物联网发展风潮推助　传感器应用七十二变

　　随着物联网发展升温，感测器的重要性也与日俱增，需求亦跟着水涨船高。物联网装置开发商已开始引进动作、声音、影像、温度、湿度、气压、气体、紫外线等各式感测器，以实现小型气象站、室内导航等多样化智慧应用。

　　自1990年至今，MEMS感测器的应用有三波演进;一开始内建在汽车的安全气囊中，而后则是用于消费性电子内(例如任天堂的Wii)，第三波演进便是物联网崛起。

　　串联万物　感测器围绕你我生活

　　感测器是一种可以感知周遭环境的装置，可将收集而来的资讯转换成电子讯号，让系统进一步分析该讯息。其应用广泛且种类众多，光是携带型智慧装置中便内建动作、光线、互补式金属氧化物半导体(CMOS)影像及压力等多种感测器。

　　物联网的概念出现后，感测器开始大举进驻人类生活。感测器的应用范围小至可吞食的药丸，抑或是大到可让整座智慧城市(Smart City)中基础建设各自“拥有智慧”，并且互相连结。

　　事实上，智慧城市的建造，并不是全然以新的基础设施取代现有的设施，而是可将原本只有单一用途的基础设备转换成多功能的建设;而这些多功能的建设中，感测器就担任要角。

　　举例来说，采用高通(Qualcomm)3G数据机(Modem)的BigBelly智慧垃圾桶，在垃圾须要清空或是快要发出臭味时，其内建的感测器可透过全球定位系统(GPS)将收集到的数据发送到监控中心，藉此通知清洁人员何时应该要来处理垃圾。 除此之外，城市的智慧感测装置可以收集并传送周遭环境的交通状况与污染程度的讯息。

　　针对城市交通的部分，智慧型的计费表可以接受硬币、信用卡、近距离无线通讯(NFC)智慧型手机，以及行动支付来缴清停车费用;如此一来，当市民找到停车位时不再需要争先恐后的将硬币投入停车计费表中。而这些智慧计费表还配备了车辆感测器，藉此可在城市应用程式(City App)中传递讯息，让驾驶人不必兜一圈才能找到停车位。

　　意法半导体技术行销经理苏振隆表示，环境感测将是下一波MEMS感测器趋势。近年来消费者对于生活周遭的环境品质要求上升，因此带动一波环境感测器的需求上涨。

　　动作感测就定位　感知环境新方向

　　在智慧型手机以及穿戴式装置应用中，陀螺仪(Gyroscope)、加速度计和磁力计等动作感测器(Motion Sensor)已发展成熟。制造商们开始找寻创新应用，意法半导体(ST)与Bosch Sensortec皆认为，环境感测器(Environmental Sensor)将是接下来微机电系统感测器一大重要发展方向。

　　意法半导体技术行销经理苏振隆(图1)表示，环境感测将是下一波MEMS感测器趋势。近年来消费者对于生活周遭的环境品质要求上升，因此带动一波环境感测器的需求上涨;无论是湿度(Humidity)、海拔高度、大气气压(Pressure)、紫外线(UV)，以及温度(Temperature)都可藉由环境感测器测得。

　　Bosch Sensortec亚太区总裁百里博表示，未来内建于智慧型手机的环境感测器功能，将包括计算使用者消耗的卡路里数、显示位置的海拔标高、空气中的湿度、当下气温，以及感测环境中的光线等。

　　据了解，意法半导体开发出的紫外线感测器，已被用于化妆包、帽子、发饰，以及高尔夫球杆中。由于现代人怕皮肤直接接触有害光线，但是无从得知当下环境UV指数是否超标，因而有厂商想出在这些产品中，提醒使用者是否适合曝晒在太阳底下。

　　Bosch Sensortec亚太区总裁百里博(Leopold Beer)(图2)也表示，未来内建于智慧型手机的环境感测器功能，将包括计算使用者消耗的卡路里数、显示位置的海拔标高、空气中的湿度、当下气温，以及感测环境中的光线等;为了满足物联网往后的应用需求，该公司会将物联网的感测器发展主力放在动作及环境感测上。

　　由于现在生活环境中空气污染严重，所以在环境感测器的应用中，气体(Gas)相关应用将会是环境感测器未来的关注目标。由于消费者希望藉由此类感测器得知生活中空气污染物、有毒气体及细悬浮微粒(PM2.5)的含量是否已达到危害人体的界线;另一方面，气体感测器也可作为酒精浓度侦测器。

　　行动装置应用成熟　智慧家电加速跟进

　　随着行动装置中的感测器应用发展日益成熟，消费者的需求开始慢慢扩张，现在智慧家电亦开始加速感测器的相关应用。

　　苏振隆表示，目前湿度感测器应用于家电类产品居多，例如除湿机与智慧冰箱都须要感应空气中的湿度高低。现阶段若是环境太过潮湿，手机可以提醒使用者应开启除湿机。但在进入物联网的时代后，使用者希望物品可以自动化，所以未来将感测器加入机器中，将可做到湿度提高时除湿机会自动运作;而冰箱也须自动侦测空间内湿度才得以做出湿度控制，以防食物产生脱水现象。

　　奥地利微电子台湾区总经理李定翰表示，智慧照明可藉由感测热能，自动感应使用者进出状态，确实地开启或是关闭灯泡电源，以便做到真正的节能。

　　苏振隆补充，湿度感测器也可以应用于汽车的雨刷，若是下雨或是有液体喷溅到车窗上，感测器可以自动启动雨刷，排出挡风玻璃上的液体。

　　奥地利微电子(ams)台湾区总经理李定翰(图3)表示，智慧电灯(Smart Lighting)可藉由感测热能，自动感应使用者进出室内的状态，确实地开启或是关闭灯泡电源，以便做到真正的节能;相较之下，以往利用红外线感应物体的经过来决定电灯开起的设计，则容易因为物体长时间未有移动，而自己熄灭。

　　掌握心率/血氧/血压　光学式生物感测器“看透”你

　　光学式生物讯号感测器(Biosensor)需求飙涨。近年来，消费者开始注重自身生理健康，一般穿戴式装置中简单的计步与睡眠监测功能早已不能满足使用者需求，透过不同波长的发光二极体(LED)照射在皮肤上来测量心率、血压及血氧等生理数值才是穿戴式装置的发展趋势。

　　李定翰表示，近年来资讯科技(IT)大厂开始跨领域购并医疗与生物相关的厂商，原因是看好未来光学式生物讯号感测器的需求会持续上升。

　　据了解，手机市场已经趋近饱和，所以穿戴式的应用将会是此类感测器的成长方向;再加上今年初苹果智慧手表(Apple Watch)上市以来，带动了一股穿戴式的风潮。各家厂商开始推出内建光学式生物讯号感测器的手表/腕带式的装置，让消费者可透过萤幕或是搭配的行动应用程式(APP)，来监测自身的身体状况。

　　光学式生物讯号感测器是透过光照在使用者的皮肤上，光线被人体中的组织、骨骼与血管吸收、打散及反射，感测器则是侦测这些反射光来收集数据。常见的红光波长(850～940nm)不适合手表/腕型装置使用，因手腕不像指尖与耳部有血量丰沛的微血管;绿光波长(525nm)、黄光波长(590nm)是目前市面上常见的解决方案。

　　确保长时间运作　低功耗成感测器发展重点

　　不论是何种应用层面，“低功耗”皆为感测器的重要发展趋势。举例来说，穿戴式装置受到体积与重量的限制，其微控制器(MCU)与MEMS感测器等元件开发商，纷纷推出超低功耗、小体积、高精确度，以及高整合度的解决方案。

　　亚德诺(ADI)半导体亚太区MEMS市场经理赵延辉表示，2015年开始手机市场成长趋缓，未来感测器的应用发展应朝向低功耗与小尺寸的穿戴式市场迈进。

　　据了解，大部分的穿戴式装置感测器需要极低功耗，原因是为因应消费者的便利性需求;因为穿戴式产品需要长时间待机，以备使用者随时可唤醒使用其功能;而智慧手表则须要一天充电一次，这对大部分的使用者来说便利性偏低。

　　另一方面，若是应用于智慧家庭(Smart Home)中，安装于燃气表的感测器，须要长时间监测何时地牛翻身，方可自动切断燃气供应;但由于地震来临的不确定性，所以感测器可能需要为期5～10年的待机时间。

　　据悉，极低功耗的感测器应用十分广泛，不少厂商开始推出道路周边碰撞感测器。此类感测器可安装于人烟稀少的路上，若是驾驶人在开车的过程中发生意外，感测器可自动感应环境中不正常的碰撞，可直接通报道路救援系统进行驰援。此类元件需要极低功耗，以备需要时可正常运作。

　　QuickLogic产品管理资深总监Frank A. Shemansky, Jr.则认为，感测器的技术挑战是尺寸、成本，以及其性能(准确性与功率效率等)。该公司推出的感测器处理系统能以少量功耗提供比传统ARM Cortex-M4F微控制器感测器集线器(Sensor Hub)方案高出80%的运算功能。

　　另一方面，Bosch Sensortec也提出未来的感测器愿景是将所有感测功能整合于同一晶片上，同时，该晶片还拥有电池足以供电，以及无线联网功能。

　　除MEMS感测器前景看俏外，影像感测器需求也在物联网发展风潮的推助下日益走扬，特别是机器视觉与嵌入式视觉技术在未来物联网应用中将扮演重要角色，因此兼具尺寸与成本优势的CMOS影像感测器，可望成为实现深度学习等更智慧化功能不可或缺的关键元件。

　　内建PDAF快速对焦　CMOS影像感测器升级

　　就目前发展来看，智慧型手机仍是CMOS影像感测器最大应用市场，因此相关感测器开发商皆不断推陈出新，以满足手机市场愈来愈高规格的应用要求。以东芝(Toshiba)为例，不仅致力提升该公司CMOS影像感测器画素(Pixel)规格，更于其中搭载相位差自动对焦(PDAF)技术，赋予手机相机快速自动对焦、高画素及高解析等功能。

　　台湾东芝电子半导体行销部经理周彦勋表示，市场上对于手机相机画素的要求不断提升，且希望拥有更丰富功能;目前市面上已有多款智慧手机相机中已有内建PDAF功能，短时间内便可为使用者实现相位自动对焦，且无论是静态或是高动态范围都能完整拍摄目标。

　　除力拓手机版图外，东芝也看好汽车市场对影像感测器的需求，积极推出车用解决方案，如日前发布一款全新的两百万画素车用CMOS影像感测器--CSA02M00PB，其配备产业首创的LED闪烁抑制功能，可将LED光源引起的影像闪烁最小化，实现更快速、更精确的影像感测。

　　周彦勋指出，以往东芝CMOS影像感测器产品线的发展重心多锁定智慧型手机和平板装置等应用，但未来也将扩大延伸至汽车市场，以满足车用影像感测的发展需求。

　　由上述得知，物联网的发展风潮，带动了感测器每一个应用层面起飞，各家感测器业者正利用各式解决方案抢拓市场版图。未来不论是家中、卖场、学校，甚至医院，皆可看见感测器的踪迹。