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开启物联网时代的最佳核心终端装置

发表时间:2019/1/24 9:30:03  来源:中国工控网  作者:gaosin  浏览次数:4951  
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传感器是建构物联网不可或缺的关键元件;随着各产业领域业者纷纷投入物联网应用开发,已刺激动作、影像、温度、湿度、紫外线、气压及有机气体等传感器需求急遽攀升,相关元件制造商无不积极研发新产品,以抢搭此波商机。

物联网即将建构的美好生活令人充满想像。人类将透过一个由全球数亿人所共有共享的巨型智能网路基础建设,进行全面性的社群交流与资讯分享,并且经由连结实体物件及虚拟分析整合,达到无所不在的侦测、识别、控制及服务。

物联网可藉由亿万个遍布于体内、体外与周围环中的智能感测装置,长期收集记录所有关心的目标讯息,并利用先进分析技术处理这些巨量资料,持续创造出预测性演 算法或智动化系统,来达到改善能源使用效率、提供优质医疗服务、增加生活舒适便利性、降低安全风险、或是提高生产力等目的。

在2014年,台湾半导体产业协会(TSIA)的年会中,张忠谋以“Next Big Thing”为题发表演说。他表示,下一个Big Thing是物联网,而物联网商机将可望于5到10年内萌芽。

感测技术 IoT基础建设核心项目

在无限感测、万物互联的未来世界中,将充满着各式各样的智能技术,例如无人车辆会自动驾驶、让行车更安全;智能家电提供便利舒适的生活管家及保全服务;植物 工厂精准掌握作物生产过程、解决气候剧变导致的粮荒问题;工业4.0实现安全有效率的人机协作、提升产品良率与品质。

远距医疗网路带来更优质便利的医疗服务;智能电网提升城市能源使用效益、带动经济成长、并减缓全球温室效应等。而对于个人而言,行动及穿戴式装置则将提供无处不在的资讯服务及生活照顾。

物联网整体架构基本上是由感测层、网路层及应用层所组成,其三大关键技术类别则包括传感器、网路通讯以及大数据分析。特别是传感器技术,是物联网智能基础建设中最核心的项目。

依据市场统计资料,在2007年时已有一千万个传感器将各式各样的装置连结到网际网路上;而2013年时,联网的感测装置已激增到三十五亿个。预估到2030年时,连结物联网的传感器数量将超过一百兆个之多。

如此庞大的传感器需求规模,将能为现有及新兴厂商带来丰厚利润的市场机会。根据Yole的研究预测,2024年全球物联网产业将达到4,000亿美元的规 模,复合年均增长率(CAGR)高达42%。而物联网所必须应用之传感器市场营收,预估2022年时将成长超过140亿美元。

传感器普及 加速物联网时代到来

2014 年全球手机出货数量已经超过十一亿支。智能型手机是目前最便利的上网工具,同时也是数量最多、使用者黏着度最高的消费性电子随身装置;由于其同时具备感 测、连网及运算储存等最佳条件,只要用一支手机就能够取得世界上所有资讯,因此被公认为是开启物联网时代的最佳核心终端装置。

苹果(Apple)公司于2007年首度将微机电系统(MEMS)加速度计应用在iPhone中,开启手机产业的传感器革命。而MEMS传感器在手机应用的数量规模以及多样性,也仍不断在快速成长当中。

单就Apple公司为例,截至目前为止已拥有超过三百五十篇以上与传感器相关的发明专利,而申请内容包括触控、影像、运动、振动感测、资料运算、掉落感知及亮度感知等等,可见其积极布局智能传感器未来市场的野心。

目前有许多的行动装置如手机、笔记型电脑、数位相机等,皆已广泛采用MEMS元件于系统中,以获得更良好的操控性能和创新功能。而随着MEMS技术应用风潮的快速崛起,也使得轻薄及微小化变成目前消费性电子产品全面追求的时尚新趋势。

凭藉半导体晶圆制程的成熟优势,MEMS感测元件具有灵敏度高、性能均一、成本便宜、可批次生产等特点,不仅适合普及应用在数量庞大的消费性电子产业,未来 也必然将成为物联网感测应用市场上的营收亮点。根据IC Insights预估,至2018年MEMS传感器的总出货量可望达九十三亿颗,而产值将达到122亿美元。

若是以物联网传感器应用需求爆发的时间点来区分,首波热潮绝对仍会是行动装置与智能穿戴产品,其次为车辆物联网,之后才会真正进入到需求广泛且种类多样化的工业物联网(IIOT)。

此处所谓的工业物联网,范围包含传统的工业应用,例如医疗、导航、军事、航空、地震勘探及制程控制等,以及业界目前正在定义中、利用MEMS感测元件技术的新型态工业物联网,此新兴应用包括资产追踪系统、智能电网或智能建筑自动化等。

根据IHS机构预测,在2018年时,全球MEMS在消费性电子产品与行动装置的市场规模将达到57亿美元,比起在工业物联网的应用市场营收约3.34亿美 元高很多。而在这些工业应用中,建筑物自动化包括由智能电表、智能家庭(Smart Home)、智能城市(Smart City)等,将会是最主要的营收来源。

预期未来10年内MEMS在物联网的最大商机及技术挑战,仍会是在行动装置与智能穿戴产品的相关应用。图1是应用在消费性电子产品与穿戴装置的热门感测元件及其商品上市时程。

穿戴装置成为MEMS传感器新兴应用商机

智能穿戴装置是目前最热门的新兴产品,其所使用的感测元件,大多仍与智能手机者相同。主要是相较于手机应用,穿戴装置所使用的传感器无论在尺寸、耗电量、感测灵敏度或是元件可靠度上,通常皆须面对更严苛的要求。

目前已处于市场百家争鸣的智能手表,即使结构上所允许的设计空间及电池容量皆远小于手机,但使用者却对声控、动作感知、或是续航力等产品性能,有与手机相同的期待。

因 此,大多数传感器皆须先经过应用在智能手机上商品化成功后,才会转移到穿戴装置来使用。其最成功的元件案例是惯性传感器与MEMS麦克风,包括 Google、Apple、微软(Microsoft)、摩托罗拉(Motorola)等多家知名大厂,皆已将此两元件整合在自家的穿戴装置产品内,成为 其传感器标准配备。

根据观察,智能穿戴装置在物联网应用最具商机潜力的两大功能项目在于量化生活(Quantified Self)及随身环境安全监测。所谓量化生活是指将个人每日生活中的输入(例如饮食内容、走路步数、环境空气品质等)、状态(例如心情、肤导、心率、血氧 饱和度等)及表现(包括心理及生理面向)等参数变化,结合科学技术来进行资料撷取记录的一种活动。

其目的是藉由分析具体化的自我量测数据,来有效评估改善个人生活品质。例如藉由智能穿戴装置平日持续的生理资讯监测和记录,未来医疗诊断将不仅依据患者的局部病征作判别,而会从饮食习惯与生活型态等根本原因一并考量,迈向整合式预防医疗的服务模式。

满足穿戴装置物联网应用的常见感测功能如表1,大致可包括活动感知、影像感测、环境感测及生理感测四大类别。MEMS元件在穿戴装置上的应用诉求,是使系统达到微小化、低功耗、高性能及多功能整合等目的;而其最关键的两大功能需求则在于感测与无线通讯。

如表2所示,最有机会广泛应用于穿戴行动装置的MEMS元件包括动作感知、声控辨识、无线通讯及环境侦测四大类别。在无线通讯方面,智能穿戴装置通常需要尺寸微小、并且功耗超低的无线前端模组,来担负穿戴装置系统长期连网与资料传输等工作。

为使无线系统尺寸缩小,除将内部射频(RF)元件缩小之外,也须设法同时提高该元件的Q值(品质系数),如此才能降低环境杂讯的干扰影响,提供符合需求的无线讯号传输品质。

在MEMS传感器的应用方面,目前市场规模最大者仍是惯性传感器及MEMS麦克风;而近期包括高度计与气体传感器两大元件,预期应用需求将会大幅成长。而未来最具市场爆发潜力的MEMS元件,将可能会是红外线影像传感器。

愈来愈多的穿戴装置利用复合式惯性传感器来达到健身监测功能,并实现系统智能节能与姿态控制等目的。全球复合式惯性感测元件在消费性电子及行动装置应用市场之营收,预估将由2013年约4.43亿美元成长至2017年超越10亿美元规模。

复合式多轴惯性传感器受到广泛接受的最大原因,主要是在于他的应用便利性。

系统商可买进一颗复合式惯性传感器取代原本的二至三颗惯性元件,并且也可同时由供应商取得该传感器最佳的感测融合解决方案。

IHS市调机构研究显示,下一阶段合理的市场演进,将会是见到越来越多的六轴或九轴复合式惯性传感器应用在智能穿戴装置内。

MEMS麦克风是目前MEMS产业中成长速度最快的元件,其在消费性电子产品的需求数量正在持续增加当中;例如在智能型手机内的应用,MEMS麦克风数量正从原本只需要一个,发展到甚至多达五颗,以便有助于消除杂讯和改善音质。

根 据Yole市场研究报告,2013年全球MEMS麦克风市场产值达到7.85亿美元,预估其在未来几年内仍将持续以13%的CAGR快速成长,并在 2019年达到约16.5亿美元的市场规模。而全球的出货量也将在2019年时达到六十六亿颗,相较于2013年的出货量二十四亿颗将有更大幅度成长。

在穿戴行动装置例如Google眼镜或是智能手表的应用上,欲实现人机之间最自然的互动及操控,采用“语音”方式绝对是最佳选项。而对于声控及高品质收音等应用,MEMS麦克风则是不可或缺的关键元件。

预期MEMS麦克风技术将朝向“高讯噪比”、“超宽频率响应”与“高灵敏度”三大技术方向发展,以充分满足未来穿戴行动装置高品质的语音及辨识应用需求。然而,如何在产品的专利布局与成本良率上取得优势,仍是竞争厂商是否能在未来市场上获取庞大商机的决胜关键。

压力/气体/UV MEMS应用如影随形

高 度计(Barometer)是一种绝对式压力传感器,而压力传感器的发展源自于70年代,其早已是MEMS领域中十分成熟的产品技术。随着室内地图资讯日 趋完整,若加入其高度侦测功能,将可实现完整的行人导航规画,帮步行使用者拟定出包括穿越地下道、百货商场、一般马路、或天桥等的最快路线。

另 外,藉由结合云端网路,也可以进一步实现所谓的定位资讯服务(Location Based Service, LBS),提供使用者例如现地导览介绍,或是周边商店搜寻等适地性即时协助。因此,其未来在穿戴行动装置例如智能眼镜或智能手表的室内定位导航功能上,必 然也有极大的应用发展潜力。

气体传感器使用在穿戴行动装置上,可随时侦测周遭环境有害气体,例如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)或是瓦斯(Gas)等浓度,或是个人呼气时的疾病代谢气体如一氧化氮(NO)、氨气(NH3)等,及时提供使用者在安全和健康方面的生活照护提醒。

其 若同时结合湿度、压力、紫外线(UV)或温度等感测功能,则可组成所谓的环境传感器。目前消费电子产品中仍较少采用环境传感器。然而,2015年将是环境 传感器起飞的一年,包括博世(Bosch)、Figaro、Sensirion及Cambridge等知名公司,皆已陆续推出自家的气体传感器产品。

根据IHS预测,气体传感器将在2015年正式进军行动装置市场。中国手机制造商将率先采用环境传感器来随身监测空气品质,而预期三星(Samsung)在2016年准备上市的Note 6手机,也将在产品内采用MEMS气体传感器。

红外线传感器主要是侦测外界物体的温度变化,其应用领域十分广泛,包括行车夜视辅助、工业安全监测、气体成分分析、夜间保全监视、医疗影像检测等。近几年来 随着红外线影像传感器的影像品质与解析度日益提升、制程技术愈趋成熟、并且元件价格逐渐下降,使得红外线热影像的应用变得越来越普及。

2014年年初时FLIR公司推出一款具有高灵敏度红外线影像感测功能的手机壳配件FLIR ONE,可供个人随时检知包括体温、食物或周遭环境等温度影像,作为生活中便利的随身辅助工具。

2014年9月SEEK公司也推出可以USB连接的微型红外线影像感测模组。预期在不久之后,红外线影像传感器将很有机会变成行动装置及智能穿戴装置的标准配备,并在行车夜视、智能家电和智能型机器人视觉等多项物联网新兴应用中,成为不可或缺的重要MEMS元件。

事实上,智能穿戴装置的技术已经发展超过20年。而近年来随着MEMS在智能型手机与平板装置的应用技术迈入成熟期,才使得穿戴装置商品化之技术门槛大幅降低。

根 据IC Insights预估,在2013年至2018年间,MEMS产品市场的年复合成长率将达11.7%;到2018年时,MEMS年销售额将达到122亿美 元。而全球穿戴装置的传感器市场出货数量规模,也将从2013年的6700万个,大幅成长到2019年的4.66亿个,6年间将成长接近7倍。

便宜感测终端实现万物互联基础

推 动物联网产业快速发展的两大关键,在于便宜的传感器及足够多的网路位址。正在崛起的物联网堪称历史上首见的智能基础建设革命,想要连结全世界所有的物件或 装置,形成一个由通讯、能源、物流、医疗、保全等网路共同组成的巨型智能网路,满足其巨量资料高速传输的设施、以及伴随随而来的网路位址数量需求大到令人 难以想像。

根据IDC预测到2020年时全世界连网装置将超过两千一百二十亿个,而所需要的传感器在2030年预估更将高达一百兆个 以上。目前使用中的网路协定IPv4,可提供四十三亿个独立网路位址,而全球连接到网路的人口已高达20亿以上,因此网路位址不足对于物联网产业发展形成 很大的障碍。

不过,此问题近期已获得解决,国际组织网际网路工程小组(IETF)已开发出下一代的网路协定IPv6。IPv6使用 128个位元加以定址网际网路节点,定址空间高达2的128次方(32bits扩充为128bits),预估地球上的每个人可分到一百万个IP位址,所以 未来从眼镜、手表、手机、家电、汽车、甚至到建物设施或工厂设备等任何物件,都将会有一个独一无二的IP位址,可透过网路取得更新资讯或进行远端遥控等。 其足够容纳未来10年内预估将连接到网路的两兆个装置。

不仅只有物联网,所有需要互动与智能判断功能的物件都需要大量的传感器。例如近期较新出产的高阶车辆,都已搭载一百个以上的传感器、包括惯性传感器、压力传感器、温度传感器、和位置传感器等,以高度电子化的控制来达到最佳操控性能,并增进驾驶者的安全便利以及舒适性。

最近更有消息指出,大量的MEMS麦克风和气体传感器也即将跨足智能汽车应用,来大幅提升鴐驶座舱的环境品质。全球车用MEMS传感器市场在2013年为26亿美元,预估到2020年将可达到47亿美元。

随着传感器的需求数量呈现爆发性成长、并且种类迈向多样化,供应链厂商伴随而来的挑战将会是如何让这些新元件可以更快速且成本更低的条件下进行量产,以确保产品的市场竞争力。

在 1995年物联网概念刚提出那几年,其发展并不顺利,甚至呈现逐渐萎缩的情形,一大部分原因即是由于内建在各种物件内的传感器成本仍过高。多家国际研究机 构都已提出对物联网市场的预测,其大部分皆认为2020年整体联网装置将上看百亿部,但要支援数量如此庞大的装置互连情境,任何感测节点成本则须低于1美 元,如此才能加速布建完整物联网路。

MEMS传感器由于已成功应用在智能手机中,历经严苛的商品化技术挑战,其传感器价格已在过去 10年从平均1.30美元降至0.6美元。因此,欲连同运算处理器及无线传输模组封装后将成本压低至1美元以下,已非遥不可及的目标。然而,如何使传感器 制造价格更加低廉,仍将是各家MEMS大厂在物联网市场中的产品致胜关键。

物联网应用的感测元件在成本与性能上皆须面对极严苛的挑战。产业分析专家指出,以前MEMS的客户都习惯先开发出自己的产品制程,再要求代工厂照着流程复制及改善,但现在愈来愈多客户倾向于直接利用代工厂已妥善建立的制程标准平台去设计开发产品。

如此不仅制程相对稳定、价格较便宜,并可大幅缩短产品上市时程。另外,为节省传感器的封装成本、并缩小尺寸,越来越多MEMS感测元件也都朝向大量采用新兴的制程技术,例如以晶圆结合或是体深蚀刻等作法形成其结构。

为因应物联网在不同应用领域的多样化感测功能需求、并大幅降低感测节点数量,采用通用型晶片整合设计概念亦是未来重要的发展趋势;已开始有厂商考虑将可使用相同制程平台制作的数种传感器,直接设计整合在同一颗晶片上,之后再依客户使用需求以软体来触发所需感测功能。

为能大幅降低传感器成本,近期MEMS在新技术开发上也已开始朝便宜作法发展,例如以印刷方式、或是以纸作为基底来制作元件。预期未来进军物联网市场的MEMS传感器,其无论在材料、制程、设计、甚至制造流程等技术上,皆将面临重大改变与竞争考验。



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