拆解分析：三大厂最新九轴IMU内部构造揭密
发布时间：2014-5-15 09:59
发布者：eechina
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针对市场前三大供应商的组合式 MEMS传感器产品拆解分析显示，厂商们各自采取不同的路线来打造自家的竞争性产品。我们所拆解的晶片是三款在2013年推出的九轴惯性传感器元件(IMU)，包括 Bosch Sensortec 的 BMX055 、意法半导体(ST)的 LSM9DS0 以及 InvenSense 的MPU-9250；这三款产品价格相近，但采用的技术却大不相同。 组合式传感元件因为具备整合性优势、且其中各项传感器功能的平均价格也下降，而成为市场当红产品；市场研究机构Yole Development估计，组合式传感器市场规模将由2013年的4.46亿美元，在2018年增加至19.7亿美元，年成长率则由21%提升至66%。 市场对于六轴IMU与六轴电子罗盘(e-compass)元件组合式传感器解决方案的接受速度非常快，我们所拆解研究的九轴传感器无疑是更具创新概念的后继者；组合式传感器在消费性电子产品中已经成为主流，也可见到在汽车内的应用，而智慧型手机预期仍然是接下来几年组合式传感器市场的主要应用推手。 在 2013年，提供给大量订购客户的部分IMU单价已低于1美元；我们拆解的九轴传感器价格虽然相对较高，不过一旦大量生产，厂商们也会面临价格压力。三种元件的电路板占位面积皆不同，从ST的4x4mm (16 mm 2 )，到InvenSense的3x3mm (9 mm 2 )；ST与Bosch采用 LGA封装，InvenSensey则为QFN封装。 
来自三家不同供应商的组合式MEMS传感器尺寸、内部结构都大不相同 移除了封装外壳之后则发现，三款元件的内部结构也大不相同；举例来说，ST与Bosch的元件都内含5颗裸晶，InvenSense的元件则是只有两颗裸晶──包括一颗六轴加速度计/陀螺仪，以及一颗三轴磁力计。 每家厂商可用的晶片面积也不相同，ST是19mm2，Bosch是14 mm2，InvenSense仅有8 mm2。而要结合越多裸晶就需要更多的打线(wire bondings)来连结；ST的IMU元件采用了76条打线，InvenSense的元件则只采用了25条打线。 
ST九轴感测器内部解析 ST的组合式传感器元件在一颗 MEMS单晶片上结合六轴陀螺仪/加速度计，使得此六轴功能的尺寸比先前采用两颗裸晶的方案缩小了30%以上。该款元件采用玻璃介质接合(Glass?Frit?Bonding)；但ST也会采用金-金热压接合(gold-gold thermo-compression)来密封部分MEMS裸晶，以免除密封框(sealing frame)的采用并缩小晶片面积。 ST的LSM9DS0九轴IMU内部之加速度计/陀螺仪电路 (来源：System Plus Consulting，December 2013) 
Bosch的九轴感测器元件完全是自家出品 Bosch的组合式传感器是唯一所有功能(包括加速度计、陀螺仪与磁力计)是全部由该厂商自家开发与制造的；该款BMX055九轴MEMS IMU整合了Bosch的第二代地磁感测器(geomagnetic sensor)，在单晶片支援三轴感测，取代前一代三颗独立晶片的方案。 此外Bosch Sensortec的元件采用铝锗薄膜接合(Al-Ge bonding)来封装MEMS陀螺仪，并非采用传统的玻璃介质接合技术。 Bosch Sensortec的BMX055九轴IMU内部之三轴磁力计 (来源：System Plus Consulting，December 2013) 
InvenSense九轴传感器元件尺寸、成本都缩减 InvenSense最新的九轴IMU整合了新款三轴陀螺仪，采用单一种振动结构，取代前一代装置采用三种不同结构的方法；这种新设计让三轴陀螺仪功能区域尺寸缩减了40%。该元件也整合了新的三轴磁力计，其功能面积亦较前一代缩减了40%左右。 新设计的另一个优势，是该公司独特的Nasiri制程已经有所改变。以往InvenSense是以传统蚀刻技术在元件上制作空腔(cavities)，让MEMS结构得以运动，这种方法已经不再使用、也因此节省了成本。 InvenSense的MPU-9250九轴IMU内部之陀螺仪/加速度计(来源：System Plus Consulting，December 2013) 
成本相近，供应链大不同 以上三家MEMS元件供应商拥有非常不同的供应链；Bosch与ST主要是靠自家晶圆厂生产，Bosch仅有生产ASIC元件时会委托代工厂，而ST则向Honeywell采购磁力计晶片。至于InvenSense则是一家无晶圆厂公司，委托多个不同代工夥伴制造、封装其IMU。 AKM是InvenSense的磁力计晶片供应商，而有多个晶圆代工厂为InvenSense生产六轴加速度计/陀螺仪感测器与ASIC，而元件的封装测试则是委托其他专业封测厂。InvenSense只有负责元件的设计与测试。 而尽管基本上所采用的生产模式大不相同，这三家厂商的九轴IMU成本却非常相近；虽然InvenSense 所采用的晶片数量明显比较少，由于其元件生产委托许多不同的代工厂，也会带来一些额外的成本。以下是三款IMU的成本结构。 |
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