MEMS领先厂商最新九轴组合传感器内部构造揭密
2014-05-14 09:26:45   来源：电子工程专辑   评论：0   点击：

针对MEMS市场领先的三大厂商的组合传感器产品拆解分析显示，厂商们各自采取不同的路线来打造自家的竞争性产品。我们所拆解的芯片是三款在2013年推出的九轴组合惯性传感器，包括Bosch Sensortec的BMX055、ST的LSM9DS0和InvenSense 的MPU-9250；这三款产品价格相近，但采用的技术却大不相同。

组合传感器因为具备集成优势、且其中各项传感器功能的平均价格也下降，而成为市场当红产品。市场研究机构Yole Development预计，组合传感器市场规模将由2013年的4.46亿美元，在2018年增加至19.7亿美元，年成长率则由21%提升至66%。

市场对于六轴IMU与六轴电子罗盘组合传感器解决方案的接受速度非常快，我们所拆解研究的九轴传感器无疑是更具创新概念的后继者。组合传感器在消费性电子产品中已经成为主流，也可见到在汽车内的应用，而智能手机预期仍然是接下来几年组合传感器市场的主要应用推手。

2013年，提供给大量订购客户的部分IMU单价已低于1美元。我们拆解的九轴传感器价格虽然相对较高，不过一旦大量生产，厂商们也会面临价格压力。三种传感器的电路板占位面积皆不同，从ST的4 x 4 mm，到InvenSense的3 x 3 mm；ST与Bosch采用LGA封装，InvenSensey则为QFN封装。

来自三家不同供应商的九轴组合传感器尺寸、内部结构都大不相同

移除了封装外壳之后则发现，三款传感器的内部结构也大不相同。举例来说，ST与Bosch的传感器都内含5颗裸芯片，InvenSense的传感器则是只有两颗裸芯片──包括一颗六轴加速度计+陀螺仪，以及一颗三轴磁力计。

每家厂商可用的芯片面积也不相同，ST是19 mm2，Bosch是14 mm2，InvenSense仅有8 mm2。而要结合越多裸芯片就需要更多的打线来连结；ST的IMU元件采用了76条打线，InvenSense的元件则只采用了25条打线。

ST九轴组合传感器内部解析

ST的组合传感器在一颗MEMS单芯片上结合六轴陀螺仪+加速度计，使得此六轴功能的尺寸比先前采用两颗裸晶的方案缩小了30%以上。该款传感器采用玻璃熔融键合；但ST也会采用金-金热压键合来密封部分MEMS裸芯片，以免除密封框的采用并缩小芯片面积。

ST的LSM9DS0九轴组合传感器内部的加速度计+陀螺仪

Bosch的九轴组合传感器完全是自家出品

Bosch的九轴组合传感器是唯一所有功能（包括加速度计、陀螺仪与磁力计）是全部由该厂商自家开发与制造的。该款BMX055九轴组合传感器集成了Bosch的第二代地磁传感器，在单芯片支持三轴感测，取代前一代三颗独立芯片的方案。

此外Bosch Sensortec的传感器采用铝锗薄膜键合来封装MEMS陀螺仪，并非采用传统的玻璃熔融键合技术。

Bosch Sensortec的BMX055九轴组合传感器内部的三轴磁力计

InvenSense九轴组合传感器尺寸、成本都缩减

InvenSense最新的九轴组合传感器集成了新款三轴陀螺仪，采用单一种振动结构，取代前一代传感器采用三种不同结构的方法。这种新设计让三轴陀螺仪功能区域尺寸缩减了40%。该元件也集成了新的三轴磁力计，其功能面积亦较前一代缩减了40%左右。

新设计的另一个优势，是该公司独特的Nasiri工艺已经有所改变。以往InvenSense是以传统蚀刻技术在器件上制作空腔，让MEMS结构得以运动，这种方法已经不再使用、也因此节省了成本。

InvenSense的MPU-9250九轴组合传感器内部的陀螺仪+加速度计

成本相近，供应链大不同

以上三家MEMS传感器供应商拥有非常不同的供应链。Bosch与ST主要是靠自家晶圆厂生产，Bosch仅有生产ASIC元件时会委托代工厂，而ST则向Honeywell采购磁力计芯片。至于InvenSense则是一家无晶圆厂公司，委托多个不同代工伙伴制造、封装组合传感器。

AKM是InvenSense的磁力计晶片供应商，而有多个晶圆代工厂为InvenSense生产六轴加速度计+陀螺仪传感器与ASIC，而元件的封装测试则是委托其他专业封测厂。InvenSense只有负责传感器的设计与测试。

而尽管基本上所采用的生产模式大不相同，这三家厂商的九轴IMU成本却非常相近；虽然InvenSense 所采用的晶片数量明显比较少，由于其元件生产委托许多不同的代工厂，也会带来一些额外的成本。以下是三款组合传感器的成本结构。

三款九轴组合传感器的成本结构比较