手機用微機電(MEMS)元件的現況與發展：材料世界網

長期展望，手機承載MEMS元件的可能性很高，因為可運用MEMS技術實現手機的新功能，而新功能的創造可望為手機形成市場區隔帶來商機。目前手機可應用到的MEMS元件，有如美國Knowles Electronics的矽麥克風、美國MEMSIC與日本愛知製鋼的加速度/地磁感測器、美國Avago Technologies的FBAR濾波器等；今後，天線或濾波器切換用RF-MEMS開關、MEMS震盪器等都有可能進到手機裏，甚至顯示器可內藏投影機，投影於超越手機小小框框的外部螢幕上，深具魅力。

MEMS麥克風
目前手機用小型麥克風現在廣泛採用的是駐極式電容麥克風ECM(Electlet Condenser Microphone)，根據市調機構Yole Development 資料顯示，2005 年全球麥克風出貨為20億顆，其中MEMS麥克風出貨約為1億顆，滲透率為5%，其餘全是傳統駐極式電容(ECM)麥克風的天下，然而在技術持續演進下，估計到2010年全球麥克風出貨為32.2億顆，其中MEMS麥克風出貨量將會達到8億顆，滲透率躍升至20%以上。

但由於駐極式電容(ECM)麥克風使用有機材料耐熱性不佳，組裝時無法適用於自動化生產線上，必須另外用手作業，生產效率不佳。而矽麥克風乃利用MEMS技術製造的下一代麥克風，而且大部分製程與CMOS LSI共通。矽麥克風主要承載在手機上，可耐200℃以上的高溫，可以與其他零件一起放進自動化組裝生產線上組裝，提高產能。MEMS 麥克風其具有極小的體積及耐高溫兩個獨特的性質，使得它成為輕薄型手機的絕佳選擇。

據WTC(Wicht Technologies Consulting)的調查，矽麥克風的市場規模，2005年為5600萬美元，到2010年預料將成長為6億8000萬美元。MEMS 麥克風全球市佔率最高廠商為樓氏電子(Knowles Acoustics)，目前單月產能達1,500萬顆，在全球手機應用市場上有20％的市佔率，在助聽器市場上則享有80%的佔有率，另外Akustica 、Sonion、MEMStech等亦先後進入商業量產。

矽麥克風廠商動態
1. Knowles Electronics
Knowles Electronics在助聽器領域約有80%的市占率，應用自家擁有的專利技術Diaphragm構造確立矽麥克風的耐振動特性，推出世界最早量化成功的矽麥克風(如圖二)，主要應用對象為手機、數位相機、可攜式音響、MP3、PDA等。

圖二、Knowles Electronics量產的矽麥克風
www.takachiho-kk.co.jp/products/semicon/knowles/knowles.html
圖二、Knowles Electronics量產的矽麥克風
資料來源：Yole Developpement

RF-MEMS
目前隨著手機等攜帶型通訊產品應用越來越廣，相對的RF-MEMS的研發亦轉趨積極。據推測大約在2010年代左右，這一類手機將成主流。使用RF-MEMS的好處，如省電，Zero Static少開關，耗電力低；可以將多個被動元件與主動元件統合起來，以降低插入損。此外，元件可各自獨立，可以發揮小型的優勢。目前可以預見RF-MEMS將可用於Switchable Capacitors、Multi-layer Capacitors、傳輸線、可變電容等應用。但若要將RF-MEMS用途擴大其關鍵在於：
1. 成本：必須開發新封裝技術來解決成本問題，同時考量大小、複雜度的對應。
2. 可靠度：重點在設計與製程上應努力克服可靠性問題。
3. 控制性：目前驅動電壓仍高，需加以克服。目前Wispry公司正在開發以40V來驅動MEMS元件。此外，傳統MEMS開關的時間也比一般半導體元件遲滯，主要原因是空氣阻尼衰減問題，Wispry亦已有解決之道。

Wispry推出全球首款整合式RF-MEMS元件的樣品。這款MEMS晶片是採用CMOS製程的一組數位電容器陣列，可動態地匹配手機天線阻抗，因而避免手機收訊不良並延長電池壽命。該公司還會陸續推出一系列RF-MEMS元件，並希望最終達到RF的最高境界─軟體無線電 (Software radio)，一種能夠被調節至頻譜中不同波段的超寬頻(Ultra-wide band)通訊頻道。

在RF-MEMS晶片的開發過程中，WiSpry已經累積了一系列MEMS製程技術，包括應用於不同類型RF前端的CMOS、SiGe和GaAs整合製程。該公司還改善了一項可將其MEMS基礎架構與外界隔離的晶圓級封裝製程，透過標準CMOS製程設備即可實現MEMS晶圓的加工，使其成本像ASIC一樣低。該公司已經就其MEMS製程申請了多項專利，包括用於確保晶片長時間可靠性的點焊(contact welding)技術，和用於避免靜電效應的三層梁結構(Triple-layer
beam structure)。

另外東芝於2008年2月發表開發RF MEMS元件，主要開發產品為可調式電容器，其構造如圖四，目前持續進行量產技術開發，預定2010年商品化。目前其最大困難點為Charging的電荷累積現象。也即隨著使用時間的加長，電荷被配置於對向電極間的介電體（絕緣膜）捕獲，電荷和電極間的引力導致電極無法移動分離。(RF-MEMS驅動方式可分為「靜電型」與「壓電型」致動器，前者有Contact力強，也可以利用無線系統送信等好處。另一方面，注入到絕緣膜內電荷有蓄積過量（Charging）現象，造成可靠度與耗電的課題。)

為避免此現象一般採取除去介電體，改以空氣層作為為絕緣膜的方法。但此方法無法得到大容量及容量比。另外，當要改變電容量時，需要在電極間施加高電位差，移動電極時就需要高電壓，耗電量就會增大。東芝的解決之道是採用將雙極(Bipolar)驅動進一步發展成「智慧型雙極驅動(IBA)」的迴路技術。東芝將可監視絕緣膜內電荷量的電路設計在迴路內，採用可因應電荷量改變電場方向，藉以控制電荷注入量的IBA。具體言之，每次驅動時檢測囤積的電荷，根據其正負極性以及電荷量向電極，施加消除積存電荷的電壓。如此以來，電荷不會囤積到一定量以上，也就不會引發因Charging現象帶來的故障。

圖四、MEMS可變容量的構造
圖四、MEMS可變容量的構造

手機不可或缺的FBAR模組
Avago公司的FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)濾波器已成為CDMA或WCDMA3G手機不可或缺的元件。大小0.5mm2的FBA的優點在於Q值高，因此，在Pass Band的插入損失非常低，Out of Band有很高的反射(如圖六)。利用此特性開發的產品有如，低損、高雜訊除去率的GPS用濾波器與PCS雙工器(Duplexer；收發信共用器)，後者在美國有利用PCS Band的頻率進行手機服務。

圖六、Multiplexer的特性
圖六、Multiplexer的特性

Avago公司的FBAR的優點，在於利用晶圓級構裝(Wafer Level Packaging；WLP)技術，作出使MEMS元件不受外界影響的環境。FBAR濾波器係在矽基板上製作，利用的是CMOS製程，使用的Micro Cap技術目前已經發展至150mm晶圓，在此晶圓上可以形成3萬個以上的畫素，甚至可以加上wire、bond、pad等。針對FBAR的封裝，Avago正在著手開發第四代技術，其Footprint為3x2.5mm。總之，FBAR已是成熟產品，技術也已確立，Micro Cap技術於1998年開發，2003年商品化。根據德國WTC市調公司2007年的市場分析，FBAR的市占率Avago佔74%，第一位；德國Infineon Technologier AG佔23%，為第二位。

手機用MEMS掃描器
日本信號利用MEMS技術開發掃描型Mobile Projector，解析度為SVGA(800x600畫素)，離開1米遠可得A4大小的影像顯示。MEMS掃描器雷射光掃描範圍為水平方向+-12度、垂直方向+-6度。綠色光源使用近紅外光半導體雷射，利用SHG(Second Harmonic Device)元件半波長化。

Microvision 在今年CES展(Consumer Electronics Show)中，展示新的手持式投影機原型，其使用單微鏡面配合雷射掃瞄技術，其電力使用電池，預估每次充電後可約使用2.5小時，並可提供隨插即用功能。其投影之影像，基於投影距離，可呈現12吋(30 cm) 到100吋(2.5 m)大小之影像。重要的是其影像焦距會透過其雷射技術進行測距，以確保投影影像焦距正確。Microvision指出其投影畫面品質可達到DVD的品質(WVGA，848 X 480 pixels解析度)。

Microvision Pico projector images