迎向感知物聯網設計趨勢　MEMS大吹異質功能整合風

感知物聯網設計風潮加速擴散。想像家電、工控設備、汽車和個人智慧裝置皆能隨時擷取生理資訊、環境的紫外線(UV)、氣壓或溫/濕度條件變化，並將資料傳至微控制器(MCU)、應用處理器或雲端伺服器進行分析，再將結果呈現在應用程式上，讓用戶無時無刻掌握身體和周遭變化；這就是感知物聯網的終極目標，也是蘋果(Apple)、Google和三星(Samsung)等科技大廠繼行動裝置之後，最積極搶攻的應用山頭。

感知物聯網的運作包含資料蒐集、轉換、分析到傳送等流程，可促進行動或其他聯網裝置與外界的連結，進而發揮各類資訊利用價值。其中，資料蒐集係最關鍵的一塊技術拼圖，必須透過多元微機電系統(MEMS)感測器才能實現，刺激MEMS市場發展加速蓬勃；現階段動作感測器已獲得廣泛採用，而下一階段「漲」相最被看好的，則是壓力計、溫/濕度、UV和氣體等環境感測方案，包括智慧家庭、工廠、汽車、行動和穿戴式電子開發商皆有導入計畫，可望將MEMS市場推向新高點。

一次滿足物聯網應用需求　MEMS Combo設計蔚成風

圖1　飛思卡爾半導體感測器部市場、系統架構、軟體和演算法經理陳一安指出，陀螺儀體積和功耗過高的問題，MEMS業者已紛紛透過Combo設計改善。

在印刷電路板(PCB)設計空間、成本和功耗預算日益緊縮之下，MEMS晶片商也正面臨巨大挑戰，因此紛紛祭出多軸動作感測器加環境或生物感測的多功能整合(Combo)方案，或是多軸感測器加MCU的慣性測量裝置(IMU)，以及更先進的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)加MEMS單晶片等異質整合設計策略，以兼顧系統設計的各個重要環節。

飛思卡爾(Freescale)半導體感測器部門市場、系統架構、軟體和演算法經理陳一安(圖1)表示，行動和物聯網設備內建感測器數量與日俱增，引發嚴峻的系統布局、電源管理及大量資料處理挑戰，首當其衝的當然就是感測器供應商，不僅要致力研發更低功耗且小尺寸的MEMS製程，還要加速發展MEMS Combo架構，以及感測器融合(Sensor Fusion)軟體解決方案，才能一次兼顧所有系統設計需求。

意法半導體(ST)技術行銷經理李炯毅(圖2左)指出，隨著三軸加速度計、磁力計和陀螺儀逐漸成為手機標準配備，MEMS感測器晶片商也一窩蜂投入發展新型六軸或九軸Combo方案，以提升量產經濟效益，並縮減元件體積和功耗。此外，旗艦機種開始運用壓力計達成高度追蹤和輔助導航功能，亦激勵MEMS業者加緊布局系統級封裝(SiP)技術，以實現更高整合度的十軸Combo產品。

圖2　意法半導體技術行銷經理李炯毅(左)強調，該公司將在年底發表UV感測器，進一步拓展MEMS環境感測器陣容。右為意法半導體技術行銷經理蘇振隆

除此之外，由於加速度計和陀螺儀的感測層結構雷同，因此意法半導體和Bosch Sensortec等主要供應商更已推進至系統單晶片(SoC)架構，在同一個晶圓上整合兩種感測器，甚至再結合32位元MCU的控制電路打造出六軸IMU，進一步紓解系統空間吃緊的設計難題。

工研院南分院微系統中心特別助理陳弘仁也提到，為協助台灣MEMS業者趕上國際大廠，工研院已發表感測器電路共構專利，可將加速度計和陀螺儀電路設計在同一顆晶粒上，減輕重覆開發和測試負擔，近期亦已啟動技轉合作，將授權晶片商量產。

不過，陀螺儀因控制電路及演算法最為複雜，導致設計成本和功耗偏高，一直是業界亟欲克服的問題，即便透過Combo獲得一定程度的改善，但仍難以達到平價行動裝置對感測元件成本要求的甜蜜點；因此，包括矽立(mCube)、愛盛科技和Kionix等MEMS晶片商皆轉向發展軟體陀螺儀(Software-based Gyroscope)，透過加速度計與磁力計資料融合，以軟體模擬方式推算出陀螺儀可測得的角速度等資訊，節省硬體成本。

降低成本與功耗　軟體陀螺儀進駐Combo

近期矽立即搶先發表內建軟體陀螺儀的九軸MEMS Combo感測器，相較於目前高階手機搭載的九軸方案，該產品的系統占位空間、功耗和成本皆大幅下降50%以上，進而滿足下世代行動裝置、穿戴式電子更嚴苛的系統設計和成本要求。

愛盛科技總經理賴孟煌進一步指出，以目前單顆陀螺儀約1美元左右的價格推算，以軟體方案取代九軸MEMS Combo內建的實體陀螺儀，至少可省下0.7~0.8美元成本，將大幅提高中低價手機廠商導入多軸MEMS Combo的意願。目前該公司亦緊鑼密鼓研發軟體陀螺儀技術，並規畫在2015年打造六軸加速度計加磁力計，並整合軟體陀螺儀的九軸方案，全力搶攻中國大陸中低價手機和平板市場。

另一方面，高階手機則持續追求極致感測性能和省電效益，並掀起感測器中樞(Sensor Hub)導入潮。陳一安指出，為搶攻市場商機，飛思卡爾已提供九軸動作感測器加MCU模組，以及相關參考設計和感測器中樞程式碼，協助系統廠降低感測資訊處理功耗，以實現常時運作的情境感知(Context Awareness)功能；同時也朝向下一階段的十軸(增加壓力計)和十二軸(再加入兩個攝影鏡頭)感測器中樞設計邁進。

感測功能需求多樣化　MEMS邁向異質整合設計

鎖定行動和物聯網裝置增加多元感測功能的趨勢，一線MEMS大廠皆積極開發MEMS Combo，甚至是九軸動作感測器加環境或生物感測器的異質功能整合方案，揭開十軸以上MEMS Combo技術發展序幕。

Bosch Sensortec亞太區總裁百里博(Leopold Beer)指出，MEMS市場80%以上的成長動能來自行動裝置，隨著手機品牌廠開始引進壓力計、溫/濕度感測器，以及基於光學架構的心率感測器，MEMS晶片商也須推出更高功能整合度的產品，以跟上手機感測機制規格快速演進的腳步。

在設計空間有限，又須增添多樣感測器的挑戰下，系統廠勢將改搭具備異質功能整合特色的MEMS Combo，以兼顧成本和性能擴充效益，因此近來已可看到晶片商以SiP技術，打造九軸動作感測器再加一軸壓力計，或再增加雙軸溫/濕度感測器、雙軸環境光和近接光感測器的模組產品規畫。Beer透露，該公司已率先發布十軸MEMS Combo方案，並推出壓力計加溫/濕度感測的三合一產品，同時也馬不停蹄研發九軸動作加三軸環境感測器。

無獨有偶，意法半導體亦積極布局十軸MEMS Combo，並計畫開發十軸加雙軸光感測器的十二軸產品。李炯毅指出，由於動作和環境感測器在封裝需求方面存在先天差異，再加上兩種感測方案在系統布局上的考量大相逕庭，因此該公司遂轉攻技術結構較相近的動作與光感測器異質整合設計。

李炯毅強調，為迎向MEMS異質整合設計趨勢，意法半導體除加碼投資SiP技術研發外，亦從製程方面著手，分別發表專利THELMA製程，以及矽穿孔(TSV)解決方案，前者可將感測層的厚度從25微米推升至60微米，大幅增強感測器靈敏度、功能整合度，同時降低由CMOS控制電路進行校正的功耗。至於後者則將MEMS晶圓磨薄再進行穿孔、堆疊，以整合多樣感測器，同時降低封裝高度。

值得注意的是，意法半導體和Bosch Sensortec不約而同表示，環境感測器的封裝須保留開口，以和擷取外界資訊，此一結構和系統布局的考量皆與MEMS麥克風雷同，因此兩家公司皆不排除未來推出MEMS麥克風加壓力計和溫/濕度、UV等環境感測器之整合方案的可能性，端看系統廠設計需求。

除了各類感測器的整合設計外，MEMS業者亦透過其他技術途徑搶攻物聯網商機，並已將成功觸角伸至時脈元件、光學投影和轉換元件等設計領域。

迎向物聯網設計浪潮　MEMS時脈元件進駐SoC

MEMS時脈元件可取代傳統石英方案，滿足物聯網低功耗、小尺寸設計需求，因而成為業界熱門焦點；處理器廠更相繼投入研發內建MEMS諧振器電路的感測中樞與特定應用標準產品(ASSP)。

賽特時脈(SiTime)行銷執行副總裁Piyush Sevalia(圖3)表示，繼行動裝置之後，智慧電表、無線感測節點(WSN)和穿戴式電子等物聯網裝置對功耗、體積和成本要求更加嚴格，因而刺激晶片商埋首於更高功能整合度的SoC方案，以降低系統周邊零組件需求。由於每顆處理器皆須搭配一到兩顆以上時脈元件，且須考量外部電容等被動元件的設計空間，因而成為處理器廠亟欲整合的目標。

圖3　SiTime行銷執行副總裁Piyush Sevalia提到，看好感測器中樞的需求，MegaChips和SiTime正積極合作研發新產品。

以感測器中樞為例，其功能為預先處理大量感測器資訊，以減輕高耗電的系統主處理器負擔，然而，對系統廠而言，增加一顆感測器中樞，以及其周邊的時脈與被動元件，將使印刷電路板(PCB)設計空間、物料清單(BOM)預算更加吃緊。因此，MegaChips遂於近期購併MEMS時脈元件供應商--SiTime，開始布局整合MEMS諧振器及控制電路的SoC及ASSP，以滿足行動裝置及物聯網設備開發商的設計需求。

事實上，Maxim Integrated先前即與SiTime合作，開發出內建MEMS諧振器矽智財(IP)的智慧電表晶片；許多行動處理器大廠也已推出或正評估發展整合時脈電路的SoC。Sevalia透露，MegaChips與SiTime合併後，亦計畫結合雙方的CMOS邏輯製程技術及MEMS時脈設計知識，打造多款支援32kHz和MHz時脈功能的SoC，可望促進此類設計成為一門顯學。

Sevalia分析，傳統基於石英晶體形式的諧振器、振盪器等時脈元件，囿於材料、製程和封裝方案的特殊性，長久以來皆難以取得元件性能、體積和生產成本的平衡點，同時也不容易和CMOS邏輯元件整合；而此一限制在追求輕薄、親民價位的行動裝置，以及未來的物聯網產品市場中正日益被突顯，因而引發系統廠換料的考量，進一步帶動新型態MEMS時脈元件崛起。

據Yole Developpement最新報告指出，MEMS時脈元件挾相容於標準半導體製程和封裝平台的優勢，近幾年皆繳出每年出貨量增長75%以上的亮麗成績單，足見其市場發展潛力驚人。

圖4　各類MEMS感測元件於智慧家電應用趨勢

Sevalia強調，儘管目前MEMS與石英時脈元件的滲透率相比，還是小巫見大巫，然而，MEMS緊跟半導體摩爾定律(Moore's Law)演進腳步，每年在元件尺寸、功耗和功能整合度方面都有顯著突破，再加上其逐漸納入SoC設計的一環，對標準正快速演變的行動裝置和物聯網產品發展將大有助益。

在感知物聯網的帶動下，MEMS元件應用不僅更加開闊(圖4)，亦延伸出多個異質功能整合的設計路線，包括MEMS Combo、MCU加MEMS的感測器中樞方案，以及動作加生物感測器，或是環境感測器加MEMS麥克風的產品形式正相繼冒出頭來，將為MEMS產業發展增添新話題。