為使無線系統(tǒng)尺寸縮小,除將內(nèi)部射頻(RF)組件縮小之外,也須設(shè)法同時(shí)提高該組件的Q值(質(zhì)量系數(shù)),如此才能降低環(huán)境噪聲的干擾影響,提供符合需求的無線訊號(hào)傳輸質(zhì)量。
在MEMS傳感器的應(yīng)用方面,目前市場(chǎng)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(jì)與氣體傳感器兩大組件,預(yù)期應(yīng)用需求將會(huì)大幅成長(zhǎng)。而未來最具市場(chǎng)爆發(fā)潛力的MEMS組件,將可能會(huì)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(cè)功能,并實(shí)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(cè)組件在消費(fèi)性電子及行動(dòng)裝置應(yīng)用市場(chǎng)之營(yíng)收,預(yù)估將由2013年約4.43億美元成長(zhǎng)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(jìn)一顆復(fù)合式慣性傳感器取代原本的二至三顆慣性組件,并且也可同時(shí)由供貨商取得該傳感器最佳的感測(cè)融合解決方案。
IHS市調(diào)機(jī)構(gòu)研究顯示,下一階段合理的市場(chǎng)演進(jìn),將會(huì)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(zhǎng)速度最快的組件,其在消費(fèi)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(jī)內(nèi)的應(yīng)用,MEMS麥克風(fēng)數(shù)量正從原本只需要一個(gè),發(fā)展到甚至多達(dá)五顆,以便有助于消除噪聲和改善音質(zhì)。
根據(jù)Yole市場(chǎng)研究報(bào)告,2013年全球MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)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(zhǎng),并在2019年達(dá)到約16.5億美元的市場(chǎng)規(guī)模。而全球的出貨量也將在2019年時(shí)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(zhǎng)。
在穿戴行動(dòng)裝置例如Google眼鏡或是智能手表的應(yīng)用上,欲實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間最自然的互動(dòng)及操控,采用「語音」方式絕對(duì)是最佳選項(xiàng)。而對(duì)于聲控及高質(zhì)量收音等應(yīng)用,MEMS麥克風(fēng)則是不可或缺的關(guān)鍵組件。
預(yù)期MEMS麥克風(fēng)技術(shù)將朝向「高訊噪比」、「超寬帶率響應(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(dòng)裝置高質(zhì)量的語音及辨識(shí)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(shì),仍是競(jìng)爭(zhēng)廠商是否能在未來市場(chǎng)上獲取龐大商機(jī)的決勝關(guān)鍵。
壓力/氣體/UV MEMS應(yīng)用如影隨形
高度計(jì)(Barometer)是一種絕對(duì)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)地圖信息日趨完整,若加入其高度偵測(cè)功能,將可實(shí)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(chǎng)、一般馬路、或天橋等的最快路線。
另外,藉由結(jié)合云端網(wǎng)絡(luò),也可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)所謂的定位信息服務(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實(shí)時(shí)協(xié)助。因此,其未來在穿戴行動(dòng)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(dòng)裝置上,可隨時(shí)偵測(cè)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(gè)人呼氣時(shí)的疾病代謝氣體如一氧化氮(NO)、氨氣(NH3)等,及時(shí)提供使用者在安全和健康方面的生活照護(hù)提醒。
其若同時(shí)結(jié)合濕度、壓力、紫外線(UV)或溫度等感測(cè)功能,則可組成所謂的環(huán)境傳感器。目前消費(fèi)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(cè),氣體傳感器將在2015年正式進(jìn)軍行動(dòng)裝置市場(chǎng)。中國(guó)手機(jī)制造商將率先采用環(huán)境傳感器來隨身監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量,而預(yù)期三星(Samsung)在2016年準(zhǔn)備上市的Note 6手機(jī),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(cè)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(cè)、氣體成分分析、夜間保全監(jiān)視、醫(yī)療影像檢測(cè)等。近幾年來隨著紅外線影像傳感器的影像質(zhì)量與分辨率日益提升、制程技術(shù)愈趨成熟、并且組件價(jià)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(shí)FLIR公司推出一款具有高靈敏度紅外線影像感測(cè)功能的手機(jī)殼配件FLIR ONE,可供個(gè)人隨時(shí)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(cè)模塊。預(yù)期在不久之后,紅外線影像傳感器將很有機(jī)會(huì)變成行動(dòng)裝置及智能穿戴裝置的標(biāo)準(zhǔn)配備,并在行車夜視、智能家電和智能機(jī)器人視覺等多項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)新興應(yīng)用中,成為不可或缺的重要MEMS組件。
事實(shí)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(jī)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)門坎大幅降低。
根據(jù)IC Insights預(yù)估,在2013年至2018年間,MEMS產(chǎn)品市場(chǎng)的年復(fù)合成長(zhǎng)率將達(dá)11.7%;到2018年時(shí),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(chǎng)出貨數(shù)量規(guī)模,也將從2013年的6700萬個(gè),大幅成長(zhǎng)到2019年的4.66億個(gè),6年間將成長(zhǎng)接近7倍。
便宜感測(cè)終端實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)基礎(chǔ)
推動(dòng)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)絡(luò)地址。正在崛起的物聯(lián)網(wǎng)堪稱歷史上首見的智慧基礎(chǔ)建設(shè)革命,想要鏈接全世界所有的對(duì)象或裝置,形成一個(gè)由通訊、能源、物流、醫(yī)療、保全等網(wǎng)絡(luò)共同組成的巨型智能網(wǎng)絡(luò),滿足其巨量數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)脑O(shè)施、以及伴隨隨而來的網(wǎng)絡(luò)地址數(shù)量需求大到令人難以想象。
根據(jù)IDC預(yù)測(cè)到2020年時(shí)全世界連網(wǎng)裝置將超過兩千一百二十億個(gè),而所需要的傳感器在2030年預(yù)估更將高達(dá)一百兆個(gè)以上。目前使用中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IPv4,可提供四十三億個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)地址,而全球連接到網(wǎng)絡(luò)的人口已高達(dá)20億以上,因此網(wǎng)絡(luò)地址不足對(duì)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(guó)際組織因特網(wǎng)工程小組(IETF)已開發(fā)出下一代的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IPv6。IPv6使用128個(gè)位加以尋址因特網(wǎng)節(jié)點(diǎn),尋址空間高達(dá)2的128次方(32bits擴(kuò)充為128bits),預(yù)估地球上的每個(gè)人可分到一百萬個(gè)IP地址,所以未來從眼鏡、手表、手機(jī)、家電、汽車、甚至到建物設(shè)施或工廠設(shè)備等任何對(duì)象,都將會(huì)有一個(gè)獨(dú)一無二的IP地址,可透過網(wǎng)絡(luò)取得更新信息或進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控等。其足夠容納未來10年內(nèi)預(yù)估將連接到網(wǎng)絡(luò)的兩兆個(gè)裝置。
不僅只有物聯(lián)網(wǎng),所有需要互動(dòng)與智能判斷功能的對(duì)象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(gè)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(jìn)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)境質(zhì)量。全球車用MEMS傳感器市場(chǎng)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(zhǎng)、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(huì)是如何讓這些新組件可以更快速且成本更低的條件下進(jìn)行量產(chǎn),以確保產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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)建在各種對(duì)象內(nèi)的傳感器成本仍過高。多家國(guó)際研究機(jī)構(gòu)都已提出對(duì)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的預(yù)測(cè),其大部分皆認(rèn)為2020年整體聯(lián)網(wǎng)裝置將上看百億部,但要支持?jǐn)?shù)量如此龐大的裝置互連情境,任何感測(cè)節(jié)點(diǎn)成本則須低于1美元,如此才能加速布建完整物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
MEMS傳感器由于已成功應(yīng)用在智能手機(jī)中,歷經(jīng)嚴(yán)苛的商品化技術(shù)挑戰(zhàn),其傳感器價(jià)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(yùn)算處理器及無線傳輸模塊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(jià)格更加低廉,仍將是各家MEMS大廠在物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)中的產(chǎn)品致勝關(guān)鍵。
物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的感測(cè)組件在成本與性能上皆須面對(duì)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(tái)去設(shè)計(jì)開發(fā)產(chǎn)品。
如此不僅制程相對(duì)穩(wěn)定、價(jià)格較便宜,并可大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)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(cè)組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(cè)功能需求、并大幅降低感測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量,采用通用型芯片整合設(shè)計(jì)概念亦是未來重要的發(fā)展趨勢(shì);已開始有廠商考慮將可使用相同制程平臺(tái)制作的數(shù)種傳感器,直接設(shè)計(jì)整合在同一顆芯片上,之后再依客戶使用需求以軟件來觸發(fā)所需感測(cè)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組件。預(yù)期未來進(jìn)軍物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的MEMS傳感器,其無論在材料、制程、設(shè)計(jì)、甚至制造流程等技術(shù)上,皆將面臨重大改變與競(jìng)爭(zhēng)考驗(yàn)。
評(píng)論