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深度解析:三大品牌九軸IMU芯片級比對揭秘

發(fā)布時間:2014-06-05 責(zé)任編輯:willwoyo

【導(dǎo)讀】智能產(chǎn)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(dǎo)體(ST)和 InvenSense 的九軸慣性傳感器元件(IMU)進(jìn)行拆解和對比,由此探究未來技術(shù)的發(fā)展趨勢。

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(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??欤疚乃鸾庋芯康木泡S傳感器無疑是更具創(chuàng)新概念的后繼者,分別是來自 Bosch Sensortec 的 BMX055 、意法半導(dǎo)體的 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(nèi)的應(yīng)用,而智慧型手機(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。


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(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 mm 2 ),到InvenSense的3x3mm (9 mm 2 );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9軸MEMS傳感器尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)都大不相同 
圖1,來自三家不同供應(yīng)商的9軸MEMS傳感器尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)都大不相同

內(nèi)部結(jié)構(gòu)揭秘

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。

每家廠商可用的晶片面積也不相同,ST是19mm2,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。
ST九軸感測器內(nèi)部解析 
圖2,ST九軸感測器內(nèi)部解析

ST的組合式傳感器元件在一顆 MEMS單晶片上結(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?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(nèi)部之加速度計/陀螺儀電路 (來源:System Plus Consulting,December 2013)
Bosch的九軸感測器元件完全是自家出品 
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(fā)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(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)
InvenSense九軸傳感器元件尺寸、成本都縮減 
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(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(shè)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(shù)在元件上制作空腔(cavities),讓MEMS結(jié)構(gòu)得以運動,這種方法已經(jīng)不再使用、也因此節(jié)省了成本。[page]

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)
9軸IMU成本結(jié)構(gòu)比較 
圖5,9軸IMU成本結(jié)構(gòu)比較

成本相近,供應(yīng)鏈差異化


以上三家MEMS元件供應(yīng)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(yīng)商,而有多個晶圓代工廠為InvenSense生產(chǎn)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(yè)封測廠。InvenSense只有負(fù)責(zé)元件的設(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 所采用的晶片數(shù)量明顯比較少,由于其元件生產(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)。
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