物联网应用热浪推动 MEMS需求旺盛 - 全文

　　消费性微机电系统（MEMS）元件应用商机火速蔓延。为实现更智能化的情境感知功能，行动、可穿戴设备与物联网节点等装置制造商，正大举内建各种MEMS传感器，因而加快MEMS元件规格演进，并带动整体出货量大幅攀升。

　　随着各式物联网（IoT）应用开枝散叶，微机电系统（MEMS）传感器技术也不断精进。在高阶手机大量导入九轴MEMS传感器后，加入气压计 （Barometric Pressure Sensor）的十轴传感器（10-axis）亦已受到游戏产业青睐，逐渐在市场占有一席之地，预计2014年后各式应用将加速萌芽。

　　图1 Bosch Sensortec亚太区总裁百里博指出，该公司在消费性电子的MEMS市占率已达第二名的位置，据统计，每两只手机中就有一只是采用Bosch的传感器。

　　Bosch Sensortec亚太区总裁百里博（Leopold Beer）（图1）表示，MEMS传感器应用潜力十足，除行动装置外、遥控器、物流业、家电及健康照护产业皆已加速导入MEMS系列元件，以实现适地性服务（Location based Service）、室内位置追踪、扩增实境（Augmented Reality）、使用者介面（User Interface）等功能，而各种应用中，行动装置及游戏产业应用是最大的市场营收来源，每年有超越三亿颗的出货量。

　　市场研究机构IHS研究报告指出，2008-2017年MEMS市场营收将由约600亿美元翻倍成长至1,200亿美元，而消费性电子及行动装置为最大的应用领域，其营收规模的年复合成长率（CAGR）可达16%。

　　百里博进一步指出，随着各式MEMS应用遍地开花，多种市场需求亦如雨后春笋般涌出，例如加速度计（Accelerometer）须因应高效能需求提升至14位元，且封装尺寸须再缩小，至于陀螺仪（Gyroscope）则须同时降低杂讯干扰及功耗。

　　除了加速度计与陀螺仪在规格上有所改善外，百里博指出，未来气压计也将与九轴MEMS传感器搭配，做为实现高精准室内定位的关键元件，并与应用处理器（AP）的感测数据融合函数库（Libraries）结合，在游戏应用市场中大展身手。

　　百里博认为，在物联网市场持续蓬勃发展的情况下，未来MEMS市场将持续成长，无论是可穿戴设备、物联网节点（IoT Nodes）、智能开关（Smart Switch）或射频连结（RF-Link）、传感器等物联网标签（IoT Tag）皆将普遍地出现在生活中（图2），而六轴、九轴甚至十轴的MEMS传感器将可以分别藉由低功耗、高效能的优势切入各类型的应用市场。

　　图2 MEMS创新应用市场　图片来源：Bosch Sensortec

　　瞄准KitKat感测需求　低功耗Sensor Hub亮相

　　值得一提的是，Google最新Android作业系统版本--KitKat也赶搭上物联网商机顺风车，特别针对行动装置感测功能及功耗进行定义，因此行动装置不仅须导入大量的MEMS传感器实现智能功能，尚须搭配超低功耗的Sensor Hub方案及演算法，以实现更为理想的感测融合（Sensor Fusion）功能。

　　图3 QuickLogic亚太区业务暨行销总监王义祖（右）强调，Sensor Hub系实现感测融合的关键元件，而其低功耗特色将成为在市场中致胜的重要特色。图左为QuickLogic全球行销副总裁Brian Faith

　　QuickLogic 亚太区业务暨行销总监王义祖（图3）表示，Google在2013年10月底发布的最新Android作业系统--KitKat，新增两种混合传感器支援特色，包括计步器（Step Counter）及步伐侦测器（Step Counter），藉此让消费者可以透过应用程式（App）在步行、跑步、爬楼梯时都可以追踪运动数据。

　　据了解，计步器即是在装置启动之后即开始追踪步数，至于步伐侦测器则透过分析加速度计输入值，判别使用者何时迈开步伐，但因为上述功能的逻辑（Logic）及传感器管理功能内建于硬体平台上，因此应用程式无须再加入侦测演算法，换言之，传感器管理及运算的功能可从软体上卸载，改由硬体实现，因此上述感测功能可在1毫瓦以下的低功耗运作。

　　王义祖指出，目前智能型手机除导入多颗低功耗感测MEMS传感器外，亦将加入一颗传感器中枢（Sensor Hub）元件，以实现感测融合功能。但以目前微控制器（MCU）做为Sensor Hub，再搭配九轴MEMS传感器的方案为例，其功耗高达20毫瓦，而QuickLogic的超低功耗Sensor Hub方案则可以微控制器三十分之一的功耗运作，而在未来陀螺仪功耗进一步降低后，整体感测方案功耗将可降低至5毫瓦上下，在KitKat作业系统中成为降低功耗的重要关键（图4）。

　　图4 九轴MEMS与Sensor Hub搭配方案功耗比较　资料来源：QuickLogic

　　QuickLogic 指出，其超低功耗Sensor Hub经验证后确认可与高通（Qualcomm）、联发科、辉达（NVIDIA）、博通（Broadcom）等多家厂商的应用处理器搭配，并让原始设备制造商（OEM）利用参考设计（Reference Design）快速导入作业系统为Android 4.4的行动装置中。

　　以软体实现Gyro功能　九轴MEMS功耗仅μA

　　事实上，业界已有MEMS厂商看见陀螺仪降低功耗的需求，已开发出利用模拟演算法取代陀螺仪，再加上六轴多功能组合（Combo）传感器的方案，可将运作功耗降低至450微安培（μA），仅为一般九轴方案的十分之一。

　　图5 Kionix***区总经理洪育浩指出，陀螺仪是九轴MEMS传感器中最耗电的部分，因此业界提出以软体替代陀螺仪功能的创新方案。

　　Kionix ***区总经理洪育浩（图5）表示，中高阶智能型手机为实现更为精准的感测功能，大部分已导入九轴MEMS传感器，包含加速度计、磁力计 （Magnetometer）以及陀螺仪，其中，加速度计可实现手机节电、萤幕翻转侦测、计步器等基础功能，而磁力计则可做为室内导航（Indoor Navigation System）之用，至于陀螺仪目前的应用大多是角速度侦测/补偿功能，如游戏摇杆、相机防手震等。

　　洪育浩进一步指出，陀螺仪目前在手机的应用相对较少，但却最耗电。一般陀螺仪平均功耗为3-4毫安培（mA），因此部分厂商常建议客户采用独立式的陀螺仪，搭配内含磁力计及加速度计的六轴MEMS传感器，让陀螺仪在相关功能运作时再开启，以达省电效果，不过相较起九轴方案，分离式方案将让客户多花费至少1美元的成本。

　　有鉴于此，Kionix推出以六轴MEMS传感器加上以模拟演算法实现陀螺仪功能的合成方案，可将运作功耗降至450微安培，待机功耗更仅需1微安培。洪育浩透露，该方案已获得知名品牌平板厂青睐，将导入2014年的设计中。

　　另外，由于微软（Microsoft）Windows 8或8.1作业系统，规定行动装置制造商导入九轴传感器同时，须再搭载一颗Sensor Hub方案，因此Kionix也进一步研发出以软体为基础的Sensor Hub方案，可搭配六轴MEMS传感器加虚拟陀螺仪的九轴方案，以两颗元件实现感知融合情境，降低制造商整体物料清单（BOM）成本。

　　洪育浩指出，该方案预计2014年第一季可通过微软认证，成为行动装置厂商在低功耗浪潮下的另一理想选择。未来，Kionix的超低功耗九轴MEMS方案将持续瞄准高成长的行动装置市场，包括可穿戴设备、智能手机、平板，以及健康照护装置等，以实现微安培等级的九轴MEMS感测应用功能。

　　值得一提的是，在行动装置领域，MEMS制程不仅让各式传感器大展身手，另一方面MEMS振荡器（Oscillator）技术亦有所突破。

　　单芯片整合技术再突破　MEMS振荡器崛起

　　CMEMS振荡器由于突破在单芯片中整合互补式金属氧化物半导体（CMOS）及MEMS电路的技术挑战，正挟高频率稳定度、小尺寸等优势，逐步蚕食传统石英晶体振荡器市占，让MEMS元件快速拓展时脉应用疆域。

　　图6 芯科实验室时脉产品资深产品经理沈炫均认为，CMEMS振荡器结合CMOS与MEMS制程双方的技术优势，将可以为时脉市场带来新气象。

　　芯科实验室（Silicon Labs）时脉产品资深产品经理沈炫均（图6）表示，石英晶体振荡器历史悠久，其压电效应（Piezoelectric Effect）可支援高Q值的共振频率，且具备低相位杂讯（Phase Noise）等优势，不过仍存有高成本、封装复杂、前置时间（Lead Time）长等缺点，且在时间推进下，将产生老化（Aging）现象。

　　事实上，振荡器市场已历经多次技术变革，由传统的石英元件，进阶到双颗晶粒（Dual-die）的MEMS振荡器，但后者需要特殊的MEMS晶圆代工厂，且双晶粒架构制作过程复杂/昂贵，讯号整合度亦不太理想，因此，业界已推展至下世代的振荡器技术，在CMOS的晶圆厂中整合MEMS与CMOS技术，推出单芯片CMEMS振荡器。

　　沈炫均指出，单芯片CMEMS振荡器系采用标准CMOS晶圆制程，以CMOS晶粒为基础，再加上MEMS谐振器堆叠（Resonator Stack），两者容易整合为单芯片模式，因此不仅尺寸可缩小，成本亦可显著降低。另一方面，相较于传统石英晶体振荡体的前置时间难以预估且冗长，通用型的CMEMS振荡器可以在2周内产出样品，且具备现场可编程特性。

　　沈炫均强调，CMEMS利用被动补偿（Passive Compensation）技术改善温度稳定性及老化问题，相较于传统MEMS谐振器方案的频率飘移比例为-30-40ppm/℃，CMEMS频率飘移则可以维持在±1ppm/℃，并且对撞击（Shock）、震动（Vibration）免疫力极高，在10年内频率稳定度将可维持在±20ppm的水准。

　　显而易见，MEMS正挟尺寸、成本、效能、稳定度等各项优势，大举渗透平板电脑、数位相机、智能电视、游戏机等各式应用市场，成为电子产品中不可或缺的关键元件；未来在物联网趋势下，整体出货量更将节节攀升。