傳感器應(yīng)用與物聯(lián)網(wǎng) 攜手共創(chuàng)美好未來(lái)

隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展升溫，感測(cè)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(kāi)發(fā)商已開(kāi)始引進(jìn)動(dòng)作、聲音、影像、溫度、濕度、氣壓、氣體、紫外線等各式感測(cè)器，以實(shí)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(cè)器的應(yīng)用有三波演進(jìn)；一開(kāi)始內(nèi)建在汽車(chē)的安全氣囊中，而后則是用于消費(fèi)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(wàn)物感測(cè)器圍繞你我生活

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

物聯(lián)網(wǎng)的概念出現(xiàn)后，感測(cè)器開(kāi)始大舉進(jìn)駐人類(lèi)生活。感測(cè)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(SmartCity)中基礎(chǔ)建設(shè)各自“擁有智慧”，并且互相連結(jié)。

事實(shí)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(cè)器就擔(dān)任要角。

舉例來(lái)說(shuō)，采用高通(Qualcomm)3G數(shù)據(jù)機(jī)(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(shí)，其內(nèi)建的感測(cè)器可透過(guò)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(shí)應(yīng)該要來(lái)處理垃圾。除此之外，城市的智慧感測(cè)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(duì)城市交通的部分，智慧型的計(jì)費(fèi)表可以接受硬幣、信用卡、近距離無(wú)線通訊(NFC)智慧型手機(jī)，以及行動(dòng)支付來(lái)繳清停車(chē)費(fèi)用；如此一來(lái)，當(dāng)市民找到停車(chē)位時(shí)不再需要爭(zhēng)先恐后的將硬幣投入停車(chē)計(jì)費(fèi)表中。而這些智慧計(jì)費(fèi)表還配備了車(chē)輛感測(cè)器，藉此可在城市應(yīng)用程式(CityApp)中傳遞訊息，讓駕駛?cè)瞬槐囟狄蝗Σ拍苷业酵＼?chē)位。

意法半導(dǎo)體技術(shù)行銷(xiāo)經(jīng)理蘇振隆表示，環(huán)境感測(cè)將是下一波MEMS感測(cè)器趨勢(shì)。近年來(lái)消費(fèi)者對(duì)于生活周遭的環(huán)境品質(zhì)要求上升，因此帶動(dòng)一波環(huán)境感測(cè)器的需求上漲。

動(dòng)作感測(cè)就定位感知環(huán)境新方向

在智慧型手機(jī)以及穿戴式裝置應(yīng)用中，陀螺儀(Gyroscope)、加速度計(jì)和磁力計(jì)等動(dòng)作感測(cè)器(MotionSensor)已發(fā)展成熟。制造商們開(kāi)始找尋創(chuàng)新應(yīng)用，意法半導(dǎo)體(ST)與BoschSensortec皆認(rèn)為，環(huán)境感測(cè)器(EnvironmentalSensor)將是接下來(lái)微機(jī)電系統(tǒng)感測(cè)器一大重要發(fā)展方向。

意法半導(dǎo)體技術(shù)行銷(xiāo)經(jīng)理蘇振隆表示，環(huán)境感測(cè)將是下一波MEMS感測(cè)器趨勢(shì)。近年來(lái)消費(fèi)者對(duì)于生活周遭的環(huán)境品質(zhì)要求上升，因此帶動(dòng)一波環(huán)境感測(cè)器的需求上漲；無(wú)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(cè)器測(cè)得。

BoschSensortec亞太區(qū)總裁百里博表示，未來(lái)內(nèi)建于智慧型手機(jī)的環(huán)境感測(cè)器功能，將包括計(jì)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(cè)環(huán)境中的光線等。

據(jù)了解，意法半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)出的紫外線感測(cè)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(wú)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(yáng)底下。

BoschSensortec亞太區(qū)總裁百里博(LeopoldBeer）也表示，未來(lái)內(nèi)建于智慧型手機(jī)的環(huán)境感測(cè)器功能，將包括計(jì)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(cè)環(huán)境中的光線等；為了滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)往后的應(yīng)用需求，該公司會(huì)將物聯(lián)網(wǎng)的感測(cè)器發(fā)展主力放在動(dòng)作及環(huán)境感測(cè)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(cè)器的應(yīng)用中，氣體(Gas)相關(guān)應(yīng)用將會(huì)是環(huán)境感測(cè)器未來(lái)的關(guān)注目標(biāo)。由于消費(fèi)者希望藉由此類(lèi)感測(cè)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(cè)器也可作為酒精濃度偵測(cè)器。

行動(dòng)裝置應(yīng)用成熟智慧家電加速跟進(jìn)

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

蘇振隆表示，目前濕度感測(cè)器應(yīng)用于家電類(lèi)產(chǎn)品居多，例如除濕機(jī)與智慧冰箱都須要感應(yīng)空氣中的濕度高低。現(xiàn)階段若是環(huán)境太過(guò)潮濕，手機(jī)可以提醒使用者應(yīng)開(kāi)啟除濕機(jī)。但在進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代后，使用者希望物品可以自動(dòng)化，所以未來(lái)將感測(cè)器加入機(jī)器中，將可做到濕度提高時(shí)除濕機(jī)會(huì)自動(dòng)運(yùn)作；而冰箱也須自動(dòng)偵測(cè)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)?。

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

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

奧地利微電子(ams)臺(tái)灣區(qū)總經(jīng)理李定翰表示，智慧電燈(SmartLighting)可藉由感測(cè)熱能，自動(dòng)感應(yīng)使用者進(jìn)出室內(nèi)的狀態(tài)，確實(shí)地開(kāi)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(guò)來(lái)決定電燈開(kāi)起的設(shè)計(jì)，則容易因?yàn)槲矬w長(zhǎng)時(shí)間未有移動(dòng)，而自己熄滅。

掌握心率/血氧/血壓光學(xué)式生物感測(cè)器“看透”你

光學(xué)式生物訊號(hào)感測(cè)器(Biosensor)需求飆漲。近年來(lái)，消費(fèi)者開(kāi)始注重自身生理健康，一般穿戴式裝置中簡(jiǎn)單的計(jì)步與睡眠監(jiān)測(cè)功能早已不能滿(mǎn)足使用者需求，透過(guò)不同波長(zhǎng)的發(fā)光二極體(LED)照射在皮膚上來(lái)測(cè)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(shì)。

李定翰表示，近年來(lái)資訊科技(IT)大廠開(kāi)始跨領(lǐng)域購(gòu)并醫(yī)療與生物相關(guān)的廠商，原因是看好未來(lái)光學(xué)式生物訊號(hào)感測(cè)器的需求會(huì)持續(xù)上升。

據(jù)了解，手機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)趨近飽和，所以穿戴式的應(yīng)用將會(huì)是此類(lèi)感測(cè)器的成長(zhǎng)方向；再加上今年初蘋(píng)果智慧手表(AppleWatch)上市以來(lái)，帶動(dòng)了一股穿戴式的風(fēng)潮。各家廠商開(kāi)始推出內(nèi)建光學(xué)式生物訊號(hào)感測(cè)器的手表/腕帶式的裝置，讓消費(fèi)者可透過(guò)螢?zāi)换蚴谴钆涞男袆?dòng)應(yīng)用程式(APP)，來(lái)監(jiān)測(cè)自身的身體狀況。

光學(xué)式生物訊號(hào)感測(cè)器是透過(guò)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(cè)器則是偵測(cè)這些反射光來(lái)收集數(shù)據(jù)。常見(jiàn)的紅光波長(zhǎng)(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(zhǎng)(525nm)、黃光波長(zhǎng)(590nm)是目前市面上常見(jiàn)的解決方案。

確保長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作低功耗成感測(cè)器發(fā)展重點(diǎn)

不論是何種應(yīng)用層面，“低功耗”皆為感測(cè)器的重要發(fā)展趨勢(shì)。舉例來(lái)說(shuō)，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(cè)器等元件開(kāi)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(chǎng)經(jīng)理趙延輝表示，2015年開(kāi)始手機(jī)市場(chǎng)成長(zhǎng)趨緩，未來(lái)感測(cè)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(chǎng)邁進(jìn)。

據(jù)了解，大部分的穿戴式裝置感測(cè)器需要極低功耗，原因是為因應(yīng)消費(fèi)者的便利性需求；因?yàn)榇┐魇疆a(chǎn)品需要長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)，以備使用者隨時(shí)可喚醒使用其功能；而智慧手表則須要一天充電一次，這對(duì)大部分的使用者來(lái)說(shuō)便利性偏低。

另一方面，若是應(yīng)用于智慧家庭(SmartHome)中，安裝于燃?xì)獗淼母袦y(cè)器，須要長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)何時(shí)地牛翻身，方可自動(dòng)切斷燃?xì)夤?yīng)；但由于地震來(lái)臨的不確定性，所以感測(cè)器可能需要為期5～10年的待機(jī)時(shí)間。

據(jù)悉，極低功耗的感測(cè)器應(yīng)用十分廣泛，不少?gòu)S商開(kāi)始推出道路周邊碰撞感測(cè)器。此類(lèi)感測(cè)器可安裝于人煙稀少的路上，若是駕駛?cè)嗽陂_(kāi)車(chē)的過(guò)程中發(fā)生意外，感測(cè)器可自動(dòng)感應(yīng)環(huán)境中不正常的碰撞，可直接通報(bào)道路救援系統(tǒng)進(jìn)行馳援。此類(lèi)元件需要極低功耗，以備需要時(shí)可正常運(yùn)作。

QuickLogic產(chǎn)品管理資深總監(jiān)FrankA.Shemansky，Jr.則認(rèn)為，感測(cè)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(cè)器處理系統(tǒng)能以少量功耗提供比傳統(tǒng)ARMCortex-M4F微控制器感測(cè)器集線器(SensorHub)方案高出80%的運(yùn)算功能。

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

除MEMS感測(cè)器前景看俏外，影像感測(cè)器需求也在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展風(fēng)潮的推助下日益走揚(yáng)，特別是機(jī)器視覺(jué)與嵌入式視覺(jué)技術(shù)在未來(lái)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(shì)的CMOS影像感測(cè)器，可望成為實(shí)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(duì)焦CMOS影像感測(cè)器升級(jí)

就目前發(fā)展來(lái)看，智慧型手機(jī)仍是CMOS影像感測(cè)器最大應(yīng)用市場(chǎng)，因此相關(guān)感測(cè)器開(kāi)發(fā)商皆不斷推陳出新，以滿(mǎn)足手機(jī)市場(chǎng)愈來(lái)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(cè)器畫(huà)素(Pixel)規(guī)格，更于其中搭載相位差自動(dòng)對(duì)焦(PDAF)技術(shù)，賦予手機(jī)相機(jī)快速自動(dòng)對(duì)焦、高畫(huà)素及高解析等功能。

臺(tái)灣東芝電子半導(dǎo)體行銷(xiāo)部經(jīng)理周彥勛表示，市場(chǎng)上對(duì)于手機(jī)相機(jī)畫(huà)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(jī)相機(jī)中已有內(nèi)建PDAF功能，短時(shí)間內(nèi)便可為使用者實(shí)現(xiàn)相位自動(dòng)對(duì)焦，且無(wú)論是靜態(tài)或是高動(dòng)態(tài)范圍都能完整拍攝目標(biāo)。

除力拓手機(jī)版圖外，東芝也看好汽車(chē)市場(chǎng)對(duì)影像感測(cè)器的需求，積極推出車(chē)用解決方案，如日前發(fā)布一款全新的兩百萬(wàn)畫(huà)素車(chē)用CMOS影像感測(cè)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(shí)現(xiàn)更快速、更精確的影像感測(cè)。

周彥勛指出，以往東芝CMOS影像感測(cè)器產(chǎn)品線的發(fā)展重心多鎖定智慧型手機(jī)和平板裝置等應(yīng)用，但未來(lái)也將擴(kuò)大延伸至汽車(chē)市場(chǎng)，以滿(mǎn)足車(chē)用影像感測(cè)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(dòng)了感測(cè)器每一個(gè)應(yīng)用層面起飛，各家感測(cè)器業(yè)者正利用各式解決方案搶拓市場(chǎng)版圖。未來(lái)不論是家中、賣(mài)場(chǎng)、學(xué)校，甚至醫(yī)院，皆可看見(jiàn)感測(cè)器的蹤跡。