成本相近技術(shù)大不同 揭密三大廠最新九軸IMU內(nèi)部構(gòu)造

上網(wǎng)時間:2014年05月15日

針對市場前三大供應(yīng)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(dǎo)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(shù)卻大不相同。

組合式傳感元件因?yàn)榫邆湔闲詢?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(dāng)紅產(chǎn)品；市場研究機(jī)構(gòu)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(fèi)性電子產(chǎn)品中已經(jīng)成為主流，也可見到在汽車內(nèi)的應(yīng)用，而智能手機(jī)預(yù)期仍然是接下來幾年組合式傳感器市場的主要應(yīng)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。

來自三家不同供應(yīng)商的組合式MEMS傳感器尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)都大不相同

移除了封裝外殼之后則發(fā)現(xiàn)，三款元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也大不相同；舉例來說，ST與Bosch的元件都內(nèi)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(jié)合越多裸晶就需要更多的打線(wire bondings)來連結(jié)；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。

第2頁：ST九軸傳感器內(nèi)部解析

第3頁：Bosch的九軸傳感器組件完全是自家出品

第4頁：InvenSense九軸傳感器組件尺寸、成本都縮減

第5頁：成本相近，供應(yīng)鏈大不同

ST九軸傳感器內(nèi)部解析

ST的組合式傳感器元件在一顆MEMS單芯片上結(jié)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(zhì)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。

ST的LSM9DS0九軸IMU內(nèi)部之加速度計/陀螺儀電路(來源：System Plus Consulting，December 2013)

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第5頁：成本相近，供應(yīng)鏈大不同

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(dú)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(zhì)接合技術(shù)。

Bosch Sensortec的BMX055九軸IMU內(nèi)部之三軸磁力計 (來源：System Plus Consulting，December 2013)

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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(jié)構(gòu)，取代前一代裝置采用三種不同結(jié)構(gòu)的方法；這種新設(shè)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(shè)計的另一個優(yōu)勢，是該公司獨(dú)特的Nasiri制程已經(jīng)有所改變。以往InvenSense是以傳統(tǒng)蝕刻技術(shù)在組件上制作空腔(cavities)，讓MEMS結(jié)構(gòu)得以運(yùn)動，這種方法已經(jīng)不再使用、也因此節(jié)省了成本。

InvenSense的MPU-9250九軸IMU內(nèi)部之陀螺儀/加速度計(來源：System Plus Consulting，December 2013)

第5頁：成本相近，供應(yīng)鏈大不同

成本相近，供應(yīng)鏈大不同

以上三家MEMS組件供貨商擁有非常不同的供應(yīng)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(fù)責(zé)組件的設(shè)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I(lǐng)MU的成本結(jié)構(gòu)。

三款九軸IMU的成本結(jié)構(gòu)比較 (來源：System Plus Consulting，March 2014)