。
依据市场研究资料，在 2007 年时已有 1000 万个传感器将各式各样的装置链接到因特网上；而 2013 年时，联网的感测装置已激增到 35 亿个。预估到 2030 年时，连结 IoT 的传感器数量将超过 100 兆个之多。凭借半导体晶圆工艺的成熟优势，MEMS 传感器具有灵敏度高、性能均一、成本便宜、可批次生产等特点，不仅适合普及应用在数量庞大的消费性电子产业，未来也必然成为 IoT 感测应用市场上的营收亮点。
随着 IoT 应用需求强势崛起，预期很快此将会为 MEMS 迎来下一波的产业发展热潮。根据市场研究预估，全球 IoT 传感器市场在 2018 年至 2023 年间，营收规模将由 52.8 亿美元增加至 224.8 亿美元，复合年成长率 (CAGR) 达到 33.6%。而未来 10 年，该市场规模也将大幅增加超过 300%。若是以 IoT 传感器需求爆发的可能时间点区分，首波 MEMS 产业应用热潮应仍会是在行动装置与智能穿戴产品市场，其次为车辆物联网，之后才会真正进入到需求广泛且种类多样化的工业物联网 (IIOT)、以及智能城市等基础设施应用。
IoT 应用环境条件严苛、且系统布建愈趋复杂，各种技术困难也必然愈来愈多，例如网络带宽、延迟、能源消耗、系统可靠度 (Reliability) 等关键性问题，都必需逐一克服。面对即将到来的万物互联时代，MEMS 传感器除了持续有更多创新组件问世、以因应各种不同智能互联需求外，其在整合功能方面也将发生巨大改变，而预期必然出现的三大系统整合趋势包括嵌入人工智能 (AI) 的边缘运算 (Edge Computing)、自测试 (Built-in Self-test, BIST)、以及能量采集 (Energy Harvesting)。
现有的 IoT 系统仍然停留在简易的监控与分析功能，当 AI 技术成熟时，将可赋予 IoT 系统高效的物体辨识、语音沟通、及决策判断等能力，使升级进化成「智慧物联网 （AIoT）」。边缘运算技术是 IoT 系统中极为重要的环节，例如最受瞩目的无人车自动驾驶系统，即需仰赖边缘运算来提高信息反馈的速度与效率。该运作机制主要由大量车体配备的 MEMS 传感器采集周遭环境数据，再透过高效计算能力的边缘运算系统进行信息处理，并将该演算结果依需求回传至终端设备或上传至云端，藉此同时取得最佳的通讯能力及应变速度，提升自动驾驶的可靠度与安全性。
根据市场观察，结合 AI 的 MEMS 传感器产业生态圈已在逐渐成形，例如 Bosch Sensortec 在 CES 2021 中，发布了使用具有嵌入式 AI 的 MEMS 惯性传感器的穿戴式装置，而其它 MEMS 大厂包括 STMicroelectronics、Infineon、ADI、Knowles、Vesper Technologies、以及许多新兴的 AI 系统公司例如 Syntiant、Cartesiam 与 Aspinity 等，都已实质进入该市场竞争、并已推出相关应用产品。此外，感测芯片的高稳定性也是 IoT 应用极其必要的要求，尤其当采用于自动驾驶、或生物感测等领域时，传感器需要能极长时间维持稳定运作，其一旦出错，将可能造成难以估计的危害或损失。因此，IoT 传感器的超高可靠度需求将会是未来一大技术挑战，而内建自测试系统也将成为确保 IoT 应用安全性的必要功能。
MEMS 能量采集技术是未来在 IoT 系统应用上，有机会解决大量且广泛散布的微感测芯片群、其供电管理困扰的终极方法。之前 MEMS 能量采集组件因受限于物理尺寸微小，通常仅能产生不到 1mW 的微量电力、难以实际应用。而近年来，随着纳米及压电材料科技的进步，能量采集组件在关键技术上已取得了相当大的进展。许多知名公司看准未来 IoT 市场感测应用的庞大商机，已纷纷对此前瞻技术展开布局、甚至抢先推出先导产品。例如美国 IoT 系统公司 Wireless Sensor Solutions LLC，其在 2017 年藉由收购新创公司 MicroGen Systems 来快速取得其转化环境机械振动成为电能的 MEMS 压电能量采集技术，用以建立具有市场优势的 IoT 无线感测节点产品。而日本 Fujitsu 公司也已自行开发出可同时经由光与热两种不同来源获取能量的复合式 MEMS 能量采集组件，并实际应用在自家数款 IC 产品的超低功耗电路上。根据 Fujitsu 表示，未来拟将该技术进一步导入家庭与建筑物中实现能源管理，以及农场无线感测网络的智能检测应用。
许多国际大厂包括 ADI、Atmosic、EnOcean、Metis Microsystems、ONiO、Powercast、Renesas Electronics、STMicroelectronics 和 Texas Instruments 等，都已陆续推出不同的能量采集技术方案。可以预见在未来无须额外提供能量即能正常运作的 MEMS 微芯片，必然会广泛应用在人体医疗植入或周遭环境中，尤其是一些传感器需求数量较庞大的无线监控网络，例如生态环境监测、灾害预警系统、或智能生活空间等。藉由四周环境包括太阳热能、人体温度、步行运动、无线电波、工业设备和道路附近的振动等来源采集免费能量，无须管理或解决困扰的芯片供电问题。随着 MEMS 能量采集技术发展逐渐成熟，相信在不久的将来，很快就能见到结合无线传输功能、且无须供电的智能感测芯片迈入商用化、普及应用于生活环境当中，成为 MEMS 领域当中最具爆发力的创新应用之一。
本篇文章针对 MEMS 重要组件技术及其应用，提供了全面性的介绍。作者方维伦教授是全球 MEMS 研究领域最顶尖的学者，于台湾清华大学担任教职已达 24 年，主要是从事 MEMS 传感器与微系统的相关研究，期间发表了近 500 篇的国际期刊和研讨会论文。由于杰出的研究表现，方老师获得了许多重要学术奖项，包括 3 次科技部杰出研究奖、IEEE Fellow (美国，第一位在 IEEE Sensors Council 获选为 Fellow 的台湾学者)、IOP Fellow (英国) 等，并担任微机电与传感器领域顶尖 SCI 期刊主编和编辑。方老师平日也积极协助产业界发展，除了培育近 50 位博士级高阶人才投入业界，同时也时常透过产学合作解决业界各种技术问题、获证的发明专利数量超过 130 件，其对于MEMS 传感器和物联网的产业创新与国际化，具有相当卓越的贡献。闳康科技非常荣幸今年度可以和方教授携手进行产学合作计划，提供该团队在 MEMS 压电感测组件研究上所需的完整分析服务。闳康科技拥有完备的检测设备与专业技术经验，能全面满足电子材料、工艺及封装方面的各种分析检测需求。
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