微機電元件在科技產品的嵌入式應用
- DIGITIMES企劃
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微機電系統(MEMS)是將微型電子元件與機械元件融合在一起的工業技術。眾多MEMS元件供應商在製程與技術的提升之下，使得MEMS元件朝體積更小、功能更多元、能耗更低來設計，以應用在各式各樣的電子科技終端產品、以及汽車、醫療、國防、航空等工業領域。至於當紅的消費性電子產品，皆內建了MEMS傳感元件，實現了讓消費者以體感方式來操作手機。接下來就讓我們看看MEMS技術在科技產品的嵌入式應用現況…
嵌入式科技產品提升人們的資訊生活品質，在近年來在講究輕薄短小的產品設計趨勢之下，微機電系統(MEMS；Micro-Electro-Mechanical Systems)技術應運而生，例如整合了微小的馬達/溫度計/壓力計/羅盤/感應器/光學相機/羅盤…等各式元件，讓產品設計時方便整合進去，達到產品所訴求的功能。
由於任天堂Wii率先為遊樂器市場開啟體感操控的新玩法，而蘋果iPhone智慧型手機與iPad平板電腦也率先為消費性電子市場開啟多指觸控操作的新互動方式，徹底改變傳統電子產品以鍵盤、滑鼠、搖桿的操作習慣。如今手勢、體感操控已成為目前電子產品開發的新趨勢，新一代的電腦、電視也朝向體感控制來設計，使得MEMS市場需求量逐年暴增。
而運用到體感控制技術的資訊科技產品中，最常應用到的MEMS傳感元件，不外乎慣性感測器(IMU；Inertial Measurement Unit)—主要用來偵測物體運動的元件。IMU包含了加速度計(Accelerometer或G-sensor)、陀螺儀(Gyroscope或Gyro)、磁力計(Magnetometer或M-sensor或稱E-Compass)。
其次用到的就是光學傳感元件，包括攝影機(Camera)、距離感應器(Proximity Sensor)。此外更有內建環境感測元件的，如溫度計(Thermometer)、氣壓計(Barometer)、濕度計(Hygrometer或Humidity Sensor)、壓力計(Manometer或Pressure Sensor)、計步器(Pedometer)…等等。
MEMS在遊樂器的應用，主要改善操控精準度
以任天堂Wii的控制器(Wii Remote)內部的體感控制元件來看，就有加速器和紅外線感應器(IR Sensor)。前者主要以意法半導體(ST)的ADXL300三軸加速度感測器模組，來偵測手部移動來進行控制，達到體態控制的目的。而後者則用來與放在電視前的紅外線感應條，做為光學追蹤遙控器的位置之用。
由於Wii Remote定位不精準，因此新版本Wii Remote Plus、MotionPlus中再加入陀螺儀，可測得角速度與姿態等變化，改善遊戲的操控度，兩個元件的結合，能讓體感操控更加精確。隨後任天堂也在新推出的掌上型遊戲機(Nintendo 3DS)，除了加入觸控螢幕控制之外，也內建了3軸加速器與3軸陀螺儀。在最新的Wii U更加入了3軸磁力計(電子羅盤)，以協助校正控制器的絕對方向，讓遊戲或其他體感應用程式的操作與感應上，更加精準。
另一家日本遊樂器大廠Sony，在其PS Move控制器中，不僅加入了加速器、陀螺儀、電子羅盤，也能搭配PS Eye上的攝影機來捕捉PS Move控制器上方的LED燈球，以偵測玩家的遠近距離。此外PS Eye也內建MEMS陣列式麥克風，可由多組麥克風同時錄音，並透過交叉比對將雜音消除。
值得說明的是，相較於前兩者必須以手持控制器的方式來進行體感遊戲之下，微軟的Kinect感應器，則是完全不需要玩家手上拿任何東西，採用光學/聲學追蹤的技術來偵測玩家身體的動作與手勢。三個鏡頭中，中間為RGB Camera，左右兩邊為紅外線發射器和紅外線CMOS Camera，以構建出3D深度感應器，還有追焦技術，讓其底座的馬達會隨著對焦物體移動跟著轉動。而且其陣列式麥克風可以降噪。
MEMS在手機/平板上的應用，以慣性感測器與定位為主
上述中的新一代遊樂器裡，2010年起都陸續內建完整的3組IMU慣性感測器。至於在智慧型手機/平板電腦部分情況也類似，也就是2009~2010年以前的機種，大多內建加速器與磁力計，而大約在2010~2011年以後，就陸續添加陀螺儀，內建完整的3組IMU元件，讓遊戲控制、程式互動與定位上更加精確。包括宏達電(HTC)、三星(Samsung)、索尼 (Sony)等廠商的規劃大多是如此。至於蘋果部分，其2010年發表的iPhone 4和2011年發表的iPad 2，就提早內建3組IMU元件。
除以上IMU元件的應用，距離感應器在2010年起就開始內建於智慧型手機，可以偵測人臉貼近手機講電話時，自動將螢幕關閉，以節省電力。至於GPS(衛星定位)功能，則手機都幾乎都有內建。平板則是WiFi機種沒內建GPS，有Cellular功能(支援行動數據)機種的則有內建GPS(三星平板則全系列都內建GPS)。
至於其他感測器的應用部分，2013年蘋果發表的iPhone 5s，還內建指紋辨識系統(Fingerprint Sensor)，蘋果稱之為Touch ID，確保個人資料安全。至於三星也有新花樣，例如Galaxy S3加入氣壓計、光顏色感應器(Light Sensor)，而2013年發表的Galaxy S4，更增加了溫度計、濕度計，成為戶外運動的利器。
MEMS在電腦上的應用，朝整合單顆Sensor Hub晶片設計
Windows 8欲打造更好的使用者體驗，除支援多點觸控之外，也直接在系統需求列表上，將MEMS的3個主要的慣性感測器(加速計、陀螺儀、磁力計)與麥克風列為標準配備，此外像是溫度、距離感測、環境感測、甚至GPS定位功能等系統，也有相關的Sensor API(傳感相關的應用程式呼叫介面)，供程式開發者充分應用。
由於PC屬開放平台，在不同的硬體設計下，勢必要有個系統設計規範遵循。對PC硬體業者來說，在筆電/平板導入多軸MEMS感測器，除了為產品輕薄度帶來考驗，且如何確保各式感測器在共同運作時，保持高度的精準性，同時還要能解決各零組件之間的電磁干擾(EMI)，可說是一大考驗。因此，Windows 8的硬體設計規範中，就規定必須搭載一個Sensor Hub晶片，以整合各種感測資訊。
Sensor Hub晶片業者目前有: 意法半導體(ST)、和應美盛(InvenSense)、AMTEL，該晶片直接將上述的各種MEMS與微控制器(MCU)做整合，進一步打造Sensor Hub單晶片，這個不到2美元成本的32位元Cortex-M1核心微控制器(MCU)，已通過微軟認證，不僅可讓PC業者免花時間解決佈線問題，既可省電又簡化設計，且認證工作也可省略，能夠加快產品上市時程。
因為Sensor Hub的構想與立意不錯，讓手機大廠們也紛紛實作，例如蘋果的iPhone 5s中，其M7就是類似Sensor Hub加上協同處理器的設計。而Google的Android陣營，也有Galaxy S4、Note 2、魅族MX3皆有使用到Sensor Hub的技術。新一代Android 4.4 (代號Kit Kat)也導入Sensor Hub的架構，以簡化感測器的佈線複雜度。
MEMS在其他裝置上的應用
MEMS技術的日益普及，讓應用的觸角擴及智慧電視、通訊產品、智慧手錶，發揮出體感控制能力。例如智慧電視遙控器加入體感控制技術，便可如同遊戲機控制器那樣來操控電視。
而通訊設備上加入光學追蹤與體感控制，便可在進行視訊會議時，能自動感測到使用者位置、距離，進而動態調校畫面對焦，加上MEMS陣列麥克風，亦可收到最佳化降噪後的免持對話語音。
至於在智慧手錶上，除了用來當作智慧型手機的助手之外，廠商也開始加入上述的各式環境感應器，讓用戶在戶外運動時，亦能夠成為私人的運動教練。
