傳感器是建構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的關(guān)鍵元件;隨著各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域業(yè)者紛紛投入物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)，已刺激動作、影像、溫度、濕度、紫外線、氣壓及有機氣體等傳感器需求急遽攀升，相關(guān)元件制造商無不積極研發(fā)新產(chǎn)品，以搶搭此波商機。

物聯(lián)網(wǎng)即將建構(gòu)的美好生活令人充滿想像。人類將透過一個由全球數(shù)億人所共有共享的巨型智能網(wǎng)路基礎(chǔ)建設(shè)，進行全面性的社群交流與資訊分享，并且經(jīng)由連結(jié)實體物件及虛擬分析整合，達(dá)到無所不在的偵測、識別、控制及服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)可藉由億萬個遍布于體內(nèi)、體外與周圍環(huán)中的智能感測裝置，長期收集記錄所有關(guān)心的目標(biāo)訊息，并利用先進分析技術(shù)處理這些巨量資料，持續(xù)創(chuàng)造出預(yù)測性演 算法或智動化系統(tǒng)，來達(dá)到改善能源使用效率、提供優(yōu)質(zhì)醫(yī)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(TSIA)的年會中，張忠謀以“Next Big Thing”為題發(fā)表演說。他表示，下一個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(nèi)萌芽。

感測技術(shù) IoT基礎(chǔ)建設(shè)核心項目

在無限感測、萬物互聯(lián)的未來世界中，將充滿著各式各樣的智能技術(shù)，例如無人車輛會自動駕駛、讓行車更安全;智能家電提供便利舒適的生活管家及保全服務(wù);植物 工廠精準(zhǔn)掌握作物生產(chǎn)過程、解決氣候劇變導(dǎo)致的糧荒問題;工業(yè)4.0實現(xiàn)安全有效率的人機協(xié)作、提升產(chǎn)品良率與品質(zhì)。

遠(yuǎn)距醫(yī)療網(wǎng)路帶來更優(yōu)質(zhì)便利的醫(yī)療服務(wù);智能電網(wǎng)提升城市能源使用效益、帶動經(jīng)濟成長、并減緩全球溫室效應(yīng)等。而對于個人而言，行動及穿戴式裝置則將提供無處不在的資訊服務(wù)及生活照顧。

物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)基本上是由感測層、網(wǎng)路層及應(yīng)用層所組成，其三大關(guān)鍵技術(shù)類別則包括傳感器、網(wǎng)路通訊以及大數(shù)據(jù)分析。特別是傳感器技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)智能基礎(chǔ)建設(shè)中最核心的項目。

依據(jù)市場統(tǒng)計資料，在2007年時已有一千萬個傳感器將各式各樣的裝置連結(jié)到網(wǎng)際網(wǎng)路上;而2013年時，聯(lián)網(wǎng)的感測裝置已激增到三十五億個。預(yù)估到2030年時，連結(jié)物聯(lián)網(wǎng)的傳感器數(shù)量將超過一百兆個之多。

如此龐大的傳感器需求規(guī)模，將能為現(xiàn)有及新興廠商帶來豐厚利潤的市場機會。根據(jù)Yole的研究預(yù)測，2024年全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將達(dá)到4，000億美元的規(guī) 模，復(fù)合年均增長率(CAGR)高達(dá)42%。而物聯(lián)網(wǎng)所必須應(yīng)用之傳感器市場營收，預(yù)估2022年時將成長超過140億美元。

傳感器普及 加速物聯(lián)網(wǎng)時代到來

2014 年全球手機出貨數(shù)量已經(jīng)超過十一億支。智能型手機是目前最便利的上網(wǎng)工具，同時也是數(shù)量最多、使用者黏著度最高的消費性電子隨身裝置;由于其同時具備感 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(rèn)為是開啟物聯(lián)網(wǎng)時代的最佳核心終端裝置。

蘋果(Apple)公司于2007年首度將微機電系統(tǒng)(MEMS)加速度計應(yīng)用在iPhone中，開啟手機產(chǎn)業(yè)的傳感器革命。而MEMS傳感器在手機應(yīng)用的數(shù)量規(guī)模以及多樣性，也仍不斷在快速成長當(dāng)中。

單就Apple公司為例，截至目前為止已擁有超過三百五十篇以上與傳感器相關(guān)的發(fā)明專利，而申請內(nèi)容包括觸控、影像、運動、振動感測、資料運算、掉落感知及亮度感知等等，可見其積極布局智能傳感器未來市場的野心。

目前有許多的行動裝置如手機、筆記型電腦、數(shù)位相機等，皆已廣泛采用MEMS元件于系統(tǒng)中，以獲得更良好的操控性能和創(chuàng)新功能。而隨著MEMS技術(shù)應(yīng)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)品全面追求的時尚新趨勢。

憑藉半導(dǎo)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，不僅適合普及應(yīng)用在數(shù)量龐大的消費性電子產(chǎn)業(yè)，未來 也必然將成為物聯(lián)網(wǎng)感測應(yīng)用市場上的營收亮點。根據(jù)IC Insights預(yù)估，至2018年MEMS傳感器的總出貨量可望達(dá)九十三億顆，而產(chǎn)值將達(dá)到122億美元。

若是以物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用需求爆發(fā)的時間點來區(qū)分，首波熱潮絕對仍會是行動裝置與智能穿戴產(chǎn)品，其次為車輛物聯(lián)網(wǎng)，之后才會真正進入到需求廣泛且種類多樣化的工業(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(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用，例如醫(yī)療、導(dǎo)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(yīng)用包括資產(chǎn)追蹤系統(tǒng)、智能電網(wǎng)或智能建筑自動化等。

根據(jù)IHS機構(gòu)預(yù)測，在2018年時，全球MEMS在消費性電子產(chǎn)品與行動裝置的市場規(guī)模將達(dá)到57億美元，比起在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用市場營收約3.34億美 元高很多。而在這些工業(yè)應(yīng)用中，建筑物自動化包括由智能電表、智能家庭(Smart Home)、智能城市(Smart City)等，將會是最主要的營收來源。

預(yù)期未來10年內(nèi)MEMS在物聯(lián)網(wǎng)的最大商機及技術(shù)挑戰(zhàn)，仍會是在行動裝置與智能穿戴產(chǎn)品的相關(guān)應(yīng)用。圖1是應(yīng)用在消費性電子產(chǎn)品與穿戴裝置的熱門感測元件及其商品上市時程。

穿戴裝置成為MEMS傳感器新興應(yīng)用商機

智能穿戴裝置是目前最熱門的新興產(chǎn)品，其所使用的感測元件，大多仍與智能手機者相同。主要是相較于手機應(yīng)用，穿戴裝置所使用的傳感器無論在尺寸、耗電量、感測靈敏度或是元件可靠度上，通常皆須面對更嚴(yán)苛的要求。

目前已處于市場百家爭鳴的智能手表，即使結(jié)構(gòu)上所允許的設(shè)計空間及電池容量皆遠(yuǎn)小于手機，但使用者卻對聲控、動作感知、或是續(xù)航力等產(chǎn)品性能，有與手機相同的期待。

因 此，大多數(shù)傳感器皆須先經(jīng)過應(yīng)用在智能手機上商品化成功后，才會轉(zhuǎn)移到穿戴裝置來使用。其最成功的元件案例是慣性傳感器與MEMS麥克風(fēng)，包括 Google、Apple、微軟(Microsoft)、摩托羅拉(Motorola)等多家知名大廠，皆已將此兩元件整合在自家的穿戴裝置產(chǎn)品內(nèi)，成為 其傳感器標(biāo)準(zhǔn)配備。

根據(jù)觀察，智能穿戴裝置在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(jiān)測。所謂量化生活是指將個人每日生活中的輸入(例如飲食內(nèi)容、走路步數(shù)、環(huán)境空氣品質(zhì)等)、狀態(tài)(例如心情、膚導(dǎo)、心率、血氧 飽和度等)及表現(xiàn)(包括心理及生理面向)等參數(shù)變化，結(jié)合科學(xué)技術(shù)來進行資料擷取記錄的一種活動。

其目的是藉由分析具體化的自我量測數(shù)據(jù)，來有效評估改善個人生活品質(zhì)。例如藉由智能穿戴裝置平日持續(xù)的生理資訊監(jiān)測和記錄，未來醫(yī)療診斷將不僅依據(jù)患者的局部病征作判別，而會從飲食習(xí)慣與生活型態(tài)等根本原因一并考量，邁向整合式預(yù)防醫(yī)療的服務(wù)模式。

滿足穿戴裝置物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的常見感測功能如表1，大致可包括活動感知、影像感測、環(huán)境感測及生理感測四大類別。MEMS元件在穿戴裝置上的應(yīng)用訴求，是使系統(tǒng)達(dá)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線通訊。

如表2所示，最有機會廣泛應(yīng)用于穿戴行動裝置的MEMS元件包括動作感知、聲控辨識、無線通訊及環(huán)境偵測四大類別。在無線通訊方面，智能穿戴裝置通常需要尺寸微小、并且功耗超低的無線前端模組，來擔(dān)負(fù)穿戴裝置系統(tǒng)長期連網(wǎng)與資料傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

為使無線系統(tǒng)尺寸縮小，除將內(nèi)部射頻(RF)元件縮小之外，也須設(shè)法同時提高該元件的Q值(品質(zhì)系數(shù))，如此才能降低環(huán)境雜訊的干擾影響，提供符合需求的無線訊號傳輸品質(zhì)。

在MEMS傳感器的應(yīng)用方面，目前市場規(guī)模最大者仍是慣性傳感器及MEMS麥克風(fēng);而近期包括高度計與氣體傳感器兩大元件，預(yù)期應(yīng)用需求將會大幅成長。而未來最具市場爆發(fā)潛力的MEMS元件，將可能會是紅外線影像傳感器。

愈來愈多的穿戴裝置利用復(fù)合式慣性傳感器來達(dá)到健身監(jiān)測功能，并實現(xiàn)系統(tǒng)智能節(jié)能與姿態(tài)控制等目的。全球復(fù)合式慣性感測元件在消費性電子及行動裝置應(yīng)用市場之營收，預(yù)估將由2013年約4.43億美元成長至2017年超越10億美元規(guī)模。

復(fù)合式多軸慣性傳感器受到廣泛接受的最大原因，主要是在于他的應(yīng)用便利性。

系統(tǒng)商可買進一顆復(fù)合式慣性傳感器取代原本的二至三顆慣性元件，并且也可同時由供應(yīng)商取得該傳感器最佳的感測融合解決方案。

IHS市調(diào)機構(gòu)研究顯示，下一階段合理的市場演進，將會是見到越來越多的六軸或九軸復(fù)合式慣性傳感器應(yīng)用在智能穿戴裝置內(nèi)。

MEMS麥克風(fēng)是目前MEMS產(chǎn)業(yè)中成長速度最快的元件，其在消費性電子產(chǎn)品的需求數(shù)量正在持續(xù)增加當(dāng)中;例如在智能型手機內(nèi)的應(yīng)用，MEMS麥克風(fēng)數(shù)量正從原本只需要一個，發(fā)展到甚至多達(dá)五顆，以便有助于消除雜訊和改善音質(zhì)。

根 據(jù)Yole市場研究報告，2013年全球MEMS麥克風(fēng)市場產(chǎn)值達(dá)到7.85億美元，預(yù)估其在未來幾年內(nèi)仍將持續(xù)以13%的CAGR快速成長，并在 2019年達(dá)到約16.5億美元的市場規(guī)模。而全球的出貨量也將在2019年時達(dá)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。

在穿戴行動裝置例如Google眼鏡或是智能手表的應(yīng)用上，欲實現(xiàn)人機之間最自然的互動及操控，采用“語音”方式絕對是最佳選項。而對于聲控及高品質(zhì)收音等應(yīng)用，MEMS麥克風(fēng)則是不可或缺的關(guān)鍵元件。

預(yù)期MEMS麥克風(fēng)技術(shù)將朝向“高訊噪比”、“超寬頻率響應(yīng)”與“高靈敏度”三大技術(shù)方向發(fā)展，以充分滿足未來穿戴行動裝置高品質(zhì)的語音及辨識應(yīng)用需求。然而，如何在產(chǎn)品的專利布局與成本良率上取得優(yōu)勢，仍是競爭廠商是否能在未來市場上獲取龐大商機的決勝關(guān)鍵。

壓力/氣體/UV MEMS應(yīng)用如影隨形

高 度計(Barometer)是一種絕對式壓力傳感器，而壓力傳感器的發(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)。隨著室內(nèi)地圖資訊日 趨完整，若加入其高度偵測功能，將可實現(xiàn)完整的行人導(dǎo)航規(guī)畫，幫步行使用者擬定出包括穿越地下道、百貨商場、一般馬路、或天橋等的最快路線。

另 外，藉由結(jié)合云端網(wǎng)路，也可以進一步實現(xiàn)所謂的定位資訊服務(wù)(Location Based Service， LBS)，提供使用者例如現(xiàn)地導(dǎo)覽介紹，或是周邊商店搜尋等適地性即時協(xié)助。因此，其未來在穿戴行動裝置例如智能眼鏡或智能手表的室內(nèi)定位導(dǎo)航功能上，必 然也有極大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Α?/p>

氣體傳感器使用在穿戴行動裝置上，可隨時偵測周遭環(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，或是個人呼氣時的疾病代謝氣體如一氧化氮(NO)、氨氣(NH3)等，及時提供使用者在安全和健康方面的生活照護提醒。

其 若同時結(jié)合濕度、壓力、紫外線(UV)或溫度等感測功能，則可組成所謂的環(huán)境傳感器。目前消費電子產(chǎn)品中仍較少采用環(huán)境傳感器。然而，2015年將是環(huán)境 傳感器起飛的一年，包括博世(Bosch)、Figaro、Sensirion及Cambridge等知名公司，皆已陸續(xù)推出自家的氣體傳感器產(chǎn)品。

根據(jù)IHS預(yù)測，氣體傳感器將在2015年正式進軍行動裝置市場。中國手機制造商將率先采用環(huán)境傳感器來隨身監(jiān)測空氣品質(zhì)，而預(yù)期三星(Samsung)在2016年準(zhǔn)備上市的Note 6手機，也將在產(chǎn)品內(nèi)采用MEMS氣體傳感器。

紅外線傳感器主要是偵測外界物體的溫度變化，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括行車夜視輔助、工業(yè)安全監(jiān)測、氣體成分分析、夜間保全監(jiān)視、醫(yī)療影像檢測等。近幾年來 隨著紅外線影像傳感器的影像品質(zhì)與解析度日益提升、制程技術(shù)愈趨成熟、并且元件價格逐漸下降，使得紅外線熱影像的應(yīng)用變得越來越普及。

2014年年初時FLIR公司推出一款具有高靈敏度紅外線影像感測功能的手機殼配件FLIR ONE，可供個人隨時檢知包括體溫、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連接的微型紅外線影像感測模組。預(yù)期在不久之后，紅外線影像傳感器將很有機會變成行動裝置及智能穿戴裝置的標(biāo)準(zhǔn)配備，并在行車夜視、智能家電和智能型機器人視覺等多項物聯(lián)網(wǎng)新興應(yīng)用中，成為不可或缺的重要MEMS元件。

事實上，智能穿戴裝置的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展超過20年。而近年來隨著MEMS在智能型手機與平板裝置的應(yīng)用技術(shù)邁入成熟期，才使得穿戴裝置商品化之技術(shù)門檻大幅降低。

根 據(jù)IC Insights預(yù)估，在2013年至2018年間，MEMS產(chǎn)品市場的年復(fù)合成長率將達(dá)11.7%;到2018年時，MEMS年銷售額將達(dá)到122億美 元。而全球穿戴裝置的傳感器市場出貨數(shù)量規(guī)模，也將從2013年的6700萬個，大幅成長到2019年的4.66億個，6年間將成長接近7倍。

便宜感測終端實現(xiàn)萬物互聯(lián)基礎(chǔ)

推 動物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的兩大關(guān)鍵，在于便宜的傳感器及足夠多的網(wǎng)路位址。正在崛起的物聯(lián)網(wǎng)堪稱歷史上首見的智能基礎(chǔ)建設(shè)革命，想要連結(jié)全世界所有的物件或 裝置，形成一個由通訊、能源、物流、醫(yī)療、保全等網(wǎng)路共同組成的巨型智能網(wǎng)路，滿足其巨量資料高速傳輸?shù)脑O(shè)施、以及伴隨隨而來的網(wǎng)路位址數(shù)量需求大到令人 難以想像。

根據(jù)IDC預(yù)測到2020年時全世界連網(wǎng)裝置將超過兩千一百二十億個，而所需要的傳感器在2030年預(yù)估更將高達(dá)一百兆個 以上。目前使用中的網(wǎng)路協(xié)定IPv4，可提供四十三億個獨立網(wǎng)路位址，而全球連接到網(wǎng)路的人口已高達(dá)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，此問題近期已獲得解決，國際組織網(wǎng)際網(wǎng)路工程小組(IETF)已開發(fā)出下一代的網(wǎng)路協(xié)定IPv6。IPv6使用 128個位元加以定址網(wǎng)際網(wǎng)路節(jié)點，定址空間高達(dá)2的128次方(32bits擴充為128bits)，預(yù)估地球上的每個人可分到一百萬個IP位址，所以 未來從眼鏡、手表、手機、家電、汽車、甚至到建物設(shè)施或工廠設(shè)備等任何物件，都將會有一個獨一無二的IP位址，可透過網(wǎng)路取得更新資訊或進行遠(yuǎn)端遙控等。 其足夠容納未來10年內(nèi)預(yù)估將連接到網(wǎng)路的兩兆個裝置。

不僅只有物聯(lián)網(wǎng)，所有需要互動與智能判斷功能的物件都需要大量的傳感器。例如近期較新出產(chǎn)的高階車輛，都已搭載一百個以上的傳感器、包括慣性傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、和位置傳感器等，以高度電子化的控制來達(dá)到最佳操控性能，并增進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)和氣體傳感器也即將跨足智能汽車應(yīng)用，來大幅提升鴐駛座艙的環(huán)境品質(zhì)。全球車用MEMS傳感器市場在2013年為26億美元，預(yù)估到2020年將可達(dá)到47億美元。

隨著傳感器的需求數(shù)量呈現(xiàn)爆發(fā)性成長、并且種類邁向多樣化，供應(yīng)鏈廠商伴隨而來的挑戰(zhàn)將會是如何讓這些新元件可以更快速且成本更低的條件下進行量產(chǎn)，以確保產(chǎn)品的市場競爭力。

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(xiàn)逐漸萎縮的情形，一大部分原因即是由于內(nèi)建在各種物件內(nèi)的傳感器成本仍過高。多家國際研究機 構(gòu)都已提出對物聯(lián)網(wǎng)市場的預(yù)測，其大部分皆認(rèn)為2020年整體聯(lián)網(wǎng)裝置將上看百億部，但要支援?dāng)?shù)量如此龐大的裝置互連情境，任何感測節(jié)點成本則須低于1美 元，如此才能加速布建完整物聯(lián)網(wǎng)路。

MEMS傳感器由于已成功應(yīng)用在智能手機中，歷經(jīng)嚴(yán)苛的商品化技術(shù)挑戰(zhàn)，其傳感器價格已在過去 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線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(biāo)。然而，如何使傳感器 制造價格更加低廉，仍將是各家MEMS大廠在物聯(lián)網(wǎng)市場中的產(chǎn)品致勝關(guān)鍵。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的感測元件在成本與性能上皆須面對極嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。產(chǎn)業(yè)分析專家指出，以前MEMS的客戶都習(xí)慣先開發(fā)出自己的產(chǎn)品制程，再要求代工廠照著流程復(fù)制及改善，但現(xiàn)在愈來愈多客戶傾向于直接利用代工廠已妥善建立的制程標(biāo)準(zhǔn)平臺去設(shè)計開發(fā)產(chǎn)品。

如此不僅制程相對穩(wěn)定、價格較便宜，并可大幅縮短產(chǎn)品上市時程。另外，為節(jié)省傳感器的封裝成本、并縮小尺寸，越來越多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(jié)合或是體深蝕刻等作法形成其結(jié)構(gòu)。

為因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)在不同應(yīng)用領(lǐng)域的多樣化感測功能需求、并大幅降低感測節(jié)點數(shù)量，采用通用型晶片整合設(shè)計概念亦是未來重要的發(fā)展趨勢;已開始有廠商考慮將可使用相同制程平臺制作的數(shù)種傳感器，直接設(shè)計整合在同一顆晶片上，之后再依客戶使用需求以軟體來觸發(fā)所需感測功能。

為能大幅降低傳感器成本，近期MEMS在新技術(shù)開發(fā)上也已開始朝便宜作法發(fā)展，例如以印刷方式、或是以紙作為基底來制作元件。預(yù)期未來進軍物聯(lián)網(wǎng)市場的MEMS傳感器，其無論在材料、制程、設(shè)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。