【導(dǎo)讀】智能產(chǎn)品的熱銷(xiāo)，待旺了MEMS傳感器的需求，盡管目前市場(chǎng)上目前六軸MEMS的需求是主流，但是未來(lái)向九軸過(guò)渡顯然會(huì)是大勢(shì)所趨。因此本文選取了三款分別來(lái)自 Bosch Sensortec 、意法半導(dǎo)體(ST)和 InvenSense 的九軸慣性傳感器元件(IMU)進(jìn)行拆解和對(duì)比，由此探究未來(lái)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
組合式傳感元件因?yàn)榫邆湔闲詢(xún)?yōu)勢(shì)、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(chǎng)當(dāng)紅產(chǎn)品；市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole Development估計(jì)，組合式傳感器市場(chǎng)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(zhǎng)率則由21%提升至66%。
市場(chǎng)對(duì)于六軸IMU與六軸電子羅盤(pán)(e-compass)元件組合式傳感器解決方案的接受速度非常快，本文所拆解研究的九軸傳感器無(wú)疑是更具創(chuàng)新概念的后繼者，分別是來(lái)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(jiàn)到在汽車(chē)內(nèi)的應(yīng)用，而智慧型手機(jī)預(yù)期仍然是接下來(lái)幾年組合式傳感器市場(chǎng)的主要應(yīng)用推手。
外形與封裝
在 2013年，提供給大量訂購(gòu)客戶(hù)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(duì)較高，不過(guò)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。
圖1，來(lái)自三家不同供應(yīng)商的9軸MEMS傳感器尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)都大不相同
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(lái)說(shuō)，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(xiàn)(wire bondings)來(lái)連結(jié)；ST的IMU元件采用了76條打線(xiàn)，InvenSense的元件則只采用了25條打線(xiàn)。
圖2，ST九軸感測(cè)器內(nèi)部解析
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(lái)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(lái)源：System Plus Consulting，December 2013)
圖3，Bosch的九軸感測(cè)器元件完全是自家出品
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(kāi)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(cè)器(geomagnetic sensor)，在單晶片支援三軸感測(cè)，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(lái)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(lái)源：System Plus Consulting，December 2013)
圖4，InvenSense九軸傳感器元件尺寸、成本都縮減
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(shì)，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(lái)源：System Plus Consulting，December 2013)
圖5,9軸IMU成本結(jié)構(gòu)比較
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(gòu)磁力計(jì)晶片。至于InvenSense則是一家無(wú)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(cè)器與ASIC，而元件的封裝測(cè)試則是委托其他專(zhuān)業(yè)封測(cè)廠。InvenSense只有負(fù)責(zé)元件的設(shè)計(jì)與測(cè)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(lái)一些額外的成本。以下是三款I(lǐng)MU的成本結(jié)構(gòu)。
