MEMS 感測器 麥克風 AI 人工智慧 陀螺儀 加速度計

滿足隨身裝置智慧/音訊互動 MEMS感測器需求再攀高峰

2020-03-16
物聯網包含了各種設備與應用場景,而這些使用情境都將與感測器息息相關,透過感測器資訊能將近似於人類五官的感知力有效傳到各類型物聯網裝置,提供更加精準的資料,實現更多元的物聯網應用。

 

物聯網包含了各種設備與應用場景,而這些使用情境都將與感測器息息相關,透過感測器資訊能將近似於人類五官的感知力有效傳到各類型物聯網裝置,提供更加精準的資料,實現更多元的物聯網應用。

在人工智慧(AI)與5G帶動下,無論是消費型或垂直應用領域產業發展皆蓬勃起飛,加速MEMS感測器需求不斷升溫。以5G手機為例,根據Gartner預估2020年5G機種將占所有手機出貨量的12%,2022年更將達43%。從2020年開始,5G手機的採用率將隨產品價格下降、5G服務覆蓋率擴大及使用者體驗的提升而有所增加。2023年市場進一步成長,屆時5G機種將占整體手機出貨量的一半以上。隨著5G刺激整體手機出貨量攀升,意味著內建於手機的MEMS感測器出貨量也隨之而增。

根據市調機構IC Insights的市場統計分析,使用微機電系統(MEMS)技術製造的產品約占2018年122億美元半導體感測器市場的83%。MEMS感測器(包括加速度計、陀螺儀、壓力感測器和麥克風晶片),在2019 OSD報告指出,基於MEMS感測器與致動器的營收於2017年成長18%,2018年成長約6%,到了2019年成長約5%,並達到記錄新高128億美元,預估2020年成長約3%。

其中,MEMS感測器主要營收成長來自於壓力感測器(包括MEMS麥克風晶片),2018年成長13%,將近33億美元,其次是加速度/偏移(Yaw)感測器(如加速度計和陀螺儀裝置),成長4%達34億美元。

意法半導體(ST)亞太區類比、微機電與感測器產品部資深行銷經理陳建成(圖1)表示,2019年MEMS感測器的成長可圈可點,主要可歸類到三大因素,首先來自於智慧手機應用的微幅成長,可看到市場買氣受5G需求逐漸攀升;其次,穿戴式裝置(如智慧手表)對於MEMS感測器的需求增加,一方面是消費者對穿戴裝置的購買意願升溫,出貨量提升5~10%,二方面則是感測器數量增加30~40%,主因在於過去穿戴裝置感測器大多使用3軸感測器,而如今已有多種穿戴裝置從3軸轉移至6軸加速度計搭配陀螺儀的感測方案。第三,真無線藍牙耳機(TWS)除了本身麥克風數量增加之外,加速度計也成為TWS的標準配備,藉以讓耳機可在某些情境下,進入低功耗模式。

圖1   ST亞太區類比、微機電與感測器產品部資深行銷經理陳建成表示,2019年MEMS感測器的主要成長來自於穿戴式裝置及TWS應用。

陳建成分析,綜合來說,穿戴式裝置與TWS是2019年MEMS感測器主要的成長動力來源。不過值得一提的是,從2019年中到2020年初之間,ST溫度感測器用於雙倍資料率(DDR)記憶體模組的出貨量成長40%,主要來自中國、韓國記憶體廠商的需求,且溫度感測器訂單仍持續追加當中。雖說目前尚未可斷言此現況的原因,但後續發展值得期待。

AI MEMS感測器嶄露頭角

從MEMS感測器的角度來說,在設計上低功耗、小封裝與高穩固性已成為標配,陳建成認為,下一個MEMS設計的重點是提供高準確度。究其原因無論是未來或現在,手機已成為銜接周邊裝置與雲端的中繼站,除了處理數據資料外,同時也扮演下達周邊裝置指令的控制台,故需要有準確的數據資料作為基礎,快速提供可靠又精確的反應。

看好此發展商機,ST於2019下半年就推出一款具備AI能力的慣性感測器(IMU),也就是6軸MEMS感測器,本身無須搭載MCU,透過一些可程式化的硬體邏輯區塊(Block)加載在感測器之中,即能提供簡單的判斷能力,協助部分機器學習的功能;不僅如此,採用這類型的感測方案,降低整體系統的輸出功耗,同時又能協助系統分工。

換句話說,新款的AI 6軸感測器大幅簡化了有限狀態機(Finite State Machine, FSM)和機器學習內核心(Machine Learning Core, MLC)的邏輯設定。使用者可透過FSM邏輯直接在感測器中運作手勢和動作識別演算法,執行始終開啟的便利服務和低功耗功能;MLC則具備了機器學習分類器,用於始終開啟的動作和振動模式即時識別功能。

一般而言,具備AI功能的IMU本身可同時存在於主機端與周邊裝置,陳建成表示,現階段該公司的AI IMU方案將聚焦於消費型應用為主,但該方案可一體適用於工業和汽車領域,舉例來說,印度本身是軟體非常厲害的國家,目前已經有些摩托車上加裝IMU,期能透過該技術進行車子使用者行為分析。就成本來看,雖說具備有AI能力的IMU與一般的IMU價差約10~15%,但所帶來的產品價值與能力卻是不容小覷。

人類具備五感來感知世界,科技除了能夠做到五感之外,在未來搭配人工智慧技術,將感測器所能蒐集而來的數據進行分析,提供人類生活更加安全、舒適,成為一個健康的技術成長循環。

英飛凌(Infineon)大中華區電源管理與多元電子事業處行銷經理鍾至仁(圖2)表示,從人體五官對應科技技術,眼、耳、鼻較偏向於微機電架構,其中耳朵也就是聽覺部分,已成為繼影像之後,下一個人機介面關注的重點。

圖2   Infineon大中華區電源管理與多元電子事業處行銷經理鍾至仁認為,SNR、AOP、穩固性、低功耗與良好的相位和靈敏度匹配是麥克風的設計重點。

迎接新VUI時代麥克風打造「聲」歷其境

聲音對於人們來說,就像是呼吸空氣一般如影隨形,而MEMS麥克風技術,也就是成就新一代VUI(Voice User Interface)的關鍵元件。根據SAR Insight數位及語音介面研究報告預估,2023年將有近60億個裝置具有語音介面,以支援語音觸發、語音生物辨識、嵌入式數位助理和文字轉語音功能。 鍾至仁提到,麥克風被廣泛應用,從手機、平板、機上盒、智慧音箱、耳機,甚至是車用語音控制功能,麥克風的使用數量不斷地成長。整體來說,英飛凌將麥克風設計要點分成五大類,包含高訊噪比(SNR)、高聲學過載點(AOP)、穩固性、低功耗與良好的相位和靈敏度匹配,從而蒐集更好的聲音資源並確保聲音的品質,在這情況下,又能保證麥克風的續航力與穩固性。

英飛凌提出三種麥克風方案,一是單背板方案,滿足低階產品對於聲學效果要求不高,但相對穩固且低價的市場;二是採用雙背板(Dual back-plate)MEMS結構,將薄膜嵌入在兩個背板之間,成為對稱式結構,可最大幅度減少失真。雙背板裝置也更為強固,可對抗風聲問題;最後為密封雙模(Sealed Dual Membrane)結構,可同時滿足上述五大功能,將SNR提高到75dB,且本身有防水防震效能,2019年下半年已有知名OEM廠商的TWS方案採用並量產。

展望未來,鍾至仁談到,該公司正在積極研發當中的是整合揚聲器與麥克風的超音波(Ultrasonic)方案,透過單一麥克風進行震盪發聲與收音。有別於過去Ultrasonic需要一個揚聲器與麥克風,進行發聲與收音,未來這種單一麥克風的Ultrasonic,能讓終端裝置在設計上相對簡單。最後,無接口的麥克風也是在英飛凌概念研究的方向之一,智慧手機對外接口越來越少已成趨勢,相信未來沒有聲孔的麥克風也將是未來發展的重心。

除了麥克風本身設計效能提升之外,鍾至仁表示,壓力感測與麥克風都屬於開孔式設計,且氣壓感測在蘋果(Apple)、三星(Samsung)和華為的旗艦級手機上已非新話題,故下一步英飛凌也計畫將麥克風與壓力感測器整合成二合一感測方案,簡化終端裝置廠商的產品設計與難度。

 

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