传感技术全力加持 汽车/工业/医疗应用添新意

有别于消费性电子较着重于惯性元件，汽车、工业、医疗三大新兴感测市场，所囊括的感测领域甚广，包括力觉、视觉、触觉等，且须跨领域合作的成分相当高。但也正因为这样的特性，开发出的解决方案更容易差异化，具备不可取代性。

根据工研院IEK指出，就应用别观察，感测器在通讯与消费电子应用占最大宗，2015年相关应用感测器产值达132亿美元(应用占比55%)。除比重最大之智慧型手机应用，还包括消费平板电脑、游戏机、穿戴装置。  
伴随自驾车、工业4.0、智慧医疗风潮兴起，带动感测器快速成长，2015年比重分别为汽车14%、工业9%、医疗应用8.7%(图1)，位居二、三、四大应用。而2015∼2020年产值复合年均增长率(CAGR)则分别为汽车10.3%、工业13.2%、医疗应用13.7%。  

图1　汽车、工业、医疗三大应用感测器展现强劲动能 资料来源：工研院IEK
相较于消费性电子一直以来对感测器的稳定需求，这三大异军突起的新兴感测市场，因须涉及广泛的跨领域知识，近年来成为元件商与应用、设备商，联手打群架的重要标的。  

四大工业流程感测需求各不同  

与汽车市场属单一应用不同，工业应用是个相对破碎而零散的市场，更由于每个制造产业的属性不同，解决方案也各自不同。根据工研院IEK指出，虽然产业属性不同，不过大部分的工厂都包含了机台加工、组装、检测、物流四项流程，而每个流程中，皆有对感测技术的不同需要。  


图2　工研院零组件研究部产业分析师谢孟玹表示，结合了多种感测器的工业穿戴眼镜如何导入工厂，是近年来的热门话题。
工研院零组件研究部产业分析师谢孟玹(图2)表示，这四项流程，将各自衍生对感测器的需求，像是在机台加工，目前最热门的议题是在设备诊断，加速度计可以协助判断有无异常的震动，而温度感测器则可以用来判断温差有无异常，或是机台变得过热的状况，再来则是噪音，像是齿轮磨损的声音是否过大，即是MEMS麦克风可以发挥的功能。  

在组装的部分，感测器应用比较明显的系统是机械手臂，以往机械手臂只用来搬东西，往后若要能够组装，就必须要有加速度计做到抓取，以及陀螺仪来做到旋转的功能，甚至如果要机器人锁螺丝，还需要扭力感测器(Torque Sensor)。  

谢孟玹进一步表示，在检测的部分，光学感测器目前已被广泛用于半导体、面板、电路板产业，可协助找出人眼所找不出的封装产品缺陷。近期较新的案例，是穿戴眼镜进入工厂，该装置中结合了三种感测器，麦克风、加速度计、3D视觉，将可透过侦测机台热变异的过程，来判断零件有无故障的征兆。  

不仅如此，现有厂商正在讨论，让未来巡检的过程也越来越智慧化，以往巡检人员须至机房进行抄表，再进行相关核对，若能透过穿戴眼镜做虚实整合，人力成本便可以降低许多，其中影像感测的技术便很重要。而在物流的部分，则像是无人搬运车中，有使用到红外线或磁力计来自动侦测方向。  

台湾罗姆设计中心副所长林志升则表示，在设备自动控制的应用设计中，感测技术是自动控制系统的耳目。环境监测型的感测技术，有助于搜集周遭环境的变化而调整或改变系统的运作。例如在智慧建筑的照明应用，由照度或RGB监测器来针对早晚的自然光源的强弱不同，来调整照明的强弱。也可以针对作息习惯来调整不同室内的室内光源及液晶萤幕等的显示色彩饱和度。  

而例如温湿度感测器可监测并调整空调运作，可侦测热点的红外线感测器，或侦测影像的CMOS感测器，则可针对人的移动等来控制空调的强弱及方向等。有效整合的自动化控制系统，将发展成智慧型的控制应用，而监测技术将在其中扮演重要角色。  


图3　Maxim亚太区执行总监丁宝明表示，有别于过往提供单一零组件，Maxim的整合(Integrated)解决方案，希望为客户的设计创新提供良好基础。
由于每个制造产业的属性不同，自动化程度也不同，因此在感测器的运用上，客制化将是必然趋势。供应商必须和客户保持非常密切的合作关系，知道他们主要的产品是什么，并分析该如何将他们的需求、应用整合到系统中，再进而产生解决方案。也因此工业应用的附加价值往往相当高，较不容易流于规模竞争。  

Maxim亚太区执行总监丁宝明(图3)表示，在近期刚结束的西班牙Electronic Show展中，作为零组件供应商的Maxim展出了，与电力和自动化技术厂商ABB，共同合作开发的足球制造工厂机器，获得非常大的回响，一个足球要从软的状态，到充气、量圆的半径、压力、外表的喷漆等，此次展出可以明显看到在机具控制上，我们做的程度。  

丁宝明进一步分析，其中，感测技术占据了此机器相当多的环节，并且由于制程紧迫，感测速度必须非常快。像是在充气时，就得感测出压力要充到多少位置，或者量测足球做出来是不是够圆，能不能符合相关规定。在各种严密的控制之下，此一机器所做出来的足球，已通过世界足球总会(FIFA)的认证。  


图4　Maxim台湾技术应用总监黄大峯表示，PLC厂商，对温度感测器、距离感测及控制有明显需求。
Maxim台湾技术应用总监黄大峯(图4)表示，在工业控制这一部份，Maxim有提供许多IO-Link的感测器节点产品。像是在与Rockwell合作的案例中，是以可程式化逻辑控制器(PLC)为主，因此这类工业控制制造设备需要的感测器，像是温度感测器、距离控制，其是以类比转数位(A-To-D)和数位转类比(D-To-A)讯号转换技术的方式来呈现。  

谈到机械手臂在工业应用的感测技术，黄大峯表示，机械手臂是该公司一直很希望能发展的领域，手臂的前端设备虽然不是由Maxim提供，但在后端讯号转换的部分，正是我们的强项。像是在动作侦测的马达感测(Motor Sensor)、马达驱动(Motor Driver)、红外线感测(IR Sensor)等，Maxim都有相关的I/O控制元件，另外，若回到电源管理的部分，Maxim也有相关解决方案。  

注入大量资源　汽车感测技术较劲味浓  
然而，车用感测器是近年成长比率第二大的市场。随着汽车电动化的趋势，电子零件相较于传统机械零件的采用比例，呈现飞快的成长速度，不过由于汽车技术的门槛颇高，让越来越多厂商，纷纷投入大量资源，用于强化自身汽车电子产品线，像是恩智浦(NXP)、英飞凌(Infineon)、亚德诺(ADI)、瑞萨(Renesas)等。举例而言，亚德诺半导体近期透过收购Vescent Photonics的固态雷射波束转向技术，进一步增强整合光达(LIDAR)系统的性能，以克服目前庞大的机械式产品在可靠性、尺寸和成本等方面的诸多重大缺陷。  

摄影机、毫米波雷达(RADAR)和光达等一系列感测器技术，为ADAS系统，提供了前向防撞预警、盲点监测、行人检测和自动驾驶等功能。摄影机主要用于目标识别，而毫米波雷达系统采用射频电磁波测距、光达则采用雷射波束测距。透过扫描式光达系统，可检测道路上或附近的目标，并可覆盖毫米波雷达系统和摄影机的盲点区域。  

敏感元件帮大忙　医疗应用走向人本化  

成长潜力位居第三的医疗智慧应用，因需求种类多样，应用呈现多元面貌，所采用的感测器也遍及各种技术，像是紫外线感测器、量测心律、血氧的光学感测器、量PH值的湿度感测器、做睡眠侦测的压电感测器等。  

工研院日前于美国荣获2016全球百大科技研发奖(R&D Awards)的行动辅助机器(图5)，以穿戴式外骨骼机器人的设计，协助伤友重获站立、坐下、平路行走、上下楼梯与斜坡的能力。其中，以人为本的研发理念，是得奖的关键因素之一，而能实现这样的理念，感测机制的建立，功不可没。  


图5　行动辅助机器人的避免受伤机制，与感测技术息息相关。
在此一行动辅助机器人的使用中，必须先感测到人的重心往前，判断人有向前走的意图，机器才会行走，一旦在行走中，感测到重心往后或重心太过前倾，也就是可能有跌倒的征兆时，机器便会停止。工研院智慧机械科技中心智慧制造技术组组长罗佐良表示，行动辅助机器人安装了多颗感测器，用以侦测使用者的全身状态，因而能做到如此的判断。  

不过由于医学的开发门槛也很高，目前较为主流的应用尚未出现。为使医疗智慧应用有更蓬勃的发展，Maxim日前所推出的hSensor平台，可望缩短工程师用感测器建构客制化电路板的时间。该平台同时也运用韧体原始码，允许设计者装载不同案例的演算法，以适应其特定应用。  

此一hSensor平台可用于开发健康、保健及高端健身应用，例如心跳带、心电图计、腕带装置、体温计、可抛弃式温度贴、血氧测量器、智慧体重计、生物识别等。举例来说，工程师可通过单个CR2032电池供电，设计出一种可穿戴贴片，用以持续纪录心电图，其使用寿命是目前方案的两倍，可节省超过50%的电量。