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扮演環境資訊數位化感官 物聯網感測器加倍耳聰目明

2019-01-29
全球IoT產業規模將從2016年的7,000億美元左右,成長至2021年達1.36兆美元,終端節點裝置的數量更是多如繁星,而從人類文明發展以來,對於生活改善的努力不曾停止,在這個基礎上,環境感測應用發展還有非常多未開發的藍海。

物聯網(IoT)世界翩然降臨,多年前被提出的感測器網路(Sensor Network),如今已經成為資訊世界的基礎,這些感測器飛天遁地、上山下海,不捨晝夜地蒐集訊息,將現實世界的所有類比訊息數位化,從個人穿戴、居家、工業、商業到自然環境,各式各樣的感測器Sensing Everything。

感測器就像人們的五感,檢測所有人們可以自環境接收到的訊息,如光線、溫度、濕度、震動等,再將之轉換成電力訊號。而單純感應水龍頭開關沒甚麼意義,但加上水流量偵測,就可以知道用水量並計算水費;物聯網發展推動感測器數量與種類的全面爆發,感測器與感測網路又進一步推升物聯網的全面化與整體性。究竟感測器如何與類比世界連結?未來還會有那些感測技術值得發展與關注?

慣性動作感測不可或缺

根據產業調查機構IDC的研究顯示,全球IoT產業規模將從2016年的7,000億美元左右,成長至2021年達1.36兆美元,終端節點裝置的數量更是多如繁星,感測器就是默默閃著微小光芒的星星。羅姆半導體(ROHM)設計中心資深工程師李正寧(圖1)說,感測元件可以感測環境中物理量的變化並且輸出可量化的數據,使用者將可利用該數據執行資料蒐集、分析及應用。事實上,感測器的數值如果不能與人的行為產生關係,就只是冷冰冰的數字,所以感測器的分析與應用重要性不言可喻。

圖1 羅姆半導體設計中心資深工程師李正寧說,感測元件可以感測環境中物理量的變化,使用者可利用該數據執行資料蒐集、分析及應用。

而在所有感測器中動作感測器也就是慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU),堪稱應用最普遍、技術最成熟的技術,大部分投入感測技術的廠商都有此一產品線,IMU主要分成三類:加速度計(Accelerometer)、磁力計(Magnetometer)、陀螺儀(Gyroscope),加速度計也稱作G Sensor,主要感測重力加速度,這個成熟的技術已經可以輕易感測立體空間三個方向(X/Y/Z)的加速度;磁力計也稱作E-compass,主要感測地球磁場的強度;陀螺儀也稱作Gyro Sensor,主要感測角速度,提供相對角度向量力道。

IMU已經普遍應用於穿戴與可攜式裝置,以上三個技術也常以整合的形式出現,依照不同的應用需求,整合其中兩種動作感測器成為六軸感測器,也有部分應用僅以三軸IMU呈現,前幾年有廠商為展現技術能力,將三種IMU整合成九軸IMU,不過九軸IMU不僅應用需求程度低,也容易產生干擾,損及最重要的感測準確性,因此近來九軸IMU更加少見,不同形態的六軸感測器是市場主流。

Light Sensor為環境感測重量級明星

在整個物聯網的發展過程中,透過感測器網路提高環境智慧化的程度,一直都是發展重點,所以在智慧家庭、樓宇等概念中,燈光的感測與控制是核心議題之一,每個家庭中都至少有十幾盞燈,而在辦公室或賣場等公共室內空間中就更多了,照明控制也被業界視為是智慧家庭商機未來幾年強大的驅動力量之一。根據產業研究機構IHS的研究指出,2017年全球光感測元件市場營收規模超過8億美元,出貨量約26億顆,並以每年20%以上的幅度成長,2019年照明控制商機爆發後,產業規模將出現指數型成長。

一般而言,光的行進方式不外乎穿透、反射、繞射與折射等,艾邁斯半導體(ams AG)台灣區總經理李定翰(圖2)指出,從波長1mm~100nm的可見光與不可見光,不同波長各有不同的特性,最一般的光感測器就是照度計(Ambient Light Sensor)主要感應光線的亮度,可以用來控制燈光的開關,近期還可以透過靈敏度更高的感測元件,感知環境的變化而控制調整照明的改變,配合適當的情境,轉換讓人提高生產力的冷光或身心放鬆的暖光。

圖2 艾邁斯半導體台灣區總經理李定翰指出,半導體感測器與電化學式的傳統感測器相較,準確度、耐用度、使用便利性都更高。

光的色溫、彩度、光譜等不同的特性都有可以應用的地方,李正寧說明,以該公司的色彩計(RGB Sensor)為例,是特別加了IR cut濾光片的感測器(圖3),可以將光線對顏色的影響去除,讓感測器的判斷更加準確。更高階的光感測器則不局限於可見光的RGB感測,除擴及不可見的遠紅外線與紫外光,更能透過感測器與特殊功能的濾光片,只限制某種光進入,加上多層的堆疊,可以檢測超越人類感官的光線訊息,包括食品的添加物、食物是否腐壞都是使用類似的原理。

圖3 整合IR cut的RGB Sensor架構
資料來源:羅姆半導體

從光譜的解離來看,水質檢測是生活上另一個需求度很高的應用,隨著工業開發與環境汙染,同時人們經濟條件也同步改善,民眾意識到環境潛藏的汙染風險日益提升,但對於生活品質與健康卻更加要求,透過感應器不僅可以全時監控水質,李定翰解釋,半導體感測器與電化學式的傳統感測器相較,準確度、耐用度、使用便利性都更高,未來,疾病的檢驗與監控都可以借助感測器而使用非侵入的方式,為疾病防治提供簡易的檢測方式。

Gas Sensor為環境風險把關

人類生存三大要素的陽光與水皆以光感測器技術進行感測,最後一項需求則是另外一個環境感測的明星-氣體感測器(Gas Sensor)。氣體感測元件是為了感測空氣中的物理與化學量。空氣中有毒物質帶來的空氣汙染與微小粒子如PM2.5,在不知不覺中進入人體,長期累積會對人體健康形成重大危害,因此氣體感測需求水漲船高。產業研究機構Yole Développement(Yole)研究指出,戶外空氣污染是21世紀的一大挑戰,2014年全球有大約400萬人因此而死亡。而2016年,全球超過90%的人口生活環境中的空氣污染物含量高於WHO設定的標準。

嵌入氣體和顆粒感測器的空氣清淨機系統市場預計將從2017年的160億美元擴大到2023年的330億美元,年複合成長率(CAGR)高達12.5%。整體而言,氣體與顆粒感測器2018年市場規模約8億美元,2020年約9億美元,2022年將挑戰10億美元大關(圖4),應用領域包括國防與工業、車輛動力管理、環境等領域。

圖4 2018~2023氣體感測器市場應用與發展趨勢
資料來源:Yole Développement(11/2018)

從技術角度來觀察,揮發性有機物質(Volatile Organic Compound, VOC)與顆粒感測器為主要的氣體感測器類型,VOC感測器過去多應用在工業或特殊產業需要偵測有毒氣體,屬於利基型應用,整體出貨量並不大,近年因為空氣品質受到人們重視,VOC感測器預期將逐漸跨入大眾消費性市場;李定翰進一步說明,VOC的感測原理是在薄膜上塗上特殊化學物質,放在金屬加熱盤上,在感測器進行感測時就對加熱盤加溫,同時活化薄膜塗層,通常會加溫至150℃和450℃之間,在這樣的高溫下,感測元件的電阻會隨著暴露於各種類型的還原或氧化氣體而發生變化。藉由測量電阻的變化,就可以計算環境空氣中氣體濃度的相對值。

目前VOC感測器大多是感測氮氧化物或氫氧化物等揮發性物質,在薄膜上塗上不同的化學物質就可以感測不同的氣體。而顆粒感測器則是利用類似影像感測器的原理,在一定的單位面積中,讓空氣通過並計算通過的空氣微塵大小與數量。PM2.5和PM10是最常量測的微塵,指的是顆粒大小為2.5或10微米的微塵。對於人體來說,微塵屬於最危險的有害物質。由於尺寸小,顆粒可能深入肺內,時間一長便可能導致支氣管炎或氣喘等肺部疾病,還可能造成心臟循環系統疾病。

溫濕度/氣壓計與智慧家庭緊密結合

溫溼度與氣壓計(Pressure)與IMU一樣也是技術成熟、應用廣泛的感測元件,在個人穿戴裝置、智慧型手機與智慧家庭裝置中經常可見。溫度感測器一般有測量機板溫度與環境溫度兩種,市面上的溫度感測器有三種包括熱電耦、電阻溫度偵測器(RTD)與熱敏電阻。熱電耦屬於被動式感測器,可隨著溫度變化產生小幅度電壓波動,通過對電壓的讀數而得知溫度。電阻溫度偵測器與熱敏電阻則是主動式溫度感測器,其電阻會隨著溫度變化,再對電阻進行量測。

溼度計則常與溫度計整合在一起,是許多白色家電當中不可或缺的感測器,另外,Bosch Sensortec台灣暨東南亞總經理黃維祥(圖5)表示,該公司的環境感測解決方案就是整合型的架構,分別是整合溫度、濕度、氣壓計、揮發性有機物質感測器的二合一、三合一與四合一解決方案,視終端應用需求選擇適合的產品組合。

圖5 Bosch Sensortec台灣暨東南亞總經理黃維祥表示,Bosch的環境感測解決方案就是整合溫度、濕度、氣壓計、VOC感測器的多合一架構。

雷達技術漸成熟應用日益開展

毫米波雷達近年因為技術的突破也帶動應用領域大幅擴展,除了早期的軍事航太之外,近年延伸到汽車感測,更因為解析度提高,並可避免傳統攝影機侵犯隱私權的隱憂,Infineon發展利用毫米波雷達結合燈光的室外與室內智慧照明解決方案,英飛凌電源管理及多元化市場(大中華區)人機互動市場部高級經理廖明頌指出,在室外的智慧路燈,雷達模組可以監控交通與車流狀況,除了沒有侵犯隱私權疑慮之外,可靠性與穩定度高,感測範圍廣泛達數十公尺,方便且彈性建置,並透過自我管理系統節省維護成本、可遠端控制燈光的開關。

而在室內的智慧照明,也可以藉此監控人流,同樣可以避免侵犯隱私,當然毫米波雷達跟IMU類似,嚴格來說都不是蒐集環境資訊,而是監控人與物體的運動狀況,轉化成可供參考的資訊,這類技術就相對簡單一些,不需要使用複雜的微機電製程與特殊的類比電路。

成熟感測技術結合AI大變身

而智慧語音助理與人工智慧(AI)的發展,也讓MEMS麥克風迎接新一波的成長熱潮,尤其是麥克風陣列技術讓裝置採用的元件數量大幅提升,MEMS麥克風技術雖邁入成熟,但在既有的業者與新進業者都更積極搶進的狀況下,產業發展呈現熱鬧滾滾的狀況。未來,高效能、低雜訊的麥克風將是發展重點,70dB噪訊比(SNR)等級的產品會越來越多;另外,因應不同場景的語音應用,系統設計功力直接影響消費者體驗的感受,預期也是業者需要積極投入的部分。

另一個與麥克風類似的產品就是影像感測器,影像是現階段AI最有發展性的應用,影像感測器跟著水漲船高,除了感測器本身反應、畫質等基礎效能的改善之外,手機也出現多鏡頭解決方案,希望為影像創造更多可能;而感測器與雷射技術搭配,近期開創了新的應用:飛時測距(Time of Flight, ToF),雖然沒有使用新興技術,但卻可以弭補影像技術的不足;透過神經網路的加持,經過適當的學習,影像辨識的推論已經可以發展出許多智慧化的功能。

生理資訊感測彌補醫療不足

而感測器的類型其實不下數十種,針對環境感測也不僅上述介紹的,還有更多過去已在各領域應用的感測元件,如氣體流量計是基於MEMS的熱式微感測器,可利用熱式原理測量氣體流量;液體流量計為通過感測器流道壁以每分鐘幾百毫升到低至每分鐘個位數微升,提供雙向液體流量測量。這兩類感測器過往常用在醫療與工業領域。

脈搏感測器(Pulse Sensor)已非常普遍應用於穿戴式裝置,李正寧說,ROHM的解決方案採用RGB Sensor的原理,配合LED,IR cut架構有助於提升量測精準度。另外,生理資訊的蒐集有助健康管理,近年也受到大眾重視,台灣愛美科(imec)技術服務處業務企劃開發協理吳相德提到,心率、血氧、血糖甚至腦波等的感測,過去需要專業醫療儀器大費周章的進行,未來半導體感測技術雖然初期準確率不高,但透過非侵入式的半導體元件隨時隨地監控,可以弭補醫療的不足,同時方便性高、成本低。

感測技術發展以人為本

從人類文明發展以來,對於生活改善的努力不曾停止,未來亦是。在這個基礎上,環境感測應用發展看起來還有非常多未開發的藍海,但反過來說這一切都源自於人們的需求,李定翰強調,感測的訊息只是一串光電訊號或數位資訊,必須要透過系統設計達成某種目的,尤其是改善環境,這除了感測器硬體之外,也要控制器、演算法、資料分析、管理平台與AI推論等等的協助。

英飛凌把感測元件比喻為五官,要代替人們的眼、耳、鼻、手感受世界,未來感測器除了可見光、可聽音之外,也要延伸人們的感官將不可見光與聽覺以外的聲音蒐集起來,加以應用。感測器本身的硬體製程多半為複雜的類比、MEMS或更特殊的製程,甚至應用許多薄膜、濾光片、化學塗層,越特殊的感測元件技術門檻越高,但另一個門檻則是在後段封裝製造上,因為許多感測元件需要與環境做直接的接觸,而要確保元件可以準確感測又具備耐受性,後段製造需要投入的心力不亞於前段的電路開發。

另外,感測元件的準確性與穩定性是技術基礎,也是「沒有最好只有更好」的追求,意法半導體(ST)類比微機電與感測元件應用經理陳建成說明,準確度絕對是各家感測器廠商競爭的重點,如何產生更準確的數值,是技術也是藝術;而穩定性與低功耗重要性也不低,維持感測數值的線性度,是感測器長期可信賴的重點。最終,不管科技與數位化技術可以幫助人們改善多少生活與環境,這裡面都應該要結合人心與人性,才是長久之道。

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