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多重感測能力 打開MEMS工業應用大門

2018-11-15 10:30CTimes零組件

【作者: 王岫晨】

MEMS是一種微機電系統,而MEMS感測器則是透過微機電的製程,將微型電路與機械結構整合於同一晶片上,來進行感測功能的一種元件。MEMS技術透過半導體的光刻、腐蝕、薄膜等製程,來實現毫米甚至微米等級的感測器尺寸。也正由於採用的是半導體製程技術,使得MEMS感測器可以大量生產,且良率也穩定,也可以達到壓低生產成本的目的。

目前智慧電子產品已經成為市場趨勢,隨著智慧物聯網產品與整機製造市場的穩定帶動,對於感測器的應用需求開始偏向微型化、智慧化、低功耗、高整合、以及低成本,並且必須能大量生產。在這些條件下,MEMS感測器成為了解決市場需求的最佳解答,因此近年來也帶動了MEMS感測市場一波高速的發展契機。

MEMS感測器的多元應用

MEMS感測器的應用場合十分多元,物聯網、消費性電子、汽車、穿戴、醫療保健、以及工業生產等,都是MEMS感測器十分適用的領域。消費性電子產品可說是MEMS感測器最普遍的應用市場,細分之下還可以包括時下流行的遊戲裝置、智慧手機、平板電腦、筆記型電腦、導航裝置、電視遙控器與電子玩具等。

圖1 : 汽車是感測器應用的大宗。關注重點在於安全、舒適和節能。
圖1 : 汽車是感測器應用的大宗。關注重點在於安全、舒適和節能。
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至於汽車則是MEMS感測器市場的大宗,車用感測器的關注重點在於安全、舒適、方便和節能。目前MEMS感測器在汽車上有許多應用,包括用於撞擊偵測、車輛穩定性控制、車輛平穩性控制、導航、車輛安全、側翻偵測、電子制動控制、引擎振動監測、坡道起動輔助系統、以及胎壓監測系統等。

而健康與醫療保健產業,則算是MEMS感測器在行動裝置市場中,成長速度最快的應用類別之一。由智慧穿戴與健康照護所融合而出的個人健康監測裝置,包括計步器、活動監測器、倒地偵測、個人緊急應答系統、睡眠跟蹤裝置、個人血壓監測器,以及其他相關的身體機能監測裝置等,商機十分龐大。

此外,工業市場也成為MEMS感測器近年來十分火熱的一個應用領域。由於工業環境具有極端溫度、劇烈振動和機械衝擊等極端環境的問題,使得不論是機器人運作、平台穩定化、工業裝置的動作控制、安全監控裝置、車輛導航等工業環境應用,都為感應器本身是否能適應工業嚴苛環境帶來了巨大挑戰。

圖2 : 多軸感測器為穿戴式裝置帶來更大的便利性。
圖2 : 多軸感測器為穿戴式裝置帶來更大的便利性。
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只不過由於感應器對於提供產線資訊來改善產品生產與系統效能、提高穩定性及安全性,以及降低維護成本等具有十分大的效益,因此工業生產環境中也大量採用了感測器,特別是MEMS感測器可為工業應用提供更低的成本與更高的優勢,因此隨著工業4.0崛起,更增加了MEMS感測器在工業環境的能見度。

感測器整合需求日益迫切

近年來,由於物聯網與穿戴式裝置的普及,成功為感測器市場帶來一波成長契機,然而由於應用的多元,也使得感測器的整合更為重要。感測器的整合正是多軸化,隨著多軸化而來的整合工作,成為設備與系統業者的重要工作,畢竟沒有系統工程師會希望看到,採用的多顆感測器雜亂散置在電路版上的不同角落裡,不僅增加設計困難度,對於系統的輕薄化以及物料成本等方面都不會有任何幫助。

目前感測器廠商所主推的方案中,除了單一的感測器之外,最常見的就是模組化的整合感測系統,模組化的方式可將多軸感測器整合在一起,這樣的模組通常還會整合自家的處理器或MCU等,透過這些產品打造出完整的感測模組,並將這樣的感測模組出貨給物聯網或穿戴式裝置的系統商或設備商,可達到畢其功於一役的效用。

只不過,一體化的模組方案儘管可為設計省下不少麻煩事,但從目前行動裝置輕薄化的趨勢來看,採用模組化的感測方案對於這些終端裝置來說仍然稍嫌笨重,最好的方法仍然是進一步透過系統級封裝,來打造單一完整的感測系統晶片,這才是滿足感測系統高度整合的必要手段。

感測系統的多軸化,也代表在同一系統中必須整合多種不同的感測元件。然而感測元件範圍包山包海,從常見的加速度計、陀螺儀和地磁羅盤,到壓力計、溫度計、光感計,甚至還能感測聲音、味覺、嗅覺等感測器。多數廠商至多擁有部分感測技術,但要能廣泛且全面的包辦所有感測元件,這樣的廠商目前仍為數不多,且並非所有廠商都能一手包辦所有感測元件。透過廠商間的合作夥伴關係,可將不同廠商的感測元件整合在同一個感測模組上,來打造成一個感測系統。

這種狀況雖然在現今的感測系統上很常見,不過由於感測元件來自不同廠商,因此品質良莠就得視各廠商的技術而定。也因此在半導體產業,感測晶片商通常會強調其產品從上游到下游均一手包辦,如此一來,產品品質都能夠自行掌握,不會受到外來因素的影響。

放眼未來,感測技術的自有化,仍將是所有感測大廠致力追求的目標,不論是自行開發或者透過併購獲得感測技術,隨著感測技術的自有化之後,感測器廠商將更容易打造品質一致的多軸感測系統,且技術自有化之後,對於整體感測系統的整合,更將能達到事半功倍之效。

工業感測器競爭日趨激烈

在工業環境中,感測器的採用數量也是日漸提升。尤其智慧化是近年來製造業發展的重要趨勢,由於智慧製造系統需要透過大量感測器擷取底層設備與環境的數據資料,因此為感測器市場提供了龐大商機。工業生產環境由於條件嚴苛,因此工控設備的感測器多採用專業的工業級別感測元件。不過,許多對於成本敏感、且並不需求過高效能的工業市場,採用消費型感測元件將會更合乎應用上的需要,因此已有廠商開始使用消費性感測元件大廠所推出的工控等級感測產品。

圖3 : 工業感測器的長期市場需求已經浮現。
圖3 : 工業感測器的長期市場需求已經浮現。
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一般來說,工業生產系統對於設備的需求,一直都以穩定度為最高考量,因此其感測器也多會採用專業的工業等級產品。工業級別的感測器不論在穩定度與效能等方面,一般消費性感測器都難以取代,儘管雖然價格高昂,然而佔整體生產系統的成本比重並不高,因此絕大多數工業生產的系統製造商都會選擇此類產品。

而今日,隨著智慧製造系統中的感測器數量逐漸多元,部分應用並不需要採用工業級別的高效能感測器(如機台監測),這些應用對於成本也更為敏感。在這樣的狀況下,長期投入消費性感測器元件發展的大廠如ST,其所推出的工業感測器,就成為這些客戶的新選擇。

以ST的感測元件來看,其工業感測器針對穩定度方面有所強化,更提供長達10年的保證期,加上價格只有專業工業感測器的一半,這些對於工業客戶都產生了強大誘因,而這樣的長期市場需求也已經浮現,未來在工業領域的感測器市場競爭也將會更趨激烈。

加速佈局工業市場

工業4.0號稱將帶動第四次的工業革命,在落實上當然有其困難。特別是工業4.0更偏重於透過網路實體系統來賦予終端裝置更高的智能化,且不同領域市場均存在著不同的技術需求,要能滿足這些不同層面的應用,除了累積的經驗之外,更要有能力提供市場所需的完整產品陣容。

就以工業4.0的特性來看,其發展是透過網路實體系統、物聯網等,來整合自動化的電腦與電子設備。這其中,MCU、感測器與聯網功能將是核心元件,並依此來擴展到更全面的系統與終端市場應用。在工業環境中,打從先期的預測性維護與自動化、產線的即時監測與校準,到資產的追蹤與供應鏈管理,再到震動偵測、油電用量、流量計算與水位監測等,在在都與感測器息息相關。

而MEMS感測器本身的優勢,就在於體積小、重量輕、功耗低、耐用性高、效能穩定等優點。透過MEMS的微機電製程可透過大量生產來降低製造成本,且MEMS的微縮製程也能打造出微小且精確的機械元件。因此感測器大廠紛紛將目光從原本的消費性電子領域,轉移到工業市場。

圖4 : 工業環境與感測器息息相關。
圖4 : 工業環境與感測器息息相關。
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這原因很簡單,消費市場儘管數量龐大種類繁多,然而一來包括智慧手機與穿戴式裝置逐漸飽和,使得出貨量難再有大幅度的突破,加上消費性電子產品的利潤並不高,對於整體營收有一定的限制。這種種因素,也使得現有的MEMS感測器大廠將自家產品加速佈局工業應用市場。

結語

事實上,工業應用的多元性,比起消費性電子市場有過之而無不及。工業市場包羅萬象,從產品的生產製造、安裝組裝乃至於營運階段,都是在工業應用的範疇。因此感測器廠商比的已經不是誰家的感測元件種類較多元,或者誰家的整合度更高,而是在產品從生產、運輸到壽命結束,都要有能力提供全套感測器以控制相關設備。而由於高整合的多軸感測系統已經是重要趨勢,因此提供多重感測能力,也成為推動工業自動化時代新一波MEMS產品的關鍵所在。

2018年11月智慧語音
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