平板裝置開發整合MEMS感測器應用趨勢
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微機電系統(MEMS)，是一種利用微米級的立體結構、來實現感測動作或執行功能的一項關鍵性技術，在目前最熱門的行動裝置中，如iPhone、iPod Touch、iPad等裝置裡，被大量使用於電玩與其他加值應用，發展出截然不同的行動裝置應用趣味，也成為目前行動裝置必備的重要功能項目。
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術並不是太新穎的未來科技，其實已是持續發展中的電子技術，因為早期在電子技術無法有效縮小製品體積，多侷限用於汽車產業或是工業用途，因用量限制，其製品成本也無法有效降低。
但隨著MEMS技術持續發展精進，讓MEMS的相關元件持續縮小，性能表現也持續提升，因為體積具備整合於PCB的集積化優勢，讓其應用設計逐步出現新的契機，例如，Apple熱賣的iPhone、iPod Touch與iPad，大量的應用控制基礎，都是建構在全機多種功能的MEMS感測元件，除Apple大量採行外，平板電腦、行動裝置甚至硬碟機等，也大量使用MEMS提升功能表現、並創造更高的附加價值。
積體電路產業造就MEMS普及契機
積體電路(Integrated Circuits；IC)的製造技術，其實是MEMS產品可以持續縮小的基礎，例如，IC的光罩蝕刻正好以在矽晶片基礎上進行極度精密的機械結構設計，甚至做到製成極微小的立體機械結構，把原有的製品體積濃縮到僅有晶片尺寸。
MEMS縮小化的趨勢剛好順應了行動裝置的極度薄化、輕量化潮流，因為行動裝置如平板電腦，必須把有限的空間讓給面板、電池等關鍵元件應用，對於PCB上的零組件多採SoC或是整合晶片取代，也沒有更多空間可供裝載，IC化的MEMS元件正好可以在任意尺寸的裝置進行應用。
在實務的MEMS開發，雖然製品的基礎不見得一定只能採用矽晶片，但多數MEMS元件仍偏好採行矽材料作為開發基礎。因為矽原料具備優良的電氣特性，亦具備一定程度的機械強度，加上對於熱的反應也不錯，也可延續原有的IC生產經驗，可善用Integrated Circuits產業現有的經濟規模讓MEMS元件能有更好的成本優勢與導入商品應用的機會。
電子商品導入MEMS功能效益
基本上MEMS能做到的事情並不多，其功能項目多半較為單一，未如觸控IC這般複雜，相較之下反而其工作更為簡單許多，例如，三軸的加速度感應MEMS元件，在IT產業多半用來整合較易損壞的電子裝置應用，如筆記型電腦為了防止摔落造成內部元件損壞，高階產品會整合三軸加速度感應器，當筆電摔落事故發生時回即時把摔落警示傳回系統確認，讓BIOS或是關鍵零組件能即時做好危機處理應付即將遭遇的摔落衝擊，減低產品損失。
除筆記型電腦外，也有硬碟業者直接把三軸加速度感測MEMS與硬碟機PCB的電子電路整合，即便使用者購買的筆電未提供防摔落感測MEMS設計，但硬碟本身即具備摔落感測MEMS元件，自然可以在裝置出現碰撞或衝擊時即時反應，把極易受摔落衝擊損壞的讀取臂停靠安全位置，因應衝擊發生，藉此減少器材損失。
三軸加速度感應器 生活化應用廣泛
在眾多功能性的MEMS元件中，以可以感測空間動態的三軸加速度感應MEMS元件使用最廣，像是計步器、健康間監測器這類裝置，就是三軸加速度感應的代表應用，例如，在實務設計中其實以三軸加速度感應器MEMS的性能而言，想要精確知道每一步的步伐加速度，只要開發的系統有足夠的功能因應，這些訊息都能鉅細靡遺一一記錄，但一般的開發目的可能限於系統不需要太過精確的處理與記錄，僅記錄總步數與消耗熱量的相對換算功能，並沒有將加速度感應器的進階訊息善用。
以計步器的功能，若今天利用行動裝置最大宗的行動電話上實現時，在整合上因為三軸加速度感應器MEMS元件體積相當小，開發者只要在較空的PCB位置安置元件，並搭配布線與資料擷取處理運作，即可讓行動電話甚至是MP3、PMP這類多媒體裝置也同時具備進階健康管理功能。
此外，計步器的設計概念，近來在個人導航裝置(Portable Navigation Device；PND)也成為一個相當重要的功能模組，因為GPS定位功能必須藉由至少三組GPS衛星利用三角定位的方式算出精確的座標，但GPS訊號容易被建築物阻隔，若個人導航裝置攜進入建物內部、或是經過隧道等路徑，裝置本身的定位功能即會失效，僅停留在最後定位訊息消失前的位置資訊。但若搭配三軸加速度感應器模組，可以因為人體攜行或是車輛運行判斷行進方向、路徑，雖然沒有衛星直接定位來得精確，但實務已具備堪用水準，可以在系統失去GPS衛星訊號時接管系統，提供經即時評估換算的虛擬定位資訊，維持系統功能持續運行。
另外一項重要的發展，在於遠端照護應用方面的發展，MEMS的加速度感測器可以感知配戴者的移動現況，若發生意外摔倒或是持續沒有活動的狀況，搭配脈搏、溫度等感測元件，就可建構一健康醫療的自主照護、危險告知服務系統，提供高齡用戶的生活安全保障。
可在行動裝置使用的MEMS陀螺儀元件
當然，我們現在在看MEMS元件應用，多半會把關注焦點擺在各種動態感測。例如全球爆紅的Wii遊戲機或是iPhone行動裝置，各種方向感測器營造使用者除了按鈕、觸壓、語音或是視訊動作感測以外的全新操作體驗，但事實上可用在行動裝置的MEMS元件仍相當多。
陀螺儀是一種可以持續量測一個軸線或多軸線的運動角速度，基本上陀螺儀可以用來搭配三軸加速度感應器的不足，只要由陀螺儀搭配三軸加速度感應器兩種感測元件同時搭配，軟體或系統開發人員就能有足夠的空間量測訊息可供使用，例如，可以追蹤或重現3D真實環境的完整動作軌跡，這尤其在導航應用最具效益，此外若能搭配人機介面，例如遊戲或是虛擬實境的系統，可提供更強的導航系統或實踐更精密的應用功能實踐。
檢視陀螺儀的MEMS內部設計，會發現核心元件是一個經過極微加工的機械元件，原理有點像是一個音叉的運轉機制，利用科裏奧利原理(Coriolis force)把角速率轉換成特定感應結構直向位移，而位移的動作會讓定子和轉子間引起電容差異，進而取得變化量的資訊。但陀螺儀的設計很容易受周邊震動、雜訊干擾，一般MEMS元件會搭配差分放大系統，將震動與雜訊盡可能減少，讓輸出數值的精確度進一步提升。
一般MEMS陀螺儀視其需求的精密度等級，有分一至三軸設計，量測行程範圍從30dps至6,000dps(度/每秒)不等，應用範圍相當大，像是相機鏡頭的手振感測補正，或是遊戲的Game Pad取代設計，都是行動裝置導入陀螺儀相當常見的應用目的。
MEMS地磁感應器
導入地磁感應器可以讓行動裝置具備辨識方位的能力！而辨識方位能衍生那些作用？其實已功能性的開發觀點觀察，地磁感應可以用於個人的電子地圖，當人們轉向時地圖也可以同步轉向，此外，也可與擴增實境(Augmented Reality；AR)應用整合，提供更直覺的操作體驗，甚至更精確的地磁感應器還可偵測多軸向的地球磁場強度，衍生電子羅盤或加強導航應用功能。
而在現有的地磁感應MEMS晶片設計技術中，以各向異性磁阻(Anisotropic Magneto Resistive；AMR)感測器發展最受注目，因為各向異性磁阻AMR設計可以達到高空間解析能力與高精密度要求，加上整體電源功耗相對其他地磁感測解決方案要低，尤其對使用電池為運作能源的行動裝置而言，可在感知裝置位處的地磁狀態又可以維持極低功耗運作。
地磁感應MEMS元件的工作原理其實相當簡單，基本上就是利用電阻變化的量測進而估算磁場強度！元件的設計中通常會以一個極度薄化的金屬施加磁力線，當磁力線與通過金屬產生正交(90度)時，其金屬的電阻值即會相應改變，而磁力線與金屬的角度也會使金屬材質的電阻值產生變化，進而取得量測器的地磁資訊。
MEMS陣列式麥克風
除了常見的動態感應類型MEMS裝置外，其實行動裝置大量的應用，會與語音溝通產生關連，例如大量的網路會議、網路視訊溝通、VoIP，在平板電腦這類行動裝置設計中，基本上電子電路可供設計的空間就相對小許多，這對開發者而言很難在有限的空間做到相對好的麥克風收音系統，因為好的麥克風收音系統必須要有高感度的麥克風，搭配線路走線要盡可能短，也必須避開走線途經高頻無線裝置或是處理器，以免收音轉換為電訊的類比訊號在傳送過程耗損或干擾。
但通常平板電腦的可用空間相對小，為了強化抗雜訊設計目的，通常會在訊號線加上電磁屏蔽的金屬接地包覆也無法實踐，在類比麥克風的設計上會得到相對表現較差且品質相對差的設計結果。
但今天若改用數位式麥克風，MEMS陣列式麥克風，會是更好的選擇，由於這類MEMS麥克風通常採取脈衝密度調變(Pulse Density Modulation；PDM)輸出，傳輸過程不用擔心Wi-Fi、WAN、GSM訊號干擾，而在類比設計案例常見的電磁屏蔽可以省了，線材也不需要過度要求，用一般PCB布線就能滿足需求，晶片的電力供應不用遠離電源電路，可就近字數位電路的電源系統取用電源，不用擔心不穩定的電源造成收音惱人的的嗡嗡聲。
MEMS省電與功能整合趨勢
由於MEMS被大量用於對電力消耗問題相對敏感的行動裝置，近代的MEMS元件也開始重視功耗的問題，畢竟MEMS也是積體電路必須靠電能驅動或是轉換輸出訊號，若不重視功耗控制裝載於平板裝置也會影響產品的電力表現。基本上近代的MEMS元件多半內嵌電源管理功能，例如，在設備本身不需要感測功能時，元件自動進入休眠狀態，甚至是更省電的深度休眠模式，部分感測器還可以關閉整個元件用電，大幅節省不必要的電能消耗。
例如，MEMS陀螺儀元件，多軸感測或高精度感測輸出的元件，其功耗也會相對較高，若系統端可以增設元件關閉功能，可在不需要陀螺儀的一般如上網、文書處理或是電子郵件應用時，手動關掉對應功能節電，而這類MEMS也因為工作內容單純，自深層休眠切換至正常運作狀態的轉換時間極短，在一般如啟用支援陀螺儀這類MEMS感測的遊戲或是導航軟體，MEMS元件的啟動時間幾乎可以達到即時運作的程度，感測器可以自動立即喚醒，脫離休眠狀態。
MEMS在應用領域中，產品的封裝體積，也是實踐設計必須考量的重要環節，一般具備6D(自由度Degee of freedom；Dof)，可以利用超小的LGA，LGA本身IC沒有以往的針腳，以整齊排列的金屬圓點取代針腳，元件可以緊貼PCB板，讓元件的高度進一步縮小。
特別值得一提是，將加速計、陀螺儀和磁感應計結合，並均衡利用三者各自的優點，可在導航解決方案核心實現一個被稱為慣性測量單元(Inertial measurement unit；IMU)，有了IMU解決方案，如PND或是平板電腦想要整合導航應用設計，就可以輕鬆利用IMU解決方案搭配傳統的GPS衛星導航設計，不但讓裝置整合可以用於遊戲或是先進的人機介面應用功能，也能讓導航相關應用有最佳化的效能表現。
