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擷取關鍵數據 感測器全面佈署工業與車用領域
實現智慧物聯的第一步

【作者: 籃貫銘、王岫晨】   2021年02月26日 星期五

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一個系統應用想要具備「智慧」,首先就必須能取得大量的數據,然後對其進行分析與運算,最後從中取得可以做為學習依據的模型,進而慢慢的成為能夠自動進行判斷與調適的智慧系統。


所以從這個脈絡來看,一個AIoT系統能不能有智慧,數據的取得與運用就扮演著關鍵的角色,因此感測器的部署,當然也就是實現智慧物聯功能的第一步。


而在目前AIoT發展最迅速的工業與車用的領域上,感測器的技術與市場也正快速的成長中,幾乎各種類型的感測器都呈現明顯的增長。根據國際市場分析機構MarketsandMarkets的研究,工業感測器的市場規模預計將從2020年的182億美元,成長到2025年的290億美元,複合年成長率為9.8%。


MarketsandMarkets特別指出,工業4.0和工業物聯網(IIoT)試最主要的成長驅力。該機構認為,由於物聯網的日益普及加上工業機器人技術的需求不斷成長,因此提升了對於感測器產品的量與質的需求。


像是AT&T和Google等技術巨頭,也紛紛涉足工業4.0和IIoT的解決方案,計入像是製造和供應鏈監控與管理的領域,因此預計將推動包括汽車和醫療在內的大多數產業對感測器的需求。


AIoT應用逐漸成型 感測器數量不斷成長


圖一 : 工業感測器至2026年複合年成長率將有望大於7%,其中又以力量感測領域(9%)、氣體與油體領域(5%),以及製造應用領域(9.2%)的需求最為明顯。
圖一 : 工業感測器至2026年複合年成長率將有望大於7%,其中又以力量感測領域(9%)、氣體與油體領域(5%),以及製造應用領域(9.2%)的需求最為明顯。

另一家市場研究機構Global Market Insights同樣也看好感測器在工業自動化領域的應用,指出至2026年複合年成長率將有望大於7%,其中又以力量感測領域(9%)、氣體與油體領域(5%),以及製造應用領域(9.2%)的需求最為明顯。以區域市場來看,則亞太地區是需求最大的市場,預估的複合年成長率將大於8%,而北美市場則約在5%。


若從技術類別來看,則感測器的技術類型大致可以分成MEMS和CMOS兩大類,但在應用就相當五花八門,包含有影像感測、光學感測、濕度感測、生物感測、運動感測、溫度感測、壓力感測、觸控感測、雷達感測、距離感測和其他感測。


在這些感測器中,以影像感測器的市場佔有率最大,其次為生物感測器和光學感測器。而隨著AIoT的應用市場逐漸成型,各類感測器的使用數量也不斷成長,特別像是智慧交通、智慧零售和智慧醫療等大型的應用系統,對於感測器的數量與精準度,都有相較於以往更高的要求。


例如在光學感測器方面,為了要滿足更高的解析度需求與更佳的使用體驗,新型的光感應技術也不斷的被提出,像是光達(LiDAR)感測器,就慢慢的被運用在智慧城市和自動駕駛的領域;而結合垂直腔面發射雷射(VCSEL)技術的3D感測器,也開始在智慧手機和安全辨識等應用上展露頭角,為智慧感測帶來更多的可能性。


根據集邦科技(TrendForce)的研究,預計至2025年,以紅外線為主的光學感測市場規模,將成長到37.90億美金。其主要的應用市場將是行動裝置的3D 感測(智慧手機、平板電腦、擴增實境)、車內感測(駕駛監控系統、乘員監控系統)、光達(ADAS、自動駕駛、產業與運輸、智慧城市)、眼球追蹤、安全監控與光體積變化描記圖法(PPG)。


而感測器的應用方式也會有所改變,其中一個主要的趨勢就是感測器融合(Sensor Fusion),目的就是要帶來更完整、更可靠的感測效果。而所謂的感測器融合,其實就是把自不同來源的感測數據進行組合,以達到比單獨使用這些來源時相比,所得到更加接近真實、可靠度也更高的數據資料。


為自動駕駛做出貢獻

自動駕駛汽車是未來的事情,就目前來看,還沒有達到4或5級。儘管如此,我們還是可以做些什麼來保護生命、保護孩子、同事以及身邊所有人的生命,這是當今的熱門議題。就以車用安全氣囊的作用來看,其實可以發現有時候人們在身體不是很好的狀況下開車,例如,熬夜不睡覺或者飲酒過多,疲勞或酒後駕駛是造成死亡的主要原因。如果安全氣囊可以順利作用,就可以挽救不少這樣的生命。


另外可以發現到,有超過50%的駕駛員在開車時使用手機或發送簡訊。這是一個非常令人震驚的數字,因為人數已經高達50%。有些人認為,他們有能力一邊開車一邊發簡訊,但是統計資料和現實情況顯示,這個行為導致許多人死亡。那麼,車用感測器就可以幫助汽車產業來挽救更多生命。


事實上,感測器供應商已經推出全新的影像感測器系列產品,並提供不同的百萬圖素的選擇。配合適合的資訊處理系統,鏡頭就可以根據駕駛人眼睛和面部表情來判斷駕駛者的注意力。因此,當駕駛人已無法控制自己但還必須操控汽車時,駕駛監測系統將會提醒駕駛人把車停到路邊休息,這是一個非常有意義的應用,而感測器供應商也在此項應用方面作出很大貢獻。



圖二 : 車用感測器的成長動能
圖二 : 車用感測器的成長動能

對於車用感測器供應商來說,包括MEMS機械元件和ASIC晶片在內的各種產品,都是重要的投資領域。值得注意的是,目前還沒有看到市場上有機械元件邁入12吋晶圓升級的需求。以意法半導體來說,現有的MEMS生產線是8吋,在未來5年,這都已經非常足夠應付市場需求了。


為什麼當前的8吋晶圓廠足以應付機械元件的生產需求?這是因為車用MEMS並不會從12吋晶圓升級的投資中受益。促使感測方案供應商升級到12吋的唯一原因是,希望在同一晶片上整合ASIC電路和機械元件,但目前這種方法還不切實際。在今天,8吋晶圓有更高的成本效益和設計靈活性。目前,意法半導體正在與合作夥伴共同改進封裝(例如陶瓷材質),並開發更多的SIP(系統級封裝),而不是專注於系統晶片。基本上,大家都在使用單獨的晶片,這是在消費性市場上看到的主要趨勢,汽車產業亦是如此。因此,現在這些感測器供應商並沒有升級12吋晶圓的理由。


光達系統

在車用感測器的重要發展上,另一個可望在未來推動自動駕駛發展的重要動力,這就是光達。光達是一個非常有趣的系統,因為它的功率配置結構密度高且成本效益佳。雖然不是很大,卻是自動駕駛的核心技術。在此我們以意法半導體為例,意法半導體的感測器與光達非常相關,原因就在於這些美觀的裝置裡有反射鏡,這是使用半導體製造的真實鏡子,外形非常小,使光達系統可以設計出非常小的尺寸,非常具有成本效益。


至於實現的方式,就像半導體處理器經歷的情況一樣,光達的成本在正常情況下將下滑得很快,因為陀螺儀在多年前就有類似的歷史背景。如果觀察20年前陀螺儀有多大,以及10年前MEMS陀螺儀有多大,並將其與智慧手機內部使用的陀螺儀進行比較,就會發現在10年內,陀螺儀尺寸縮小將近70%。以耳機為例,耳機內不僅有陀螺儀,還有加速度計、麥克風等多個感測器。舉這些例子是為了讓讀者更瞭解,半導體製程可以透過量產把這些產品做得非常小,具有極高的可靠性和經濟性。


結語


圖三 : 汽車自動化的五個層級
圖三 : 汽車自動化的五個層級

在將來,汽車將需要越來越多的感測器,這不一定意味著需要研發全新的感測器,而是將現有感測器以新的方式應用在車輛中。感測器高整合度或者融合度無疑非常重要,同時未來汽車對測量精確度要求也將隨之提升。因為需要很多感測器,所以感測器必須是完全整合在一起的。


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