在今(2010)年的蘋果電腦全球開發者大會(WWDC)中,蘋果執行長賈伯斯(Steve Jobs)正式對外宣布推出新一代iPhone 4,而在發表會當天,賈伯斯特別介紹了iPhone 4的新功能之一,就是加入了加速度計(Accelerometer)、三軸陀螺儀(3-axis Gyroscope)等微機電(MEMS)元件,可以讓iPhone 4具有上下、左右、前後等六軸方向感測(6-axis motion-sensing)功能,不但可以玩更多體感遊戲,還能搭配App Store軟體,創造出更多創新的應用。
MEMS存在已久,並不是什麼新技術,過去主要應用在精密工業、醫療科技、軍事工業等市場,很少有廠商把MEMS引入消費性電子產品當中。直到2006年底,任天堂在遊戲機Wii中導入加速度計及感測,首創Wii Fit、Wii MotionPlus等體感遊戲熱潮,之後蘋果推出首款智慧型手機iPhone,也導入加速度計,讓手機直放或橫放時,螢幕顯示會跟著進行90度轉動,正式開創了MEMS在消費性電子產品中的新應用。
在過去兩年當中,可以看到愈來愈多的消費性電子產品,大量導入加速度計等MEMS元件,最明顯的例子,就是數位相機內建加速度計讓照片進行90度位移的功能,在短短不到3年內,已經達到將近百分之百的滲透率。
而今年,蘋果新推出的iPhone 4中,除了加入加速度計及陀螺儀,還增加了電子羅盤(Compass)、近接感測開關(Proximity Sensor)、環境光感測計(Ambient Light Sensor)等MEMS元件,為智慧型手機樹立很多重要的規格標竿。所以,未來的智慧型手機、數位相機,甚至於當紅的電子書或平板電腦等,大量採用MEMS的時代已經到來,而MEMS也創造出人機介面新商機!
賈伯斯在WWDC中以iPhone 4大玩3D虛擬遊戲,透過iPhone的上下及前後轉動,讓3D遊戲順利進行,最後再介紹iPhone 4成為全球首款內建陀螺儀的智慧型手機,無疑成為陀螺儀在手機應用上的最佳代言人,也打開了陀螺儀在手機應用大門。
陀螺儀的應用很廣泛,現在最常應用到的一個功能,就是利用陀螺儀偵測旋轉的向量,加強加速度計的偵測,就能夠應用在照相或攝影時的光學防手震功能上。由於iPhone 4採用雙鏡頭設計,在拍照及進行影像通話時,就能使用到防手震功能,降低圖像及視訊影像的滑動,並增加清晰度。
而陀螺儀搭配加速度計,也能提高電源管理的功能,如陀螺儀能夠協助加速度計,感測到手機被拿起或放下,或是手機進入移動狀態,此時就能利用移動來驅動電源的開關。也就是說,當手機沒有感測到移動時,就可自動進入維持最低電力的待機模式,這將可以拉長手機電池的使用時間。
所以,當iPhone 4加入陀螺儀功能,又造成全球性話題後,全球手機廠勢必會開始仿效,下半年會有愈來愈多手機內建陀螺儀。所以根據市調機構iSuppli的預估,去(2009)年手機內建陀螺儀數量為零,今年出貨量已可急速成長到約2600萬,而至2014年時,全球有將近2.86億支手機會內建陀螺儀,可見iPhone 4炒熱了MEMS話題,也創造了陀螺儀市場新商機。
根據iSuppli的統計,在蘋果將加速度計導入iPhone後,2009年手機成為MEMS元件最大的應用市場,其中又以加速度計的使用量最大,達到3.54億顆,相較於2008年時,全球每10支手機中僅有1支內建加速度計,現在已經達到每4支手機中就有1支,等於是在短短一年之間,滲透率就由10%快速提高到25%。至於今年,將是每3支手機就有1支內建加速度計。
至於近期才剛落幕的美國電子娛樂展(E3 Expo)中,體感遊戲再度成為市場焦點,微軟Xbox 360新體感控制器Kinect、SONY推出的PlayStation Move等,則是開始大量導入陀螺儀、紅外線感測器、磁力計等MEMS元件,直接感測玩家的手部或身體動作。
由此來看,手機及遊戲機將成為MEMS兩大重要市場,而隨著陀螺儀、紅外線感測器、磁力計、電子羅盤、光線感測計等功能陸續導入,MEMS市場的確十分具有成長潛力。iSuppli預估,2009年全球應用在消費性及可攜式產品市場的MEMS市場規模達12.42億美元,但至2013年就會達到24.73億美元,等於是在5年內成長1倍。
當然,MEMS之所以會成為市場熱門話題,在於人機介面的創新應用,處處讓人驚豔!比如有了加速度計及陀螺儀的六軸方向感測後,再結合了電子羅盤或磁力計,就能夠讓衛星定位(GPS)系統,不再只是單純的平面方向導航,而是可以轉換為步行導航及定址服務。
說簡單一點,就是過去GPS系統需要時時維持連線狀態,才能指引道路方向,但若加入了電子羅盤功能,即使GPS斷線,仍可持續指引方向,加上電子羅盤可以校正GPS的方向,所以隨便你怎麼轉,GPS地圖就可以立即跟著轉動,不必怕因失去方向感而走錯路。
至於iPhone 4導入的近接感測開關及環境光感測計,就可讓消費者在接聽電話時,關閉觸控螢幕功能,以免因耳朵或臉頰碰到手機螢幕,不小心啟動其他功能,而環境光感測計則可以隨時感測使用者周邊光線強弱,自動調整螢幕的背光功能。
而隨著MEMS之間的相互搭配,創造出更多新的人機介面,也改變了現在人與電子產品間的互動模式,讓電子產品可以更貼近消費者的感知及生活,達到擴增實境(Augmented Reality)的地步。
也因此,未來應用在汽車及精密工業的壓力感測計、射頻微機電(RF-MEMS)、數位微鏡元件(DMD)、自動對焦等MEMS元件,也有機會開始導入手機等消費性電子產品中,讓使用者透過鏡頭、微投影、加速度計及陀螺儀、電子羅盤等多重MEMS功能,輕鬆取得與周遭實體相關的資訊。以後只要走在路上,透過手機的MEMS技術,就可以隨時找到某大樓中或某條街上的星巴克或7-11了。
台灣發展MEMS生產鏈已有將近10年時間,但因市場成熟度不足,以及MEMS市場是屬於少量多樣的市場,與半導體強調少樣多量的情況完全不同,所以MEMS市場至今仍由意法半導體、德儀、亞德諾等IDM廠所掌控,直到近2、3年內,以IC設計型態成立的幾家MEMS公司如InvenSense、Akustica等開始嶄露頭角,才讓台灣半導體代工廠有機會分食市場大餅。
而要讓MEMS能夠大量生產降低成本,包括台積電(2330)、聯電(2303)、亞太優勢、日月光(2311)、矽品(2325)、京元電(2449)等晶圓代工及封測廠,共同參加由國際半導體設備材料產業協會(SEMI)號召成立的「SEMI台灣MEMS委員會」,並決定合作整合生產鏈,建立台灣在MEMS產業的良好共生系統(Ecosystem)。
業者表示,要讓MEMS的生產製程與半導體CMOS製程整合,MEMS元件才能夠大量生產並降低單位成本,所以國內半導體廠都已建立了相關生產線,如台積電調撥旗下6吋廠Fab2及8吋廠Fab3的產能投入MEMS代工市場,子公司封測廠精材及采鈺也建置了MEMS封測產能,日月光、矽格(6257)、菱生(2369)、同欣電(6271)等則已成為國外MEMS廠重要封測代工夥伴。
MEMS與半導體生產鏈很不相同的地方,在於MEMS的晶圓製造占成本比重並不高,但封裝測試卻占了總成本將近5成比重,原因在於MEMS只需要到0.35微米或0.5微米的舊技術,而封裝要求的精密度遠高於傳統半導體封裝,測試上則需要進行感測能力及校正,測試時間很長。
所以,此次由iPhone 4帶動的MEMS熱潮,讓布局MEMS封測市場長達5年以上的菱生,一時之間成為市場法人矚目焦點。相較於矽格、同欣電等同業著重在影像感測器的封測市場,菱生因為是全球最大消費性陀螺儀供應商InvenSense、微型麥克風大廠Akustica(已併入德國Robert Bosch)的獨家代工廠,短期間其他封測業者又難以跨入,所以是封測廠中受惠最大者。
隨著晶圓代工及封測等業者開始串起MEMS生產鏈,MEMS設計公司也有了生存空間,6月底即將掛牌上櫃的凌耀科技,已經成功量產近接感測開關及環境光感測計等MEMS元件,而原相(3227)開發多年的G-Sensor也可望開始量產,並搭配聯發科(2454)手機晶片出貨。
所以,台灣IC設計業者若能有效運用半導體及MEMS產能,帶動MEMS設計市場興起,以現有的產能開發出具高性價比的MEMS方案,以台灣在手機及電腦等電子產品組裝市場的地位,將可在這場消費性MEMS大戰中搶得最有利發展位置。