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MEMS元件打開行動五感世界
Sensor Hub新境界

【作者: 陳韋哲】   2013年06月19日 星期三

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幾年以前,任誰也沒料想到智慧手機與平板電腦的行動裝置狂潮會如此洶湧,使得威風已久的PC產業銷售量節節敗退。以往傳統的單純收發電話及SMS簡訊訴求對於現代人而言不再是最重要的功能,取而代之的是數以萬計的行動Apps才是最令使用者傾心。


如今「提昇使用體驗」已成為行動裝置設備設計的重要趨勢,為了要讓行動裝置設備擁有更多的創新功能,MEMS(微機電系統)技術與感測器的結合將扮演著愈來愈重要的角色。


目前平均每支智慧手機內建4~10個MEMS元件,未來更將高達15個以上,尤其從近期三星所發表的Galaxy S4上即整合了9類的感測器來看,便能窺知手機大廠除了在功能創新上比拚之外,「該如何與人類生活更加貼近」更是一大改革重點。


例如讓使用者僅需透過智慧手機內建的溫度感測元件,便得以即時監測氣溫變化,以及搭配專屬的心跳脈搏測量腕帶套件,就能即時將所測得的數據回傳至手機進行數據分析,再再顯示生活保健的相關功能開始導入到行動裝置設備。


意法半導體類比與微機電元件資深技術行銷工程師李炯毅指出:「隨著行動及穿戴式裝置的陸續推出,預估出貨量可望持續成長,進而刺激感測元件的供給需求暢旺。」



圖一 : 近期三星所發表的Galaxy S4上整合了9類的感測器
圖一 : 近期三星所發表的Galaxy S4上整合了9類的感測器

感測元件應用無所不在

舉凡從蘋果的iPhone(採用MEMS加速器)、任天堂Wii(採用MEMS三軸加速器)、XBOX Kinect、直至Nike的智慧鞋墊等都是使用了MEMS感測器,才得以讓這些裝置具備環境與動作感知的功能。


而所謂的MEMS即是採用半導體製程技術,並整合電子及機械功能所製作而成的微型裝置,將電子、機械、光學、化學、生物、磁學或其他性質的元件整合到一個單一或多晶片上。簡單來說MEMS讓電子設備擁有豐富的感測或致動功能。


在行動裝置設備中所使用到的動作感知功能主要是針對系統中包括速度、震動、衝擊、傾斜、旋轉這五種動作進行感測。加速度計可用來檢測系統的加速度變化、電子羅盤可檢測地磁變化,陀螺儀則提供角速度改變的偵測功能。


現今高階智慧手機已開始將這三種動作感知感測器進行組合應用,進而能更精確感知系統的真實動作及狀態,並實現室內導航、穩定相機影像、遠端遙控、擴增實境、定位資訊服務等功能。


李炯毅表示,由於GPS在進入室內時往往會發生無法正確定位的問題,以致於促使室內導航相關應用逐漸升溫,雖然單純利用感測器也能透過DR(Dead Reckoning)技術達到室內定位,但此技術有其極限,其誤差值會隨時間越來越高,所以如果將感測器結合室內Wi-Fi 的方案,除了能在室內完成定位,更可將誤差值降至最低。


多軸化是未來趨勢

目前行動裝置中的MEMS元件,大多仍是離散式的個別配置,然而在輕薄化的設計前提下,及實現低功耗、高度整合及價格便宜等產品競爭優勢,在單一微型封裝內同時整合數個不同感測器的多軸化架構,已成為動作感測元件市場的必然發展趨勢。


ADI亞太區消費性產品事業開發部經理吳彥彬表示,未來加速度計將是行動裝置中必備的感測器,透過加速度計結合更多元的感測器如MEMS麥克風、接近喚醒感測器(Proximity Awareness Sensor)與手握感測器(Grip Sensor)等元件,將可發展更多有趣的創新應用。


目前國際感測大廠皆朝向整合多軸化的Sensor Fusion方向設計產品,而隨著室內導航應用逐漸受到市場重視,三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸電子羅盤及壓力感測器將扮演更重要的角色,預計明年起將會被大量導入中高階智慧型手機中,成為繼動作感測元件之外的另一熱門MEMS產品。


「未來市場將會以6軸和9軸的組合式感測器產品最為大宗。」李炯毅強調,使用智慧型九軸MEMS感測器將可大幅減低行動裝置的耗電量。


MEMS麥克風聲控時代來臨

透過語音聲控的方式來操作手機,已是未來智慧手機發展的重要趨勢。雖然語音聲控技術早在十多年前就已經問世,但人類真正期待的語音聲控功能並非只是冷冰冰地對著機器進行指令呼叫,而是能夠因應使用者所說出的句子來進行智慧判斷。


加上,智慧手機對於現代人而言,不再只是單純撥打電話的功能,而是能夠同時完成多項任務(如,錄音及錄影),舉例來說像在進行視訊會議時,常會發生聲源不在麥克風附近,導致錄音效果不佳,而類似這樣的遠距離錄收音便是MEMS麥克風大展身手之處。


為了讓執行語音聲控時可以接收更清晰的聲源,進而做出正確的回覆,就必須仰賴MEMS麥克風或者是麥克風陣列及消噪技術來實現,這也帶動MEMS麥克風導入到行動裝置設備需求大增。


意法半導體類比微機電與感測元件技術行銷與應用工程主任蘇振隆表示,雖然目前普遍智慧手機內建的MEMS麥克風為2顆,但以iPhone 5來說,為了提升Siri語音秘書的辨識能力,Apple將其內建的MEMS麥克風數量提昇至3顆。預計明年將可見到內建4顆MEMS麥克風的行動裝置設備陸續問世。


圖二 : MEMS麥克風讓執行語音聲控時可以接收更清晰的聲源。
圖二 : MEMS麥克風讓執行語音聲控時可以接收更清晰的聲源。

由於MEMS麥克風已與傳統ECM麥克風之間的市場價格距離差異不大,加上MEMS麥克風具有良好音質、可擴充性、抗震、耐熱等特性,讓它的市場前景看俏。蘇振隆進一步指出,MEMS感測元件優劣可從SNR、耗電量、尺寸大小、靈敏度這四大方向進行判斷,而當中的SNR(高訊噪比)與靈敏度更是直接影響到使用者的影音體驗品質,所以對MEMS麥克風來說可是相當重要。


穿戴式智慧裝置當道

雖然行動裝置設備仍為市場持續聚焦的重點產品,穿戴式智慧裝置亦是近期相當活絡的話題,隨著Google正式發表Google Glass智慧眼鏡,連帶著三星與蘋果開始著手佈局穿戴式智慧手錶的消息未曾停過。


Google Glass除了打破傳統透過螢幕顯示的方式改由投影顯示,同時內建了許多MEMS感測元件(如陀螺儀、電子羅盤、MEMS麥克風、加速度計等),讓配戴者不再需要手持智慧手機或是平板電腦,就能輕鬆收發電話、上網搜尋、路徑導航、錄影拍照與AR擴增實境應用等功能。



圖三 : Google Glass可用空間限制,使得MEMS元件尺寸面臨考驗。
圖三 : Google Glass可用空間限制,使得MEMS元件尺寸面臨考驗。

Google為了不讓配戴者長期配戴Google Glass感到不適,特別將該款智慧眼鏡的硬體外觀尺寸設計到非常輕薄且小巧,卻也同時讓設計、電池續航力、重量等所面臨到非常大的技術考驗。正因為受限於Google Glass的可用空間有限,加上目前大多MEMS感測元件多數專為行動裝置設備所設計,使得MEMS元件在穿戴式應用上的設計面臨到不小的挑戰,預估這也是多軸整合型MEMS成長的重要驅動力。


結論

展望未來, MEMS感測單元預料將朝兩大方向發展,即標準化與更高度整合。在標準化方面,以往MEMS元件封裝都是客製化來生產,現今朝向以標準化技術平台發展,進而達到產品快速上市並降低成本的目標。


在整合度上,為了要提高感測器的精準度,以及降低系統運算功耗,相關感測器廠商已經開始著手將MEMS與MCU整合,進而設計出Sensor Hub單晶片,並搭配Sensor Fusion軟體來為加速度計、陀螺儀、壓力計等相關MEMS元件進行資訊校正及轉換的動作。雖然目前僅有Windows 8將Sensor Fusion列為標準支援功能之一,但Sensor Hub是未來趨勢,明年將會有更多行動裝置廠商陸續導入使用。


很顯然地,MEMS元件將在追求微型化的同時,進一步降低功耗並且提高精準度,以及整合智慧化的運算與應用能力,才能滿足行動裝置與穿戴式智慧裝置終端產品的開發需求。


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