【導讀】智能產品的熱銷，待旺了MEMS傳感器的需求，盡管目前市場上目前六軸MEMS的需求是主流，但是未來向九軸過渡顯然會是大勢所趨。因此本文選取了三款分別來自 Bosch Sensortec 、意法半導體(ST)和 InvenSense 的九軸慣性傳感器元件(IMU)進行拆解和對比，由此探究未來技術的發展趨勢。
組合式傳感元件因為具備整合性優勢、且其中各項傳感器功能的平均價格也下降，而成為市場當紅產品；市場研究機構Yole Development估計，組合式傳感器市場規模將由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常快，本文所拆解研究的九軸傳感器無疑是更具創新概念的后繼者，分別是來自 Bosch Sensortec 的 BMX055 、意法半導體的 LSM9DS0 以及 InvenSense 的MPU-9250；這三款產品價格相近，但采用的技術卻大不相同。組合式傳感器在消費性電子產品中已經成為主流，也可見到在汽車內的應用，而智慧型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。
外形與封裝
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，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 mm 2 )，到InvenSense的3x3mm (9 mm 2 )；ST與Bosch采用 LGA封裝，InvenSensey則為QFN封裝。
圖1，來自三家不同供應商的9軸MEMS傳感器尺寸、內部結構都大不相同
內部結構揭秘
移除了封裝外殼之后則發現，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。
每家廠商可用的晶片面積也不相同，ST是19mm2，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。
圖2，ST九軸感測器內部解析
ST的組合式傳感器元件在一顆 MEMS單晶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?Frit?Bonding)；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)的采用并縮小晶片面積。[page]
ST的LSM9DS0九軸IMU內部之加速度計/陀螺儀電路 (來源：System Plus Consulting，December 2013)
圖3，Bosch的九軸感測器元件完全是自家出品
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與制造的；該款BMX055九軸MEMS IMU整合了Bosch的第二代地磁感測器(geomagnetic sensor)，在單晶片支援三軸感測，取代前一代三顆獨立晶片的方案。
此外Bosch Sensortec的元件采用鋁鍺薄膜接合(Al-Ge bonding)來封裝MEMS陀螺儀，并非采用傳統的玻璃介質接合技術。
Bosch Sensortec的BMX055九軸IMU內部之三軸磁力計 (來源：System Plus Consulting，December 2013)
圖4，InvenSense九軸傳感器元件尺寸、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域尺寸縮減了40%。該元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。
新設計的另一個優勢，是該公司獨特的Nasiri制程已經有所改變。以往InvenSense是以傳統蝕刻技術在元件上制作空腔(cavities)，讓MEMS結構得以運動，這種方法已經不再使用、也因此節省了成本。[page]
InvenSense的MPU-9250九軸IMU內部之陀螺儀/加速度計(來源：System Plus Consulting，December 2013)
圖5,9軸IMU成本結構比較
成本相近，供應鏈差異化
以上三家MEMS元件供應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，Bosch僅有生產ASIC元件時會委托代工廠，而ST則向Honeywell采購磁力計晶片。至于InvenSense則是一家無晶圓廠公司，委托多個不同代工夥伴制造、封裝其IMU。
AKM是InvenSense的磁力計晶片供應商，而有多個晶圓代工廠為InvenSense生產六軸加速度計/陀螺儀感測器與ASIC，而元件的封裝測試則是委托其他專業封測廠。InvenSense只有負責元件的設計與測試。
而盡管基本上所采用的生產模式大不相同，這三家廠商的九軸IMU成本卻非常相近；雖然InvenSense 所采用的晶片數量明顯比較少，由于其元件生產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。
