物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展風(fēng)潮推助　傳感器應(yīng)用七十二變

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展升溫，感測器的重要性也與日俱增，需求亦跟著水漲船高。物聯(lián)網(wǎng)裝置開發(fā)商已開始引進(jìn)動作、聲音、影像、溫度、濕度、氣壓、氣體、紫外線等各式感測器，以實現(xiàn)小型氣象站、室內(nèi)導(dǎo)航等多樣化智慧應(yīng)用。

　　自1990年至今，MEMS感測器的應(yīng)用有三波演進(jìn);一開始內(nèi)建在汽車的安全氣囊中，而后則是用于消費性電子內(nèi)(例如任天堂的Wii)，第三波演進(jìn)便是物聯(lián)網(wǎng)崛起。

　　串聯(lián)萬物　感測器圍繞你我生活

　　感測器是一種可以感知周遭環(huán)境的裝置，可將收集而來的資訊轉(zhuǎn)換成電子訊號，讓系統(tǒng)進(jìn)一步分析該訊息。其應(yīng)用廣泛且種類眾多，光是攜帶型智慧裝置中便內(nèi)建動作、光線、互補式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)影像及壓力等多種感測器。

　　物聯(lián)網(wǎng)的概念出現(xiàn)后，感測器開始大舉進(jìn)駐人類生活。感測器的應(yīng)用范圍小至可吞食的藥丸，抑或是大到可讓整座智慧城市(Smart City)中基礎(chǔ)建設(shè)各自“擁有智慧”，并且互相連結(jié)。

　　事實上，智慧城市的建造，并不是全然以新的基礎(chǔ)設(shè)施取代現(xiàn)有的設(shè)施，而是可將原本只有單一用途的基礎(chǔ)設(shè)備轉(zhuǎn)換成多功能的建設(shè);而這些多功能的建設(shè)中，感測器就擔(dān)任要角。

　　舉例來說，采用高通(Qualcomm)3G數(shù)據(jù)機(Modem)的BigBelly智慧垃圾桶，在垃圾須要清空或是快要發(fā)出臭味時，其內(nèi)建的感測器可透過全球定位系統(tǒng)(GPS)將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，藉此通知清潔人員何時應(yīng)該要來處理垃圾。 除此之外，城市的智慧感測裝置可以收集并傳送周遭環(huán)境的交通狀況與污染程度的訊息。

　　針對城市交通的部分，智慧型的計費表可以接受硬幣、信用卡、近距離無線通訊(NFC)智慧型手機，以及行動支付來繳清停車費用;如此一來，當(dāng)市民找到停車位時不再需要爭先恐后的將硬幣投入停車計費表中。而這些智慧計費表還配備了車輛感測器，藉此可在城市應(yīng)用程式(City App)中傳遞訊息，讓駕駛?cè)瞬槐囟狄蝗Σ拍苷业酵＼囄弧?/p>

　　意法半導(dǎo)體技術(shù)行銷經(jīng)理蘇振隆表示，環(huán)境感測將是下一波MEMS感測器趨勢。近年來消費者對于生活周遭的環(huán)境品質(zhì)要求上升，因此帶動一波環(huán)境感測器的需求上漲。

　　動作感測就定位　感知環(huán)境新方向

　　在智慧型手機以及穿戴式裝置應(yīng)用中，陀螺儀(Gyroscope)、加速度計和磁力計等動作感測器(Motion Sensor)已發(fā)展成熟。制造商們開始找尋創(chuàng)新應(yīng)用，意法半導(dǎo)體(ST)與Bosch Sensortec皆認(rèn)為，環(huán)境感測器(Environmental Sensor)將是接下來微機電系統(tǒng)感測器一大重要發(fā)展方向。

　　意法半導(dǎo)體技術(shù)行銷經(jīng)理蘇振隆(圖1)表示，環(huán)境感測將是下一波MEMS感測器趨勢。近年來消費者對于生活周遭的環(huán)境品質(zhì)要求上升，因此帶動一波環(huán)境感測器的需求上漲;無論是濕度(Humidity)、海拔高度、大氣氣壓(Pressure)、紫外線(UV)，以及溫度(Temperature)都可藉由環(huán)境感測器測得。

　　Bosch Sensortec亞太區(qū)總裁百里博表示，未來內(nèi)建于智慧型手機的環(huán)境感測器功能，將包括計算使用者消耗的卡路里數(shù)、顯示位置的海拔標(biāo)高、空氣中的濕度、當(dāng)下氣溫，以及感測環(huán)境中的光線等。

　　據(jù)了解，意法半導(dǎo)體開發(fā)出的紫外線感測器，已被用于化妝包、帽子、發(fā)飾，以及高爾夫球桿中。由于現(xiàn)代人怕皮膚直接接觸有害光線，但是無從得知當(dāng)下環(huán)境UV指數(shù)是否超標(biāo)，因而有廠商想出在這些產(chǎn)品中，提醒使用者是否適合曝曬在太陽底下。

　　Bosch Sensortec亞太區(qū)總裁百里博(Leopold Beer)(圖2)也表示，未來內(nèi)建于智慧型手機的環(huán)境感測器功能，將包括計算使用者消耗的卡路里數(shù)、顯示位置的海拔標(biāo)高、空氣中的濕度、當(dāng)下氣溫，以及感測環(huán)境中的光線等;為了滿足物聯(lián)網(wǎng)往后的應(yīng)用需求，該公司會將物聯(lián)網(wǎng)的感測器發(fā)展主力放在動作及環(huán)境感測上。

　　由于現(xiàn)在生活環(huán)境中空氣污染嚴(yán)重，所以在環(huán)境感測器的應(yīng)用中，氣體(Gas)相關(guān)應(yīng)用將會是環(huán)境感測器未來的關(guān)注目標(biāo)。由于消費者希望藉由此類感測器得知生活中空氣污染物、有毒氣體及細(xì)懸浮微粒(PM2.5)的含量是否已達(dá)到危害人體的界線;另一方面，氣體感測器也可作為酒精濃度偵測器。

　　行動裝置應(yīng)用成熟　智慧家電加速跟進(jìn)

　　隨著行動裝置中的感測器應(yīng)用發(fā)展日益成熟，消費者的需求開始慢慢擴(kuò)張，現(xiàn)在智慧家電亦開始加速感測器的相關(guān)應(yīng)用。

　　蘇振隆表示，目前濕度感測器應(yīng)用于家電類產(chǎn)品居多，例如除濕機與智慧冰箱都須要感應(yīng)空氣中的濕度高低?，F(xiàn)階段若是環(huán)境太過潮濕，手機可以提醒使用者應(yīng)開啟除濕機。但在進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)的時代后，使用者希望物品可以自動化，所以未來將感測器加入機器中，將可做到濕度提高時除濕機會自動運作;而冰箱也須自動偵測空間內(nèi)濕度才得以做出濕度控制，以防食物產(chǎn)生脫水現(xiàn)象。

　　奧地利微電子臺灣區(qū)總經(jīng)理李定翰表示，智慧照明可藉由感測熱能，自動感應(yīng)使用者進(jìn)出狀態(tài)，確實地開啟或是關(guān)閉燈泡電源，以便做到真正的節(jié)能。

　　蘇振隆補充，濕度感測器也可以應(yīng)用于汽車的雨刷，若是下雨或是有液體噴濺到車窗上，感測器可以自動啟動雨刷，排出擋風(fēng)玻璃上的液體。

　　奧地利微電子(ams)臺灣區(qū)總經(jīng)理李定翰(圖3)表示，智慧電燈(Smart Lighting)可藉由感測熱能，自動感應(yīng)使用者進(jìn)出室內(nèi)的狀態(tài)，確實地開啟或是關(guān)閉燈泡電源，以便做到真正的節(jié)能;相較之下，以往利用紅外線感應(yīng)物體的經(jīng)過來決定電燈開起的設(shè)計，則容易因為物體長時間未有移動，而自己熄滅。

　　掌握心率/血氧/血壓　光學(xué)式生物感測器“看透”你

　　光學(xué)式生物訊號感測器(Biosensor)需求飆漲。近年來，消費者開始注重自身生理健康，一般穿戴式裝置中簡單的計步與睡眠監(jiān)測功能早已不能滿足使用者需求，透過不同波長的發(fā)光二極體(LED)照射在皮膚上來測量心率、血壓及血氧等生理數(shù)值才是穿戴式裝置的發(fā)展趨勢。

　　李定翰表示，近年來資訊科技(IT)大廠開始跨領(lǐng)域購并醫(yī)療與生物相關(guān)的廠商，原因是看好未來光學(xué)式生物訊號感測器的需求會持續(xù)上升。

　　據(jù)了解，手機市場已經(jīng)趨近飽和，所以穿戴式的應(yīng)用將會是此類感測器的成長方向;再加上今年初蘋果智慧手表(Apple Watch)上市以來，帶動了一股穿戴式的風(fēng)潮。各家廠商開始推出內(nèi)建光學(xué)式生物訊號感測器的手表/腕帶式的裝置，讓消費者可透過螢?zāi)换蚴谴钆涞男袆討?yīng)用程式(APP)，來監(jiān)測自身的身體狀況。

　　光學(xué)式生物訊號感測器是透過光照在使用者的皮膚上，光線被人體中的組織、骨骼與血管吸收、打散及反射，感測器則是偵測這些反射光來收集數(shù)據(jù)。常見的紅光波長(850～940nm)不適合手表/腕型裝置使用，因手腕不像指尖與耳部有血量豐沛的微血管;綠光波長(525nm)、黃光波長(590nm)是目前市面上常見的解決方案。

　　確保長時間運作　低功耗成感測器發(fā)展重點

　　不論是何種應(yīng)用層面，“低功耗”皆為感測器的重要發(fā)展趨勢。舉例來說，穿戴式裝置受到體積與重量的限制，其微控制器(MCU)與MEMS感測器等元件開發(fā)商，紛紛推出超低功耗、小體積、高精確度，以及高整合度的解決方案。

　　亞德諾(ADI)半導(dǎo)體亞太區(qū)MEMS市場經(jīng)理趙延輝表示，2015年開始手機市場成長趨緩，未來感測器的應(yīng)用發(fā)展應(yīng)朝向低功耗與小尺寸的穿戴式市場邁進(jìn)。

　　據(jù)了解，大部分的穿戴式裝置感測器需要極低功耗，原因是為因應(yīng)消費者的便利性需求;因為穿戴式產(chǎn)品需要長時間待機，以備使用者隨時可喚醒使用其功能;而智慧手表則須要一天充電一次，這對大部分的使用者來說便利性偏低。

　　另一方面，若是應(yīng)用于智慧家庭(Smart Home)中，安裝于燃?xì)獗淼母袦y器，須要長時間監(jiān)測何時地牛翻身，方可自動切斷燃?xì)夤?yīng);但由于地震來臨的不確定性，所以感測器可能需要為期5～10年的待機時間。

　　據(jù)悉，極低功耗的感測器應(yīng)用十分廣泛，不少廠商開始推出道路周邊碰撞感測器。此類感測器可安裝于人煙稀少的路上，若是駕駛?cè)嗽陂_車的過程中發(fā)生意外，感測器可自動感應(yīng)環(huán)境中不正常的碰撞，可直接通報道路救援系統(tǒng)進(jìn)行馳援。此類元件需要極低功耗，以備需要時可正常運作。

　　QuickLogic產(chǎn)品管理資深總監(jiān)Frank A. Shemansky, Jr.則認(rèn)為，感測器的技術(shù)挑戰(zhàn)是尺寸、成本，以及其性能(準(zhǔn)確性與功率效率等)。該公司推出的感測器處理系統(tǒng)能以少量功耗提供比傳統(tǒng)ARM Cortex-M4F微控制器感測器集線器(Sensor Hub)方案高出80%的運算功能。

　　另一方面，Bosch Sensortec也提出未來的感測器愿景是將所有感測功能整合于同一晶片上，同時，該晶片還擁有電池足以供電，以及無線聯(lián)網(wǎng)功能。

　　除MEMS感測器前景看俏外，影像感測器需求也在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展風(fēng)潮的推助下日益走揚，特別是機器視覺與嵌入式視覺技術(shù)在未來物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中將扮演重要角色，因此兼具尺寸與成本優(yōu)勢的CMOS影像感測器，可望成為實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)等更智慧化功能不可或缺的關(guān)鍵元件。

　　內(nèi)建PDAF快速對焦　CMOS影像感測器升級

　　就目前發(fā)展來看，智慧型手機仍是CMOS影像感測器最大應(yīng)用市場，因此相關(guān)感測器開發(fā)商皆不斷推陳出新，以滿足手機市場愈來愈高規(guī)格的應(yīng)用要求。以東芝(Toshiba)為例，不僅致力提升該公司CMOS影像感測器畫素(Pixel)規(guī)格，更于其中搭載相位差自動對焦(PDAF)技術(shù)，賦予手機相機快速自動對焦、高畫素及高解析等功能。

　　臺灣東芝電子半導(dǎo)體行銷部經(jīng)理周彥勛表示，市場上對于手機相機畫素的要求不斷提升，且希望擁有更豐富功能;目前市面上已有多款智慧手機相機中已有內(nèi)建PDAF功能，短時間內(nèi)便可為使用者實現(xiàn)相位自動對焦，且無論是靜態(tài)或是高動態(tài)范圍都能完整拍攝目標(biāo)。

　　除力拓手機版圖外，東芝也看好汽車市場對影像感測器的需求，積極推出車用解決方案，如日前發(fā)布一款全新的兩百萬畫素車用CMOS影像感測器--CSA02M00PB，其配備產(chǎn)業(yè)首創(chuàng)的LED閃爍抑制功能，可將LED光源引起的影像閃爍最小化，實現(xiàn)更快速、更精確的影像感測。

　　周彥勛指出，以往東芝CMOS影像感測器產(chǎn)品線的發(fā)展重心多鎖定智慧型手機和平板裝置等應(yīng)用，但未來也將擴(kuò)大延伸至汽車市場，以滿足車用影像感測的發(fā)展需求。

　　由上述得知，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展風(fēng)潮，帶動了感測器每一個應(yīng)用層面起飛，各家感測器業(yè)者正利用各式解決方案搶拓市場版圖。未來不論是家中、賣場、學(xué)校，甚至醫(yī)院，皆可看見感測器的蹤跡。