更智慧、便利的生活,是人們追求的願景,而要讓生活變得更智慧化,一切都需要從廣佈大量的感測器開始。不僅如此,這股智慧化的風潮還吹進了城市、工業生產製造、交通…等領域,造就所謂的智慧交通、智慧城市、智慧樓宇…等新應用,這不但突顯感測器的重要性,其衍生的商機也讓半導體供應商為之瘋狂,紛紛發佈符合市場需求的產品。

結合五感及更多技術感測器將改變生活

眾所周知,感測器主要的功能就是感知各種周遭的訊息,但若是測得的訊息無法進一步解讀、傳遞,則感測器就只是感測器,無法發揮其在各種應用環境中真正的功能。英飛凌科技(Infineon)電源管理及多元電子事業處大中華區射頻及感測器部門總監麥正奇表示,在消費性電子領域,感測器的應用已從觸控、語音辨識、手勢辨識到近期開始發展的人臉辨識。在此過程中,觸控感測器、微機電系統(MEMS)麥克風,到帶來大改變的雷達感測器所實現的手勢辨識,以及最新透過光波測距達到3D、人臉辨識的飛時測距(Time-of-Flight;ToF)感測器,都逐漸在改變人們的生活。

有鑑於此,英飛凌科技針對消費性領域推出XENSIV感測器系列,以期可加速打造新世代的智慧生活。麥正奇指出,感測器不是讓應用擁有觸感、會「說」、或會「看」就足夠,而是還要加入「聽覺」、「嗅覺」、「感受」等,讓應用具備人類的五感,甚至若是要讓應用能夠進一步「了解」環境,感測器本身需要相互搭配,也將與人機介面(HMI)、感測器中樞(Sensor Hub)進一步融合,才能讓人們的生活更添智慧。

XENSIV感測器系列產品包括矽基麥克風、氣壓感測器、光學感測器、環境感測器、60GHz手勢感測、24GHz雷達感測器與3D飛時測距感測器等。麥正奇認為,隨著智慧語音相關應用發展日益蓬勃,未來高效能、抗雜訊能力高的MEMS麥克風需求也將跟著水漲船高;而24GHz與60GHz毫米波(mmWave)雷達由於可以偵測物體位置、方向、距離與速度,因此已逐漸開始從汽車領域延伸到工業、消費性電子及其他應用範疇。預期2021~2027年將是價格具有競爭力的盲點偵測(BSD)模組的黃金期,其他包括室內外智慧照明、安防監控與智慧家電,也將是24GHz雷達的新興應用範圍。

除了上述提到的麥克風與雷達感測器,加上近期市場正逐漸萌芽的飛時測距感測器,都將是未來英飛凌科技在感測器市場較為專注的重點。此外,為了滿足市場各種需求,英飛凌科技在感測器產品硬體製程方面,亦有獨到之處。舉例來說,英飛凌透過開腔式結構設計,讓MEMS感測器能具備高精準度、更低的功耗,以及更佳的訊噪比(SNR)表現;而該公司預計於2019年發佈的二氧化碳氣體感測器,將是整合感測器與微控制器(MCU)的全球最小二氧化碳感測器模組。

此外,考量到應用或智慧裝置需要「了解」更多環境資訊,並能讓智慧裝置能夠根據所理解的資訊,進一步給予消費者「反應」,感測器需要和人機介面融合。英飛凌科技大中華區電源管理及多元化市場資深經理廖明頌表示,過去一台機器上只會有一種人機介面,如觸控功能,讓使用者能和機器間有直覺的溝通管道,但若是有更多的感測器結合人機介面,未來人與機器的溝通將更無縫、更加直覺,機器甚至可以做出更適當的反應。

20181003NT31P1 圖1 人機介面正隨時間遷移而不斷改變。(圖片來源:英飛凌科技)

不僅如此,融合更多感測器的人機介面,可以讓裝置取得更多訊息,再輔以人工智慧(AI)進行分析,並下指令,將可實現更有效且自然的人機溝通。廖明頌認為,感測器融合人機介面,未來也可望將目前看似各自獨立的市場,如智慧家庭、智慧音箱、機器人或是安全監控系統,進一步連結,甚至共用產品。

感測器逐漸滲透至工業領域

生活邁向智慧化的同時,工業製造領域當然也得智慧化,以提升產能及品質,並兼顧作業環境的安全,這也是工業4.0(Industry 4.0)、智慧製造…等概念的實現。

感測器在消費性電子,尤其是智慧型手機上的成功經驗,讓感測器搖身變為一切智慧化的開端。而隨著工業4.0概念如火如荼的發展,要落實工業4.0,感測器的導入成為必要,因此工業市場開始啟動對感測器的需求,相關半導體業者也開始摩拳擦掌。

意法半導體(STMicroelectronics)MEMS感測器產品部消費性MEMS事業單位總監Simone Ferri表示,事實上,意法半導體的MEMS感測器一開始是為汽車與工業應用所研發,卻在消費性電子領域發光發熱,而在第四次工業革命與智慧駕駛開始發展後,才一路「紅」回汽車及工業市場。

感測器在工廠製造環境中,可以滿足各種應用需求。包括機械生產設備預測性維護與自動化、資產追蹤與供應鏈、即時監測與校準、震動偵測防竄改、油電用量計算,以及流量計算水位監測…等。面對許多廠商想導入工業4.0實現智慧製造,卻擔心是否須全面汰換現有設備的問題,Ferri認為,針對現有生產設備,意法半導體可協助廠商以「外掛」的方式加入感測器,再以無線的方式讓感測器得以和中控裝置連結;新的生產設備則是可以透過「內建」的方式預先安裝感測器,再利用有線或IO-Link連接,不需要對現有的廠房設備進行過多的更動。

且為了滿足不斷產生的智慧工業市場新需求,以及要求感測器須具備更高精準度、更低的耗電與更佳的可靠度,意法半導體不僅透過新的製程技術提升現有產品的效能,也持續推出新產品如三軸MEMS側斜儀,甚至提出新的監測方式。

Ferri說明,現有的監測方式是感測器蒐集到許多來自馬達或機械設備的原始資料時,直接將大量的資料往雲端傳送,進行處理分析與儲存;意法半導體提出的新監測方式則是,透過感測器融合或可調適型感測器群集與人工智慧收集資料,並預先處理資料和警報,最後才將已先處理的資訊傳送到雲端,如此一來,即可以建構更輕量的智慧雲端架構。

20181003NT31P2 圖2 工業應用中狀況監測的兩種方式。(圖片來源:意法半導體)

另外,雖然目前因應智慧工廠的發展而使感測器在工業市場也有用武之地,但畢竟工業與消費性市場對於感測器的需求也有些微不同,因此在製程技術上也須有所調整。Ferri舉例,工業市場對於半導體元件要求的溫度範圍須達105℃、精準度也要更高、元件反應時機也要更精確,再者,工業使用環境更為嚴苛,各項參數的調校與測試勢必更嚴格,因此透過不同的製程封裝技術,如陶瓷封裝、LGA塑膠與客製化封裝解決方案,才能製造出符合需求的工業感測器產品。

演算法至關重要

值得注意的是,演算法軟體需適切的搭配感測器硬體,才能打造出最佳化的應用系統。麥正奇指出,就辨識相關的應用而言,感測器收集的大量的資料需要搭配軟體、人工智慧演算法,才能提升辨識度,因此英飛凌科技已從感測器元件供應商開始轉型為解決方案提供者,也就是說,面對客戶各種不同的應用需求,英飛凌將提供客戶真正需要的演算法與硬體,協助客戶建構最符合他們期待的應用系統。

意法半導體由於看準感測器融合可以將感測器本身的功能實現得更好,並達到最佳使用效能,加上擁有微控制器、電源元件…等產品,因此公司內部已自行開發結合軟硬體的參考設計方案。不過由於該公司不想與客戶為敵,因此此內部參考設計方案,僅提供給一些沒有能力自行開發應用軟體的業者,若是此方案不符合客戶所需,意法半導體將與第三方合作夥伴共同合作,滿足客戶應用所需。