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开创MEMS手持装置应用新局!
 

【作者: 鍾榮峰】2009年02月04日 星期三

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MEMS组件手持装置应用多样丰富

炙手可热的Wii和iPhone,让微机电系统(MEMS)应用势如破竹快速切入消费电子领域,MEMS在手持装置的应用前景,更随着Wii和iPhone的盛行而备受瞩目,正产生革命性的变化。


MEMS结合其他组件功能在手持装置上的应用,除了摇晃或倾斜手机操作菜单找到所需的功能之外,还可触控移动浏览页面、卷动网页、更动手机方向角度显示图片,也可作为计步器、导览接口、LBS定位信息服务、个人惯性导航、照相防手震和强化影像稳定度、智能互动游戏、提高麦克风高解析音质等多元且丰富的作用。内建MEMS功能的手持装置,也可作为检测绝对气压或高度的感测装置使用,或采用MEMS压力与流速传感器,让手持装置进一步具备测量心跳、血糖及其它健康参数等功能。MEMS技术也应用在微型行动投影、调节式显示屏幕、频率控制近场无线通信NFC感应等,未来更可以结合惯性感测组件,搭配人体姿态动力学演算处理,进一步针对人体动作产生做出高解析指向定位与动作型态的译码技术,应用于家庭数字娱乐中心控制器。


MEMS组件手持装置应用前景可期


《图一 各类MEMS应用组件销售量预估图 》
《图一 各类MEMS应用组件销售量预估图 》数据源:楼氏电子(Knowles Acoustics)、Yole Development

2007年MEMS在通讯和消费性应用比例,比起2004年已成长10%。工研院IEK半导体领域产业分析师谢孟玹估计,去年2008年全球MEMS市场规模达72.46亿美元,到2011年整体市场可达106.34亿美元,2006~2011年复合成长率可达12%。楼氏电子(Knowles Acoustics)市场营销与销售资深总监Mark Johnson则根据市调机构Yole Development的预测数据表示,到2012年MEMS组件市场规模将近160亿美元,其中微型投影的成长将最为快速,陀螺仪(Gyroscopes)、加速度计(Accelerometer)、RFMEMS、压力感测以及微流体(Microfluidics)诊断芯片等应用也有明显成长;若从销售量来看,MEMS麦克风、RFMEMS、加速度计将成为前三大应用。另一市调机构iSuppli的报告亦指出,手机会是MEMS组件下一阶段最具潜力的应用市场,成长预期可超过PC周边和汽车感测领域;到2012年,MEMS在手机领域的应用规模将达8.669亿美元,约为去年3.048亿美元的3倍,出货量达2.009亿颗则是去年的4倍。



《图二 各类MEMS应用组件销售值预估图 》
《图二 各类MEMS应用组件销售值预估图 》数据源:楼氏电子(Knowles Acoustics)、Yole Development

各类MEMS应用组件销售值预估图

MEMS组件手持装置应用已经成熟MEMS在手持装置上的组件包含新一代三轴加速度计、陀螺仪、压力传感器以及模块设计等,可越来越精确地提供速度、加速度、方向、角度等数据,因此在应用上便有许多创意空间出现。具备运动感测(motion sensor)功能的加速度计,让手机具备触控动感的浏览接口更为丰富且具亲近性;具角度侦测能力的陀螺仪,也进一步开拓MEMS在便携设备的应用想象力。


结合可操控的智能软件与MEMS芯片的设计正迅速地导入手机平台设计中,特别是以Java手机平台软件设计为基础,可进一步提升MEMS组件的精确度。意法半导体(STM)模拟、功率与微机电组件产品市场经理郁正德表示,大部分主流消费者的应用趋势,会决定MEMS组件在手持装置上的发展方向;MEMS技术使用条件已经成熟,消费者将最终决定MEMS应用动向朝向何处。


《图三 MEMS 8吋晶圆厂内部一隅 》
《图三 MEMS 8吋晶圆厂内部一隅 》数据源:意法半导体(STM)

数据源:意法半导体(STM)今年各家MEMS组件供应大厂有志一同地将手持装置领域视为扩展影响力的兵家必争之地。STM先从消费电子领域、特别是手持装置上的应用开始发展,未来将进一步介入车用电子市场,产品线以加速度计为主,今年STM仍会持续开发陀螺仪、麦克风、压力感测、MEMS模块和功能性感测等产品。今年ADI也将以手机作为加速度计和MEMS麦克风的主要发展领域,亦正考虑扩展在Connected PND应用的可行性,预计第一颗陀螺仪产品将在今年Q4问世。


ADI的MEMS组件研发团队是以MIT电机工程背景的研发人才为基础,目前也正进行RF MEMS的研发作业。Knowles Acoustics除了持续扩展自身MEMS麦克风产品在手持装置的应用广度外,也进一步与欧洲车厂合作将MEMS声学产品应用在车内系统。另一方面,台湾工研院南分院微系统科技中心在加速度计和麦克风的技转作业也正开花结果,今年亦集中开发加速度计和MEMS麦克风产品进入市场。

MEMS运动感测应用方兴未艾Apple所推出的iPhone系列,无疑是推动MEMS加速度计在手机应用的催生者;智能型手机将率先大幅采用MEMS运动感测组件,以智能型手机结合服务带动需求,作为MEMS进一步发展的平台,预估到2010年预计手机用MEMS组件将突破10亿颗。


在手持装置领域MEMS运动感测组件主要是以加速度计和陀螺仪为主,应用范围包括手机的动作控制、取代按键接口设计、计步器、游戏动作感测、以及备受瞩目的辅助提升LBS(Location Based Service)定位精确度(accuracy)功能。


加速度计


《图四 加速度计运作原理示意图 》
《图四 加速度计运作原理示意图 》数据源:意法半导体(STM)

加速度计运作原理示意图计算速度与振动的加速度计可应用于手机上的数据撷取、撞击感测、影像防手震、网页浏览、计步器等应用,也可简化手机人机接口、修正投影机梯形影像修正、MP3翻转调整音量等。根据工研院IEK和Yole Development的统计数据显示,目前加速度计大厂ADI市占率约占33%、KIONIX占有15%、STM和MEMSIC各约占14%,HOKURIKU DENKO则占9%,Hitachi Metals占6%。


ADI大中华区微机电部门营销经理吴彦彬(Stephen Wu)并认为,未来MEMS高解析加速度计设计趋势,将朝向取代箭头键(directional pad)目标前进,或者是应用在倾斜或摇晃运动感测,及手机六面轻敲感测等应用,来提升手机游戏互动的使用经验。


加速度计功能包括单击(click)和双击(double-click)辨识、唤醒(wake-up)和运动侦测高温稳定性、偏移容忍度和抗震耐撞性能可达10000g的高抗撞击能力,通常加速度计亦内建自我测试(self-test)能力,在被内嵌组装在电路板以后,可确认运作是否正常。降低成本方式多以制程整合、先进构装、转进8吋厂为主。值得注意的是,STM的加速度计微型尺寸高度可达0.9mm,能够进一步满足手持装置薄型化设计的市场需求。


《图五 陀螺仪运作原理示意图 》
《图五 陀螺仪运作原理示意图 》数据源:意法半导体(STM)

陀螺仪运作原理示意图计算角速度的陀螺仪可应用在手机的影像防手震功能、辅助GPS导航精确度和惯性导航(Dead Reckoning),角速度测量性能全量程可高达每秒±300度。在无法接收到GPS三点定位讯号的所在或是短距离的值点位置,藉由知道方向和速度推测仿真出具体位置所在和转向位置,亦即配合加速度计以积分方式计算速度,便可推测仿真出具体位置。


侦测到以线性加速以及角度移动的微小位移,藉此提供惯性导航功能,直到GPS信号恢复为止,一直是加速度计结合陀螺仪的重要应用内容。除此之外,STM产品市场经理郁正德表示,陀螺仪和加速度计应用亦可让3D point呈现于演说者的point装置中,达到double click效果。工研院IEK分析师谢孟玹则指出,目前在消费电子领域主要供应陀螺仪的厂商包括ADI、InvenSense、KIONIX、Panasonic,均已进入量产阶段,预估2010年手机用陀螺仪亦可进入商业化阶段。但是整体来看,由于陀螺仪单价昂贵,目前在手持装置上的应用较不普遍。


ADI营销经理Stephen Wu进一步认为,不仅是受限价格因素使得陀螺仪应用于手持装置上发展较为不易,陀螺仪的漂移(drift)问题仍困扰着手持装置或游戏机制造商,例如游戏机采用陀螺仪设计便遇到补偿偏移的技术难题,导致游戏机灵敏度和精确度受到影响,因此陀螺仪在手持装置上的应用发展前景仍有待观察,不过ADI在今年Q4仍会推出相关陀螺仪产品,完整因应市场不断变动的需求。

计步器应用稳定成长加速度计应用在手持装置上的两大功能非计步器和屏幕翻转莫属,在iPhone尚未掀起全球市场热潮之前,STM的计步器便已应用于手机品牌大厂的产品中。计步器的质量与加速度计的分辨率(high resolution)息息相关,分辨率越高,手持装置越能感测轻微步伐的改变。


ADI营销经理Stephen Wu表示,倘若手机放在桌上静止不动或是用户随身缓步行进时,通常振动幅度小于60mg;放在桌上的Noise P-P值约在20mg之间,随身缓步行走的Noise P-P值约在55mg之间,一般而言6-bit的计步器可能无法有效感测缓慢步伐的变化,越高分辨率的加速度计越能彰显计步器的应用功能。

《图六 ADI大中华区微机电部门营销经理吴彦彬(Stephen Wu)表示,越高分辨率的加速度计应用在手持装置上,越能感测微幅倾斜变化和轻微步伐的改变,可进一步提升手机屏幕翻转、游戏和计步器的使用功能。》
《图六 ADI大中华区微机电部门营销经理吴彦彬(Stephen Wu)表示,越高分辨率的加速度计应用在手持装置上,越能感测微幅倾斜变化和轻微步伐的改变,可进一步提升手机屏幕翻转、游戏和计步器的使用功能。》

ADI大中华区微机电部门营销经理吴彦彬(Stephen Wu)表示,越高分辨率的加速度计应用在手持装置上,越能感测微幅倾斜变化和轻微步伐的改变,可进一步提升手机屏幕翻转、游戏和计步器的使用功能。


晃动一下手机即可接听来电;没有按键、无需手指,仅凭简单动作翻转、摇晃、轻敲,即可浏览网页、观看多媒体影像图片,这是加速度计带给用户操控手机更为方便与亲近的重要变革,也因此加速计的分辨率便非常关键。Stephen Wu进一步指出,手机或游戏机的倾斜动作亦需要高分辨率的MEMS感测装置,一度的倾斜会造成16mg的加速度变化。6bit的MEMS传感器最多只能感测出64mg、大约4度的倾斜改变,无法侦测出低于4度的微幅倾斜变化,因此用户要大幅调整倾斜度才能让MEMS传感器侦测响应出相关动作讯息。


此外,Low bit的加速度计亦无法正确地感测出不同左右方向的倾斜角度,也会使得用户需大幅地翻转手机屏幕,可能超过一般人的可视角,手机用户或游戏机玩家的使用经验将大受影响。


Stephen Wu因此认为,在交互式游戏应用领域,分辨率不高的加速度计进行翻转的感测功能并不佳,他并引述iSuppli的建议认为,12bit的加速度计对于手机屏幕翻转的应用来说最为适合。目前ADI主力便集中拓展12~13bit的加速度计产品,而不生产6~8bit的加速度计。ADI的数字加速度计强调分辨率可达3.9mg/LSB,大约1/4度的倾斜都能感测出来,预计在今年Q1推出相关样品,以此积极开展高阶智能型手机和多功能手机的应用影响力。不过STM模拟、功率与微机电组件产品市场经理郁正德认为,由于手机游戏受限于屏幕尺寸,游戏功能否成为带动MEMS应用的主要驱力,仍有待观察。


郁正德进一步指出,加速度计的分辨率应视实际应用而定,随着应用趋势发展,相关分辨率也会跟着成长,分辨率对于所有MEMS组件供货商来说并非难事,STM具备完整从6~12bit分辨率的加速度计产品,可进一步提供手机客户客制化设计需求,关键在于如何准确掌握MEMS组件在手持装置上的应用趋势,这需要整体生态体系的参与配合方能成事。


手持装置内的照相感测功能已经广泛应用加速度计组件,水平感测也能协助摄影者感测照相时的水平角度是否正确。若手机搭配自动聚焦以及MEMS防手震功能,可能会进一步蚕食数字相机市场,有利于照相功能在手机应用的普及化。值得注意的是,台湾工研院南分院微系统科技中心今年将持续针对照相防手震的MEMS感测组件,进行补偿设计以及微制动系如何进行补偿的软件研发作业。

《图七 工研院南分院微系统科技中心简欣堂博士表示,工研院开发的三轴加速度计MEMS技术为基础的惯性导航模块,可辅助个人导航等手持装置克服室内遮蔽定位的问题,加速度计可进一步配合GPS定位导航和图资软件,应用在景点搜寻和导航定位等功能。》
《图七 工研院南分院微系统科技中心简欣堂博士表示,工研院开发的三轴加速度计MEMS技术为基础的惯性导航模块,可辅助个人导航等手持装置克服室内遮蔽定位的问题,加速度计可进一步配合GPS定位导航和图资软件,应用在景点搜寻和导航定位等功能。》

工研院南分院微系统科技中心简欣堂博士表示,工研院开发的三轴加速度计MEMS技术为基础的惯性导航模块,可辅助个人导航等手持装置克服室内遮蔽定位的问题,加速度计可进一步配合GPS定位导航和图资软件,应用在景点搜寻和导航定位等功能。加速度计亦可辅助个人导航等手持装置克服室内遮蔽定位的问题,工研院南分院微系统科技中心简欣堂博士表示,原有GPS定位精确度较低、并只适用于户外平面导航的特性,对于室内定位应用较为不足。加速度计可进一步配合GPS定位导航和图资软件,应用在景点搜寻和导航定位等功能。工研院开发的三轴加速度计MEMS技术为基础的惯性导航模块,不需要卫星或基地台提供讯号,可侦测到运动讯号自行算出行驶轨迹,不受地形地物限制,与GPS结合达到全方位无死角,进一步克服室内遮蔽问题,在GPS个人导航装置应用上前景可期。此技术可协助车辆行经于遮蔽物下或GPS无法接收讯号处,持续定位导航不中断,大幅改善传统导航系统的缺点,并由一般的2D定位扩大至3D个人随身定位应用层面。


《图八 工研院南分院微系统科技中心所开发应用于个人导航装置的三轴加速度计模块》
《图八 工研院南分院微系统科技中心所开发应用于个人导航装置的三轴加速度计模块》

工研院南分院微系统科技中心所开发应用于个人导航装置的三轴加速度计模块

STM产品市场经理郁正德表示,无论是加速度计、陀螺仪、压力感测或是地磁感测等MEMS组件,只提供加速度、角度、压力或是方位的相对数据。在GPS或A-GPS的绝对位置定位之后,如何让MEMS组件提供更精确的相对数据,自然是LBS在手持装置应用的发展重点。郁正德进一步指出,藉由接收GPS讯号结合无线基地台涵盖范围的绝对寻址,配合MEMS组件可在行人移动开始时所获得的相对速度与方向,便能更为精确(accurate)地掌握手机用户的位置数据,进一步提升LBS服务的精确度,这对于精确搜集大量高度具备市场分析功用的行动数据数据而言,无疑是事半功倍。郁正德认为,LBS将成为带动MEMS在手持装置上应用的主要驱力。


方案一:以Java或Browser提升MEMS运动感测精确度

STM市场营销项目经理陈昭良则深入说明,加速度计与手机软硬件平台应用设计关系密切,由于手机软件平台的应用层多以Java程序为基础,且Java软件设计也积极朝向支持提升加速度计与其他感测组件的精确度,因此进一步提升整合Java设计与加速度计或是其他MEMS感测组件的使用功能,是目前台湾STM微机电开发设计的主要内容之一。陈昭良特别强调,Java程序设计结合G-Sensor的方案,可进一步开创更多智能接口的多元应用。台湾STM的微机电部门团队,正在设计出可以软件设计修正加速度计分辨率的解决方案,例如藉由browser或是Java软件设计,可进一步提升加速度计的精确度,用web-based script强化加速度计的互动性功能。像是由Nokia主导的JSR 256规格,其实便是具备Mobile感测组件的API功能,包括陀螺仪、压力感测或是地磁感测组件,均可藉由JSR 256 API提升感测精确度。


《图九 意法半导体(STM)模拟、功率与微机电组件产品市场经理郁正德(左)和STM市场营销项目经理陈昭良(右)表示,Java软件设计可支持提升加速度计与其他感测组件的精确度,进一步提升整合Java设计与加速度计或是其他MEMS感测组件的使用功能,是目前台湾STM微机电开发设计的主要内容之一。》
《图九 意法半导体(STM)模拟、功率与微机电组件产品市场经理郁正德(左)和STM市场营销项目经理陈昭良(右)表示,Java软件设计可支持提升加速度计与其他感测组件的精确度,进一步提升整合Java设计与加速度计或是其他MEMS感测组件的使用功能,是目前台湾STM微机电开发设计的主要内容之一。》

方案二:以加速度计结合地磁感测提高精确度

若要有效补偿陀螺仪的偏置漂移(offset drift)问题,并在价格上能满足手持装置的使用需求,ADI营销经理Stephen Wu表示,加速度计结合地磁感测M-Sensor(Magnetic Sensor)方案,可利用侦测地磁线以精确指出指北位置方式,再配合高分辨率的加速度计,积分计算出角速度变化,精确度虽不如陀螺仪,不过能满足手持装置应用需求。若进一步结合GPS三角定位功能,便可广泛提升LBS定位精确度。例如在范围补偿(compass compensation)上,电子罗盘的精确度会受到地磁线影响会有所偏移,6bit传感器由于分辨率低,因此无法有效对于感测偏移范围进行补偿;在1.6公里外,6bit传感器的范围误差可达440公尺,12bit分辨率的传感器误差只有27公尺,这对于藉由手机使用各项LBS应用服务的精确度来说非常重要,目前ADI与M-Sensor厂商有进一步的合作关系。


省电功能设计

一般而言,手机会不断继续读取相关数据保持待机状态,这对于电源管理来说便会产生高功耗问题。在省电功耗设计上,ADI特别设计出FIFO省电控制技术,以FIFO模式读取储存器中缓冲暂存数据,藉由算法计算读取特定时序阶段内的数据事件集,取代以往手机不断读取储存数据进而导致高功耗的问题。若应用在数字相机,FIFO模式让数字相机一旦承受撞击时便自动储存先前照像数据。ADI把FIFO省电控制软件设计结合MEMS传感器,发挥MEMS组件作为电源管理IC的功能角色,目前ADI正与手机品牌大厂洽谈相关进一步合作计划。


STM的三轴加速度计也具备6D识别电路信号输出功能,当手机正面朝下放置时,这个讯息可让手机自动切换成静音。此外可以把工作模式设定为睡眠/唤醒(sleep-to-wake)模式,此加速度计有助于协助手机系统降低耗电量并持续保持启动状态。


MEMS麦克风高音质抗干扰开花结果

手机驱动MEMS麦克风成长态势

除了运动感测之外,MEMS麦克风技术应用也已水到渠成,越来越多的高阶手机、MP3、GPS装置的整合单芯片开始内建MEMS麦克风功能。工研院IEK分析师谢孟玹表示,去年下半年包括Nokia、SonyEricsson、HTC等智能型手机大厂开始采用MEMS麦克风,Samsung、LG、Motorola等品牌大厂也与MEMS麦克风供货商维持密切合作关系。


根据iSuppli数据显示,目前MEMS微型麦克风在整体MEMS市占率略低于10%,预估未来4年出货量将会以每年32%的速度成长,到2012年时可望超过10亿颗,市场规模将达2.115亿美元。Yole Development数据亦显示,今年MEMS麦克风出货量可达5.15亿颗,相较于2005年全球麦克风出货为20亿颗、其中MEMS麦克风出货为1亿颗,今年渗透率可望达到20%。


谢孟玹指出,目前已有20多家公司正开发MEMS麦克风,主要以4大家厂商为主,美国的楼氏电子(Knowles Acoustics)市占率约为76%,丹麦的SonionMEMS约占13%,美国Akustica约占9%,新加坡的MEMStech则占2%。


《图十 Knowles Acoustics市场营销与销售资深总监Mark Johnson(右)和全球业务总监Pete Smith(左)表示,MEMS麦克风优势在于微型化设计可满足手持装置薄型化需求;能因应各种环境变化而维持稳定音质,可重复校正改良音质和灵敏度设计。今年Knowles的发展策略之一,便以MEMS麦克风产品作为扩展在手持装置应用广度的利器。》
《图十 Knowles Acoustics市场营销与销售资深总监Mark Johnson(右)和全球业务总监Pete Smith(左)表示,MEMS麦克风优势在于微型化设计可满足手持装置薄型化需求;能因应各种环境变化而维持稳定音质,可重复校正改良音质和灵敏度设计。今年Knowles的发展策略之一,便以MEMS麦克风产品作为扩展在手持装置应用广度的利器。》

Knowles Acoustics市场营销与销售资深总监Mark Johnson表示,目前Knowles Acoustics已经出货3代共7亿颗麦克风产品,全硅MEMS麦克风在手持装置领域仍有许多成长空间,手机相当具有带动MEMS组件应用的潜力,Knowles Acoustics在今年的发展策略之一,便以MEMS麦克风产品作为扩展在手持装置应用广度的利器。Knowles Acoustics正与全球五大品牌手机厂商合作MEMS麦克风应用,在手机麦克风市占率约为20%左右。


此外ADI也投入开发MEMS麦克风的行列,ADI营销经理Stephen Wu表示,ADI以既有ECM麦克风数字输出音频技术为基础,进一步提供完整MEMS麦克风数字和模拟输出音频方案以及音频调校算法服务,在手持装置应用上ADI的MEMS麦克风便以数字输出接口为主。Stephen Wu 指出,ADI今年积极发展MEMS麦克风的主因,在于ADI在讯号解决方案领域只有MEMS部分尚未推出相关产品,欲提供客户完整的MEMS解决方案。预计ADI的MEMS麦克风产品将在今年Q1大规模量产,采用ADI数字MEMS麦克风的智能型手机产品预计将在今年Q3问世。


MEMS麦克风符合手机设计要求

Knowles Acoustics全球业务总监Pete Smith进一步表示,今年11~12亿支手机销售量对于MEMS麦克风的普及应用,具有推波助澜的关键效应。手持装置制造商越来越有意愿采用MEMS麦克风设计,首先MEMS麦克风规格尺寸微型化设计可满足手持装置薄型化需求;再者MEMS麦克风制程生产与整体半导体产业较为亲近,且MEMS麦克风架构较为坚固,能因应各种环境变化而维持稳定音质;同时MEMS麦克风制程可按照客制化需求,重复校正改良音质和灵敏度设计。


一般而言,MEMS麦克风目前在手持装置的应用位置绝大多数集中在高阶的智能型手机部分,Mark Johnson指出,由于BOM成本考虑,MEMS麦克风会以高阶或是中阶价位的手机为主要发展领域。Wolfson亦主推可应用于手机和PND装置的MEMS麦克风产品,并强调并购Oligon并搭配iPhone Audio方案的策略。除了手机之外,Knowles Acoustics也与日本数字相机品牌厂商合作应用MEMS麦克风,在日本DSC麦克风市场,Knowles Acoustics目前市占率约为10%左右;其也将进一步扩展其MEMS麦克风产品在笔记本电脑的影响力。Mark Johnson进一步强调,由于MEMS麦克风必须降低单价才能与传统的ECM麦克风相互竞争,因此整体MEMS麦克风市场规模会呈现销售量大但销售额相对较小的局面。


MEMS麦克风技术特性

MEMS麦克风具备许多特性,MEMS麦克风音质佳、高感度低耗电、耐高温抗噪声、小尺寸高整合低成本的特性,不仅可满足手持装置易用需求,同时亦可应用于VoIP Phone中。



《图十一 MEMS麦克风主要RF干扰来源示意图 》
《图十一 MEMS麦克风主要RF干扰来源示意图 》数据源:楼氏电子(Knowles Acoustics)

MEMS麦克风主要采用无铅焊锡回流(lead free solder reflow)技术,以表面黏着(Surface Mount Tech;SMT)方式生产,能够忍受较高的回焊温度(reflow temperature)、易于与CMOS制程以及其他的音频电子装置加以整合、以及具有经过改善之对RF和EMI的噪声消除功能与抗干扰性。相较于一般传统驻极电容式(Electric Condenser Microphone;ECM)麦克风,MEMS麦克风具备更高的灵敏度误差(sensitivity tolerance)。同时MEMS麦克风易与CMOS制程以及其他音频电子装置相互整合、封装基板厚度仅为传统QFN基板厚度的25%、加上MEMS麦克风可支持HD Audio规格和数字输出,因此可满足VoIP、Video Phone、三方通话、声音辨识等长距离数据传输的高音质应用需求,让MEMS麦克风成为手持装置单声道和复杂声道的多重麦克风应用最佳选择。


Pete Smith进一步表示,SMT表面黏着技术在制程上让MEMS麦克风更容易嵌入PCB薄板,虽然传统ECM麦克风单价比MEMS麦克风更具竞争力,不过由于SMT表面黏着回流焊技术可承受高温回焊烧烤温度,因此可进一步让MEMS麦克风嵌入PCB薄板制程采用自动化配装生产(pick and place),略除以手工焊接麦克风的程序,可大幅节省组装时间与成本,整体更具低耗电和低价格优势。


双芯片结合并排封装设计

Mark Johnson指出,采用two chip设计的MEMS麦克风,结合side by side封装的设计弹性较佳,且可与MEMS和CMOS制程兼容,无须更改所有生产流程;藉由客制化调整CMOS制程,便能满足客户在麦克风模拟或数字输出的要求。Mark Johnson强调,若采用stacked封装的单芯片设计方案,MEMS麦克风应用在手持装置上的尺寸过厚,可能较无法满足手持装置薄型化应用需求。目前Knowles Acoustics第三代MEMS麦克风产品结合CMOS后尺寸可缩小为1.69×1.69mm,今年Knowles Acoustics的目标是将尺寸缩小至1×1mm。


强调高效能PSRR和SNR


《图十二 采用降低RF干扰方案的MEMS麦克风结构示意图 》
《图十二 采用降低RF干扰方案的MEMS麦克风结构示意图 》数据源:楼氏电子(Knowles Acoustics)

采用降低RF干扰方案的MEMS麦克风结构示意图在提高PSRR(Power Supply Rejection Ratio)和SNR(Signal to Noise Ratio)效能部分,MEMS麦克风厂商均强调高效能SNR以及宽音域(Flat Frequency)响应收音功能,SNR值大约都可达61dB。模拟和数字输出MEMS麦克风不仅需具备宽音域响应收音功能,并可支持HD音频、宽带VoIP、语音识别和4G宽带标准。


ADI并强调搭配Audio CODEC方案应用在VoIP cell phone;Wolfson主推可应用于手机和PND装置的MEMS麦克风产品,更强调捕捉清澈声音精确的灵敏度误差(sensitivity tolerance)仅在+/-1dB,并可提供62dB SNR效能,可有效减少麦克风的噪声层(noise floor)。

降低MEMS麦克风RF干扰双保险设计值得注意的是,Knowles Acoustics已开发出可降低MEMS麦克风应用在手持装置受到RF噪声干扰的MaxRF技术设计。Mark Johnson表示,MEMS麦克风应用在手持装置会面临两种RF干扰问题,包括过滤空间辐射射频噪声(Radiated RF Noise)噪声和实体传导射频噪声(Conducted RF Noise),特别是麦克风被放置于天线下方时,设计上常会遇到GSM 嗡嗡噪音(buzz)干扰问题。Knowles Acoustics采用所谓的MaxRF革新技术,主要是以两种方式,其一是在CMOS和MEMS的PCB结构之上外包FR-4级铜箔积层墙板设计,把CMOS和MEMS结构包在FR-4墙板内;其二是在CMOS结构加上滤网设计。以往ECM麦克风在CMOS设计上并没有薄层外墙和CMOS滤网设计,这种设计能让MEMS麦克风在手持装置上更具降低噪声干扰的优势。



《图十三 采用铜箔积层墙板和CMOS滤网设计的降低RF干扰方案示意图 》
《图十三 采用铜箔积层墙板和CMOS滤网设计的降低RF干扰方案示意图 》数据源:楼氏电子(Knowles Acoustics)

采用铜箔积层墙板和CMOS滤网设计的降低RF干扰方案示意图

抗RF干扰结合滤网设计


ADI营销经理Stephen Wu亦表示,在设计数字输出MEMS麦克风应用于手持装置时,需注意降低来自于无线射频(RF)以及电磁波的干扰(EMI),例如Wi-Fi天线和LCD频率信号等源极所产生的耦合噪声。MEMS麦克风应用于手持装置需进一步具备高度抗干扰能力,或者调整数字MEMS麦克风的摆放位置、改善音频增强的特点像是立体音声与数组波束成型(array beam forming)等。


Stephen Wu进一步指出,ADI具有一项专利技术,可藉由MEMS为基础的滤网设计(particle filter),设计数千个直径6u、10u深度的小孔,降低杂质与灰尘跑入MEMS麦克风进而影响音质输出的风险,并提高MEMS麦克风的使用周期。同时ADI的MEMS麦克风具备可省下50%功耗的节能设计,数字输出MEMS麦克风亦可提供低功耗睡眠模式,例如GPS芯片可藉由MEMS麦克风感测未处于行动时即进入休眠状态的智能节电设计。国际MEMS麦克风厂商积极开发手持装置应用,台湾工研院南分院微系统科技中心与微电声产业联盟亦不遑多让,也正在积极扩展协助打造台湾MEMS麦克风产业的基础。工研院南分院微系统科技中心副主任张平表示,听音辨位和指向噪声抑制是目前较为明显的应用需求,手持装置上的噪声抑制功能也是目前HiFi麦克风的开发重点之一。


台湾MEMS麦克风厂商尚未进入大量量产阶段,专利障碍也是瓶颈之一,工研院南分院微系统科技中心的角色与今年度的发展策略,便是设计出可满足市场需求的ME麦克风产品,期盼为台湾MEMS麦克风产业开创新局。

MEMS频率控制在NFC手机应用脱颖而出


由于电子系统内部都需要多个频率传递讯息,因此频率振荡器(timing oscillator)或是谐振器(resonator)便是消费电子产品不可或缺的零组件,以往多数采用石英(quartz)晶体的振荡器或谐振器,正逐渐被MEMS组件所取代。MEMS频率控制设计也开始被应用在手持装置当中,包括SiTime、Discera、Vectron International和Silicon Clocks都正在推出可应用于手持装置的MEMS振荡器和谐振器产品,这股趋势随着MEMS微细化技术更加成熟而越来越普及。


《图十四 SiTime营销副总裁Piyush Sevalia表示,主要应用于近场无线通信(Near Field Communication)功能手机的超薄型MEMS频率振荡器,可支持大容量SIM卡(HC-SIM)、智能卡和超薄手机用的SiP封装模块、USB2.0和闪存储存等解决方案。》
《图十四 SiTime营销副总裁Piyush Sevalia表示,主要应用于近场无线通信(Near Field Communication)功能手机的超薄型MEMS频率振荡器,可支持大容量SIM卡(HC-SIM)、智能卡和超薄手机用的SiP封装模块、USB2.0和闪存储存等解决方案。》

SiTime营销副总裁Piyush Sevalia表示,主要应用于近场无线通信(Near Field Communication)功能手机的超薄型MEMS频率振荡器,可支持大容量SIM卡(HC-SIM)、智能卡和超薄手机用的SiP封装模块、USB2.0和闪存储存等解决方案。Piyush Sevalia表示采用标准CMOS制程的MEMS谐振器可取代石英晶体的主要因素,在于MEMS谐振器尺寸比石英共振器小10倍,厚度可更薄4倍,良率更可超过90%。MEMS谐振器并具备零漂移(Zero drift)误差以及可达150K Q值(Quality Factor)的高效能,其亦可承受50000G的重力冲击,在可靠度和质量上均具备相关优势。


Piyush Sevalia强调,MEMS谐振器和振荡器组件的可编程架构,具备分数-N型锁相回路(Fractional-N PLL)效能,在压控振荡(Voltage Controlled Oscillator)设计尤佳,,可进一步支持Gigabite级宽带频率并降低噪声。各类可编程MEMS频率控制解决方案,具备微型化封装、低功耗、降低频率抖动(jitter)、范围更宽的输出频率、更为精确的频率精度、容忍温度幅度更大等特性,能满足客户特殊应用的设计需求。


Piyush Sevalia指出,主要应用于近场无线通信(Near Field Communication)功能手机的超薄型MEMS频率振荡器,可支持大容量SIM卡(HC-SIM)、智能卡和超薄手机用的SiP封装模块、USB2.0和闪存储存等解决方案。这种MEMS频率振荡器厚度只有原来的1/3;与之前0.85mm厚度相比,新式芯片只有0.25mm。应用于超薄型手机的新款MEMS频率振荡器,不同于以往stacked堆栈封装方式,采用将MEMS组件和ASIC结合在一起的并排(side by side)封装,满足手机薄型化设计需求。


Piyush Sevalia表示,目前SiTime已和7~8家NFC手机业者洽谈相关合作计划,他亦认为手机等便携设备将是驱动MEMS应用发展的主要动力,SiTime也将进一步结合Bosch作为SiTime创始者和主要投资者的重要功能,拓展MEMS频率组件在手机装置的影响力。

干涉测量调节MEMS显示屏幕设计感光节能具备整合多媒体功能的移动电话往往进行频繁的数据处理、网页浏览与定位导航应用,这使得用户观看屏幕的时间越长、手机处理功率用电消耗越来越高,这时手机显示屏幕的省电优势、以及在各种光照环境下都能运用自如的显示技术便非常重要。


《图十五 Qualcomm光电科技(QMT)业务开发副总裁James Cathey指出,以MEMS控制组件为基础的显示屏幕,结合干涉测量调节(interferometric modulation;iMOD)技术的反射式显示屏,可制作出反射直视的平面显示屏,比其他显示屏技术的耗电量更低,可有效延长电池使用寿命。》
《图十五 Qualcomm光电科技(QMT)业务开发副总裁James Cathey指出,以MEMS控制组件为基础的显示屏幕,结合干涉测量调节(interferometric modulation;iMOD)技术的反射式显示屏,可制作出反射直视的平面显示屏,比其他显示屏技术的耗电量更低,可有效延长电池使用寿命。》

Qualcomm光电科技(QMT)业务开发副总裁James Cathey指出,以MEMS控制组件为基础的显示屏幕,结合干涉测量调节(interferometric modulation;iMOD)技术的反射式显示屏,可制作出反射直视的平面显示屏,比其他显示屏技术的耗电量更低,可有效延长电池使用寿命。


James Cathey在说明以MEMS为基础的iMOD技术应用在显示屏幕时指出,mirasol显示屏幕每个像素都是一个MEMS组件,每个MEMS组件的作用均是光学共振腔,其能大幅反射可见光谱中的特定波长,色彩便由共振腔深度比例所决定。在mirasol显示屏之内有一具由透明基板制成的弹性薄膜镜,薄膜与基板之间有数百奈米高的空气间隙。当周围光线进入空气腔以及从薄膜镜面反射时,产生相互干扰,进而反射出色彩,色彩颜色则由空气间隙的高度而决定。彩色显影是由数个不同厚度的MEMS组件组成的单一像素所产生。如果共振腔的深度改变,共振波长也会变化,造成颜色也跟着改变。微机电系统装置的电机行为具有双稳态的特性,因而降低了功率消耗。


James Cathey进一步指出,整体而言mirasol显示屏幕便利用MEMS控制组件来感测光线,并运用周围光源而无需背光源,即便在大太阳下也能看得一清二楚;mirasol显示屏幕具备高度反射性功能,可依据周围光线环境调整亮度,能让手机用户在不同亮度环境下,依然享有一致的屏幕清晰度,不会降低画面对比与色彩彩度。


《图十六 结合MEMS组件和iMOD技术应用的手机显示屏幕产品》
《图十六 结合MEMS组件和iMOD技术应用的手机显示屏幕产品》

James Cathey引述DisplaySearch的预估报告指出,iMOD技术具有14亿美元的市场发展潜力,市场应用价值可达115亿美元。目前mirasol显示屏幕已广被Hisense、Skullcandy、Acoustic Research、Freestyle Audio、Foxlink、Cal-Comp、Inventec、Spread Telecom等厂商使用。台湾厂商包括正崴、泰金宝和英业达均开始采用mirasol显示屏幕作为新款高阶智能型手机的屏幕组件。


MEMS微型投影装置备受瞩目

MEMS技术也可被应用在微型扫描和投影设备中,根据Yole Development预估,2009~2012黏MEMS微型投影市场成长发展将会非常明显,市场规模将呈现销售总量不多但整体营收非常高的局面。


TI的DLP芯片架构可被视为此一领域的代表,主要是以TI主推的数字微型投影组件(DMD)技术为核心,应用在手持装置上的微型投影功能,目前DLP微型投影芯片已被应用在包括笔记本电脑、可携式投影媒体播放器与手机等产品。工研院IEK半导体领域产业分析师谢孟玹预估,到2010年手机微投影技术将进入商业化阶段,除了TI,包括MicroVision、The Nippon Signal、OPUS Microsystems、Miadia、Pixtronix、Silicon Light Machines、Sony、Spatial Photonix等,均正在开发相关微型投影技术。TI在今年1月中的CES展会上,便展出新一代DLP微型芯片产品,应用在包括Optoma微型投影手持装置,投影距离最小为8英寸、最大8.5英尺。


《图十七b 采用三芯片的DLP微型投影架构示意图 》
《图十七b 采用三芯片的DLP微型投影架构示意图 》数据源:www.dlp.com

其他MEMS组件应用蓄势待发

压力感测

MEMS压力传感器的技术原理是将压力输入讯号转换成电阻变化值,惠斯登电桥的压阻式(Piezoresistances)变化便可感测薄膜上的压力变化。由于压力与高度有关,MEMS压力传感器为基础的气压计和高度计可应用在手持装置上,也可提升GPS导航垂直高度的精确度。


RF MEMS

工研院分析师谢孟玹表示,未来应用在多频多模手机的RFMEMS将可取代RF IC,因应宽带化、高频化传输以及全球漫游的多频切换的应用需求,这包括FBAR将取代Bulk SAW滤波器,MEMS切换器因应而生、振荡器取代石英频率组件控制等发展趋势。相较于传统RFIC,RF MEMS的优势在于低损耗、高效能、高整合和小尺寸。谢孟玹预估到2010年,多频多模手机将带动RF MEMS切换器起飞。目前投入RF MEMS的厂商包括Intel、Samsung、Toshiba、ST、NXP、NEC、Freescale、Fujitsu、IBM、Matsushita、ADI等。


MEMS手持装置应用开创人机接口新局

尽管电子产业正面临全球经济衰退冲击,不过藉由上述MEMS技术应用于手持装置领域所衍生的丰富功能,将可带动新一波市场需求高峰。ADI营销经理Stephen Wu和工研院南分院微系统科技中心副主任张平不约而同地认为,我也要(Me Too)的应用驱动加上市场对于产品差异化的要求,可推动MEMS应用在手持装置的普及率和影响力。STM产品市场经理郁正德则指出,MEMS技术其实就像一个个IP一般,仍须经过系统整合设计、与其他技术适切搭配之后,方能符合多元化市场应用需求。目前MEMS组件在手持装置上的应用仍属非必要性功能,如何将MEMS组件在手持装置上的重要性,提升到必备且标准化功能的地位,相关应用会是决定性的第一步。


《图十八 以TI DLP技术为基础的Optoma微型投影装置 》
《图十八 以TI DLP技术为基础的Optoma微型投影装置 》数据源:www.memstimes.blogbus.com

MEMS亦将成为整合人机之间沟通直觉模拟动作和数字讯号分析的重要媒介,并提供人机接口更多元的创意空间。ADI营销经理Stephen Wu表示,MEMS技术可进一步解决当前使用手机经验的主要困扰和难题,MEMS组件就如同input device一般,作为链接数字与模拟输出的重要环节,MEMS可让手机接口简单化,并更淋漓尽致地发挥直觉式功能。STM产品市场经理郁正德更认为,MEMS在手持装置应用的突破性,在于以往人机接口HMI(Human Machine Interface)的概念可因此进一步演进到MMI(Motion Machine Interface)。以此展望MEMS技术组件在手持装置上的发展新局,郁正德进一步指出,藉由MEMS在手持装置上的应用,整体MEMS产业链和生态体系可获得各类具有市场分析功用的移动位置和行动数据,可有效掌握特定消费族群的动作趋势与行为模式,深入开发多元化的消费市场信息和应用环境。因此如何利用MEMS来获得相关行动讯息,产生新的商业模式,会是MEMS能否在手持装置应用活化普及的最关键思维。


在技术革新、微细尺寸和低价格之外,MEMS组件在手持装置领域正在继续创造更多的应用价值,也因为MEMS的百变姿态,人类的想象空间才有基础更为无限宽广地延伸!


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