行動裝置增加情境感知功能　MEMS邁向超低功耗/高整合

情境感知(Context Awareness)功能已成行動裝置品牌廠布局重點。三星(Samsung)、蘋果(Apple)在2013下半年接力推出新一代旗艦機種，除提供更強的運算效能以外，令人矚目的是，兩家大廠均強調手機更聰明了，可透過各式微機電系統(MEMS)慣性感測器、影像及環境感測元件收集周遭與用戶動態資訊，進一步實現新興的情境感知功能。

舉例來說，手機搭載情境感知機制可精準算出使用者移動的距離、方向與速度，進一步結合各種健康管理應用程式，協助用戶管理運動時間並提供飲食建議等，或讓用戶即時掌握環境和地理位置資訊，如溫/濕度、區域氣候和高度變化，主動告知用戶如何應變；另外還能實現室內導航(Indoor Navigation)，再結合雲端服務與廣告，提供使用者客製化資訊，落實適地性服務(LBS)。

不過，由於使用者操作需求與環境資訊隨時都在變化，因此感測器須要隨時監測與待命，而以往手機大多僅搭載三軸加速度計，亦無法滿足情境感知須擷取多元資訊的要求；有鑑於此，包括Bosch Sensortec、意法半導體(ST)、飛思卡爾(Freescale)、應美盛(InvenSense)和Kionix等MEMS大廠已積極加碼研發更低功耗，且整合更多感測功能與周邊元件的多軸感測器。

值此各家MEMS業者全力角逐情境感知應用版圖之際，新一波感測元件規格競賽已正式展開，除使MEMS感測器加速邁向超低功耗、多軸整合設計形式，MEMS感測器結合感測器中樞(Sensor Hub)的高整合解決方案，亦為相關業者布局重點。

情境感知應用推波助瀾　多軸感測器需求急速升溫

圖1　Bosch Sensortec亞太區總裁百里博提到，MEMS數位麥克風係加速推動語音控制介面的重要元件，MEMS廠商也將加碼投資研發。

隨著硬體規格差異化愈來愈難突顯，行動裝置業者的產品功能競賽已明顯轉向各種加值應用與服務，特別是情境感知功能更已成為品牌大廠近期最火熱的追逐焦點，刺激可擷取更多外界或使用者動作資訊的多軸MEMS感測器需求大增。

無庸置疑，行動裝置已成為驅動MEMS市場規模與技術演進的主要動能，蘋果和三星等一線品牌廠的最新旗艦機種更已導入九軸MEMS感測器，並透過微控制器(MCU)與感測器融合(Sensor Fusion)軟體平台，提供感測器中樞處理功能，以進一步實現各種情境感知的加值應用。

Bosch Sensortec亞太區總裁百里博(Leopold Beer)(圖1)表示，九軸MEMS感測器包括加速度計、磁力計和陀螺儀，可精準辨別使用者狀態、並收集各種環境資訊，再結合應用程式和雲端運算服務就能達到情境感知的效果，讓智慧型手機或平板裝置更添智慧。

意法半導體大中華暨南亞區類比、MEMS及感測器事業部行銷總監吳衛東(圖2)也強調，在高階機種一窩蜂導入下，九軸MEMS感測器有機會在未來2年挑戰20～30%市場滲透率，也將順勢帶動目前量較小、價格較高的陀螺儀採用率提高至五成比重，為MEMS業者開闢新的營收管道。

圖2　意法半導體大中華暨南亞區類比、MEMS及感事業部行銷總監吳衛東認為，手機相機模組將是MEMS感測器另一個潛力市場。

事實上，一線品牌廠為確保情境感知可獲取精確資訊並提供有效的分析或智慧化管理功能，讓消費者真正感受到手機的功能進化，大多傾向採用九軸感測方案；不過，隨著平價高規行動裝置設計風潮興起，中低價機種開發商也希望能快速引進高階產品的功能，因而也開始另闢低成本設計途徑，以中國大陸手機業者為例，已有不少廠商導入功能或精準度有所局限，但價格更親民的六軸或三軸方案，以支援簡單的情境感知功能。

飛思卡爾大中華區消費類感應器行銷與市場開發經理高小龍(圖3)指出，2013年中國大陸將達到四億支智慧型手機出貨規模，在市場愈趨成熟的情況下，產品競爭也愈來愈激烈，相關廠商為突顯差異化，初估這四億支手機中，將有10%的高階機種採用分離式或整合型九軸MEMS感測器；下一步則將再引進感測器中樞功能，以支援大量感測資料運算，並縮減系統功耗。

圖3　飛思卡爾大中華區消費類感應器行銷與市場開發經理高小龍指出，2014年該公司將推出MEMS陀螺儀，強化產品陣容。

高小龍更預估，2014年中國大陸市場的高階行動裝置可望有六成導入六軸或九軸感測器加感測器中樞，而千元人民幣以下的中低價機種亦將逐步導入六軸感測器，或三軸加速度計整合感測器中樞的低成本方案，使MEMS多軸感測元件和感測器中樞加速躍居行動裝置標配。

滿足隨時感知應用要求
MEMS廠競逐超低功耗方案

無庸置疑，情境感知正驅動MEMS感測器技術再進化，包括功耗、封裝尺寸、多軸/多功能感測能力，以及感測器融合軟體設計均須躍升至另一個層級。其中，功耗更是首要突破關鍵，MEMS廠必須將所有感測器運行功耗控制在毫安培(mA)範圍內，並將待機或休眠縮減至微安培(μA)，方能協助行動裝置、穿戴式電子和物聯網(IoT)裝置開發商，實現隨時開啟(Always On)的情境感知應用。

百里博指出，要在支援多元感測功能的前提下，持續降低功耗，唯有透過整合方式才能實現，而整合可分為各種MEMS感測器之間的整合，以及基於微控制器(MCU)設計的感測器中樞所達成的感測子系統整合。因此，未來MEMS廠勢將投注更多心力開發加速度計加陀螺儀或磁力計的六軸方案，以及九軸感測器系統單晶片(SoC)設計，同時也加緊布局感測器中樞方案。

據悉，Bosch Sensortec和意法半導體皆致力朝上述方向邁進，並已相繼發表矽穿孔(TSV)製程的九軸MEMS感測器中樞方案，以及九軸外掛一顆壓力計的感測器產品，加緊卡位行動裝置情境感知應用，以及未來可望蓬勃發展的智慧手表、物聯網特定應用感測網路節點(ASSN)市場。

百里博更強調，手機的情境感知機制要隨時監控外界資訊，故內建感測子系統的設計須同時考量感測器和感測器中樞的耗電量，由於Bosch集團係市場上唯一兼備慣性(Inertial)、地磁(GeoMagnetic)、氣壓(Barometric)和聲音(Acoustic)等多元感測器技術的廠商，可全方位掌握MEMS特性進而優化製程與晶片架構布局，因此在選擇九軸感測器中樞控制方案時，可採用極低功耗的Cortex-M0+核心；相較之下，競爭對手須使用Cortex-M4的高階MCU核心才能支援九軸感測器的資料運算，對整體系統功耗和物料清單(BOM)成本的影響將更加突顯。

不讓Bosch Sensortec專美於前，意法半導體亦將於2014年揭櫫新款多軸MEMS感測器，以及感測器中樞量產計畫。吳衛東指出，其實MEMS元件在工業領域已行之有年，近來隨著製程改良及功耗、成本下降才開始進入消費性電子市場，然而，現有MEMS產品要進軍穿戴式電子，包括體積和耗電量都還有努力的空間，因此該公司2014年將以Cortex-M0/M4核心，開發更低功耗、更高整合度的六軸感測器加MCU單晶片。

除了在硬體設計方面做改善外，亦有MEMS廠投入研發軟體省電技術，期進一步做出產品區隔。

圖4　Kionix台灣區總經理洪育浩強調，六軸模擬九軸MEMS感測器因成本親民，將快速在市場上崛起。

Kionix台灣區總經理洪育浩(圖4)強調，單純從MEMS晶片電路布局、封裝等硬功夫方面著手並非唯一能節省系統功耗的方法，透過軟體模擬功能，減低系統元件需求，亦能順利推動情感知應用成形，並符合消費性電子產品的成本限制。

六軸模擬九軸MEMS省電也省成本

洪育浩進一步指出，其實感測器中樞的概念最早由微軟(Microsoft)提出，主要應用目標係鎖定Windows 8超輕薄筆電(Ultrabook)、二合一(2-in-1)筆電及平板裝置，而感測器中樞延伸至Android手機或平板應用中，也須因應平價高規的設計風潮，因此除功耗以外，成本也是PC原始設備製造商(OEM)和行動裝置業者的關注焦點，兩者缺一不可。

為此，Kionix已另闢新的設計途徑，透過專利軟體演算法的奧援，將六軸加速度計加磁力計所擷取的資訊，以軟體模擬方式推算出陀螺儀可量測的角度和角速度變化，協助系統業者節省一顆元件的成本，但同樣能達成完整的九軸感測功能。

洪育浩也透露，目前該公司正與PC品牌廠共同展開實測，相較於真實九軸元件，六軸模擬九軸方案的功能毫不遜色，而成本和功耗則可分別降低80%和90%以上。尤其市面上六軸(加速度計加磁力計)感測器的價位已下探1美元以下，但單一三軸陀螺儀還在1～1.5美元的價格，創新的六軸模擬九軸方案對OEM帶來的吸引力可見一斑。

提升感測器整合度　MEMS微型封裝製程崛起

由於新的情境感知應用創意正不斷萌芽，繼九軸感測器之後，下世代十軸、十一軸甚至十二軸MEMS感測器與相關的感測器中樞方案也將陸續問世，以提供更精準的室內導航，以及更豐富的行動裝置智慧控制與資料分析功能。

對此，百里博分析，此一演變將使MEMS廠商須備齊各式各樣的MEMS感測器技術，並加強與MCU廠商的合作關係，可望掀起另一波MEMS產業整併和異業結盟風潮。不僅如此，隨著感測器設計更加複雜，MEMS業者除須改良現有的系統級封裝(SiP)技術外，亦須加速轉向更微型化的TSV 3D立體堆疊製程，才能在有限的系統設計空間內加入新感測功能。

據悉，全球前三大MEMS業者皆正緊鑼密鼓部署新世代TSV製程，讓晶片尺寸縮減至2毫米(mm)×2毫米以下，進一步節省空間與耗能。

吳衛東表示，目前多軸MEMS感測器都是以SiP封裝實現，至於意法半導體已更進一步利用TSV製程打造四層晶片堆疊(4 Layer Stack)設計，因此旗下九軸產品已達到4毫米×4毫米的極致精巧尺寸，將持續朝業界要求的2毫米×2毫米規格邁進。

高小龍更提到，已有廠商開始研發九軸單晶片架構，但由於MEMS感測器的特性和印刷電路板(PCB)布局方式各有不同，技術挑戰相當艱鉅，短期內恐難實現。舉例來說，磁力計須採用磁性材料，並盡可能遠離其他電子元件以避免磁干擾問題，而壓力計則須鄰近開口處(例如耳機孔)，方能測得環境壓力；相較之下，加速度計和陀螺儀反而要靠近系統中心才能發揮最佳效能，因此單晶片整合方式在某種程度上將於系統設計相互矛盾。

吳衛東也抱持同樣看法，並直言與其冒著高投資風險開發十軸以上的MEMS整合元件，依各種MEMS元件特性實現多元整合設計將貼近市場需求，如MEMS壓力計與麥克風整合的形式。也因此，他認為未來十軸方案因技術門檻較高，且無法為晶片商和系統業者帶來顯著的經濟效益，可能胎死腹中，反而是九軸加一軸壓力計(或壓力計加麥克風)的分離式設計將較受市場歡迎。

因應不同MEMS元件的特殊性，導致單晶片整合遭遇瓶頸，新一代MEMS與互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程的異質融合方案也開始嶄露頭角，可望另闢全新的高整合感測元件設計途徑。

圖5　芯科實驗室時序產品行銷總監Wade Gillham強調，MEMS製程技術在行動裝置中的角色將愈來愈重要。

芯科實驗室(Silicon Labs)時序產品行銷總監Wade Gillham(圖5)表示，該公司已成功在CMOS晶圓上堆疊MEMS晶圓，將MEMS諧振器與CMOS補償電路以單晶片的形式整合，打造出體積精巧且功能完整的MEMS時脈元件。而此一該技術未來也可望延伸到頻率控制以外的MEMS應用上，實現超高整合度的MEMS感測相關元件。

事實上，隨著MEMS大廠加碼投入發展多軸感測器結合MCU感測器中樞的方案，單晶片CMOS加MEMS整合設計已更加火紅，可望加速兩種截然不同的製程在手機情境感知機制中相互融合。Gillham分析，在適當商業條件下，把MEMS智慧財產授權出去有其道理，以加速與CMOS相關晶片設計整合；一旦實現此種模式，半導體產業將呈現全新風貌。

Gillham進一步指出，以芯科實驗室的CMEMS(CMOS加MEMS)專利技術為例，所使用的MEMS材料皆適用於製造MEMS時脈和感測元件，例如時脈和加速度感測，或加速度和壓力感測都可設計成單晶片，不須再以兩顆晶片堆疊的方式增加系統布局複雜性，同時還能提升訊號處理功能，讓感測器的表現更出色。

決戰多軸感測市場　MEMS再添環境感測元素

綜上所述，情境感知已牽動多軸MEMS感測器、封裝技術和感測器中樞的全面性革命。吳衛東更指出，下一階段MEMS業者將跨出慣性感測、時脈和麥克風設計領域，搶進溫/濕度、紫外線、氣體和氣味等環境感測器應用，進一步擴張MEMS製程的影響力。

吳衛東透露，有鑑於MEMS廠商爭相搶進多軸、感測器中樞市場，導致類似產品大量出籠，競爭更加白熱化，意法半導體已加緊發展結合溫度、濕度和壓力量測功能的MEMS Combo感測晶片，並可望於2014年率先導入量產；如此一來，除可增加產品陣容多樣性，也能促進情境感知功能更上層樓，有助吸引更多系統業者青睞。

在手機加速導入情境感知功能的推助下，MEMS技術正以突飛猛進的速度持續改朝換代。除此之外，隨著物聯網生態系統快步茁壯，各種工業、家庭無線感測節點，以及智慧眼鏡和智慧手表等穿戴式電子的需求也將陸續湧現，未來MEMS感測器將以SiP或3D封裝方式整合32位元MCU，以及藍牙(Bluetooth)等無線射頻(RF)相關元件，讓各種聯網裝置都能扮演感測節點的角色；而MEMS市場則可受惠於此一發展，產值直線攀升。