物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用熱浪推動 MEMS需求旺盛 - 全文

　　消費(fèi)性微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）元件應(yīng)用商機(jī)火速蔓延。為實(shí)現(xiàn)更智能化的情境感知功能，行動、可穿戴設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)等裝置制造商，正大舉內(nèi)建各種MEMS傳感器，因而加快MEMS元件規(guī)格演進(jìn)，并帶動整體出貨量大幅攀升。

　　隨著各式物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用開枝散葉，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器技術(shù)也不斷精進(jìn)。在高階手機(jī)大量導(dǎo)入九軸MEMS傳感器后，加入氣壓計(jì) （Barometric Pressure Sensor）的十軸傳感器（10-axis）亦已受到游戲產(chǎn)業(yè)青睞，逐漸在市場占有一席之地，預(yù)計(jì)2014年后各式應(yīng)用將加速萌芽。

　　圖1 Bosch Sensortec亞太區(qū)總裁百里博指出，該公司在消費(fèi)性電子的MEMS市占率已達(dá)第二名的位置，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每兩只手機(jī)中就有一只是采用Bosch的傳感器。

　　Bosch Sensortec亞太區(qū)總裁百里博（Leopold Beer）（圖1）表示，MEMS傳感器應(yīng)用潛力十足，除行動裝置外、遙控器、物流業(yè)、家電及健康照護(hù)產(chǎn)業(yè)皆已加速導(dǎo)入MEMS系列元件，以實(shí)現(xiàn)適地性服務(wù)（Location based Service）、室內(nèi)位置追蹤、擴(kuò)增實(shí)境（Augmented Reality）、使用者介面（User Interface）等功能，而各種應(yīng)用中，行動裝置及游戲產(chǎn)業(yè)應(yīng)用是最大的市場營收來源，每年有超越三億顆的出貨量。

　　市場研究機(jī)構(gòu)IHS研究報(bào)告指出，2008-2017年MEMS市場營收將由約600億美元翻倍成長至1,200億美元，而消費(fèi)性電子及行動裝置為最大的應(yīng)用領(lǐng)域，其營收規(guī)模的年復(fù)合成長率（CAGR）可達(dá)16%。

　　百里博進(jìn)一步指出，隨著各式MEMS應(yīng)用遍地開花，多種市場需求亦如雨后春筍般涌出，例如加速度計(jì)（Accelerometer）須因應(yīng)高效能需求提升至14位元，且封裝尺寸須再縮小，至于陀螺儀（Gyroscope）則須同時(shí)降低雜訊干擾及功耗。

　　除了加速度計(jì)與陀螺儀在規(guī)格上有所改善外，百里博指出，未來氣壓計(jì)也將與九軸MEMS傳感器搭配，做為實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)室內(nèi)定位的關(guān)鍵元件，并與應(yīng)用處理器（AP）的感測數(shù)據(jù)融合函數(shù)庫（Libraries）結(jié)合，在游戲應(yīng)用市場中大展身手。

　　百里博認(rèn)為，在物聯(lián)網(wǎng)市場持續(xù)蓬勃發(fā)展的情況下，未來MEMS市場將持續(xù)成長，無論是可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（IoT Nodes）、智能開關(guān)（Smart Switch）或射頻連結(jié)（RF-Link）、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽（IoT Tag）皆將普遍地出現(xiàn)在生活中（圖2），而六軸、九軸甚至十軸的MEMS傳感器將可以分別藉由低功耗、高效能的優(yōu)勢切入各類型的應(yīng)用市場。

　　圖2 MEMS創(chuàng)新應(yīng)用市場　圖片來源：Bosch Sensortec

　　瞄準(zhǔn)KitKat感測需求　低功耗Sensor Hub亮相

　　值得一提的是，Google最新Android作業(yè)系統(tǒng)版本--KitKat也趕搭上物聯(lián)網(wǎng)商機(jī)順風(fēng)車，特別針對行動裝置感測功能及功耗進(jìn)行定義，因此行動裝置不僅須導(dǎo)入大量的MEMS傳感器實(shí)現(xiàn)智能功能，尚須搭配超低功耗的Sensor Hub方案及演算法，以實(shí)現(xiàn)更為理想的感測融合（Sensor Fusion）功能。

　　圖3 QuickLogic亞太區(qū)業(yè)務(wù)暨行銷總監(jiān)王義祖（右）強(qiáng)調(diào)，Sensor Hub系實(shí)現(xiàn)感測融合的關(guān)鍵元件，而其低功耗特色將成為在市場中致勝的重要特色。圖左為QuickLogic全球行銷副總裁Brian Faith

　　QuickLogic 亞太區(qū)業(yè)務(wù)暨行銷總監(jiān)王義祖（圖3）表示，Google在2013年10月底發(fā)布的最新Android作業(yè)系統(tǒng)--KitKat，新增兩種混合傳感器支援特色，包括計(jì)步器（Step Counter）及步伐偵測器（Step Counter），藉此讓消費(fèi)者可以透過應(yīng)用程式（App）在步行、跑步、爬樓梯時(shí)都可以追蹤運(yùn)動數(shù)據(jù)。

　　據(jù)了解，計(jì)步器即是在裝置啟動之后即開始追蹤步數(shù)，至于步伐偵測器則透過分析加速度計(jì)輸入值，判別使用者何時(shí)邁開步伐，但因?yàn)樯鲜龉δ艿倪壿嫞↙ogic）及傳感器管理功能內(nèi)建于硬體平臺上，因此應(yīng)用程式無須再加入偵測演算法，換言之，傳感器管理及運(yùn)算的功能可從軟體上卸載，改由硬體實(shí)現(xiàn)，因此上述感測功能可在1毫瓦以下的低功耗運(yùn)作。

　　王義祖指出，目前智能型手機(jī)除導(dǎo)入多顆低功耗感測MEMS傳感器外，亦將加入一顆傳感器中樞（Sensor Hub）元件，以實(shí)現(xiàn)感測融合功能。但以目前微控制器（MCU）做為Sensor Hub，再搭配九軸MEMS傳感器的方案為例，其功耗高達(dá)20毫瓦，而QuickLogic的超低功耗Sensor Hub方案則可以微控制器三十分之一的功耗運(yùn)作，而在未來陀螺儀功耗進(jìn)一步降低后，整體感測方案功耗將可降低至5毫瓦上下，在KitKat作業(yè)系統(tǒng)中成為降低功耗的重要關(guān)鍵（圖4）。

　　圖4 九軸MEMS與Sensor Hub搭配方案功耗比較　資料來源：QuickLogic

　　QuickLogic 指出，其超低功耗Sensor Hub經(jīng)驗(yàn)證后確認(rèn)可與高通（Qualcomm）、聯(lián)發(fā)科、輝達(dá)（NVIDIA）、博通（Broadcom）等多家廠商的應(yīng)用處理器搭配，并讓原始設(shè)備制造商（OEM）利用參考設(shè)計(jì)（Reference Design）快速導(dǎo)入作業(yè)系統(tǒng)為Android 4.4的行動裝置中。

　　以軟體實(shí)現(xiàn)Gyro功能　九軸MEMS功耗僅μA

　　事實(shí)上，業(yè)界已有MEMS廠商看見陀螺儀降低功耗的需求，已開發(fā)出利用模擬演算法取代陀螺儀，再加上六軸多功能組合（Combo）傳感器的方案，可將運(yùn)作功耗降低至450微安培（μA），僅為一般九軸方案的十分之一。

　　圖5 Kionix***區(qū)總經(jīng)理洪育浩指出，陀螺儀是九軸MEMS傳感器中最耗電的部分，因此業(yè)界提出以軟體替代陀螺儀功能的創(chuàng)新方案。

　　Kionix ***區(qū)總經(jīng)理洪育浩（圖5）表示，中高階智能型手機(jī)為實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的感測功能，大部分已導(dǎo)入九軸MEMS傳感器，包含加速度計(jì)、磁力計(jì) （Magnetometer）以及陀螺儀，其中，加速度計(jì)可實(shí)現(xiàn)手機(jī)節(jié)電、螢?zāi)环D(zhuǎn)偵測、計(jì)步器等基礎(chǔ)功能，而磁力計(jì)則可做為室內(nèi)導(dǎo)航（Indoor Navigation System）之用，至于陀螺儀目前的應(yīng)用大多是角速度偵測/補(bǔ)償功能，如游戲搖桿、相機(jī)防手震等。

　　洪育浩進(jìn)一步指出，陀螺儀目前在手機(jī)的應(yīng)用相對較少，但卻最耗電。一般陀螺儀平均功耗為3-4毫安培（mA），因此部分廠商常建議客戶采用獨(dú)立式的陀螺儀，搭配內(nèi)含磁力計(jì)及加速度計(jì)的六軸MEMS傳感器，讓陀螺儀在相關(guān)功能運(yùn)作時(shí)再開啟，以達(dá)省電效果，不過相較起九軸方案，分離式方案將讓客戶多花費(fèi)至少1美元的成本。

　　有鑒于此，Kionix推出以六軸MEMS傳感器加上以模擬演算法實(shí)現(xiàn)陀螺儀功能的合成方案，可將運(yùn)作功耗降至450微安培，待機(jī)功耗更僅需1微安培。洪育浩透露，該方案已獲得知名品牌平板廠青睞，將導(dǎo)入2014年的設(shè)計(jì)中。

　　另外，由于微軟（Microsoft）Windows 8或8.1作業(yè)系統(tǒng)，規(guī)定行動裝置制造商導(dǎo)入九軸傳感器同時(shí)，須再搭載一顆Sensor Hub方案，因此Kionix也進(jìn)一步研發(fā)出以軟體為基礎(chǔ)的Sensor Hub方案，可搭配六軸MEMS傳感器加虛擬陀螺儀的九軸方案，以兩顆元件實(shí)現(xiàn)感知融合情境，降低制造商整體物料清單（BOM）成本。

　　洪育浩指出，該方案預(yù)計(jì)2014年第一季可通過微軟認(rèn)證，成為行動裝置廠商在低功耗浪潮下的另一理想選擇。未來，Kionix的超低功耗九軸MEMS方案將持續(xù)瞄準(zhǔn)高成長的行動裝置市場，包括可穿戴設(shè)備、智能手機(jī)、平板，以及健康照護(hù)裝置等，以實(shí)現(xiàn)微安培等級的九軸MEMS感測應(yīng)用功能。

　　值得一提的是，在行動裝置領(lǐng)域，MEMS制程不僅讓各式傳感器大展身手，另一方面MEMS振蕩器（Oscillator）技術(shù)亦有所突破。

　　單芯片整合技術(shù)再突破　MEMS振蕩器崛起

　　CMEMS振蕩器由于突破在單芯片中整合互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）及MEMS電路的技術(shù)挑戰(zhàn)，正挾高頻率穩(wěn)定度、小尺寸等優(yōu)勢，逐步蠶食傳統(tǒng)石英晶體振蕩器市占，讓MEMS元件快速拓展時(shí)脈應(yīng)用疆域。

　　圖6 芯科實(shí)驗(yàn)室時(shí)脈產(chǎn)品資深產(chǎn)品經(jīng)理沈炫均認(rèn)為，CMEMS振蕩器結(jié)合CMOS與MEMS制程雙方的技術(shù)優(yōu)勢，將可以為時(shí)脈市場帶來新氣象。

　　芯科實(shí)驗(yàn)室（Silicon Labs）時(shí)脈產(chǎn)品資深產(chǎn)品經(jīng)理沈炫均（圖6）表示，石英晶體振蕩器歷史悠久，其壓電效應(yīng)（Piezoelectric Effect）可支援高Q值的共振頻率，且具備低相位雜訊（Phase Noise）等優(yōu)勢，不過仍存有高成本、封裝復(fù)雜、前置時(shí)間（Lead Time）長等缺點(diǎn)，且在時(shí)間推進(jìn)下，將產(chǎn)生老化（Aging）現(xiàn)象。

　　事實(shí)上，振蕩器市場已歷經(jīng)多次技術(shù)變革，由傳統(tǒng)的石英元件，進(jìn)階到雙顆晶粒（Dual-die）的MEMS振蕩器，但后者需要特殊的MEMS晶圓代工廠，且雙晶粒架構(gòu)制作過程復(fù)雜/昂貴，訊號整合度亦不太理想，因此，業(yè)界已推展至下世代的振蕩器技術(shù)，在CMOS的晶圓廠中整合MEMS與CMOS技術(shù)，推出單芯片CMEMS振蕩器。

　　沈炫均指出，單芯片CMEMS振蕩器系采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶圓制程，以CMOS晶粒為基礎(chǔ)，再加上MEMS諧振器堆疊（Resonator Stack），兩者容易整合為單芯片模式，因此不僅尺寸可縮小，成本亦可顯著降低。另一方面，相較于傳統(tǒng)石英晶體振蕩體的前置時(shí)間難以預(yù)估且冗長，通用型的CMEMS振蕩器可以在2周內(nèi)產(chǎn)出樣品，且具備現(xiàn)場可編程特性。

　　沈炫均強(qiáng)調(diào)，CMEMS利用被動補(bǔ)償（Passive Compensation）技術(shù)改善溫度穩(wěn)定性及老化問題，相較于傳統(tǒng)MEMS諧振器方案的頻率飄移比例為-30-40ppm/℃，CMEMS頻率飄移則可以維持在±1ppm/℃，并且對撞擊（Shock）、震動（Vibration）免疫力極高，在10年內(nèi)頻率穩(wěn)定度將可維持在±20ppm的水準(zhǔn)。

　　顯而易見，MEMS正挾尺寸、成本、效能、穩(wěn)定度等各項(xiàng)優(yōu)勢，大舉滲透平板電腦、數(shù)位相機(jī)、智能電視、游戲機(jī)等各式應(yīng)用市場，成為電子產(chǎn)品中不可或缺的關(guān)鍵元件；未來在物聯(lián)網(wǎng)趨勢下，整體出貨量更將節(jié)節(jié)攀升。