各种物联网应用所需的传感器技术趋势
2015-11-10
为提升产品竞争力，国际半导体大厂纷纷透过购并、垂直集成扩展自身解决方案竞争优势，抢食物联网应用大饼，不仅无线通讯技术方案为集成重点，其中物联网应用关键的MEMs与各式传感器应用方案，更是厂商集成的重点项目…
虽然物联网IoT(Internet of Things)应用可以说是各式旧有技术的再集成，但实际上正因为新一代的集成电路集成封装技术、低功耗无线传输、先进感测元件技术等新技术领域开发与再集成，让IoT应用在体积、效能、稳定性与电源功耗各方面都能获得极大的优化成果，甚至在功能追加、功耗优化条件下还能达到单一终端的硬件成本极度压缩，不仅使IoT相关应用的发展前景无限，也吸引相关芯片业者积极投入抢食IoT衍生的巨大商机。
由IoT市场需求进而带领的电子产业升级，象是新一代纳米传感器系统、软性电路板与制作技术外，也将IC设计产业带向跨领域技术集成发展，例如，集成生理感测应用的感测与通讯技术方案、可用于个人健康生理信息追踪的穿戴式生物感测软芯片系统封装方案，这些都是由IoT应用衍生出来的进阶应用与跨领域开发成果。
其中对于IoT应用影用影响最关键的为终端装置的通讯应用功能，因为IoT产品重点在于终端的极小化与使用电能功耗的极度优化，因此，耗能较高的通讯技术方案就成为各大半导体业者积极优化的重点功能。例如5G/4G行动数据传输模块、蓝牙低功耗传输(Bluetooth Low Energy)技术与Wi-Fi无线传输技术等，已是半导体商重点布局的领域。
抢食IoT市场大饼 半导体业者砸重金收购强化自身技术实力
以通讯芯片大厂Qualcomm为例，2014年即耗资25亿美元收购CSR，取得其全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)与蓝牙通讯芯片相关核心技术，藉此扩展其因应穿戴式装置、车用电子系统所需的全球定位、蓝牙无线通讯核心技术方案与相关芯片方案。除Qualcomm巨资收购动作外，NXP也宣布收购Quintic公司的蓝牙低功耗芯片、穿戴式装置应用奖决方案相关资产与矽智财，同时NXP在2015年3月再以118亿美元收购Freescale，强化其车载电子应用解决方案与微控制器产品，为后续布局IoT应用备齐足够竞争实力。至于Cypress则针对IoT应用开发所需的SoC(System on Chip)核心技术进行资源集成，收购NOR Flash大厂Spansion、ADI则购并Hittite补强其5G应用领域在微波与毫米波频段的无线通讯技术缺口。
同时Intel也为强化宽频网络产业实力，2015年2月收购网通芯片商Lantiq，将旗下产品线有效扩展至DSL(Digital Subscriber Line)、LTE(Long Term Evolution)与光纤网络应用市场，强化其基础网通应用服务的市场布局，同时为了扩展IoT应用市场渗透率，也推出旗下因应IoT市场开发的Edison IoT应用平台，透过集成低功耗的高效能双核心CPU、搭配单核心微型控制器，藉此支持高复杂度的IoT资料搜集作业，该IoT硬件开发平台同时集成Wi-Fi、蓝牙、LE与存储器/储存装置，透过简化配置与结合具备40个多工GPIO (General Purpose I/O)接口，提供IoT应用开发硬件弹性基础，另可搭配支持C、C++、Python、Node.js/Javascript等开发语言进行开发，支持Arduino、Eclipse、Wyliodrin与Intel XDK多种集成式开发环境，强化IoT应用开发效能。
IoT应用领域广泛 各大厂看准热门应用深化解决方案应用价值
很显然IoT应用市场范围过广、各领域的关键技术差异大，相关半导体业者为了市场布局除积极透过收购、购并厚植自身应用市场的技术资源外，也看准后续热门应用领域进行相关重点技术的功能与应用集成。尤其是IoT应用中目前最热门的穿戴式装置、联网汽车(Connected Vehicle)甚至是进阶导入医疗体系的健康照护(Health Care)市场，或是更前端的机器对机器(Machine to Machine，M2M)的应用环境，积极扩展经济规模与产品对各种集成需求的适应性。
除通讯核心功能与硬件平台外，IoT的另一关键重点即在环境感测应用功能支持，尤其在微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMs)相关业者动向更可观察到各厂抢进IoT市场的动作，目前欧美与台湾MEMs晶圆代工厂竞相加强动作传感器、压力计、麦克风等关键集成制程技术。
MEMs代工技术积极优化 抢攻IoT进阶应用商机
看好IoT市场爆发前能，Tronics Microsystems、X-Fab、Teledyne DALSA、IMT、Towerjazz、TSMC等积极抢攻MEMS代工。尤其是物联网、汽车电子、智能行动装置、行动医疗与光通讯电子设备对于电路载板的元器件占位空间、功耗要求越来越高，也相对吸引更多芯片业者投入MEMS进阶制程，集成更新、更小、更省电的关键元件，带动一波MEMs晶圆代工市场成长。
而在IoT应用的重点传感器集成方面，MEMs代工业者积极锁定IoT与汽车电子应用领域所需的关键传感器集成设计，例如MEMs加速度计、多轴陀螺仪、磁力计、压力计与麦克风等重点传感器集成方案，另针对IoT环境感测应用也竞相开发如温/湿度、紫外光(Ultraviolet，UV)与红外线(Infrared，IR)环境传感器先进制程开发，除传感器关键元件在感测精度、元件功耗优化外，业者也积极开发成本更低、尺寸更小的感测集成元件，以提供IoT终端功能开发更具成本与功能竞争力应用解决方案。而在手机、行动医疗、车载电子系统等IoT应用领域的传感器解决方案方面，相关业者也开始着墨压力计方案，发展如TPMS(Tire-Pressure-Monitoring System)车胎压力感测系统，行动医疗应用则对应血压计等智能感测装置集成。
关键感测技术精度持续提升 智能IoT应用更具实用价值
智能家庭也是IoT另一热门应用领域，在物联网应用方面，智能家庭所需的压力、环境感测应用需求，将会是家庭自动化应用的重要关键，象是集成家电控制的智能手环产品、智能手表、智能冰箱、洗衣机与家庭电能管理系统等，这些关键智能产品都将需要导入压力计与各种环境传感器(温度、湿度、亮度、空污状态传感器)，达到其智能生活辅助应用功能，各大MEMs代工业者也积极开发相关关键MEMs芯片产品，协助芯片开发商抢攻IoT应用商机。
对于IoT所需的传感器性能表现，从以往的量测精度有限的实用功能导向，在新兴IoT应用所需的高度智能集成、高精度感测需求已渐显现其不敷所需，因此关键感测元件的MEMs大厂也纷纷针对重点感测元件进行功能优化，例如透过SiP多芯片集成技术制作的多轴陀螺仪感测系统芯片，或是进阶多传感器系统产品就是明显的案例，透过更高精度的感测效果提升IoT应用的环境信息截取精度，提升整体系统价值。
除了动作传感器的精度提升外，压力计的精度提升也是相关应用的一大关键，例如Infineon即推出因应穿戴式智能产品设计、个人生理数据采集、手势辨识、导航定位、天气环境侦测用途的高阶MEMs压力感测元件，而该元件已可具备±5公分分辨率的压力感测。
压力传感器已经成为穿戴式智能的关键感测元件，另在IoT应用压力传感器可做为多样化智能应用的感测数据来源，但目前多数压力感测MEMs元件为运用压电技术(Piezo-Electric)原理进行压力感测机制，Infineon新款压力传感器为运用电容感测机制基础下，提供更高准确性的压力感测数值输出。搭载压力感测元件的行动装置可以在室内导航应用中辅助室内定位应用，也能在无GPS(Global Positioning System)讯号条件下支持Dead Reckoning(航位推算)功能，满足智能装置室/内外导航应用需求，另压力计还可进行高度或与垂直速度计算数据精确推算，做为穿戴式智能健康运动装置应用中的运动行为侦测、分析，甚至可作为穿戴装置的手势辨识人机接口感测应用，开发更多智能穿戴应用价值。