物聯(lián)網(wǎng)即將建構的美好生活令人充滿(mǎn)想像。人類(lèi)將透過(guò)一個(gè)由全球數億人所共有共享的巨型智慧網(wǎng)路基礎建設，進(jìn)行全面性的社群交流與資訊分享，并且經(jīng)由連結實(shí)體物件及虛擬分析整合，達到無(wú)所不在的偵測、識別、控制及服務(wù)。
物聯(lián)網(wǎng)可藉由億萬(wàn)個(gè)遍布于體內、體外與周?chē)h(huán)中的智慧感測裝置，長(cháng)期收集記錄所有關(guān)心的目標訊息，并利用先進(jìn)分析技術(shù)處理這些巨量資料，持續創(chuàng )造出預測性演 算法或智動(dòng)化系統，來(lái)達到改善能源使用效率、提供優(yōu)質(zhì)醫療服務(wù)、增加生活舒適便利性、降低安全風(fēng)險、或是提高生產(chǎn)力等目的。
在2014年，臺灣半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )(TSIA)的年會(huì )中，張忠謀以“Next Big Thing”為題發(fā)表演說(shuō)。他表示，下一個(gè)Big Thing是物聯(lián)網(wǎng)，而物聯(lián)網(wǎng)商機將可望于5到10年內萌芽。
在無(wú)限感測、萬(wàn)物互聯(lián)的未來(lái)世界中，將充滿(mǎn)著(zhù)各式各樣的智慧技術(shù)，例如無(wú)人車(chē)輛會(huì )自動(dòng)駕駛、讓行車(chē)更安全；智慧家電提供便利舒適的生活管家及保全服務(wù)；植物 工廠(chǎng)精準掌握作物生產(chǎn)過(guò)程、解決氣候劇變導致的糧荒問(wèn)題；工業(yè)4.0實(shí)現安全有效率的人機協(xié)作、提升產(chǎn)品良率與品質(zhì)。
遠距醫療網(wǎng)路帶來(lái)更優(yōu)質(zhì)便利的醫療服務(wù)；智慧電網(wǎng)提升城市能源使用效益、帶動(dòng)經(jīng)濟成長(cháng)、并減緩全球溫室效應等。而對于個(gè)人而言，行動(dòng)及穿戴式裝置則將提供無(wú)處不在的資訊服務(wù)及生活照顧。
物聯(lián)網(wǎng)整體架構基本上是由感測層、網(wǎng)路層及應用層所組成，其三大關(guān)鍵技術(shù)類(lèi)別則包括感測器、網(wǎng)路通訊以及大數據分析。特別是感測器技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)智慧基礎建設中最核心的項目。
依據市場(chǎng)統計資料，在2007年時(shí)已有一千萬(wàn)個(gè)感測器將各式各樣的裝置連結到網(wǎng)際網(wǎng)路上；而2013年時(shí)，聯(lián)網(wǎng)的感測裝置已激增到三十五億個(gè)。預估到2030年時(shí)，連結物聯(lián)網(wǎng)的感測器數量將超過(guò)一百兆個(gè)之多。
如此龐大的感測器需求規模，將能為現有及新興廠(chǎng)商帶來(lái)豐厚利潤的市場(chǎng)機會(huì )。根據Yole的研究預測，2024年全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將達到4,000億美元的規 模，復合年均增長(cháng)率(CAGR)高達42%。而物聯(lián)網(wǎng)所必須應用之感測器市場(chǎng)營(yíng)收，預估2022年時(shí)將成長(cháng)超過(guò)140億美元。
感測器普及 加速物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來(lái)
2014 年全球手機出貨數量已經(jīng)超過(guò)十一億支。智慧型手機是目前最便利的上網(wǎng)工具，同時(shí)也是數量最多、使用者黏著(zhù)度最高的消費性電子隨身裝置；由于其同時(shí)具備感 測、連網(wǎng)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(kāi)啟物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的最佳核心終端裝置。
蘋(píng)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(kāi)啟手機產(chǎn)業(yè)的感測器革命。而MEMS感測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(cháng)當中。
單就Apple公司為例，截至目前為止已擁有超過(guò)三百五十篇以上與感測器相關(guān)的發(fā)明專(zhuān)利，而申請內容包括觸控、影像、運動(dòng)、振動(dòng)感測、資料運算、掉落感知及亮度感知等等，可見(jiàn)其積極布局智慧感測器未來(lái)市場(chǎng)的野心。
目前有許多的行動(dòng)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(chuàng )新功能。而隨著(zhù)MEMS技術(shù)應用風(fēng)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(chǎn)品全面追求的時(shí)尚新趨勢。
憑藉半導體晶圓制程的成熟優(yōu)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(chǎn)等特點(diǎn)，不僅適合普及應用在數量龐大的消費性電子產(chǎn)業(yè)，未來(lái) 也必然將成為物聯(lián)網(wǎng)感測應用市場(chǎng)上的營(yíng)收亮點(diǎn)。根據IC Insights預估，至2018年MEMS感測器的總出貨量可望達九十三億顆，而產(chǎn)值將達到122億美元。
若是以物聯(lián)網(wǎng)感測器應用需求爆發(fā)的時(shí)間點(diǎn)來(lái)區分，首波熱潮絕對仍會(huì )是行動(dòng)裝置與智慧穿戴產(chǎn)品，其次為車(chē)輛物聯(lián)網(wǎng)，之后才會(huì )真正進(jìn)入到需求廣泛且種類(lèi)多樣化的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIOT)。
此處所謂的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，范圍包含傳統的工業(yè)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(yè)界目前正在定義中、利用MEMS感測元件技術(shù)的新型態(tài)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，此新興應用包括資產(chǎn)追蹤系統、智慧電網(wǎng)或智慧建筑自動(dòng)化等。
根據IHS機構預測，在2018年時(shí)，全球MEMS在消費性電子產(chǎn)品與行動(dòng)裝置的市場(chǎng)規模將達到57億美元，比起在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用市場(chǎng)營(yíng)收約3.34億美 元高很多。而在這些工業(yè)應用中，建筑物自動(dòng)化包括由智慧電表、智慧家庭(Smart Home)、智慧城市(Smart City)等，將會(huì )是最主要的營(yíng)收來(lái)源。
預期未來(lái)10年內MEMS在物聯(lián)網(wǎng)的最大商機及技術(shù)挑戰，仍會(huì )是在行動(dòng)裝置與智慧穿戴產(chǎn)品的相關(guān)應用。圖1是應用在消費性電子產(chǎn)品與穿戴裝置的熱門(mén)感測元件及其商品上市時(shí)程。
智慧穿戴裝置是目前最熱門(mén)的新興產(chǎn)品，其所使用的感測元件，大多仍與智慧手機者相同。主要是相較于手機應用，穿戴裝置所使用的感測器無(wú)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(chǎng)百家爭鳴的智慧手表，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(dòng)作感知、或是續航力等產(chǎn)品性能，有與手機相同的期待。
因此，大多數感測器皆須先經(jīng)過(guò)應用在智慧手機上商品化成功后，才會(huì )轉移到穿戴裝置來(lái)使用。其最成功的元件案例是慣性感測器與MEMS麥克風(fēng)，包括 Google、Apple、微軟(Microsoft)、摩托羅拉(Motorola)等多家知名大廠(chǎng)，皆已將此兩元件整合在自家的穿戴裝置產(chǎn)品內，成為 其感測器標準配備。
根據觀(guān)察，智慧穿戴裝置在物聯(lián)網(wǎng)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(huán)境安全監測。所謂量化生活是指將個(gè)人每日生活中的輸入(例如飲食內容、走路步數、環(huán)境空氣品質(zhì)等)、狀態(tài)(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(xué)技術(shù)來(lái)進(jìn)行資料擷取記錄的一種活動(dòng)。
其目的是藉由分析具體化的自我量測數據，來(lái)有效評估改善個(gè)人生活品質(zhì)。例如藉由智慧穿戴裝置平日持續的生理資訊監測和記錄，未來(lái)醫療診斷將不僅依據患者的局部病征作判別，而會(huì )從飲食習慣與生活型態(tài)等根本原因一并考量，邁向整合式預防醫療的服務(wù)模式。
滿(mǎn)足穿戴裝置物聯(lián)網(wǎng)應用的常見(jiàn)感測功能如表1，大致可包括活動(dòng)感知、影像感測、環(huán)境感測及生理感測四大類(lèi)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(guān)鍵的兩大功能需求則在于感測與無(wú)線(xiàn)通訊。
為使無(wú)線(xiàn)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(shí)提高該元件的Q值(品質(zhì)系數)，如此才能降低環(huán)境雜訊的干擾影響，提供符合需求的無(wú)線(xiàn)訊號傳輸品質(zhì)。
在MEMS感測器的應用方面，目前市場(chǎng)規模最大者仍是慣性感測器及MEMS麥克風(fēng)；而近期包括高度計與氣體感測器兩大元件，預期應用需求將會(huì )大幅成長(cháng)。而未來(lái)最具市場(chǎng)爆發(fā)潛力的MEMS元件，將可能會(huì )是紅外線(xiàn)影像感測器。
愈來(lái)愈多的穿戴裝置利用復合式慣性感測器來(lái)達到健身監測功能，并實(shí)現系統智慧節能與姿態(tài)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(dòng)裝置應用市場(chǎng)之營(yíng)收，預估將由2013年約4.43億美元成長(cháng)至2017年超越10億美元規模。
復合式多軸慣性感測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(mǎi)進(jìn)一顆復合式慣性感測器取代原本的二至三顆慣性元件，并且也可同時(shí)由供應商取得該感測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(chǎng)演進(jìn)，將會(huì )是見(jiàn)到越來(lái)越多的六軸或九軸復合式慣性感測器應用在智慧穿戴裝置內。
MEMS麥克風(fēng)是目前MEMS產(chǎn)業(yè)中成長(cháng)速度最快的元件，其在消費性電子產(chǎn)品的需求數量正在持續增加當中；例如在智慧型手機內的應用，MEMS麥克風(fēng)數量正從原本只需要一個(gè)，發(fā)展到甚至多達五顆，以便有助于消除雜訊和改善音質(zhì)。
根據Yole市場(chǎng)研究報告，2013年全球MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)產(chǎn)值達到7.85億美元，預估其在未來(lái)幾年內仍將持續以13%的CAGR快速成長(cháng)，并在 2019年達到約16.5億美元的市場(chǎng)規模。而全球的出貨量也將在2019年時(shí)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(cháng)。
在穿戴行動(dòng)裝置例如Google眼鏡或是智慧手表的應用上，欲實(shí)現人機之間最自然的互動(dòng)及操控，采用“語(yǔ)音”方式絕對是最佳選項。而對于聲控及高品質(zhì)收音等應用，MEMS麥克風(fēng)則是不可或缺的關(guān)鍵元件。
預期MEMS麥克風(fēng)技術(shù)將朝向“高訊噪比”、“超寬頻率響應”與“高靈敏度”三大技術(shù)方向發(fā)展，以充分滿(mǎn)足未來(lái)穿戴行動(dòng)裝置高品質(zhì)的語(yǔ)音及辨識應用需求。然而，如何在產(chǎn)品的專(zhuān)利布局與成本良率上取得優(yōu)勢，仍是競爭廠(chǎng)商是否能在未來(lái)市場(chǎng)上獲取龐大商機的決勝關(guān)鍵。
高度計(Barometer)是一種絕對式壓力感測器，而壓力感測器的發(fā)展源自于70年代，其早已是MEMS領(lǐng)域中十分成熟的產(chǎn)品技術(shù)。隨著(zhù)室內地圖資訊日 趨完整，若加入其高度偵測功能，將可實(shí)現完整的行人導航規畫(huà)，幫步行使用者擬定出包括穿越地下道、百貨商場(chǎng)、一般馬路、或天橋等的最快路線(xiàn)。
另外，藉由結合云端網(wǎng)路，也可以進(jìn)一步實(shí)現所謂的定位資訊服務(wù)(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(shí)協(xié)助。因此，其未來(lái)在穿戴行動(dòng)裝置例如智慧眼鏡或智慧手表的室內定位導航功能上，必 然也有極大的應用發(fā)展潛力。
氣體感測器使用在穿戴行動(dòng)裝置上，可隨時(shí)偵測周遭環(huán)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(gè)人呼氣時(shí)的疾病代謝氣體如一氧化氮(NO)、氨氣(NH3)等，及時(shí)提供使用者在安全和健康方面的生活照護提醒。
其若同時(shí)結合濕度、壓力、紫外線(xiàn)(UV)或溫度等感測功能，則可組成所謂的環(huán)境感測器。目前消費電子產(chǎn)品中仍較少采用環(huán)境感測器。然而，2015年將是環(huán)境 感測器起飛的一年，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感測器產(chǎn)品。
根據IHS預測，氣體感測器將在2015年正式進(jìn)軍行動(dòng)裝置市場(chǎng)。中國手機制造商將率先采用環(huán)境感測器來(lái)隨身監測空氣品質(zhì)，而預期三星(Samsung)在2016年準備上市的Note 6手機，也將在產(chǎn)品內采用MEMS氣體感測器。
紅外線(xiàn)感測器主要是偵測外界物體的溫度變化，其應用領(lǐng)域十分廣泛，包括行車(chē)夜視輔助、工業(yè)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(lái) 隨著(zhù)紅外線(xiàn)影像感測器的影像品質(zhì)與解析度日益提升、制程技術(shù)愈趨成熟、并且元件價(jià)格逐漸下降，使得紅外線(xiàn)熱影像的應用變得越來(lái)越普及。
2014年年初時(shí)FLIR公司推出一款具有高靈敏度紅外線(xiàn)影像感測功能的手機殼配件FLIR ONE，可供個(gè)人隨時(shí)檢知包括體溫、食物或周遭環(huán)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(xiàn)影像感測模組。預期在不久之后，紅外線(xiàn)影像感測器將很有機會(huì )變成行動(dòng)裝置及智慧穿戴裝置的標準配備，并在行車(chē)夜視、智慧家電和智慧型機器人視覺(jué)等多項物聯(lián)網(wǎng)新興應用中，成為不可或缺的重要MEMS元件。
事實(shí)上，智慧穿戴裝置的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展超過(guò)20年。而近年來(lái)隨著(zhù)MEMS在智慧型手機與平板裝置的應用技術(shù)邁入成熟期，才使得穿戴裝置商品化之技術(shù)門(mén)檻大幅降低。
根據IC Insights預估，在2013年至2018年間，MEMS產(chǎn)品市場(chǎng)的年復合成長(cháng)率將達11.7%；到2018年時(shí)，MEMS年銷(xiāo)售額將達到122億美 元。而全球穿戴裝置的感測器市場(chǎng)出貨數量規模，也將從2013年的6700萬(wàn)個(gè)，大幅成長(cháng)到2019年的4.66億個(gè)，6年間將成長(cháng)接近7倍。
便宜感測終端實(shí)現萬(wàn)物互聯(lián)基礎
推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的兩大關(guān)鍵，在于便宜的感測器及足夠多的網(wǎng)路位址。正在崛起的物聯(lián)網(wǎng)堪稱(chēng)歷史上首見(jiàn)的智慧基礎建設革命，想要連結全世界所有的物件或 裝置，形成一個(gè)由通訊、能源、物流、醫療、保全等網(wǎng)路共同組成的巨型智慧網(wǎng)路，滿(mǎn)足其巨量資料高速傳輸的設施、以及伴隨隨而來(lái)的網(wǎng)路位址數量需求大到令人 難以想像。
根據IDC預測到2020年時(shí)全世界連網(wǎng)裝置將超過(guò)兩千一百二十億個(gè)，而所需要的感測器在2030年預估更將高達一百兆個(gè) 以上。目前使用中的網(wǎng)路協(xié)定IPv4，可提供四十三億個(gè)獨立網(wǎng)路位址，而全球連接到網(wǎng)路的人口已高達20億以上，因此網(wǎng)路位址不足對于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展形成 很大的障礙。
不過(guò)，此問(wèn)題近期已獲得解決，國際組織網(wǎng)際網(wǎng)路工程小組(IETF)已開(kāi)發(fā)出下一代的網(wǎng)路協(xié)定IPv6。IPv6使用 128個(gè)位元加以定址網(wǎng)際網(wǎng)路節點(diǎn)，定址空間高達2的128次方(32bits擴充為128bits)，預估地球上的每個(gè)人可分到一百萬(wàn)個(gè)IP位址，所以 未來(lái)從眼鏡、手表、手機、家電、汽車(chē)、甚至到建物設施或工廠(chǎng)設備等任何物件，都將會(huì )有一個(gè)獨一無(wú)二的IP位址，可透過(guò)網(wǎng)路取得更新資訊或進(jìn)行遠端遙控等。 其足夠容納未來(lái)10年內預估將連接到網(wǎng)路的兩兆個(gè)裝置。
不僅只有物聯(lián)網(wǎng)，所有需要互動(dòng)與智慧判斷功能的物件都需要大量的感測器。例如近期較新出產(chǎn)的高階車(chē)輛，都已搭載一百個(gè)以上的感測器、包括慣性感測器、壓力感測器、溫度感測器、和位置感測器等，以高度電子化的控制來(lái)達到最佳操控性能，并增進(jìn)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(fēng)和氣體感測器也即將跨足智慧汽車(chē)應用，來(lái)大幅提升鴐駛座艙的環(huán)境品質(zhì)。全球車(chē)用MEMS感測器市場(chǎng)在2013年為26億美元，預估到2020年將可達到47億美元。
隨著(zhù)感測器的需求數量呈現爆發(fā)性成長(cháng)、并且種類(lèi)邁向多樣化，供應鏈廠(chǎng)商伴隨而來(lái)的挑戰將會(huì )是如何讓這些新元件可以更快速且成本更低的條件下進(jìn)行量產(chǎn)，以確保產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力。
在1995年物聯(lián)網(wǎng)概念剛提出那幾年，其發(fā)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感測器成本仍過(guò)高。多家國際研究機 構都已提出對物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的預測，其大部分皆認為2020年整體聯(lián)網(wǎng)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(diǎn)成本則須低于1美 元，如此才能加速布建完整物聯(lián)網(wǎng)路。
MEMS感測器由于已成功應用在智慧手機中，歷經(jīng)嚴苛的商品化技術(shù)挑戰，其感測器價(jià)格已在過(guò)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(wú)線(xiàn)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，如何使感測器 制造價(jià)格更加低廉，仍將是各家MEMS大廠(chǎng)在物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)中的產(chǎn)品致勝關(guān)鍵。
物聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)業(yè)分析專(zhuān)家指出，以前MEMS的客戶(hù)都習慣先開(kāi)發(fā)出自己的產(chǎn)品制程，再要求代工廠(chǎng)照著(zhù)流程復制及改善，但現在愈來(lái)愈多客戶(hù)傾向于直接利用代工廠(chǎng)已妥善建立的制程標準平臺去設計開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。
如此不僅制程相對穩定、價(jià)格較便宜，并可大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)程。另外，為節省感測器的封裝成本、并縮小尺寸，越來(lái)越多MEMS感測元件也都朝向大量采用新興的制程技術(shù)，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(lián)網(wǎng)在不同應用領(lǐng)域的多樣化感測功能需求、并大幅降低感測節點(diǎn)數量，采用通用型晶片整合設計概念亦是未來(lái)重要的發(fā)展趨勢；已開(kāi)始有廠(chǎng)商考慮將可使用相同制程平臺制作的數種感測器，直接設計整合在同一顆晶片上，之后再依客戶(hù)使用需求以軟體來(lái)觸發(fā)所需感測功能。
為能大幅降低感測器成本，近期MEMS在新技術(shù)開(kāi)發(fā)上也已開(kāi)始朝便宜作法發(fā)展，例如以印刷方式、或是以紙作為基底來(lái)制作元件。預期未來(lái)進(jìn)軍物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的MEMS感測器，其無(wú)論在材料、制程、設計、甚至制造流程等技術(shù)上，皆將面臨重大改變與競爭考驗。
01月07日 18:14
