傳感器是建構物聯(lián)網不可或缺的關鍵組件；隨著各產業(yè)領域業(yè)者紛紛投入物聯(lián)網應用開發(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，相關組件制造商無不積極研發(fā)新產品，以搶搭此波商機。

　　物聯(lián)網即將建構的美好生活令人充滿想象。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絡基礎建設，進行全面性的社群交流與信息分享，并且經由鏈接實體對象及虛擬分析整合，達到無所不在的偵測、識別、控制及服務。

　　物聯(lián)網可藉由億萬個遍布于體內、體外與周圍環(huán)中的智能感測裝置，長期收集記錄所有關心的目標訊息，并利用先進分析技術處理這些巨量數(shù)據，持續(xù)創(chuàng)造出預測性算法或智動化系統(tǒng)，來達到改善能源使用效率、提供優(yōu)質醫(yī)療服務、增加生活舒適便利性、降低安全風險、或是提高生產力等目的。

　　在2014年，***半導體產業(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，而物聯(lián)網商機將可望于5到10年內萌芽。

　　感測技術　IoT基礎建設核心項目

　　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慧技術，例如無人車輛會自動駕駛、讓行車更安全；智慧家電提供便利舒適的生活管家及保全服務；植物工廠精準掌握作物生產過程、解決氣候劇變導致的糧荒問題；工業(yè)4.0實現(xiàn)安全有效率的人機協(xié)作、提升產品良率與質量。

　　遠距醫(yī)療網絡帶來更優(yōu)質便利的醫(yī)療服務；智慧電網提升城市能源使用效益、帶動經濟成長、并減緩全球溫室效應等。而對于個人而言，行動及穿戴式裝置則將提供無處不在的信息服務及生活照顧。

　　物聯(lián)網整體架構基本上是由感測層、網絡層及應用層所組成，其三大關鍵技術類別則包括傳感器、網絡通訊以及大數(shù)據分析。特別是傳感器技術，是物聯(lián)網智慧基礎建設中最核心的項目。

　　依據市場統(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鏈接到因特網上；而2013年時，聯(lián)網的感測裝置已激增到三十五億個。預估到2030年時，連結物聯(lián)網的傳感器數(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Yole的研究預測，2024年全球物聯(lián)網產業(yè)將達到4，000億美元的規(guī)模，復合年均增長率（CAGR）高達42%。而物聯(lián)網所必須應用之傳感器市場營收，預估2022年時將成長超過140億美元。

　　傳感器普及　加速物聯(lián)網時代到來

　　2014年全球手機出貨數(shù)量已經超過十一億支。智能型手機是目前最便利的上網工具，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信息，因此被公認為是開啟物聯(lián)網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）加速度計應用在iPhone中，開啟手機產業(yè)的傳感器革命。而MEMS傳感器在手機應用的數(shù)量規(guī)模以及多樣性，也仍不斷在快速成長當中。

　　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的發(fā)明專利，而申請內容包括觸控、影像、運動、振動感測、數(shù)據運算、掉落感知及亮度感知等等，可見其積極布局智慧傳感器未來市場的野心。

　　目前有許多的行動裝置如手機、筆記本電腦、數(shù)字相機等，皆已廣泛采用MEMS組件于系統(tǒng)中，以獲得更良好的操控性能和創(chuàng)新功能。而隨著MEMS技術應用風潮的快速崛起，也使得輕薄及微小化變成目前消費性電子產品全面追求的時尚新趨勢。

　　憑借半導體晶圓制程的成熟優(yōu)勢，MEMS感測組件具有靈敏度高、性能均一、成本便宜、可批次生產等特點，不僅適合普及應用在數(shù)量龐大的消費性電子產業(yè)，未來也必然將成為物聯(lián)網感測應用市場上的營收亮點。根據IC Insights預估，至2018年MEMS傳感器的總出貨量可望達九十三億顆，而產值將達到122億美元。

　　若是以物聯(lián)網傳感器應用需求爆發(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品，其次為車輛物聯(lián)網，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（IIOT）。

　　此處所謂的工業(yè)物聯(lián)網，范圍包含傳統(tǒng)的工業(yè)應用，例如醫(yī)療、導航、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感測組件技術的新型態(tài)工業(yè)物聯(lián)網，此新興應用包括資產追蹤系統(tǒng)、智能電網或智能建筑自動化等。

　　根據IHS機構預測，在2018年時，全球MEMS在消費性電子產品與行動裝置的市場規(guī)模將達到57億美元，比起在工業(yè)物聯(lián)網的應用市場營收約 3.34億美元高很多。而在這些工業(yè)應用中，建筑物自動化包括由智慧電表、智慧家庭（Smart Home）、智慧城市（Smart City）等，將會是最主要的營收來源。

　　預期未來10年內MEMS在物聯(lián)網的最大商機及技術挑戰(zhàn)，仍會是在行動裝置與智能穿戴產品的相關應用。圖1是應用在消費性電子產品與穿戴裝置的熱門感測組件及其商品上市時程。

　　圖1　消費性電子產品與穿戴裝置應用的熱門感測組件及其商品化時程

　　穿戴裝置成為MEMS傳感器新興應用商機

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

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

　　因此，大多數(shù)傳感器皆須先經過應用在智能手機上商品化成功后，才會轉移到穿戴裝置來使用。其最成功的組件案例是慣性傳感器與MEMS麥克風，包括 Google、Apple、微軟（Microsoft）、摩托羅拉（Motorola）等多家知名大廠，皆已將此兩組件整合在自家的穿戴裝置產品內，成為其傳感器標準配備。

　　根據觀察，智能穿戴裝置在物聯(lián)網應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（例如飲食內容、走路步數(shù)、環(huán)境空氣質量等）、狀態(tài)（例如心情、膚導、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，結合科學技術來進行數(shù)據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，來有效評估改善個人生活質量。例如藉由智能穿戴裝置平日持續(xù)的生理信息監(jiān)測和記錄，未來醫(yī)療診斷將不僅依據患者的局部病征作判別，而會從飲食習慣與生活型態(tài)等根本原因一并考慮，邁向整合式預防醫(yī)療的服務模式。

　　滿足穿戴裝置物聯(lián)網應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組件在穿戴裝置上的應用訴求，是使系統(tǒng)達到微小化、低功耗、高性能及多功能整合等目的；而其最關鍵的兩大功能需求則在于感測與無線通信。

　　如表2所示，最有機會廣泛應用于穿戴行動裝置的MEMS組件包括動作感知、聲控辨識、無線通信及環(huán)境偵測四大類別。在無線通信方面，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塊，來擔負穿戴裝置系統(tǒng)長期連網與數(shù)據傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

　　為使無線系統(tǒng)尺寸縮小，除將內部射頻（RF）組件縮小之外，也須設法同時提高該組件的Q值（質量系數(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傳輸質量。

　　在MEMS傳感器的應用方面，目前市場規(guī)模最大者仍是慣性傳感器及MEMS麥克風；而近期包括高度計與氣體傳感器兩大組件，預期應用需求將會大幅成長。而未來最具市場爆發(fā)潛力的MEMS組件，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合式慣性傳感器來達到健身監(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。全球復合式慣性感測組件在消費性電子及行動裝置應用市場之營收，預估將由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，主要是在于他的應用便利性。

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

　　IHS市調機構研究顯示，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合式慣性傳感器應用在智能穿戴裝置內。

　　MEMS麥克風是目前MEMS產業(yè)中成長速度最快的組件，其在消費性電子產品的需求數(shù)量正在持續(xù)增加當中；例如在智能型手機內的應用，MEMS麥克風數(shù)量正從原本只需要一個，發(fā)展到甚至多達五顆，以便有助于消除噪聲和改善音質。

　　根據Yole市場研究報告，2013年全球MEMS麥克風市場產值達到7.85億美元，預估其在未來幾年內仍將持續(xù)以13%的CAGR快速成長，并在2019年達到約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。而對于聲控及高質量收音等應用，MEMS麥克風則是不可或缺的關鍵組件。

　　預期MEMS麥克風技術將朝向「高訊噪比」、「超寬帶率響應」與「高靈敏度」三大技術方向發(fā)展，以充分滿足未來穿戴行動裝置高質量的語音及辨識應用需求。然而，如何在產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鍵。

　　壓力/氣體/UV　MEMS應用如影隨形

　　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領域中十分成熟的產品技術。隨著室內地圖信息日趨完整，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，藉由結合云端網絡，也可以進一步實現(xiàn)所謂的定位信息服務（Location Based Service， LBS），提供使用者例如現(xiàn)地導覽介紹，或是周邊商店搜尋等適地性實時協(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定位導航功能上，必然也有極大的應用發(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品。

　　根據IHS預測，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)測空氣質量，而預期三星（Samsung）在2016年準備上市的Note 6手機，也將在產品內采用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，其應用領域十分廣泛，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質量與分辨率日益提升、制程技術愈趨成熟、并且組件價格逐漸下降，使得紅外線熱影像的應用變得越來越普及。

　　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塊。預期在不久之后，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準配備，并在行車夜視、智能家電和智能機器人視覺等多項物聯(lián)網新興應用中，成為不可或缺的重要MEMS組件。

　　事實上，智能穿戴裝置的技術已經發(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用技術邁入成熟期，才使得穿戴裝置商品化之技術門坎大幅降低。

　　根據IC Insights預估，在2013年至2018年間，MEMS產品市場的年復合成長率將達11.7%；到2018年時，MEMS年銷售額將達到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

　　推動物聯(lián)網產業(yè)快速發(fā)展的兩大關鍵，在于便宜的傳感器及足夠多的網絡地址。正在崛起的物聯(lián)網堪稱歷史上首見的智慧基礎建設革命，想要鏈接全世界所有的對象或裝置，形成一個由通訊、能源、物流、醫(yī)療、保全等網絡共同組成的巨型智能網絡，滿足其巨量數(shù)據高速傳輸?shù)脑O施、以及伴隨隨而來的網絡地址數(shù)量需求大到令人難以想象。

　　根據IDC預測到2020年時全世界連網裝置將超過兩千一百二十億個，而所需要的傳感器在2030年預估更將高達一百兆個以上。目前使用中的網絡協(xié)議IPv4，可提供四十三億個獨立網絡地址，而全球連接到網絡的人口已高達20億以上，因此網絡地址不足對于物聯(lián)網產業(yè)發(fā)展形成很大的障礙。

　　不過，此問題近期已獲得解決，國際組織因特網工程小組（IETF）已開發(fā)出下一代的網絡協(xié)議IPv6。IPv6使用128個位加以尋址因特網節(jié)點，尋址空間高達2的128次方（32bits擴充為128bits），預估地球上的每個人可分到一百萬個IP地址，所以未來從眼鏡、手表、手機、家電、汽車、甚至到建物設施或工廠設備等任何對象，都將會有一個獨一無二的IP地址，可透過網絡取得更新信息或進行遠程遙控等。其足夠容納未來10年內預估將連接到網絡的兩兆個裝置。

　　不僅只有物聯(lián)網，所有需要互動與智能判斷功能的對象都需要大量的傳感器。例如近期較新出產的高階車輛，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麥克風和氣體傳感器也即將跨足智能汽車應用，來大幅提升鴐駛座艙的環(huán)境質量。全球車用MEMS傳感器市場在2013年為26億美元，預估到2020年將可達到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，供應鏈廠商伴隨而來的挑戰(zhàn)將會是如何讓這些新組件可以更快速且成本更低的條件下進行量產，以確保產品的市場競爭力。

　　在1995年物聯(lián)網概念剛提出那幾年，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建在各種對象內的傳感器成本仍過高。多家國際研究機構都已提出對物聯(lián)網市場的預測，其大部分皆認為2020年整體聯(lián)網裝置將上看百億部，但要支持數(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)網絡。

　　MEMS傳感器由于已成功應用在智能手機中，歷經嚴苛的商品化技術挑戰(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塊封裝后將成本壓低至1美元以下，已非遙不可及的目標。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)網市場中的產品致勝關鍵。

　　物聯(lián)網應用的感測組件在成本與性能上皆須面對極嚴苛的挑戰(zhàn)。產業(yè)分析專家指出，以前MEMS的客戶都習慣先開發(fā)出自己的產品制程，再要求代工廠照著流程復制及改善，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準平臺去設計開發(fā)產品。

　　如此不僅制程相對穩(wěn)定、價格較便宜，并可大幅縮短產品上市時程。另外，為節(jié)省傳感器的封裝成本、并縮小尺寸，越來越多MEMS感測組件也都朝向大量采用新興的制程技術，例如以晶圓結合或是體深蝕刻等作法形成其結構。

　　為因應物聯(lián)網在不同應用領域的多樣化感測功能需求、并大幅降低感測節(jié)點數(shù)量，采用通用型芯片整合設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，直接設計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)所需感測功能。

　　為能大幅降低傳感器成本，近期MEMS在新技術開發(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。預期未來進軍物聯(lián)網市場的MEMS傳感器，其無論在材料、制程、設計、甚至制造流程等技術上，皆將面臨重大改變與競爭考驗。