組合式傳感元件因?yàn)榫邆湔闲詢?yōu)勢、且其中各項(xiàng)傳感器功能的平均價(jià)格也下降,而成為市場當(dāng)紅產(chǎn)品;市場研究機(jī)構(gòu)Yole Development估計(jì),組合式傳感器市場規(guī)模將由2013年的4.46億美元,在2018年增加至19.7億美元,年成長率則由21%提升至66%。
市場對于六軸IMU與六軸電子羅盤(e-compass)元件組合式傳感器解決方案的接受速度非??欤疚乃鸾庋芯康木泡S傳感器無疑是更具創(chuàng)新概念的后繼者,分別是來自 Bosch Sensortec 的 BMX055 、意法半導(dǎo)體的 LSM9DS0 以及 InvenSense 的MPU-9250;這三款產(chǎn)品價(jià)格相近,但采用的技術(shù)卻大不相同。組合式傳感器在消費(fèi)性電子產(chǎn)品中已經(jīng)成為主流,也可見到在汽車內(nèi)的應(yīng)用,而智慧型手機(jī)預(yù)期仍然是接下來幾年組合式傳感器市場的主要應(yīng)用推手。
外形與封裝
在 2013年,提供給大量訂購客戶的部分IMU單價(jià)已低于1美元;我們拆解的九軸傳感器價(jià)格雖然相對較高,不過一旦大量生產(chǎn),廠商們也會(huì)面臨價(jià)格壓力。三種元件的電路板占位面積皆不同,從ST的4x4mm (16 mm 2 ),到InvenSense的3x3mm (9 mm 2 );ST與Bosch采用 LGA封裝,InvenSensey則為QFN封裝。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)揭秘
移除了封裝外殼之后則發(fā)現(xiàn),三款元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也大不相同;舉例來說,ST與Bosch的元件都內(nèi)含5顆裸晶,InvenSense的元件則是只有兩顆裸晶──包括一顆六軸加速度計(jì)/陀螺儀,以及一顆三軸磁力計(jì)。
每家廠商可用的晶片面積也不相同,ST是19mm2,Bosch是14 mm2,InvenSense僅有8 mm2。而要結(jié)合越多裸晶就需要更多的打線(wire bondings)來連結(jié);ST的IMU元件采用了76條打線,InvenSense的元件則只采用了25條打線。
ST的組合式傳感器元件在一顆 MEMS單晶片上結(jié)合六軸陀螺儀/加速度計(jì),使得此六軸功能的尺寸比先前采用兩顆裸晶的方案縮小了30%以上。該款元件采用玻璃介質(zhì)接合(Glass?Frit?Bonding);但ST也會(huì)采用金-金熱壓接合(gold-gold thermo-compression)來密封部分MEMS裸晶,以免除密封框(sealing frame)的采用并縮小晶片面積。[page]
ST的LSM9DS0九軸IMU內(nèi)部之加速度計(jì)/陀螺儀電路 (來源:System Plus Consulting,December 2013)
Bosch的組合式傳感器是唯一所有功能(包括加速度計(jì)、陀螺儀與磁力計(jì))是全部由該廠商自家開發(fā)與制造的;該款BMX055九軸MEMS IMU整合了Bosch的第二代地磁感測器(geomagnetic sensor),在單晶片支援三軸感測,取代前一代三顆獨(dú)立晶片的方案。
此外Bosch Sensortec的元件采用鋁鍺薄膜接合(Al-Ge bonding)來封裝MEMS陀螺儀,并非采用傳統(tǒng)的玻璃介質(zhì)接合技術(shù)。
Bosch Sensortec的BMX055九軸IMU內(nèi)部之三軸磁力計(jì) (來源:System Plus Consulting,December 2013)
InvenSense最新的九軸IMU整合了新款三軸陀螺儀,采用單一種振動(dòng)結(jié)構(gòu),取代前一代裝置采用三種不同結(jié)構(gòu)的方法;這種新設(shè)計(jì)讓三軸陀螺儀功能區(qū)域尺寸縮減了40%。該元件也整合了新的三軸磁力計(jì),其功能面積亦較前一代縮減了40%左右。
新設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)勢,是該公司獨(dú)特的Nasiri制程已經(jīng)有所改變。以往InvenSense是以傳統(tǒng)蝕刻技術(shù)在元件上制作空腔(cavities),讓MEMS結(jié)構(gòu)得以運(yùn)動(dòng),這種方法已經(jīng)不再使用、也因此節(jié)省了成本。[page]
InvenSense的MPU-9250九軸IMU內(nèi)部之陀螺儀/加速度計(jì)(來源:System Plus Consulting,December 2013)
成本相近,供應(yīng)鏈差異化
以上三家MEMS元件供應(yīng)商擁有非常不同的供應(yīng)鏈;Bosch與ST主要是靠自家晶圓廠生產(chǎn),Bosch僅有生產(chǎn)ASIC元件時(shí)會(huì)委托代工廠,而ST則向Honeywell采購磁力計(jì)晶片。至于InvenSense則是一家無晶圓廠公司,委托多個(gè)不同代工夥伴制造、封裝其IMU。
AKM是InvenSense的磁力計(jì)晶片供應(yīng)商,而有多個(gè)晶圓代工廠為InvenSense生產(chǎn)六軸加速度計(jì)/陀螺儀感測器與ASIC,而元件的封裝測試則是委托其他專業(yè)封測廠。InvenSense只有負(fù)責(zé)元件的設(shè)計(jì)與測試。
而盡管基本上所采用的生產(chǎn)模式大不相同,這三家廠商的九軸IMU成本卻非常相近;雖然InvenSense 所采用的晶片數(shù)量明顯比較少,由于其元件生產(chǎn)委托許多不同的代工廠,也會(huì)帶來一些額外的成本。以下是三款I(lǐng)MU的成本結(jié)構(gòu)。