物联网应用热潮驱动 消费性MEMS元件需求畅旺

随着各式物联网(IoT)应用开枝散叶，微机电系统(MEMS)感测器技术也不断精进。在高阶手机大量导入九轴MEMS感测器后，加入气压计(Barometric Pressure Sensor)的十轴感测器(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，每两支手机中就有一支系采用Bosch的感测器。
Bosch Sensortec亚太区总裁百里博(Leopold Beer)(图1)表示，MEMS感测器应用潜力十足，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感测器搭配，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市场将持续挹注成长动能，无论是穿戴式装置、物联网节点(IoT Nodes)、智慧开关(Smart Switch)或射频连结(RF-Link)、感测器等物联网标签(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感测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亦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感测器实现智慧功能，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，新增两种混合感测器支援特色，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)及感测器管理功能内建于硬体平台上，因此应用程式毋须再加入侦测演算法，换言之，感测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，目前智慧型手机除导入多颗低功耗感测MEMS感测器外，亦将加入一颗感测器中枢(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感测器的方案为例，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)感测器的方案，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台湾区总经理洪育浩指出，陀螺仪是九轴MEMS感测器中最耗电的部分，因此业界提出以软体替代陀螺仪功能的创新方案。
Kionix台湾区总经理洪育浩(图5)表示，中高阶智慧型手机为实现更为精准的感测功能，大部分已导入九轴MEMS感测器，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感测器，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感测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感测器同时，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感测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，包括穿戴式装置、智慧手机、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制程不仅让各式感测器大展身手，另一方面MEMS振荡器(Oscillator)技术亦有所突破。 

单晶片整合技术再突破　MEMS振荡器崛起

CMEMS振荡器由于突破在单晶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，推出单晶片CMEMS振荡器。 

沈炫均指出，单晶片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)，两者容易整合为单晶片模式，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、智慧电视、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。