成本相近技術大不同 揭密三大廠最新九軸IMU內部構造
上網(wǎng)時間:2014年05月15日
針對市場前三大供應商的組合式MEMS傳感器產(chǎn)品拆解分析顯示，廠商們各自采取不同的路線來打造自家的競爭性產(chǎn)品。我們所拆解的芯片是三款在2013年推出的九軸慣性傳感器元件( IMU )，包括Bosch Sensortec的BMX055 、意法半導體(ST)的LSM9DS0以及InvenSense的MPU-9250；這三款產(chǎn)品價格相近，但采用的技術卻大不相同。
組合式傳感元件因為具備整合性優(yōu)勢、且其中各項傳感器功能的平均價格也下降，而成為市場當紅產(chǎn)品；市場研究機構Yole Development估計，組合式傳感器市場規(guī)模將由2013年的4.46億美元，在2018年增加至19.7億美元，年成長率則由21%提升至66%。
市場對于六軸IMU與六軸電子羅盤(e-compass)元件組合式傳感器解決方案的接受速度非?？?，我們所拆解研究的九軸傳感器無疑是更具創(chuàng)新概念的后繼者；組合式傳感器在消費性電子產(chǎn)品中已經(jīng)成為主流，也可見到在汽車內的應用，而智能手機預期仍然是接下來幾年組合式傳感器市場的主要應用推手。
在2013年，提供給大量訂購客戶的部分IMU單價已低于1美元；我們拆解的九軸傳感器價格雖然相對較高，不過一旦大量生產(chǎn)，廠商們也會面臨價格壓力。三種元件的電路板占位面積皆不同，從ST的4x4mm (16 mm2)，到InvenSense的3x3mm (9 mm2)；ST與Bosch采用LGA封裝，InvenSensey則為QFN封裝。
移除了封裝外殼之后則發(fā)現(xiàn)，三款元件的內部結構也大不相同；舉例來說，ST與Bosch的元件都內含5顆裸晶，InvenSense的元件則是只有兩顆裸晶──包括一顆六軸加速度計/陀螺儀，以及一顆三軸磁力計。
每家廠商可用的芯片面積也不相同，ST是19mm 2，Bosch是14 mm2，InvenSense僅有8 mm2。而要結合越多裸晶就需要更多的打線(wire bondings)來連結；ST的IMU元件采用了76條打線，InvenSense的元件則只采用了25條打線。
ST九軸傳感器內部解析
ST的組合式傳感器元件在一顆MEMS單芯片上結合六軸陀螺儀/加速度計，使得此六軸功能的尺寸比先前采用兩顆裸晶的方案縮小了30%以上。該款元件采用玻璃介質接合(Glass FritBonding)；但ST也會采用金-金熱壓接合(gold-gold thermo-compression)來密封部分MEMS裸晶，以免除密封框(sealing frame)的采用并縮小芯片面積。
Bosch的九軸傳感器組件完全是自家出品
Bosch的組合式傳感器是唯一所有功能(包括加速度計、陀螺儀與磁力計)是全部由該廠商自家開發(fā)與制造的；該款BMX055九軸MEMS IMU整合了Bosch的第二代地磁傳感器(geomagnetic sensor)，在單芯片支持三軸感測，取代前一代三顆獨立芯片的方案。
此外Bosch Sensortec的組件采用鋁鍺薄膜接合(Al-Ge bonding)來封裝MEMS陀螺儀，并非采用傳統(tǒng)的玻璃介質接合技術。
InvenSense九軸傳感器組件尺寸、成本都縮減
InvenSense最新的九軸IMU整合了新款三軸陀螺儀，采用單一種振動結構，取代前一代裝置采用三種不同結構的方法；這種新設計讓三軸陀螺儀功能區(qū)域尺寸縮減了40%。該組件也整合了新的三軸磁力計，其功能面積亦較前一代縮減了40%左右。
新設計的另一個優(yōu)勢，是該公司獨特的Nasiri制程已經(jīng)有所改變。以往InvenSense是以傳統(tǒng)蝕刻技術在組件上制作空腔(cavities)，讓MEMS結構得以運動，這種方法已經(jīng)不再使用、也因此節(jié)省了成本。
成本相近，供應鏈大不同
以上三家MEMS組件供貨商擁有非常不同的供應鏈；Bosch與ST主要是靠自家晶圓廠生產(chǎn)，Bosch僅有生產(chǎn)ASIC組件時會委托代工廠，而ST則向Honeywell采購磁力計芯片。至于InvenSense則是一家無晶圓廠公司，委托多個不同代工伙伴制造、封裝其IMU。
AKM是InvenSense的磁力計芯片供貨商，而有多個晶圓代工廠為InvenSense生產(chǎn)六軸加速度計/陀螺儀傳感器與ASIC，而組件的封裝測試則是委托其他專業(yè)封測廠。InvenSense只有負責組件的設計與測試。
而盡管基本上所采用的生產(chǎn)模式大不相同，這三家廠商的九軸IMU成本卻非常相近；雖然InvenSense 所采用的芯片數(shù)量明顯比較少，由于其組件生產(chǎn)委托許多不同的代工廠，也會帶來一些額外的成本。以下是三款IMU的成本結構。
