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撷取关键数据 感测器全面布署工业与车用领域
实现智慧物联的第一步

【作者: 籃貫銘、王岫晨】2021年02月26日 星期五

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一个系统应用想要具备「智慧」,首先就必须能取得大量的数据,然後对其进行分析与运算,最後从中取得可以做为学习依据的模型,进而慢慢的成为能够自动进行判断与调适的智慧系统。


所以从这个脉络来看,一个AIoT系统能不能有智慧,数据的取得与运用就扮演着关键的角色,因此感测器的部署,当然也就是实现智慧物联功能的第一步。


而在目前AIoT发展最迅速的工业与车用的领域上,感测器的技术与市场也正快速的成长中,几??各种类型的感测器都呈现明显的增长。根据国际市场分析机构MarketsandMarkets的研究,工业感测器的市场规模预计将从2020年的182亿美元,成长到2025年的290亿美元,复合年成长率为9.8%。


MarketsandMarkets特别指出,工业4.0和工业物联网(IIoT)试最主要的成长驱力。该机构认为,由於物联网的日益普及加上工业机器人技术的需求不断成长,因此提升了对於感测器产品的量与质的需求。


像是AT&T和Google等技术巨头,也纷纷涉足工业4.0和IIoT的解决方案,计入像是制造和供应链监控与管理的领域,因此预计将推动包括汽车和医疗在内的大多数产业对感测器的需求。


AIoT应用逐渐成型 感测器数量不断成长


图一 : 工业感测器至2026年复合年成长率将有??大於7%,其中又以力量感测领域(9%)、气体与油体领域(5%),以及制造应用领域(9.2%)的需求最为明显。
图一 : 工业感测器至2026年复合年成长率将有??大於7%,其中又以力量感测领域(9%)、气体与油体领域(5%),以及制造应用领域(9.2%)的需求最为明显。

另一家市场研究机构Global Market Insights同样也看好感测器在工业自动化领域的应用,指出至2026年复合年成长率将有??大於7%,其中又以力量感测领域(9%)、气体与油体领域(5%),以及制造应用领域(9.2%)的需求最为明显。以区域市场来看,则亚太地区是需求最大的市场,预估的复合年成长率将大於8%,而北美市场则约在5%。


若从技术类别来看,则感测器的技术类型大致可以分成MEMS和CMOS两大类,但在应用就相当五花八门,包含有影像感测、光学感测、湿度感测、生物感测、运动感测、温度感测、压力感测、触控感测、雷达感测、距离感测和其他感测。


在这些感测器中,以影像感测器的市场占有率最大,其次为生物感测器和光学感测器。而随着AIoT的应用市场逐渐成型,各类感测器的使用数量也不断成长,特别像是智慧交通、智慧零售和智慧医疗等大型的应用系统,对於感测器的数量与精准度,都有相较於以往更高的要求。


例如在光学感测器方面,为了要满足更高的解析度需求与更隹的使用体验,新型的光感应技术也不断的被提出,像是光达(LiDAR)感测器,就慢慢的被运用在智慧城市和自动驾驶的领域;而结合垂直腔面发射雷射(VCSEL)技术的3D感测器,也开始在智慧手机和安全辨识等应用上展露头角,为智慧感测带来更多的可能性。


根据集邦科技(TrendForce)的研究,预计至2025年,以红外线为主的光学感测市场规模,将成长到37.90亿美金。其主要的应用市场将是行动装置的3D 感测(智慧手机、平板电脑、扩增实境)、车内感测(驾驶监控系统、乘员监控系统)、光达(ADAS、自动驾驶、产业与运输、智慧城市)、眼球追踪、安全监控与光体积变化描记图法(PPG)。


而感测器的应用方式也会有所改变,其中一个主要的趋势就是感测器融合(Sensor Fusion),目的就是要带来更完整、更可靠的感测效果。而所谓的感测器融合,其实就是把自不同来源的感测数据进行组合,以达到比单独使用这些来源时相比,所得到更加接近真实、可靠度也更高的数据资料。


为自动驾驶做出贡献

自动驾驶汽车是未来的事情,就目前来看,还没有达到4或5级。尽管如此,我们还是可以做些什麽来保护生命、保护孩子、同事以及身边所有人的生命,这是当今的热门议题。就以车用安全气囊的作用来看,其实可以发现有时候人们在身体不是很好的状况下开车,例如,熬夜不睡觉或者饮酒过多,疲劳或酒後驾驶是造成死亡的主要原因。如果安全气囊可以顺利作用,就可以挽救不少这样的生命。


另外可以发现到,有超过50%的驾驶员在开车时使用手机或发送简讯。这是一个非常令人震惊的数字,因为人数已经高达50%。有些人认为,他们有能力一边开车一边发简讯,但是统计资料和现实情况显示,这个行为导致许多人死亡。那麽,车用感测器就可以帮助汽车产业来挽救更多生命。


事实上,感测器供应商已经推出全新的影像感测器系列产品,并提供不同的百万图素的选择。配合适合的资讯处理系统,镜头就可以根据驾驶人眼睛和面部表情来判断驾驶者的注意力。因此,当驾驶人已无法控制自己但还必须操控汽车时,驾驶监测系统将会提醒驾驶人把车停到路边休息,这是一个非常有意义的应用,而感测器供应商也在此项应用方面作出很大贡献。



图二 : 车用感测器的成长动能
图二 : 车用感测器的成长动能

对於车用感测器供应商来说,包括MEMS机械元件和ASIC晶片在内的各种产品,都是重要的投资领域。值得注意的是,目前还没有看到市场上有机械元件迈入12寸晶圆升级的需求。以意法半导体来说,现有的MEMS生产线是8寸,在未来5年,这都已经非常足够应付市场需求了。


为什麽当前的8寸晶圆厂足以应付机械元件的生产需求?这是因为车用MEMS并不会从12寸晶圆升级的投资中受益。促使感测方案供应商升级到12寸的唯一原因是,希??在同一晶片上整合ASIC电路和机械元件,但目前这种方法还不切实际。在今天,8寸晶圆有更高的成本效益和设计灵活性。目前,意法半导体正在与合作夥伴共同改进封装(例如陶瓷材质),并开发更多的SIP(系统级封装),而不是专注於系统晶片。基本上,大家都在使用单独的晶片,这是在消费性市场上看到的主要趋势,汽车产业亦是如此。因此,现在这些感测器供应商并没有升级12寸晶圆的理由。


光达系统

在车用感测器的重要发展上,另一个可??在未来推动自动驾驶发展的重要动力,这就是光达。光达是一个非常有趣的系统,因为它的功率配置结构密度高且成本效益隹。虽然不是很大,却是自动驾驶的核心技术。在此我们以意法半导体为例,意法半导体的感测器与光达非常相关,原因就在於这些美观的装置里有反射镜,这是使用半导体制造的真实镜子,外形非常小,使光达系统可以设计出非常小的尺寸,非常具有成本效益。


至於实现的方式,就像半导体处理器经历的情况一样,光达的成本在正常情况下将下滑得很快,因为陀螺仪在多年前就有类似的历史背景。如果观察20年前陀螺仪有多大,以及10年前MEMS陀螺仪有多大,并将其与智慧手机内部使用的陀螺仪进行比较,就会发现在10年内,陀螺仪尺寸缩小将近70%。以耳机为例,耳机内不仅有陀螺仪,还有加速度计、麦克风等多个感测器。举这些例子是为了让读者更了解,半导体制程可以透过量产把这些产品做得非常小,具有极高的可靠性和经济性。


结语


图三 : 汽车自动化的五个层级
图三 : 汽车自动化的五个层级

在将来,汽车将需要越来越多的感测器,这不一定意味着需要研发全新的感测器,而是将现有感测器以新的方式应用在车辆中。感测器高整合度或者融合度无疑非常重要,同时未来汽车对测量精确度要求也将随之提升。因为需要很多感测器,所以感测器必须是完全整合在一起的。


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