迎向感知物联网设计趋势，MEMS大吹异质功能整合风
2015-01-01 21:56:33   来源：微迷   评论：0   点击：

MEMS传感器多轴、异质功能整合设计趋势更加成形。感知物联网发展热潮，不仅刺激MEMS传感器出货量大增，也驱动MEMS业者加速转向多轴及多功能整合设计，以同时兼顾各种动作、环境和生物信息传感需求，因而也带动一波MEMS工艺及封装技术革命。

感知物联网设计风潮加速扩散。想像家电、工控设备、汽车和个人智能设备都能随时获取生理信息、环境的紫外线、气压或温/湿度条件变化，并将信息传至微控制器、应用处理器或云端服务器进行分析，再将结果呈现在应用程序上，让用户无时无刻掌握身体和周遭变化；这就是感知物联网的终极目标，也是苹果（Apple）、Google和三星（Samsung）等科技大厂继移动设备之后，最积极抢攻的应用山头。

感知物联网的运作包含信息收集、转换、分析到传送等流程，可促进移动或其他联网设备与外界的连结，进而发挥各类信息利用价值。其中，资料收集是最关键的一块技术拼图，必须通过多种MEMS传感器才能实现，刺激MEMS市场发展加速蓬勃。现阶段运动传感器已获得广泛采用，而下一阶段“涨”相最被看好的，则是压力传感器、温/湿度、UV和气体等环境传感方案，包括智慧家庭、智能工厂、汽车、移动和可穿戴设备开发商皆有导入计划，可望将MEMS市场推向新高点。

一次满足物联网应用需求，MEMS组合传感器设计蔚成风

在印刷电路板（PCB）设计空间、成本和功耗预算日益紧缩之下，MEMS厂商也正面临巨大挑战，因此纷纷祭出多轴运动传感器加环境或生物传感器的多功能组合方案，或是多轴传感器加MCU的惯性测量单元（IMU），以及更先进的CMOS加MEMS单芯片等异质整合设计策略，以兼顾系统设计的各个重要环节。

飞思卡尔半导体传感器部门市场、系统架构、软件和算法经理陈一安表示，移动和物联网设备内建传感器数量与日俱增，引发严峻的系统布局、电源管理及大量信息处理挑战，首当其冲的当然就是传感器供应商，不仅要致力研发更低功耗且小尺寸的MEMS工艺，还要加速发展MEMS组合传感器架构，以及传感器融合软件解决方案，才能一次兼顾所有系统设计需求。

意法半导体技术行销经理李炯毅指出，随着三轴加速度计、磁力计和陀螺仪逐渐成为手机标准配备，MEMS传感器厂商也一窝蜂投入发展新型六轴或九轴组合传感器方案，以提升量产经济效益，并缩减元件体积和功耗。此外，旗舰机种开始运用压力传感器达成高度追踪和辅助导航功能，也激励MEMS业者加紧布局系统级封装（SiP）技术，以实现更高整合度的十轴组合传感器。

除此之外，由于加速度计和陀螺仪的感测层结构雷同，因此意法半导体和Bosch Sensortec等主要供应商更已推进至系统单芯片架构，在同一个晶圆上整合两种传感器，甚至再结合32位MCU的控制电路打造出六轴IMU，进一步缓解系统空间吃紧的设计难题。

工研院南分院微系统中心特别助理陈弘仁也提到，为协助台湾MEMS业者赶上国际大厂，工研院已发表传感器电路共构专利，可将加速度计和陀螺仪电路设计在同一颗芯片上，减轻重覆开发和测试负担，近期也已启动技转合作，将授权芯片商量产。

不过，陀螺仪因控制电路及算法最为复杂，导致设计成本和功耗偏高，一直是业界亟欲克服的问题，即便通过组合传感器获得一定程度的改善，但仍难以达到平价移动设备对传感器成本要求的甜蜜点。因此，包括矽立（mCube）、爱盛科技和Kionix等MEMS厂商皆转向发展软件陀螺仪，通过加速度计与磁力计数据融合，以软件模拟方式推算出陀螺仪可测得的角速度等数据，节省硬件成本。

降低成本与功耗，软件陀螺仪进驻组合传感器

近期矽立即抢先发表内建软件陀螺仪的九轴MEMS组合传感器，相较于目前高端手机搭载的九轴方案，该产品的系统占位空间、功耗和成本皆大幅下降50%以上，进而满足下世代移动设备、可穿戴设备更严苛的系统设计和成本要求。

爱盛科技总经理赖孟煌进一步指出，以目前单颗陀螺仪约1美元左右的价格推算，以软件方案取代九轴MEMS组合传感器内建的实体陀螺仪，至少可省下0.7~0.8美元成本，将大幅提高中低价手机厂商导入多轴MEMS组合传感器的意愿。目前该公司也紧锣密鼓研发软件陀螺仪技术，并规划在2015年打造六轴加速度计加磁力计，并整合软件陀螺仪的九轴方案，全力抢攻中国大陆中低价手机和平板市场。

另一方面，高端手机则持续追求极致传感性能和省电效益，并掀起传感器中枢导入潮。陈一安指出，为抢攻市场商机，飞思卡尔已提供九轴运动传感器加MCU模组，以及相关参考设计和传感器中枢软件，协助系统厂降低传感数据处理功耗，以实现常时运作的情境感知功能；同时也朝向下一阶段的十轴（增加压力计）和十二轴（再加入两个摄影镜头）传感器中枢设计迈进。

传感功能需求多样化，MEMS迈向异质整合设计

锁定移动和物联网设备增加多元传感功能的趋势，一线MEMS大厂皆积极开发MEMS组合传感器，甚至是九轴运动传感器加环境或生物传感器的异质功能整合方案，揭开十轴以上MEMS组合传感器技术发展序幕。

Bosch Sensortec亚太区总裁百里博指出，MEMS市场80%以上的成长动能来自移动设备，随着手机品牌厂开始引进压力传感器、温/湿度传感器，以及基于光学架构的心率传感器，MEMS厂商也须推出更高功能整合度的产品，以跟上手机传感机制规格快速演进的脚步。

在设计空间有限，又须增添多种传感器的挑战下，系统厂势将改搭具备异质功能整合特色的MEMS组合传感器，以兼顾成本和性能扩充效益，因此近来已可看到芯片商以SiP技术，打造九轴运动传感器再加一轴压力传感器，或再增加双轴温/湿度传感器、双轴环境光和近接光传感器的模组产品规划。Beer透露，该公司已率先发布十轴MEMS组合传感器方案，并推出压力传感器加温/湿度传感器的三合一产品，同时也马不停蹄研发九轴运动加三轴环境传感器。

无独有偶，意法半导体也积极布局十轴MEMS组合传感器，并计划开发十轴加双轴光传感器的十二轴产品。李炯毅指出，由于运动和环境传感器在封装需求方面存在先天差异，再加上两种传感器方案在系统布局上的考量大相径庭，因此该公司遂转攻技术结构较相近的运动与光传感器异质整合设计。

李炯毅强调，为迎向MEMS异质整合设计趋势，意法半导体除加码投资SiP技术研发外，也从工艺方面着手，分别发表专利THELMA工艺，以及硅通孔解决方案，前者可将感测层的厚度从25微米推升至60微米，大幅增强传感器灵敏度、功能整合度，同时降低由CMOS控制电路进行校正的功耗。至于后者则将MEMS晶圆磨薄再进行穿孔、堆叠，以整合多种传感器，同时降低封装高度。

值得注意的是，意法半导体和Bosch Sensortec不约而同表示，环境传感器的封装须保留开口，以和获取外界信息，该结构和系统布局的考量皆与MEMS麦克风雷同，因此两家公司皆不排除未来推出MEMS麦克风加压力传感器和温/湿度传感器、UV传感器等之整合方案的可能性，端看系统厂设计需求。

除了各类的整合设计外，MEMS业者也通过其他技术途径抢攻物联网商机，并已将成功触角伸至时脉元件、光学投影和转换元件等设计领域。

迎向物联网设计浪潮，MEMS时钟元件进驻SoC

MEMS时钟元件可取代传统石英方案，满足物联网低功耗、小尺寸设计需求，因而成为业界热门焦点。处理器厂更相继投入研发内建MEMS谐振器电路的传感器中枢与特定应用标准产品（ASSP）。

SiTime行销执行副总裁Piyush Sevalia表示，继移动设备之后，智能电表、无线感测节点（WSN）和可穿戴设备等物联网设备对功耗、体积和成本要求更加严格，因而刺激芯片商埋首于更高功能整合度的SoC方案，以降低系统周边零组件需求。由于每颗处理器皆须搭配一到两颗以上时钟元件，且须考量外部电容等被动元件的设计空间，因而成为处理器厂亟欲整合的目标。

以传感器中枢为例，其功能为预先处理大量传感器数据，以减轻高耗电的系统主处理器负担，然而，对系统厂而言，增加一颗传感器中枢，以及其周边的时钟与被动元件，将使PCB设计空间、物料清单（BOM）预算更加吃紧。因此，MegaChips遂于近期购并MEMS时钟元件供应商--SiTime，开始布局整合MEMS谐振器及控制电路的SoC及ASSP，以满足移动设备及物联网设备开发商的设计需求。

事实上，Maxim Integrated先前即与SiTime合作，开发出内建MEMS谐振器硅IP的智能电表芯片。许多移动处理器大厂也已推出或正评估发展整合时钟电路的SoC。Sevalia透露，MegaChips与SiTime合并后，也计划结合双方的CMOS逻辑工艺技术及MEMS时钟设计知识，打造多款支持32kHz和MHz时钟功能的SoC，可望促进此类设计成为一门显学。

Sevalia分析，传统基于石英晶体形式的谐振器、振荡器等时钟元件，受限于材料、製程和封装方案的特殊性，长久以来皆难以取得元件性能、体积和生产成本的平衡点，同时也不容易和CMOS逻辑元件整合；而此一限制在追求轻薄、亲民价位的移动设备，以及未来的物联网产品市场中正日益被突显，因而引发系统厂换料的考量，进一步带动新型态MEMS时钟元件崛起。

据Yole Developpement最新报告指出，MEMS时钟元件挟相容于标准半导体工艺和封装平台的优势，近几年皆缴出每年出货量增长75%以上的亮丽成绩单，足见其市场发展潜力惊人。

图4 各类MEMS传感器

Sevalia强调，尽管目前MEMS与石英时钟元件的渗透率相比，还是小巫见大巫，然而，MEMS紧跟半导体技术演进脚步，每年在元件尺寸、功耗和功能整合度方面都有显着突破，再加上其逐渐纳入SoC设计的一环，对标准正快速演变的移动设备和物联网产品发展将大有助益。

在感知物联网的带动下，MEMS传感器应用不仅更加开阔，也延伸出多个异质功能整合的设计路线，包括MEMS组合传感器、MCU加MEMS的传感器中枢方案，以及运动加生物传感器，或是环境传感器加MEMS麦克风的产品形式正相继冒出头来，将为MEMS产业发展增添新话题。