開啟物聯網時代的最佳核心終端裝置
大數據
發表時間:2019/1/24 9:30:03??來源:中國工控網??作者:gaosin??
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發表時間:2019/1/24 9:30:03??來源:中國工控網??作者:gaosin??
傳感器是建構物聯網不可或缺的關鍵元件；隨著各產業領域業者紛紛投入物聯網應用開發，已刺激動作、影像、溫度、濕度、紫外線、氣壓及有機氣體等傳感器需求急遽攀升，相關元件制造商無不積極研發新產品，以搶搭此波商機。
物聯網即將建構的美好生活令人充滿想像。人類將透過一個由全球數億人所共有共享的巨型智能網路基礎建設，進行全面性的社群交流與資訊分享，并且經由連結實體物件及虛擬分析整合，達到無所不在的偵測、識別、控制及服務。
物聯網可藉由億萬個遍布于體內、體外與周圍環中的智能感測裝置，長期收集記錄所有關心的目標訊息，并利用先進分析技術處理這些巨量資料，持續創造出預測性演 算法或智動化系統，來達到改善能源使用效率、提供優質醫療服務、增加生活舒適便利性、降低安全風險、或是提高生產力等目的。
在2014年，臺灣半導體產業協會（TSIA）的年會中，張忠謀以“Next Big Thing”為題發表演說。他表示，下一個Big Thing是物聯網，而物聯網商機將可望于5到10年內萌芽。
感測技術 IoT基礎建設核心項目
在無限感測、萬物互聯的未來世界中，將充滿著各式各樣的智能技術，例如無人車輛會自動駕駛、讓行車更安全；智能家電提供便利舒適的生活管家及保全服務；植物 工廠精準掌握作物生產過程、解決氣候劇變導致的糧荒問題；工業4．0實現安全有效率的人機協作、提升產品良率與品質。
遠距醫療網路帶來更優質便利的醫療服務；智能電網提升城市能源使用效益、帶動經濟成長、并減緩全球溫室效應等。而對于個人而言，行動及穿戴式裝置則將提供無處不在的資訊服務及生活照顧。
物聯網整體架構基本上是由感測層、網路層及應用層所組成，其三大關鍵技術類別則包括傳感器、網路通訊以及大數據分析。特別是傳感器技術，是物聯網智能基礎建設中最核心的項目。
依據市場統計資料，在2007年時已有一千萬個傳感器將各式各樣的裝置連結到網際網路上；而2013年時，聯網的感測裝置已激增到三十五億個。預估到2030年時，連結物聯網的傳感器數量將超過一百兆個之多。
如此龐大的傳感器需求規模，將能為現有及新興廠商帶來豐厚利潤的市場機會。根據Yole的研究預測，2024年全球物聯網產業將達到4，000億美元的規 模，復合年均增長率（CAGR）高達42％。而物聯網所必須應用之傳感器市場營收，預估2022年時將成長超過140億美元。
傳感器普及 加速物聯網時代到來
2014 年全球手機出貨數量已經超過十一億支。智能型手機是目前最便利的上網工具，同時也是數量最多、使用者黏著度最高的消費性電子隨身裝置；由于其同時具備感 測、連網及運算儲存等最佳條件，只要用一支手機就能夠取得世界上所有資訊，因此被公認為是開啟物聯網時代的最佳核心終端裝置。
蘋果（Apple）公司于2007年首度將微機電系統（MEMS）加速度計應用在iPhone中，開啟手機產業的傳感器革命。而MEMS傳感器在手機應用的數量規模以及多樣性，也仍不斷在快速成長當中。
單就Apple公司為例，截至目前為止已擁有超過三百五十篇以上與傳感器相關的發明專利，而申請內容包括觸控、影像、運動、振動感測、資料運算、掉落感知及亮度感知等等，可見其積極布局智能傳感器未來市場的野心。
目前有許多的行動裝置如手機、筆記型電腦、數位相機等，皆已廣泛采用MEMS元件于系統中，以獲得更良好的操控性能和創新功能。而隨著MEMS技術應用風潮的快速崛起，也使得輕薄及微小化變成目前消費性電子產品全面追求的時尚新趨勢。
憑藉半導體晶圓制程的成熟優勢，MEMS感測元件具有靈敏度高、性能均一、成本便宜、可批次生產等特點，不僅適合普及應用在數量龐大的消費性電子產業，未來 也必然將成為物聯網感測應用市場上的營收亮點。根據IC Insights預估，至2018年MEMS傳感器的總出貨量可望達九十三億顆，而產值將達到122億美元。
若是以物聯網傳感器應用需求爆發的時間點來區分，首波熱潮絕對仍會是行動裝置與智能穿戴產品，其次為車輛物聯網，之后才會真正進入到需求廣泛且種類多樣化的工業物聯網（IIOT）。
此處所謂的工業物聯網，范圍包含傳統的工業應用，例如醫療、導航、軍事、航空、地震勘探及制程控制等，以及業界目前正在定義中、利用MEMS感測元件技術的新型態工業物聯網，此新興應用包括資產追蹤系統、智能電網或智能建筑自動化等。
根據IHS機構預測，在2018年時，全球MEMS在消費性電子產品與行動裝置的市場規模將達到57億美元，比起在工業物聯網的應用市場營收約3．34億美 元高很多。而在這些工業應用中，建筑物自動化包括由智能電表、智能家庭（Smart Home）、智能城市（Smart City）等，將會是最主要的營收來源。
預期未來10年內MEMS在物聯網的最大商機及技術挑戰，仍會是在行動裝置與智能穿戴產品的相關應用。圖1是應用在消費性電子產品與穿戴裝置的熱門感測元件及其商品上市時程。
穿戴裝置成為MEMS傳感器新興應用商機
智能穿戴裝置是目前最熱門的新興產品，其所使用的感測元件，大多仍與智能手機者相同。主要是相較于手機應用，穿戴裝置所使用的傳感器無論在尺寸、耗電量、感測靈敏度或是元件可靠度上，通常皆須面對更嚴苛的要求。
目前已處于市場百家爭鳴的智能手表，即使結構上所允許的設計空間及電池容量皆遠小于手機，但使用者卻對聲控、動作感知、或是續航力等產品性能，有與手機相同的期待。
因 此，大多數傳感器皆須先經過應用在智能手機上商品化成功后，才會轉移到穿戴裝置來使用。其最成功的元件案例是慣性傳感器與MEMS麥克風，包括 Google、Apple、微軟（Microsoft）、摩托羅拉（Motorola）等多家知名大廠，皆已將此兩元件整合在自家的穿戴裝置產品內，成為 其傳感器標準配備。
根據觀察，智能穿戴裝置在物聯網應用最具商機潛力的兩大功能項目在于量化生活（Quantified Self）及隨身環境安全監測。所謂量化生活是指將個人每日生活中的輸入（例如飲食內容、走路步數、環境空氣品質等）、狀態（例如心情、膚導、心率、血氧 飽和度等）及表現（包括心理及生理面向）等參數變化，結合科學技術來進行資料擷取記錄的一種活動。
其目的是藉由分析具體化的自我量測數據，來有效評估改善個人生活品質。例如藉由智能穿戴裝置平日持續的生理資訊監測和記錄，未來醫療診斷將不僅依據患者的局部病征作判別，而會從飲食習慣與生活型態等根本原因一并考量，邁向整合式預防醫療的服務模式。
滿足穿戴裝置物聯網應用的常見感測功能如表1，大致可包括活動感知、影像感測、環境感測及生理感測四大類別。MEMS元件在穿戴裝置上的應用訴求，是使系統達到微小化、低功耗、高性能及多功能整合等目的；而其最關鍵的兩大功能需求則在于感測與無線通訊。
如表2所示，最有機會廣泛應用于穿戴行動裝置的MEMS元件包括動作感知、聲控辨識、無線通訊及環境偵測四大類別。在無線通訊方面，智能穿戴裝置通常需要尺寸微小、并且功耗超低的無線前端模組，來擔負穿戴裝置系統長期連網與資料傳輸等工作。
為使無線系統尺寸縮小，除將內部射頻（RF）元件縮小之外，也須設法同時提高該元件的Q值（品質系數），如此才能降低環境雜訊的干擾影響，提供符合需求的無線訊號傳輸品質。
在MEMS傳感器的應用方面，目前市場規模最大者仍是慣性傳感器及MEMS麥克風；而近期包括高度計與氣體傳感器兩大元件，預期應用需求將會大幅成長。而未來最具市場爆發潛力的MEMS元件，將可能會是紅外線影像傳感器。
愈來愈多的穿戴裝置利用復合式慣性傳感器來達到健身監測功能，并實現系統智能節能與姿態控制等目的。全球復合式慣性感測元件在消費性電子及行動裝置應用市場之營收，預估將由2013年約4．43億美元成長至2017年超越10億美元規模。
復合式多軸慣性傳感器受到廣泛接受的最大原因，主要是在于他的應用便利性。
系統商可買進一顆復合式慣性傳感器取代原本的二至三顆慣性元件，并且也可同時由供應商取得該傳感器最佳的感測融合解決方案。
IHS市調機構研究顯示，下一階段合理的市場演進，將會是見到越來越多的六軸或九軸復合式慣性傳感器應用在智能穿戴裝置內。
MEMS麥克風是目前MEMS產業中成長速度最快的元件，其在消費性電子產品的需求數量正在持續增加當中；例如在智能型手機內的應用，MEMS麥克風數量正從原本只需要一個，發展到甚至多達五顆，以便有助于消除雜訊和改善音質。
根 據Yole市場研究報告，2013年全球MEMS麥克風市場產值達到7．85億美元，預估其在未來幾年內仍將持續以13％的CAGR快速成長，并在 2019年達到約16．5億美元的市場規模。而全球的出貨量也將在2019年時達到六十六億顆，相較于2013年的出貨量二十四億顆將有更大幅度成長。
在穿戴行動裝置例如Google眼鏡或是智能手表的應用上，欲實現人機之間最自然的互動及操控，采用“語音”方式絕對是最佳選項。而對于聲控及高品質收音等應用，MEMS麥克風則是不可或缺的關鍵元件。
預期MEMS麥克風技術將朝向“高訊噪比”、“超寬頻率響應”與“高靈敏度”三大技術方向發展，以充分滿足未來穿戴行動裝置高品質的語音及辨識應用需求。然而，如何在產品的專利布局與成本良率上取得優勢，仍是競爭廠商是否能在未來市場上獲取龐大商機的決勝關鍵。
壓力／氣體／UV MEMS應用如影隨形
高 度計（Barometer）是一種絕對式壓力傳感器，而壓力傳感器的發展源自于70年代，其早已是MEMS領域中十分成熟的產品技術。隨著室內地圖資訊日 趨完整，若加入其高度偵測功能，將可實現完整的行人導航規畫，幫步行使用者擬定出包括穿越地下道、百貨商場、一般馬路、或天橋等的最快路線。
另 外，藉由結合云端網路，也可以進一步實現所謂的定位資訊服務（Location Based Service， LBS），提供使用者例如現地導覽介紹，或是周邊商店搜尋等適地性即時協助。因此，其未來在穿戴行動裝置例如智能眼鏡或智能手表的室內定位導航功能上，必 然也有極大的應用發展潛力。
氣體傳感器使用在穿戴行動裝置上，可隨時偵測周遭環境有害氣體，例如一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）或是瓦斯（Gas）等濃度，或是個人呼氣時的疾病代謝氣體如一氧化氮（NO）、氨氣（NH3）等，及時提供使用者在安全和健康方面的生活照護提醒。
其 若同時結合濕度、壓力、紫外線（UV）或溫度等感測功能，則可組成所謂的環境傳感器。目前消費電子產品中仍較少采用環境傳感器。然而，2015年將是環境 傳感器起飛的一年，包括博世（Bosch）、Figaro、Sensirion及Cambridge等知名公司，皆已陸續推出自家的氣體傳感器產品。
根據IHS預測，氣體傳感器將在2015年正式進軍行動裝置市場。中國手機制造商將率先采用環境傳感器來隨身監測空氣品質，而預期三星（Samsung）在2016年準備上市的Note 6手機，也將在產品內采用MEMS氣體傳感器。
紅外線傳感器主要是偵測外界物體的溫度變化，其應用領域十分廣泛，包括行車夜視輔助、工業安全監測、氣體成分分析、夜間保全監視、醫療影像檢測等。近幾年來 隨著紅外線影像傳感器的影像品質與解析度日益提升、制程技術愈趨成熟、并且元件價格逐漸下降，使得紅外線熱影像的應用變得越來越普及。
2014年年初時FLIR公司推出一款具有高靈敏度紅外線影像感測功能的手機殼配件FLIR ONE，可供個人隨時檢知包括體溫、食物或周遭環境等溫度影像，作為生活中便利的隨身輔助工具。
2014年9月SEEK公司也推出可以USB連接的微型紅外線影像感測模組。預期在不久之后，紅外線影像傳感器將很有機會變成行動裝置及智能穿戴裝置的標準配備，并在行車夜視、智能家電和智能型機器人視覺等多項物聯網新興應用中，成為不可或缺的重要MEMS元件。
事實上，智能穿戴裝置的技術已經發展超過20年。而近年來隨著MEMS在智能型手機與平板裝置的應用技術邁入成熟期，才使得穿戴裝置商品化之技術門檻大幅降低。
根 據IC Insights預估，在2013年至2018年間，MEMS產品市場的年復合成長率將達11．7％；到2018年時，MEMS年銷售額將達到122億美 元。而全球穿戴裝置的傳感器市場出貨數量規模，也將從2013年的6700萬個，大幅成長到2019年的4．66億個，6年間將成長接近7倍。
便宜感測終端實現萬物互聯基礎
推 動物聯網產業快速發展的兩大關鍵，在于便宜的傳感器及足夠多的網路位址。正在崛起的物聯網堪稱歷史上首見的智能基礎建設革命，想要連結全世界所有的物件或 裝置，形成一個由通訊、能源、物流、醫療、保全等網路共同組成的巨型智能網路，滿足其巨量資料高速傳輸的設施、以及伴隨隨而來的網路位址數量需求大到令人 難以想像。
根據IDC預測到2020年時全世界連網裝置將超過兩千一百二十億個，而所需要的傳感器在2030年預估更將高達一百兆個 以上。目前使用中的網路協定IPv4，可提供四十三億個獨立網路位址，而全球連接到網路的人口已高達20億以上，因此網路位址不足對于物聯網產業發展形成 很大的障礙。
不過，此問題近期已獲得解決，國際組織網際網路工程小組（IETF）已開發出下一代的網路協定IPv6。IPv6使用 128個位元加以定址網際網路節點，定址空間高達2的128次方（32bits擴充為128bits），預估地球上的每個人可分到一百萬個IP位址，所以 未來從眼鏡、手表、手機、家電、汽車、甚至到建物設施或工廠設備等任何物件，都將會有一個獨一無二的IP位址，可透過網路取得更新資訊或進行遠端遙控等。 其足夠容納未來10年內預估將連接到網路的兩兆個裝置。
不僅只有物聯網，所有需要互動與智能判斷功能的物件都需要大量的傳感器。例如近期較新出產的高階車輛，都已搭載一百個以上的傳感器、包括慣性傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、和位置傳感器等，以高度電子化的控制來達到最佳操控性能，并增進駕駛者的安全便利以及舒適性。
最近更有消息指出，大量的MEMS麥克風和氣體傳感器也即將跨足智能汽車應用，來大幅提升鴐駛座艙的環境品質。全球車用MEMS傳感器市場在2013年為26億美元，預估到2020年將可達到47億美元。
隨著傳感器的需求數量呈現爆發性成長、并且種類邁向多樣化，供應鏈廠商伴隨而來的挑戰將會是如何讓這些新元件可以更快速且成本更低的條件下進行量產，以確保產品的市場競爭力。
在 1995年物聯網概念剛提出那幾年，其發展并不順利，甚至呈現逐漸萎縮的情形，一大部分原因即是由于內建在各種物件內的傳感器成本仍過高。多家國際研究機 構都已提出對物聯網市場的預測，其大部分皆認為2020年整體聯網裝置將上看百億部，但要支援數量如此龐大的裝置互連情境，任何感測節點成本則須低于1美 元，如此才能加速布建完整物聯網路。
MEMS傳感器由于已成功應用在智能手機中，歷經嚴苛的商品化技術挑戰，其傳感器價格已在過去 10年從平均1．30美元降至0．6美元。因此，欲連同運算處理器及無線傳輸模組封裝后將成本壓低至1美元以下，已非遙不可及的目標。然而，如何使傳感器 制造價格更加低廉，仍將是各家MEMS大廠在物聯網市場中的產品致勝關鍵。
物聯網應用的感測元件在成本與性能上皆須面對極嚴苛的挑戰。產業分析專家指出，以前MEMS的客戶都習慣先開發出自己的產品制程，再要求代工廠照著流程復制及改善，但現在愈來愈多客戶傾向于直接利用代工廠已妥善建立的制程標準平臺去設計開發產品。
如此不僅制程相對穩定、價格較便宜，并可大幅縮短產品上市時程。另外，為節省傳感器的封裝成本、并縮小尺寸，越來越多MEMS感測元件也都朝向大量采用新興的制程技術，例如以晶圓結合或是體深蝕刻等作法形成其結構。
為因應物聯網在不同應用領域的多樣化感測功能需求、并大幅降低感測節點數量，采用通用型晶片整合設計概念亦是未來重要的發展趨勢；已開始有廠商考慮將可使用相同制程平臺制作的數種傳感器，直接設計整合在同一顆晶片上，之后再依客戶使用需求以軟體來觸發所需感測功能。
為能大幅降低傳感器成本，近期MEMS在新技術開發上也已開始朝便宜作法發展，例如以印刷方式、或是以紙作為基底來制作元件。預期未來進軍物聯網市場的MEMS傳感器，其無論在材料、制程、設計、甚至制造流程等技術上，皆將面臨重大改變與競爭考驗。
