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開創MEMS手持裝置應用新局!
 

【作者: 鍾榮峰】   2009年02月04日 星期三

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MEMS元件手持裝置應用多樣豐富

炙手可熱的Wii和iPhone,讓微機電系統(MEMS)應用勢如破竹快速切入消費電子領域,MEMS在手持裝置的應用前景,更隨著Wii和iPhone的盛行而備受矚目,正產生革命性的變化。


MEMS結合其他元件功能在手持裝置上的應用,除了搖晃或傾斜手機操作功能表找到所需的功能之外,還可觸控移動瀏覽頁面、捲動網頁、更動手機方向角度顯示圖片,也可作為計步器、導覽介面、LBS定位資訊服務、個人慣性導航、照相防手震和強化影像穩定度、智慧互動遊戲、提高麥克風高解析音質等多元且豐富的作用。內建MEMS功能的手持裝置,也可作為檢測絕對氣壓或高度的感測裝置使用,或採用MEMS壓力與流速感測器,讓手持裝置進一步具備測量心跳、血糖及其它健康參數等功能。MEMS技術也應用在微型行動投影、調節式顯示螢幕、時脈控制近場無線通訊NFC感應等,未來更可以結合慣性感測元件,搭配人體姿態動力學演算處理,進一步針對人體動作產生做出高解析指向定位與動作型態的解碼技術,應用於家庭數位娛樂中心控制器。


MEMS元件手持裝置應用前景可期


《圖一 各類MEMS應用元件銷售量預估圖 》
《圖一 各類MEMS應用元件銷售量預估圖 》資料來源:樓氏電子(Knowles Acoustics)、Yole Development

2007年MEMS在通訊和消費性應用比例,比起2004年已成長10%。工研院IEK半導體領域產業分析師謝孟玹估計,去年2008年全球MEMS市場規模達72.46億美元,到2011年整體市場可達106.34億美元,2006~2011年複合成長率可達12%。樓氏電子(Knowles Acoustics)市場行銷與銷售資深總監Mark Johnson則根據市調機構Yole Development的預測數據表示,到2012年MEMS元件市場規模將近160億美元,其中微型投影的成長將最為快速,陀螺儀(Gyroscopes)、加速度計(Accelerometer)、RFMEMS、壓力感測以及微流體(Microfluidics)診斷晶片等應用也有明顯成長;若從銷售量來看,MEMS麥克風、RFMEMS、加速度計將成為前三大應用。另一市調機構iSuppli的報告亦指出,手機會是MEMS元件下一階段最具潛力的應用市場,成長預期可超過PC周邊和汽車感測領域;到2012年,MEMS在手機領域的應用規模將達8.669億美元,約為去年3.048億美元的3倍,出貨量達2.009億顆則是去年的4倍。



《圖二 各類MEMS應用元件銷售值預估圖 》
《圖二 各類MEMS應用元件銷售值預估圖 》資料來源:樓氏電子(Knowles Acoustics)、Yole Development

MEMS元件手持裝置應用已經成熟

MEMS在手持裝置上的元件包含新一代三軸加速度計、陀螺儀、壓力感測器以及模組設計等,可越來越精確地提供速度、加速度、方向、角度等資料,因此在應用上便有許多創意空間出現。具備運動感測(motion sensor)功能的加速度計,讓手機具備觸控動感的瀏覽介面更為豐富且具親近性;具角度偵測能力的陀螺儀,也進一步開拓MEMS在可攜式裝置的應用想像力。結合可操控的智慧軟體與MEMS晶片的設計正迅速地導入手機平台設計中,特別是以Java手機平台軟體設計為基礎,可進一步提升MEMS元件的精確度。意法半導體(STM)類比、功率與微機電元件產品市場經理郁正德表示,大部分主流消費者的應用趨勢,會決定MEMS元件在手持裝置上的發展方向;MEMS技術使用條件已經成熟,消費者將最終決定MEMS應用動向朝向何處。


各方積極介入MEMS手持裝置應用領域


《圖三 MEMS 8吋晶圓廠內部一隅 》
《圖三 MEMS 8吋晶圓廠內部一隅 》資料來源:意法半導體(STM)

今年各家MEMS元件供應大廠有志一同地將手持裝置領域視為擴展影響力的兵家必爭之地。STM先從消費電子領域、特別是手持裝置上的應用開始發展,未來將進一步介入車用電子市場,產品線以加速度計為主,今年STM仍會持續開發陀螺儀、麥克風、壓力感測、MEMS模組和功能性感測等產品。今年ADI也將以手機作為加速度計和MEMS麥克風的主要發展領域,亦正考慮擴展在Connected PND應用的可行性,預計第一顆陀螺儀產品將在今年Q4問世。ADI的MEMS元件研發團隊是以MIT電機工程背景的研發人才為基礎,目前也正進行RF MEMS的研發作業。Knowles Acoustics除了持續擴展自身MEMS麥克風產品在手持裝置的應用廣度外,也進一步與歐洲車廠合作將MEMS聲學產品應用在車內系統。另一方面,台灣工研院南分院微系統科技中心在加速度計和麥克風的技轉作業也正開花結果,今年亦集中開發加速度計和MEMS麥克風產品進入市場。


MEMS運動感測應用方興未艾

MEMS運動感測的內容主要以位置、速度、高度、方向為主。工研院IEK分析師謝孟玹表示,運動感測元件例如加速度計和陀螺儀等,已開啟了數位感知新時代,在導航輔助、姿勢輸入、振動感測、影像穩定、顯示定位等手機應用功能中,MEMS運動感測元件將如雨後春筍般湧現。Apple所推出的iPhone系列,無疑是推動MEMS加速度計在手機應用的催生者;智慧型手機將率先大幅採用MEMS運動感測元件,以智慧型手機結合服務帶動需求,作為MEMS進一步發展的平台,預估到2010年預計手機用MEMS元件將突破10億顆。


在手持裝置領域MEMS運動感測元件主要是以加速度計和陀螺儀為主,應用範圍包括手機的動作控制、取代按鍵介面設計、計步器、遊戲動作感測、以及備受矚目的輔助提升LBS(Location Based Service)定位精確度(accuracy)功能。


加速度計


《圖四 加速度計運作原理示意圖 》
《圖四 加速度計運作原理示意圖 》資料來源:意法半導體(STM)

計算速度與振動的加速度計可應用於手機上的資料擷取、撞擊感測、影像防手震、網頁瀏覽、計步器等應用,也可簡化手機人機介面、修正投影機梯形影像修正、MP3翻轉調整音量等。根據工研院IEK和Yole Development的統計數據顯示,目前加速度計大廠ADI市佔率約佔33%、KIONIX佔有15%、STM和MEMSIC各約佔14%,HOKURIKU DENKO則佔9%,Hitachi Metals佔6%。ADI大中華區微機電部門行銷經理吳彥彬(Stephen Wu)並認為,未來MEMS高解析加速度計設計趨勢,將朝向取代方向鍵(directional pad)目標前進,或者是應用在傾斜或搖晃運動感測,及手機六面輕敲感測等應用,來提升手機遊戲互動的使用經驗。


加速度計功能包括單擊(click)和雙擊(double-click)辨識、喚醒(wake-up)和運動偵測高溫穩定性、偏移容忍度和抗震耐撞性能可達10000g的高抗撞擊能力,通常加速度計亦內建自我測試(self-test)能力,在被內嵌組裝在電路板以後,可確認運作是否正常。降低成本方式多以製程整合、先進構裝、轉進8吋廠為主。值得注意的是,STM的加速度計微型尺寸高度可達0.9mm,能夠進一步滿足手持裝置薄型化設計的市場需求。


陀螺儀結合加速度計應用需審慎觀察


《圖五 陀螺儀運作原理示意圖 》
《圖五 陀螺儀運作原理示意圖 》資料來源:意法半導體(STM)

計算角速度的陀螺儀可應用在手機的影像防手震功能、輔助GPS導航精確度和慣性導航(Dead Reckoning),角速度測量性能全量程可高達每秒±300度。在無法接收到GPS三點定位訊號的所在或是短距離的值點位置,藉由知道方向和速度推測模擬出具體位置所在和轉向位置,亦即配合加速度計以積分方式計算速度,便可推測模擬出具體位置。偵測到以線性加速以及角度移動的微小位移,藉此提供慣性導航功能,直到GPS信號恢復為止,一直是加速度計結合陀螺儀的重要應用內容。除此之外,STM產品市場經理郁正德表示,陀螺儀和加速度計應用亦可讓3D point呈現於演說者的point裝置中,達到double click效果。工研院IEK分析師謝孟玹則指出,目前在消費電子領域主要供應陀螺儀的廠商包括ADI、InvenSense、KIONIX、Panasonic,均已進入量產階段,預估2010年手機用陀螺儀亦可進入商業化階段。


但是整體來看,由於陀螺儀單價昂貴,目前在手持裝置上的應用較不普遍。ADI行銷經理Stephen Wu進一步認為,不僅是受限價格因素使得陀螺儀應用於手持裝置上發展較為不易,陀螺儀的漂移(drift)問題仍困擾著手持裝置或遊戲機製造商,例如遊戲機採用陀螺儀設計便遇到補償偏移的技術難題,導致遊戲機靈敏度和精確度受到影響,因此陀螺儀在手持裝置上的應用發展前景仍有待觀察,不過ADI在今年Q4仍會推出相關陀螺儀產品,完整因應市場不斷變動的需求。


計步器應用穩定成長

加速度計應用在手持裝置上的兩大功能非計步器和螢幕翻轉莫屬,在iPhone尚未掀起全球市場熱潮之前,STM的計步器便已應用於手機品牌大廠的產品中。計步器的品質與加速度計的解析度(high resolution)息息相關,解析度越高,手持裝置越能感測輕微步伐的改變。ADI行銷經理Stephen Wu表示,倘若手機放在桌上靜止不動或是使用者隨身緩步行進時,通常振動幅度小於60mg;放在桌上的Noise P-P值約在20mg之間,隨身緩步行走的Noise P-P值約在55mg之間,一般而言6-bit的計步器可能無法有效感測緩慢步伐的變化,越高解析度的加速度計越能彰顯計步器的應用功能。


手機螢幕翻轉與遊戲應用

《圖六 ADI大中華區微機電部門行銷經理吳彥彬(Stephen Wu)表示,越高解析度的加速度計應用在手持裝置上,越能感測微幅傾斜變化和輕微步伐的改變,可進一步提升手機螢幕翻轉、遊戲和計步器的使用功能。》
《圖六 ADI大中華區微機電部門行銷經理吳彥彬(Stephen Wu)表示,越高解析度的加速度計應用在手持裝置上,越能感測微幅傾斜變化和輕微步伐的改變,可進一步提升手機螢幕翻轉、遊戲和計步器的使用功能。》

晃動一下手機即可接聽來電;沒有按鍵、無需手指,僅憑簡單動作翻轉、搖晃、輕敲,即可瀏覽網頁、觀看多媒體影像圖片,這是加速度計帶給使用者操控手機更為方便與親近的重要變革,也因此加速計的解析度便非常關鍵。


Stephen Wu進一步指出,手機或遊戲機的傾斜動作亦需要高解析度的MEMS感測裝置,一度的傾斜會造成16mg的加速度變化。6bit的MEMS感測器最多只能感測出64mg、大約4度的傾斜改變,無法偵測出低於4度的微幅傾斜變化,因此使用者要大幅調整傾斜度才能讓MEMS感測器偵測回應出相關動作訊息。此外,Low bit的加速度計亦無法正確地感測出不同左右方向的傾斜角度,也會使得使用者需大幅地翻轉手機螢幕,可能超過一般人的可視角,手機用戶或遊戲機玩家的使用經驗將大受影響。


Stephen Wu因此認為,在互動式遊戲應用領域,解析度不高的加速度計進行翻轉的感測功能並不佳,他並引述iSuppli的建議認為,12bit的加速度計對於手機螢幕翻轉的應用來說最為適合。目前ADI主力便集中拓展12~13bit的加速度計產品,而不生產6~8bit的加速度計。ADI的數位加速度計強調解析度可達3.9mg/LSB,大約1/4度的傾斜都能感測出來,預計在今年Q1推出相關樣品,以此積極開展高階智慧型手機和多功能手機的應用影響力。


不過STM類比、功率與微機電元件產品市場經理郁正德認為,由於手機遊戲受限於螢幕尺寸,遊戲功能否成為帶動MEMS應用的主要驅力,仍有待觀察。郁正德進一步指出,加速度計的解析度應視實際應用而定,隨著應用趨勢發展,相關解析度也會跟著成長,解析度對於所有MEMS元件供應商來說並非難事,STM具備完整從6~12bit解析度的加速度計產品,可進一步提供手機客戶客製化設計需求,關鍵在於如何準確掌握MEMS元件在手持裝置上的應用趨勢,這需要整體生態體系的參與配合方能成事。


手持裝置內的照相感測功能已經廣泛應用加速度計元件,水平感測也能協助攝影者感測照相時的水平角度是否正確。若手機搭配自動聚焦以及MEMS防手震功能,可能會進一步蠶食數位相機市場,有利於照相功能在手機應用的普及化。值得注意的是,台灣工研院南分院微系統科技中心今年將持續針對照相防手震的MEMS感測元件,進行補償設計以及微制動系如何進行補償的軟體研發作業。


加速度計輔助克服室內遮蔽定位

《圖七 工研院南分院微系統科技中心簡欣堂博士表示,工研院開發的三軸加速度計MEMS技術為基礎的慣性導航模組,可輔助個人導航等手持裝置克服室內遮蔽定位的問題,加速度計可進一步配合GPS定位導航和圖資軟體,應用在景點搜尋和導航定位等功能。》
《圖七 工研院南分院微系統科技中心簡欣堂博士表示,工研院開發的三軸加速度計MEMS技術為基礎的慣性導航模組,可輔助個人導航等手持裝置克服室內遮蔽定位的問題,加速度計可進一步配合GPS定位導航和圖資軟體,應用在景點搜尋和導航定位等功能。》

加速度計亦可輔助個人導航等手持裝置克服室內遮蔽定位的問題,工研院南分院微系統科技中心簡欣堂博士表示,原有GPS定位精確度較低、並只適用於戶外平面導航的特性,對於室內定位應用較為不足。加速度計可進一步配合GPS定位導航和圖資軟體,應用在景點搜尋和導航定位等功能。工研院開發的三軸加速度計MEMS技術為基礎的慣性導航模組,不需要衛星或基地台提供訊號,可偵測到運動訊號自行算出行駛軌跡,不受地形地物限制,與GPS結合達到全方位無死角,進一步克服室內遮蔽問題,在GPS個人導航裝置應用上前景可期。此技術可協助車輛行經於遮蔽物下或GPS無法接收訊號處,持續定位導航不中斷,大幅改善傳統導航系統的缺點,並由一般的2D定位擴大至3D個人隨身定位應用層面。3D定位功能可使未來車輛行經於路線重疊的平面道路或高架道路都可清楚辨別,甚至可提供高樓層位置定位,透過個人無遮蔽定位模組取得攜帶者的形蹤位置。


《圖八 工研院南分院微系統科技中心所開發應用於個人導航裝置的三軸加速度計模組》
《圖八 工研院南分院微系統科技中心所開發應用於個人導航裝置的三軸加速度計模組》

MEMS運動感測輔助提升LBS精確度

STM產品市場經理郁正德表示,無論是加速度計、陀螺儀、壓力感測或是地磁感測等MEMS元件,只提供加速度、角度、壓力或是方位的相對數據。在GPS或A-GPS的絕對位置定位之後,如何讓MEMS元件提供更精確的相對數據,自然是LBS在手持裝置應用的發展重點。郁正德進一步指出,藉由接收GPS訊號結合無線基地台涵蓋範圍的絕對定位,配合MEMS元件可在行人移動開始時所獲得的相對速度與方向,便能更為精確(accurate)地掌握手機用戶的位置數據,進一步提升LBS服務的精確度,這對於精確蒐集大量高度具備市場分析功用的行動數據資料而言,無疑是事半功倍。郁正德認為,LBS將成為帶動MEMS在手持裝置上應用的主要驅力。


方案一:以Java或Browser提升MEMS運動感測精確度

STM市場行銷專案經理陳昭良則深入說明,加速度計與手機軟硬體平台應用設計關係密切,由於手機軟體平台的應用層多以Java程式為基礎,且Java軟體設計也積極朝向支援提升加速度計與其他感測元件的精確度,因此進一步提升整合Java設計與加速度計或是其他MEMS感測元件的使用功能,是目前台灣STM微機電開發設計的主要內容之一。陳昭良特別強調,Java程式設計結合G-Sensor的方案,可進一步開創更多智慧介面的多元應用。台灣STM的微機電部門團隊,正在設計出可以軟體設計修正加速度計解析度的解決方案,例如藉由browser或是Java軟體設計,可進一步提升加速度計的精確度,用web-based script強化加速度計的互動性功能。像是由Nokia主導的JSR 256規格,其實便是具備Mobile感測元件的API功能,包括陀螺儀、壓力感測或是地磁感測元件,均可藉由JSR 256 API提升感測精確度。


《圖九 意法半導體(STM)類比、功率與微機電元件產品市場經理郁正德(左)和STM市場行銷專案經理陳昭良(右)表示,Java軟體設計可支援提升加速度計與其他感測元件的精確度,進一步提升整合Java設計與加速度計或是其他MEMS感測元件的使用功能,是目前台灣STM微機電開發設計的主要內容之一。》
《圖九 意法半導體(STM)類比、功率與微機電元件產品市場經理郁正德(左)和STM市場行銷專案經理陳昭良(右)表示,Java軟體設計可支援提升加速度計與其他感測元件的精確度,進一步提升整合Java設計與加速度計或是其他MEMS感測元件的使用功能,是目前台灣STM微機電開發設計的主要內容之一。》

方案二:以加速度計結合地磁感測提高精確度

若要有效補償陀螺儀的偏置漂移(offset drift)問題,並在價格上能滿足手持裝置的使用需求,ADI行銷經理Stephen Wu表示,加速度計結合地磁感測M-Sensor(Magnetic Sensor)方案,可利用偵測地磁線以精確指出指北位置方式,再配合高解析度的加速度計,積分計算出角速度變化,精確度雖不如陀螺儀,不過能滿足手持裝置應用需求。若進一步結合GPS三角定位功能,便可廣泛提升LBS定位精確度。例如在範圍補償(compass compensation)上,電子羅盤的精確度會受到地磁線影響會有所偏移,6bit感測器由於解析度低,因此無法有效對於感測偏移範圍進行補償;在1.6公里外,6bit感測器的範圍誤差可達440公尺,12bit解析度的感測器誤差只有27公尺,這對於藉由手機使用各項LBS應用服務的精確度來說非常重要,目前ADI與M-Sensor廠商有進一步的合作關係。


省電功能設計

一般而言,手機會不斷繼續讀取相關數據保持待機狀態,這對於電源管理來說便會產生高功耗問題。在省電功耗設計上,ADI特別設計出FIFO省電控制技術,以FIFO模式讀取儲存器中緩衝暫存資料,藉由演算法計算讀取特定時序階段內的數據事件集,取代以往手機不斷讀取儲存數據進而導致高功耗的問題。若應用在數位相機,FIFO模式讓數位相機一旦承受撞擊時便自動儲存先前照像資料。ADI把FIFO省電控制軟體設計結合MEMS感測器,發揮MEMS元件作為電源管理IC的功能角色,目前ADI正與手機品牌大廠洽談相關進一步合作計劃。


STM的三軸加速度計也具備6D識別電路信號輸出功能,當手機正面朝下放置時,這個訊息可讓手機自動切換成靜音。此外可以把工作模式設定為睡眠/喚醒(sleep-to-wake)模式,此加速度計有助於協助手機系統降低耗電量並持續保持啟動狀態。


MEMS麥克風高音質抗干擾開花結果

手機驅動MEMS麥克風成長態勢

除了運動感測之外,MEMS麥克風技術應用也已水到渠成,越來越多的高階手機、MP3、GPS裝置的整合單晶片開始內建MEMS麥克風功能。工研院IEK分析師謝孟玹表示,去年下半年包括Nokia、SonyEricsson、HTC等智慧型手機大廠開始採用MEMS麥克風,Samsung、LG、Motorola等品牌大廠也與MEMS麥克風供應商維持密切合作關係。


根據iSuppli數據顯示,目前MEMS微型麥克風在整體MEMS市佔率略低於10%,預估未來4年出貨量將會以每年32%的速度成長,到2012年時可望超過10億顆,市場規模將達2.115億美元。Yole Development資料亦顯示,今年MEMS麥克風出貨量可達5.15億顆,相較於2005年全球麥克風出貨為20億顆、其中MEMS麥克風出貨為1億顆,今年滲透率可望達到20%。


謝孟玹指出,目前已有20多家公司正開發MEMS麥克風,主要以4大家廠商為主,美國的樓氏電子(Knowles Acoustics)市佔率約為76%,丹麥的SonionMEMS約佔13%,美國Akustica約佔9%,新加坡的MEMStech則佔2%。


《圖十 Knowles Acoustics市場行銷與銷售資深總監Mark Johnson(右)和全球業務總監Pete Smith(左)表示,MEMS麥克風優勢在於微型化設計可滿足手持裝置薄型化需求;能因應各種環境變化而維持穩定音質,可重複校正改良音質和靈敏度設計。今年Knowles的發展策略之一,便以MEMS麥克風產品作為擴展在手持裝置應用廣度的利器。》
《圖十 Knowles Acoustics市場行銷與銷售資深總監Mark Johnson(右)和全球業務總監Pete Smith(左)表示,MEMS麥克風優勢在於微型化設計可滿足手持裝置薄型化需求;能因應各種環境變化而維持穩定音質,可重複校正改良音質和靈敏度設計。今年Knowles的發展策略之一,便以MEMS麥克風產品作為擴展在手持裝置應用廣度的利器。》

Knowles Acoustics市場行銷與銷售資深總監Mark Johnson表示,目前Knowles Acoustics已經出貨3代共7億顆麥克風產品,全矽MEMS麥克風在手持裝置領域仍有許多成長空間,手機相當具有帶動MEMS元件應用的潛力,Knowles Acoustics在今年的發展策略之一,便以MEMS麥克風產品作為擴展在手持裝置應用廣度的利器。Knowles Acoustics正與全球五大品牌手機廠商合作MEMS麥克風應用,在手機麥克風市佔率約為20%左右。


此外ADI也投入開發MEMS麥克風的行列,ADI行銷經理Stephen Wu表示,ADI以既有ECM麥克風數位輸出音訊技術為基礎,進一步提供完整MEMS麥克風數位和類比輸出音訊方案以及音訊調校演算法服務,在手持裝置應用上ADI的MEMS麥克風便以數位輸出介面為主。Stephen Wu 指出,ADI今年積極發展MEMS麥克風的主因,在於ADI在訊號解決方案領域只有MEMS部分尚未推出相關產品,欲提供客戶完整的MEMS解決方案。預計ADI的MEMS麥克風產品將在今年Q1大規模量產,採用ADI數位MEMS麥克風的智慧型手機產品預計將在今年Q3問世。


MEMS麥克風符合手機設計要求

Knowles Acoustics全球業務總監Pete Smith進一步表示,今年11~12億支手機銷售量對於MEMS麥克風的普及應用,具有推波助瀾的關鍵效應。手持裝置製造商越來越有意願採用MEMS麥克風設計,首先MEMS麥克風規格尺寸微型化設計可滿足手持裝置薄型化需求;再者MEMS麥克風製程生產與整體半導體產業較為親近,且MEMS麥克風架構較為堅固,能因應各種環境變化而維持穩定音質;同時MEMS麥克風製程可按照客製化需求,重複校正改良音質和靈敏度設計。


一般而言,MEMS麥克風目前在手持裝置的應用位置絕大多數集中在高階的智慧型手機部分,Mark Johnson指出,由於BOM成本考量,MEMS麥克風會以高階或是中階價位的手機為主要發展領域。Wolfson亦主推可應用於手機和PND裝置的MEMS麥克風產品,並強調併購Oligon並搭配iPhone Audio方案的策略。除了手機之外,Knowles Acoustics也與日本數位相機品牌廠商合作應用MEMS麥克風,在日本DSC麥克風市場,Knowles Acoustics目前市佔率約為10%左右;其也將進一步擴展其MEMS麥克風產品在筆記型電腦的影響力。Mark Johnson進一步強調,由於MEMS麥克風必須降低單價才能與傳統的ECM麥克風相互競爭,因此整體MEMS麥克風市場規模會呈現銷售量大但銷售額相對較小的局面。


MEMS麥克風技術特性

MEMS麥克風具備許多特性,MEMS麥克風音質佳、高感度低耗電、耐高溫抗雜訊、小尺寸高整合低成本的特性,不僅可滿足手持裝置易用需求,同時亦可應用於VoIP Phone中。



《圖十一 MEMS麥克風主要RF干擾來源示意圖 》
《圖十一 MEMS麥克風主要RF干擾來源示意圖 》資料來源:樓氏電子(Knowles Acoustics)

MEMS麥克風主要採用無鉛銲錫回流(lead free solder reflow)技術,以表面黏著(Surface Mount Tech;SMT)方式生產,能夠忍受較高的回焊溫度(reflow temperature)、易於與CMOS製程以及其他的音訊電子裝置加以整合、以及具有經過改善之對RF和EMI的雜訊消除功能與抗干擾性。相較於一般傳統駐極電容式(Electric Condenser Microphone;ECM)麥克風,MEMS麥克風具備更高的靈敏度誤差(sensitivity tolerance)。同時MEMS麥克風易與CMOS製程以及其他音訊電子裝置相互整合、封裝基板厚度僅為傳統QFN基板厚度的25%、加上MEMS麥克風可支援HD Audio規格和數位輸出,因此可滿足VoIP、Video Phone、三方通話、聲音辨識等長距離資料傳輸的高音質應用需求,讓MEMS麥克風成為手持裝置單聲道和複雜聲道的多重麥克風應用最佳選擇。


Pete Smith進一步表示,SMT表面黏著技術在製程上讓MEMS麥克風更容易嵌入PCB薄板,雖然傳統ECM麥克風單價比MEMS麥克風更具競爭力,不過由於SMT表面黏著回流焊技術可承受高溫回焊燒烤溫度,因此可進一步讓MEMS麥克風嵌入PCB薄板製程採用自動化配裝生產(pick and place),略除以手工焊接麥克風的程序,可大幅節省組裝時間與成本,整體更具低耗電和低價格優勢。


雙晶片結合並排封裝設計

Mark Johnson指出,採用two chip設計的MEMS麥克風,結合side by side封裝的設計彈性較佳,且可與MEMS和CMOS製程相容,無須更改所有生產流程;藉由客製化調整CMOS製程,便能滿足客戶在麥克風類比或數位輸出的要求。Mark Johnson強調,若採用stacked封裝的單晶片設計方案,MEMS麥克風應用在手持裝置上的尺寸過厚,可能較無法滿足手持裝置薄型化應用需求。目前Knowles Acoustics第三代MEMS麥克風產品結合CMOS後尺寸可縮小為1.69×1.69mm,今年Knowles Acoustics的目標是將尺寸縮小至1×1mm。


強調高效能PSRR和SNR


《圖十二 採用降低RF干擾方案的MEMS麥克風結構示意圖 》
《圖十二 採用降低RF干擾方案的MEMS麥克風結構示意圖 》資料來源:樓氏電子(Knowles Acoustics)

在提高PSRR(Power Supply Rejection Ratio)和SNR(Signal to Noise Ratio)效能部分,MEMS麥克風廠商均強調高效能SNR以及寬音域(Flat Frequency)回應收音功能,SNR值大約都可達61dB。類比和數位輸出MEMS麥克風不僅需具備寬音域回應收音功能,並可支援HD音訊、寬頻VoIP、語音辨識和4G寬頻標準。ADI並強調搭配Audio CODEC方案應用在VoIP cell phone;Wolfson主推可應用於手機和PND裝置的MEMS麥克風產品,更強調捕捉清澈聲音精確的靈敏度誤差(sensitivity tolerance)僅在+/-1dB,並可提供62dB SNR效能,可有效減少麥克風的雜訊層(noise floor)。


降低MEMS麥克風RF干擾雙保險設計

值得注意的是,Knowles Acoustics已開發出可降低MEMS麥克風應用在手持裝置受到RF雜訊干擾的MaxRF技術設計。Mark Johnson表示,MEMS麥克風應用在手持裝置會面臨兩種RF干擾問題,包括過濾空間輻射射頻雜訊(Radiated RF Noise)雜訊和實體傳導射頻雜訊(Conducted RF Noise),特別是麥克風被放置於天線下方時,設計上常會遇到GSM 嗡嗡噪音(buzz)干擾問題。Knowles Acoustics採用所謂的MaxRF革新技術,主要是以兩種方式,其一是在CMOS和MEMS的PCB結構之上外包FR-4級銅箔積層牆板設計,把CMOS和MEMS結構包在FR-4牆板內;其二是在CMOS結構加上濾網設計。以往ECM麥克風在CMOS設計上並沒有薄層外牆和CMOS濾網設計,這種設計能讓MEMS麥克風在手持裝置上更具降低雜訊干擾的優勢。Pete Smith進一步表示,此種設計亦可降低分時多工存取(TDMA)收發器的雜訊,提升MEMS麥克風達到14dB的靈敏度,同時減輕設計人員兼顧降低RF雜訊設計時和更動PCB板規劃時的雙重負擔。



《圖十三 採用銅箔積層牆板和CMOS濾網設計的降低RF干擾方案示意圖 》
《圖十三 採用銅箔積層牆板和CMOS濾網設計的降低RF干擾方案示意圖 》資料來源:樓氏電子(Knowles Acoustics)

抗RF干擾結合濾網設計

ADI行銷經理Stephen Wu亦表示,在設計數位輸出MEMS麥克風應用於手持裝置時,需注意降低來自於無線射頻(RF)以及電磁波的干擾(EMI),例如Wi-Fi天線和LCD時脈信號等源極所產生的耦合雜訊。MEMS麥克風應用於手持裝置需進一步具備高度抗干擾能力,或者調整數位MEMS麥克風的擺放位置、改善音訊增強的特點像是立體音聲與陣列波束成型(array beam forming)等。


Stephen Wu進一步指出,ADI具有一項專利技術,可藉由MEMS為基礎的濾網設計(particle filter),設計數千個直徑6u、10u深度的小孔,降低雜質與灰塵跑入MEMS麥克風進而影響音質輸出的風險,並提高MEMS麥克風的使用週期。同時ADI的MEMS麥克風具備可省下50%功耗的節能設計,數位輸出MEMS麥克風亦可提供低功耗睡眠模式,例如GPS晶片可藉由MEMS麥克風感測未處於行動時即進入休眠狀態的智慧節電設計。


國際MEMS麥克風廠商積極開發手持裝置應用,台灣工研院南分院微系統科技中心與微電聲產業聯盟亦不遑多讓,也正在積極擴展協助打造台灣MEMS麥克風產業的基礎。工研院南分院微系統科技中心副主任張平表示,聽音辨位和指向雜訊抑制是目前較為明顯的應用需求,手持裝置上的雜訊抑制功能也是目前HiFi麥克風的開發重點之一。台灣MEMS麥克風廠商尚未進入大量量產階段,專利障礙也是瓶頸之一,工研院南分院微系統科技中心的角色與今年度的發展策略,便是設計出可滿足市場需求的ME麥克風產品,期盼為台灣MEMS麥克風產業開創新局。


MEMS時脈控制在NFC手機應用脫穎而出

由於電子系統內部都需要多個頻率傳遞訊息,因此時脈振盪器(timing oscillator)或是諧振器(resonator)便是消費電子產品不可或缺的零組件,以往多數採用石英(quartz)晶體的振盪器或諧振器,正逐漸被MEMS元件所取代。MEMS時脈控制設計也開始被應用在手持裝置當中,包括SiTime、Discera、Vectron International和Silicon Clocks都正在推出可應用於手持裝置的MEMS振盪器和諧振器產品,這股趨勢隨著MEMS微細化技術更加成熟而越來越普及。


SiTime行銷副總裁Piyush Sevalia表示,目前全球時脈控制元件市場規模約為50億美元,2007年全球MEMS元件出貨量為25億組,MEMS諧振器已出貨數百萬組,市場成長空間頗具潛力。


《圖十四 SiTime行銷副總裁Piyush Sevalia表示,主要應用於近場無線通訊(Near Field Communication)功能手機的超薄型MEMS時脈振盪器,可支援大容量SIM卡(HC-SIM)、智慧卡和超薄手機用的SiP封裝模組、USB2.0和快閃記憶體儲存等解決方案。》
《圖十四 SiTime行銷副總裁Piyush Sevalia表示,主要應用於近場無線通訊(Near Field Communication)功能手機的超薄型MEMS時脈振盪器,可支援大容量SIM卡(HC-SIM)、智慧卡和超薄手機用的SiP封裝模組、USB2.0和快閃記憶體儲存等解決方案。》

Piyush Sevalia表示採用標準CMOS製程的MEMS諧振器可取代石英晶體的主要因素,在於MEMS諧振器尺寸比石英共振器小10倍,厚度可更薄4倍,良率更可超過90%。MEMS諧振器並具備零漂移(Zero drift)誤差以及可達150K Q值(Quality Factor)的高效能,其亦可承受50000G的重力衝擊,在可靠度和品質上均具備相關優勢。Piyush Sevalia強調,MEMS諧振器和振盪器元件的可編程架構,具備分數-N型鎖相迴路(Fractional-N PLL)效能,在壓控振盪(Voltage Controlled Oscillator)設計尤佳,,可進一步支援Gigabite級寬頻頻率並降低雜訊。各類可編程MEMS時脈控制解決方案,具備微型化封裝、低功耗、降低時脈抖動(jitter)、範圍更寬的輸出頻率、更為精確的頻率精度、容忍溫度幅度更大等特性,能滿足客戶特殊應用的設計需求。


Piyush Sevalia指出,主要應用於近場無線通訊(Near Field Communication)功能手機的超薄型MEMS時脈振盪器,可支援大容量SIM卡(HC-SIM)、智慧卡和超薄手機用的SiP封裝模組、USB2.0和快閃記憶體儲存等解決方案。這種MEMS時脈振盪器厚度只有原來的1/3;與之前0.85mm厚度相比,新式晶片只有0.25mm。應用於超薄型手機的新款MEMS時脈振盪器,不同於以往stacked堆疊封裝方式,採用將MEMS元件和ASIC結合在一起的並排(side by side)封裝,滿足手機薄型化設計需求。


Piyush Sevalia表示,目前SiTime已和7~8家NFC手機業者洽談相關合作計劃,他亦認為手機等可攜式裝置將是驅動MEMS應用發展的主要動力,SiTime也將進一步結合Bosch作為SiTime創始者和主要投資者的重要功能,拓展MEMS時脈元件在手機裝置的影響力。


干涉測量調節MEMS顯示螢幕設計感光節能

具備整合多媒體功能的行動電話往往進行頻繁的資料處理、網頁瀏覽與定位導航應用,這使得使用者觀看螢幕的時間越長、手機處理功率用電消耗越來越高,這時手機顯示螢幕的省電優勢、以及在各種光照環境下都能運用自如的顯示技術便非常重要。Qualcomm光電科技(QMT)業務開發副總裁James Cathey便表示,手機的「電量缺口」如果無法藉由提高電池電量獲得解決,就必須改善元件的電量使用效率;欲彌補供電量與用電量之間的落差,省電顯示螢幕設計解決方案就非常關鍵。


《圖十五 Qualcomm光電科技(QMT)業務開發副總裁James Cathey指出,以MEMS控制元件為基礎的顯示螢幕,結合干涉測量調節(interferometric modulation;iMOD)技術的反射式顯示幕,可製作出反射直視的平面顯示幕,比其他顯示幕技術的耗電量更低,可有效延長電池使用壽命。》
《圖十五 Qualcomm光電科技(QMT)業務開發副總裁James Cathey指出,以MEMS控制元件為基礎的顯示螢幕,結合干涉測量調節(interferometric modulation;iMOD)技術的反射式顯示幕,可製作出反射直視的平面顯示幕,比其他顯示幕技術的耗電量更低,可有效延長電池使用壽命。》

QMT所推出的mirasol顯示螢幕解決方案,便以微米及次微米尺寸的MEMS控制元件為基礎,結合干涉測量調節(interferometric modulation;iMOD)技術的反射式顯示幕,可製作出反射直視的平面顯示幕,比其他顯示幕技術的耗電量更低,可有效延長電池使用壽命。


James Cathey在說明以MEMS為基礎的iMOD技術應用在顯示螢幕時指出,mirasol顯示螢幕每個像素都是一個MEMS元件,每個MEMS元件的作用均是光學共振腔,其能大幅反射可見光譜中的特定波長,色彩便由共振腔深度比例所決定。在mirasol顯示幕之內有一具由透明基板製成的彈性薄膜鏡,薄膜與基板之間有數百奈米高的空氣間隙。當周圍光線進入空氣腔以及從薄膜鏡面反射時,產生相互干擾,進而反射出色彩,色彩顏色則由空氣間隙的高度而決定。彩色顯影是由數個不同厚度的MEMS元件組成的單一像素所產生。如果共振腔的深度改變,共振波長也會變化,造成顏色也跟著改變。微機電系統裝置的電機行為具有雙穩態的特性,因而降低了功率消耗。


James Cathey進一步指出,整體而言mirasol顯示螢幕便利用MEMS控制元件來感測光線,並運用周圍光源而無需背光源,即便在大太陽下也能看得一清二楚;mirasol顯示螢幕具備高度反射性功能,可依據周圍光線環境調整亮度,能讓手機用戶在不同亮度環境下,依然享有一致的螢幕清晰度,不會降低畫面對比與色彩彩度。


《圖十六 結合MEMS元件和iMOD技術應用的手機顯示螢幕產品》
《圖十六 結合MEMS元件和iMOD技術應用的手機顯示螢幕產品》

James Cathey引述DisplaySearch的預估報告指出,iMOD技術具有14億美元的市場發展潛力,市場應用價值可達115億美元。目前mirasol顯示螢幕已廣被Hisense、Skullcandy、Acoustic Research、Freestyle Audio、Foxlink、Cal-Comp、Inventec、Spread Telecom等廠商使用。台灣廠商包括正崴、泰金寶和英業達均開始採用mirasol顯示螢幕作為新款高階智慧型手機的螢幕元件。


MEMS微型投影裝置備受矚目

MEMS技術也可被應用在微型掃描和投影設備中,根據Yole Development預估,2009~2012黏MEMS微型投影市場成長發展將會非常明顯,市場規模將呈現銷售總量不多但整體營收非常高的局面。


TI的DLP晶片架構可被視為此一領域的代表,主要是以TI主推的數位微型投影元件(DMD)技術為核心,應用在手持裝置上的微型投影功能,目前DLP微型投影晶片已被應用在包括筆記型電腦、可攜式投影媒體播放器與手機等產品。工研院IEK半導體領域產業分析師謝孟玹預估,到2010年手機微投影技術將進入商業化階段,除了TI,包括MicroVision、The Nippon Signal、OPUS Microsystems、Miadia、Pixtronix、Silicon Light Machines、Sony、Spatial Photonix等,均正在開發相關微型投影技術。TI在今年1月中的CES展會上,便展出新一代DLP微型晶片產品,應用在包括Optoma微型投影手持裝置,投影距離最小為8英寸、最大8.5英尺。


《圖十七b 採用三晶片的DLP微型投影架構示意圖 》
《圖十七b 採用三晶片的DLP微型投影架構示意圖 》資料來源:www.dlp.com

其他MEMS元件應用蓄勢待發

壓力感測

MEMS壓力感測器的技術原理是將壓力輸入訊號轉換成電阻變化值,惠斯登電橋的壓阻式(Piezoresistances)變化便可感測薄膜上的壓力變化。由於壓力與高度有關,MEMS壓力感測器為基礎的氣壓計和高度計可應用在手持裝置上,也可提升GPS導航垂直高度的精確度。


RF MEMS

工研院分析師謝孟玹表示,未來應用在多頻多模手機的RFMEMS將可取代RF IC,因應寬頻化、高頻化傳輸以及全球漫遊的多頻切換的應用需求,這包括FBAR將取代Bulk SAW濾波器,MEMS切換器因應而生、振盪器取代石英時脈元件控制等發展趨勢。相較於傳統RFIC,RF MEMS的優勢在於低損耗、高效能、高整合和小尺寸。謝孟玹預估到2010年,多頻多模手機將帶動RF MEMS切換器起飛。目前投入RF MEMS的廠商包括Intel、Samsung、Toshiba、ST、NXP、NEC、Freescale、Fujitsu、IBM、Matsushita、ADI等。


MEMS手持裝置應用開創人機介面新局

儘管電子產業正面臨全球經濟衰退衝擊,不過藉由上述MEMS技術應用於手持裝置領域所衍生的豐富功能,將可帶動新一波市場需求高峰。ADI行銷經理Stephen Wu和工研院南分院微系統科技中心副主任張平不約而同地認為,我也要(Me Too)的應用驅動加上市場對於產品差異化的要求,可推動MEMS應用在手持裝置的普及率和影響力。STM產品市場經理郁正德則指出,MEMS技術其實就像一個個IP一般,仍須經過系統整合設計、與其他技術適切搭配之後,方能符合多元化市場應用需求。目前MEMS元件在手持裝置上的應用仍屬非必要性功能,如何將MEMS元件在手持裝置上的重要性,提升到必備且標準化功能的地位,相關應用會是決定性的第一步。


《圖十八 以TI DLP技術為基礎的Optoma微型投影裝置 》
《圖十八 以TI DLP技術為基礎的Optoma微型投影裝置 》資料來源:www.memstimes.blogbus.com

MEMS亦將成為整合人機之間溝通直覺類比動作和數位訊號分析的重要媒介,並提供人機介面更多元的創意空間。ADI行銷經理Stephen Wu表示,MEMS技術可進一步解決當前使用手機經驗的主要困擾和難題,MEMS元件就如同input device一般,作為連結數位與類比輸出的重要環節,MEMS可讓手機介面簡單化,並更淋漓盡致地發揮直覺式功能。STM產品市場經理郁正德更認為,MEMS在手持裝置應用的突破性,在於以往人機介面HMI(Human Machine Interface)的概念可因此進一步演進到MMI(Motion Machine Interface)。以此展望MEMS技術元件在手持裝置上的發展新局,郁正德進一步指出,藉由MEMS在手持裝置上的應用,整體MEMS產業鏈和生態體系可獲得各類具有市場分析功用的移動位置和行動數據,可有效掌握特定消費族群的動作趨勢與行為模式,深入開發多元化的消費市場資訊和應用環境。因此如何利用MEMS來獲得相關行動訊息,產生新的商業模式,會是MEMS能否在手持裝置應用活化普及的最關鍵思維。


在技術革新、微細尺寸和低價格之外,MEMS元件在手持裝置領域正在繼續創造更多的應用價值,也因為MEMS的百變姿態,人類的想像空間才有基礎更為無限寬廣地延伸!


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