滿足感知融合應用需求　Combo感測器躍居市場主流

智慧型手機、平板裝置製造商正積極尋求智慧感測方案，帶動各類微機電系統(MEMS)動作感測器需求，包括三軸(3-axis)加速度計、三軸電子羅盤(Magnetic Sensor)、三軸陀螺儀、單軸壓力計(Pressure Sensor)等，業界統稱為十軸動作感測器。

以上的感測器各有主導性的國際大廠提供智慧型手機廠商合適解決方案，同時各類感測器在行動裝置的滲透率也有所不同，加速度計滲透率幾乎達100%、電子羅盤滲透率約20∼30%、陀螺儀滲透率約10∼15%，至於壓力計目前只有少數品牌旗艦機種搭載。

MEMS感測器技術競爭日益激烈

隨著MEMS感測器需求擴大，市場競爭也日益激烈，包括意法半導體(ST)、Bosch Sensortec、AKM(Asahi Kasei Microdevices)、應美盛(InvenSense)等國際感測器晶片大廠，以及如愛盛科技等新進廠商皆全力爭搶商機，以下將逐一剖析各家廠商的產品布局。

衝刺市占率　Bosch Sensortec強攻六軸方案

Bosch Sensortec目前取得多數加速度計市占率，其相關產品大多採用LGA Package(2毫米×2毫米×0.95毫米)，可針對客戶規格需求(如Digital Resolution、Sensitivity、Current Consumption等)提供不同價位的方案。Bosch Sensortec並首先發表全球最小1.2毫米×1.5毫米×0.8毫米的加速度計，採用晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)，欲以封裝及技術規格阻擋其他國際大廠以接腳相容(Pin to Pin)的方式進入客戶供應鏈的機會，但對於智慧型手機廠而言，是否願意採用無法接腳相容的方案，值得持續觀察。

為搶攻電子羅盤的市場，Bosch Sensortec除推出三軸電子羅盤外，也加碼開發整合電子羅盤和加速度計的六軸產品，欲持續提升在電子羅盤市場的占有率。

但目前離散式設計(Discrete Solution)(電子羅盤與加速度計單獨分開)的價格，依然比單顆六軸整合型感測器便宜，因此中低價智慧型手機市場對Discrete Solution的接受度依然較高，將來若單顆六軸產品價格降到與Discrete Solution相當，多功能整合(Combo)設計必定是趨勢。

押寶感測器中樞方案　ST主攻高階手機市場

意法半導體(ST)與Bosch Sensortec是少數擁有完整十軸感測器的國際MEMS大廠。ST提供的整合型六軸方案(加速度計加陀螺儀)與其他競爭對手不同，在陀螺儀價格偏高，且應用情境偏少的情況下，目前只有高階機種搭載，市場滲透率並不高。

ST為拓展高階市場，亦進一步採用Cortex-M0核心開發感測器中樞(Sensor Hub)，並與六軸感測器整合，可協助系統處理器降低功耗，並執行感測器融合(Sensor Fusion)演算法，促進系統運作更有效率。不過，感測器中樞，除多增加一顆微控制器(MCU)的成本外，周邊被動元件數量及印刷電路板(PCB)空間需求也隨之增加，如何取得成本與效率的平衡，端看智慧型手機廠策略。

搶攻電子羅盤市場　土洋MEMS廠相互較勁

AKM長期在電子羅盤市場具有極高市占率，約為70∼80%，主因為AKM採用霍爾效應(Hall Effect)技術，在製程上相對簡單，良率和成本都具優勢，且目前的應用只在於感測地磁方向，在準確度上要求不高(±7度誤差)，但未來若擴增實境(Augmented Reality)應用普及，在方向準確度要求較高(±1o誤差)下，不一定能保有如此高的市占。

AKM為保持高市占，正持續推出封裝小尺寸產品，但日前ALPS也採用WLCSP封裝，打造尺寸僅1.15毫米×1.15毫米×0.56毫米，號稱全球最小的電子羅盤，相信往後市場將持續落入尺寸規格競爭。

愛盛科技則為台灣少數在MEMS感測元件上具備量產實績的公司，目前主推採用異向磁阻(AMR)感測原理的電子羅盤，相對於霍爾效應方案有較高的精準度。該方案在10Hz採樣率(Sample Rate)下，功耗僅約為89微安培，是市面上其他方案二分之一到三分之一左右的水準；同時，在抗磁干擾設計上，以硬體去磁電路設計，使用者可免除須畫8字手勢校正的動作，讓消費者在使用上更為方便。

以下將分別剖析，加速度計和電子羅盤兩種市場滲透率較高的感測器技術發展。

元件特色大不同　電容/壓阻式加速度計各擅勝場

圖1　電容式加速度感測器結構示意圖

在地球表面上，物體皆定義為1個g(Gravity)的加速度墜落，1個g等於9.81m/s2，加速度計都以g單位來表示，其主要是由電路與機械式MEMS分開組成，目前市面上最常見的為電容式(Capacitive)及壓阻式(Piezoresistive)加速度計，大部分封裝都是透過打線方式連接特定應用積體電路與加速度計，透過疊放的方式來減少晶片面積。

下列就簡單介紹電容式與壓阻式加速度計的特性。

壓阻式加速度計結構簡單，運用質量塊(Mass)與懸臂樑(Beam)組合，並藉由加速度慣性力作用產生的壓力變化，造成阻值改變，當加速度作用時，質量塊會因慣性作用產生位移，導致懸臂樑產生型變，使懸臂樑上壓阻改變，透過壓阻阻值變化，一般會設計成等效成惠氏登(Wheatstone)電橋形式，量測兩端的電壓差，經由放大器到類比數位轉換器(ADC)處理即可得到相關裝置加速度的變化。

壓阻式設計如要省電，勢必加大阻值，相對的也會增加雜訊，而且壓阻式阻值容易隨溫度變化而對感度及零位飄移(Offset)產生變化，須進行溫度補償動作，這些都是設計時須考量的重點。對感度而言，壓阻式大約為1g變化數百微伏特(μV)到數十毫伏特等級，主要供應商以日系為主。

至於電容式加速度感測器(圖1)，主要以量測可變電容得知其加速度。可變電容的兩塊電極，其中一塊為固定電極，在受到加速度作用時，質量塊會因慣性作用產生位移，因而改變電極之間的距離；電極板間距改變，電容值(Cs1、Cs2)也會跟著改變，此容值經由電容轉電壓放大器(C-V Converter)轉成電壓訊號後，交由ADC處理。

電容式加速度計耗電量很小，產生溫度效應也小，但由於電容式電極之間距離很近，設計不當會造成電極黏住回不來，或是灰塵顆粒落在電極間造成失效，對無塵室要求較高。其電容值大約為1g變化數fF到數十fF等級，主要供應商以歐美為主。

目前主流市場還是以電容式為主。雖然電容式加速度計有較佳表現，但要求的製程工藝較高；至於壓阻式雖然稍微耗電及雜訊高，但製程工藝則較為簡單，以目前的市場對加速計的價格競爭非常激烈的情況下，將傾向採用壓阻式加速度計。

對加速度計在穿戴式市場的應用，不管是電容式或壓阻式皆面臨如何整合的問題，因為唯有整合才更易達到非常小體積的需求，因此加速計和控制晶片的整合，決定何種技術能主導未來市場的關鍵。

因應AR/LBS發展　電子羅盤提高感度/精度

由於導航已成為消費性電子的基本功能與未來發展方向，電子羅盤需求量能因而大增。由動作與方位感知功能所衍生出的應用軟體，未來將往與雲端技術結合的AR與定址服務(LBS)發展。

以導航需求來說，電子羅盤精準度可允許±7度的誤差範圍，但對於以辨別遠方標的物為基礎的AR或LBS而言，誤差範圍卻必須小於±1度。因此電子羅盤未來的發展趨勢，除對應商品設計需求如節能、高動態範圍、小體積與低成本外，基礎性能方面如精確度、感度、訊噪比(SNR)等亦須大幅精進。

目前市面上電子羅盤主流技術包括AKM的霍爾效應元件、Bosch Sensortec的磁通閘(Flux Gate)、愛知的巨磁阻抗(GMI)、MEMSIC的AMR方案、Yamaha與ALPS的巨磁阻(GMR)，與Everspin的穿隧式磁阻(TMR)技術。

就各項技術本身的特性而言，磁通閘與GMI元件其耗電量較高、不易微型化，與動態範圍不易延展的本質，對其現階段競爭力與未來發展有所限制。 相較之下，GMR與TMR感測器則具有低能耗、較易微型化與高動態範圍的特色，然而其較高的雜訊問題，以及易受大磁場干擾的特性，使其在現階段仍有很大的改善空間。

AMR元件雖有較GMR和TMR略高的能耗與相當的SNR，但因其對外部大磁場干擾較不敏感而保有一定優勢，如MEMSIC和愛盛皆採用此一技術。而霍爾元件儘管市占率高，但其較高功耗和低SNR表現，嚴重限制未來應用於高階軟體服務的可能性。

不同於MEMSIC以覆晶技術建構三軸電子羅盤，愛盛以專利準平面化方式實現三維空間的磁場感測，除有利晶片體積微縮外，更大幅提升產品穩定性與降低生產成本。 由於AR與LBS等高階軟體服務日趨成熟，使得兼具高精度且低能耗的電子羅盤，逐漸成為消費性電子產品關鍵元件。未來電子羅盤的技術發展，GMR與TMR技術因能耗、微縮能力、高量測動態範圍和成本優勢，可望逐漸從其他磁感測技術的競爭中脫穎而出。

不過，在現階段GMR/TMR感測技術仍存在著兩個面向的瓶頸，首先為製程方面：單晶片製程(將GMR/TMR與ASIC整合)與尺寸微縮的不可兼得，由於在三維空間中X、Y、Z為彼此垂直的量測軸，為完成三方向上獨立的磁場量測，元件的排列上須遵守此一幾何排列，導致單晶片製程的困難。

若是使用多極磁場退火製程(如Yamaha)解決垂直配向問題，雖可實現單晶片製程，但配向磁極的尺寸將限制GMR感測面積，使SNR變低；此外，感測器的尺寸也同樣受限於磁極而無法進一步縮小。

另一發展瓶頸為SNR與動態範圍間的掙扎。GMR/TMR元件的動態範圍可利用形狀磁異向性控制擴展至高達±100G的大範圍，但此舉亦會大幅增加低頻雜訊而使SNR下降；相反的，SNR表現較優良的GMR設計，其動態範圍僅±16G，於未來的應用上將捉襟見肘。

因此，愛盛計畫採用GMR技術，並以獨特磁路設計專利，達成以單一方向的感測元件完成空間中X、Y、Z三軸獨立的磁場量測，改善元件垂直配向與體積微縮間的兩難。另外，該公司也針對低頻雜訊開發特有濾波技術，可大幅提高元件的SNR。

多軸Combo感測器將躍居市場主流

表1　整合式動作感測器的優缺點

MEMS多功能整合感測器(Combo Sensor)在市場上已推出多年，但基於價格不夠犀利、晶片供應商少、選擇靈活性低等因素，所以市占率一直都不高。近來國際MEMS晶片大廠透過自行開發、購併和策略聯盟等方式，積極擴充自有MEMS感測器種類，加上單一感測器的技術和製程日趨成熟，已使Combo感測器整合優勢得以彰顯(表1)。

Combo感測器可共用控制ASIC和提升測試整合度，在價格上更具競爭優勢，又便於縮小封裝體積，以滿足手機平板對電子元件的輕薄短小設計，尤其對體積分釐計較的穿戴式產品興起，更加推動Combo感測器市場需求。

從應用面看也是如此，隨著手勢、動作識別等應用普及，整合軟體和演算法的感測器中樞的使用率也將提升，Combo感測器不僅有硬體的整合性，還提供結合軟體和演算法為一體的可能性。但Combo感測器也須注意在電路板上的擺放位置，必須同時兼顧到不同感測器的特性，如加速度計和陀螺儀希望放置於應力比較小的位置，電子羅盤則須擺放在磁場干擾小，且易感測到地球磁場的位置。

目前市場上的Combo感測器 主要有三種：

‧	六軸加速度計加電子羅盤：td>
	主要供應商為ST和Bosch Sensortec，這1∼2年在中國大陸的出貨量正快速成長。
‧	六軸加速度計加陀螺儀：td>
	主要供應商為ST和應美盛，因單價仍相對高和陀螺儀應用較少，目前主要為國際品牌大廠所採用。
‧	九軸加速度計、電子羅盤加陀螺儀：
	主要供應商為應美盛和ST，僅為國際品牌大廠所採用，其中，應美盛還在產品中內建數位訊號處理器(DSP)和一些動作和姿態識別功能。

未來Combo感測器將朝三個方向邁進，首先是更多功能(軸)設計，如再加入溫度、濕度和氣壓等，其次為內建感測器的應用，如計步器、動作/姿態識別等，最後則是增加射頻(RF)功能，如應用於物聯網(IoT)。

(本文作者為愛盛科技總經理)