MEMS 擴展消費電子與醫療應用創新

微機電系統(MEMS)的未來將朝哪些應用與方向拓展？

在最近一場由意法半導體(STMicroelectronics)於美國加州舉辦的「塑造MEMS與感測器未來」的會議上，來自 MEMS 生態系統的各方代表們儘管分別對此提出不同的看法，但都看好未來 MEMS 將在消費性電子以及醫療保健與健身等應用領域展現成長與新商機。

PNI總裁兼執行長Becky Oh發表該公司最新的進展──一款1.5x1.5x0.5mm的微型晶片，能夠為任何製造商的加速度計、陀螺儀與磁力計等產品執行複雜的感測器融合功能，並輸出位置讀數至任何應用處理器中。

這款名為 Sentral 的硬體狀態機晶片功能類似於蘋果最新發表 iPhone 5S 中所用的 M7 感測器融合晶片，它可在耗用僅佔1%的功耗時，從應用處理器中卸載感測器融合功能。

博通公司(Broadcom)資深產品經理Steve Malkos展示一款創新感測器融合演算法 HULA (Hybrid Universal Location Application)，透過結合來自GPS的輸出資訊，以及加速度計、陀螺儀與磁力計與測高儀的航位推算能力，為汽車確定位置等資訊。這款 HULA 採用卡爾曼(Kalman)濾波器為個別感測器中的錯誤(如GPS訊號遺失或雜散磁場影響磁力計讀數等)進行補償，因而實現更準確的定位資訊。

 

博通HULA演算法採用卡爾曼濾波器補償因磁力計(右上)或陀螺儀(左下)等感測器發生的錯誤，實現更準確的定位追蹤(右下)。
(來源：Broadcom)

Movea Inc.客戶解決方案架構師Tim Kelliher認為，對於未來，我們必須從「感測器融合」過渡到「數據融合」，因為目前的智慧型手機可存取各種類型的資料，甚至讓你用於預測你的需求──例如，當你在電影院時，它可自動關閉手機鈴聲。

Fairchild Semiconductor公司MEMS與感測器解決方案副總裁Janusz Bryzek預測，很快地在全球各地將會部署達數以兆計的MEMS感測器，將需要用到1.3億片8吋ASIC晶圓以及2.6億片8 吋 MEMS 晶圓，實現約3億平方公尺的矽晶基板。

Bryzek追溯1950年代至今的 MEMS 感測器發展史，預測 MEMS 將持續較半導體市場更快速的成長態勢(如下圖)，他並呼籲有智識之士為感測器發展提出一種更為開放的發展道路──類似於國際半導體技術發展藍圖 (ITRS)。

 

MEMS晶片市場(綠線)較半導體市場(藍線)的成長更快，並將在2023年達到1兆片的市場規模。
(來源：Janusz Bryzek、Fairchild Semiconductor)

ST 公司類比、MEMS與感測器執行副總裁兼總經理Benedetto Vigna則為已蓬勃發展的消費 MEMS 市場以及正在醫療保健與健身應用中快速成長的 MEMS 市場之間建立起連結的橋樑。

他探討人機介面的發展歷史，從鍵盤到滑鼠，到目前使用的行動感測 MEMS 感測器，再到控制機器等發展，其中最經典的就是任天堂(Nintendo)的 Wii 。

由於這款遊戲平台創造的成就，使得新式的人機介面在市場上佔有一席之地，並推動觸控、手勢、語音以及影像辨識等介面在消費裝置上的普及。

如今，消費者的 興趣更進一步過渡到可穿戴式市場，它同樣要利用 MEMS 感測器來實現健身裝置，如Fitbit 與 Nike Fuelband 等，均藉由追蹤用戶的活動記錄，鼓勵運動與健身。

醫療MEMS是當前的最新發展，目前美國FDA已經批准了十幾種基於 MEMS的健康監測設備，如Preventice公司的 BodyGuardian 遠端監控系統，以黏貼式膠條直接貼附在人體上，然後以無線方式隨時傳送 ECG 、心跳、呼吸速率以及各種活動情況等資訊，讓老人與病人能安全地在家庭中進行照護，同時也緩解了醫院病床與人手不足的問題。

「我們的目標是讓病人帶著醫院般的照護放心在家療養，」Preventice公司資深行銷副總裁Michael Emerson解釋，「透過使用可穿戴式設備以及用於診斷、治療與照護計劃管理有關的工具，我們能夠改善病人的參與、降低成本以及提供更好的病人照護。」

根據A.M. Fitzgerald & Associates LLC 創辦人Alissa Fitzgerald指出，MEMS在醫療保健的下一個前端應用是植入式感測器。A.M. Fitzgerald & Associates LLC公司專門為客戶提供有關 MEMS 裝置的完整技術開發週期，包括從業務、IP策略以及初步設計、原型以及代工廠移轉等。

「透過更準確地檢測人體生理數據，MEMS將改變醫療保健與健身領域的未來，從而實現更佳診斷以及更有效的治療，」Fitzgerald說。

Alissa Fitzgerald並提出了晶片與生物不相容的挑戰──晶片必須進行封裝，以保護人體免於受到晶片銳利邊緣的傷害，以及保護晶片內部運作免於受到人體體液的腐蝕等影響。

她還提出幾款目前十分先進的植入式MEMS元件，包括CardioMEMS公司開發的植入式血壓監測計，以及瑞士Debiotech公司與ST共同開發的微流體泵，它可為糖尿病患者進行自動監測以及配置胰島素處方。

 

Replenish公司的植入式微流體泵可植入人眼中，自動分配約奈升(nanoliter)大小的精確藥物劑量。它可連續使用長達9個月後才需補充藥物。
(來源：Replenish)

Replenish公司MEMS製程工程師Blake Axelrod則展示一款最先進的植入式MEMS元件──款能植入於人眼的微流體泵，它可根據需求自動分配精確達奈升大小的藥物劑量，連續使用長達9個月的時間，才需要再次進行藥物補充。