力拓IoT市场版图 传感器制造商加速新品布局

物联网(IoT)的三大关键架构，包括感知层、网路层及应用层。感测器(Sensor)在物联网中扮演重要角色，物联网应用层面广阔，进而引发各式感测器的需求不断增加，无论是智慧行动装置、建筑、汽车中，都可以看见其踪迹。
动作感测发展成熟　ST/Bosch看好环境感知

事实上，感测器发展最早是由汽车产业带动，而后任天堂(Nintendo)的Wii及苹果(Apple)iPhone的成功，则开启微机电系统(MEMS)感测器在消费性电子应用商机，而今物联网应用兴起，预料将驱动MEMS感测器的第三波成长。

Bosch Sensortec亚太区总裁百里博(Leopold Beer)表示，历经汽车与消费性电子的洗礼后，MEMS感测器的技术与产品已更臻成熟，包括加速度计、陀螺仪、磁力计、压力计、麦克风，以及多轴、多功能整合的Combo感测器，皆已触手可得。

下一阶段，物联网将成为驱动MEMS感测器成长的主要动力，并带动各种智慧感测器、致动器(Actuator)、特定应用感测节点(Application Specific Sensor Node, ASSN)，以及客制化解决方案和多样演算法的需求。

百里博进一步指出，过去智慧型手机是引领MEMS感测器发展的要角，并衍生出加速度计、陀螺仪、磁力计、惯性量测单元(IMU)等动作感测器需求，因而能实现更直觉的人机介面、扩增实境(Augmented Reality)、摄影防手震、活动监测，以及室内导航的多样应用。未来，MEMS的创新应用则将由物联网来主导，并朝向环境感知方向发展，包括高度计、湿度计(Humidity)、温度计、气体感测器、环境光感测器等，都将愈来愈显重要。

意法半导体技术行销经理苏振隆则分析，MEMS感测器在智慧型手机、平板等行动装置领域的应用已愈来愈成熟，因此未来MEMS感测器的发展将有两个重要变化，一是由行动市场扩张至其他应用领域，包括智慧家电、汽车、工业及医疗等，另一则是由动作感知迈向环境感知，以实现更多样的感测功能。

也因此，意法半导体近期也推出一款紫外线(UV)感测器，经过阳光照射后可以直接呈现紫外线强度；且不若其他竞争对手推出的同类产品，只能单纯地显现UVA及UVB波长的讯息，该公司的感测器产品可直接呈现紫外线指数。


图1　ST紫外线感测器可直接输出紫外线指数资讯，大幅提升开发效率。
苏振隆进一步解释，至今全球仅意法半导体的紫外线感测器能直接呈现紫外线指数，其他竞争方案多半仍须利用额外的MCU来计算感测器所撷取的UVA/UVB波长指数，才能再转换成紫外线指数，因此耗电量相对也会增加。

除此之外，意法半导体的紫外线感测器尺寸只有2.5毫米(mm)×2.5mm×1mm，且产品已有与专业的紫外线检测仪器做过验证，所以毋须担心感测出的结果不够精确。

Bosch Sensortec也看好未来环境感测器市场，并瞄准行动装置、穿戴式装置，以及智慧家庭市场积极抢攻。以该公司近日推出的MEMS Combo环境感测器--BME680为例，已整合了大气压力、温度、湿度与气体(Gas)四种环境感测功能，且封装尺寸仅3mm×3mm×0.93mm，为一款高整合环境感测器解决方案。

另一方面，Bosch Sensortec近日也与戴乐格(Dialog)共同推出低功耗智慧型感测器平台。此平台可支援穿戴式运算装置、沉浸式游戏(包括扩增实境)、3D室内定位，以及导航服务的手势辨识。

据了解，此平台结合了戴乐格的DA14580系统单晶片(SoC)与Bosch Sensortec的三种低功耗感测器，包括BMM150三轴磁力计、BME280环境感测器，以及一款结合了三轴加速度计和三轴陀螺仪的BMI160；值得注意的是，该感测器平台功率消耗低于500μA。

该公司的BMI160六轴惯性量测单元将一个16位元三轴Low-g加速度计和一个低功耗三轴陀螺仪整合在一颗晶片内。当加速度计与陀螺仪处于完整工作模式时，典型的电流消耗为950μA，仅为竞争对手推出解决方案的一半。

ams力推高精准/高整合穿戴感测元件

以往晶片商通常只出售晶片，而手机与穿戴式装置制造商必须自己思考元件如何搭配使用；奥地利微电子(ams)台湾区总经理李定翰认为，现在的客户需要的不是只有晶片，而是更高精准度、高整合度，以及高相容性的完整解决方案。

以奥地利微电子推出的心跳监测解决方案为例，其是一种用于腕带型装置后面的感测器，搭配不同发光二极体(LED)和演算法，便可测得心率、血氧饱和度及血压等生命体征。

除了元件高相容性之外，李定翰认为，“精准度”也是感测器元件的一大重点。该公司与其竞争对手的产品相较下，精准度可达二至三倍以上，甚至有些可以高达十倍。

据了解，若是感测器精准度偏低，其搜集而来的数据送至后台运算后可信度极低；所以装置测得的不单单只是心跳、血氧及血压等数据，而是其后面更广大的个人健康规画市场。

李定翰补充，现在医学进步，人类的生命周期延长，此装置可以延伸为使用者个人的健康管理设备，若是数据不够准确，该装置只能视为玩具而非设备，所以感测器的精准度十分重要。


图2　亚德诺半导体亚太区MEMS市场经理赵延辉表示，“低功耗”是所有感测器业者关注的技术重点，该公司推出的产品皆以低功耗为主要诉求。

ADI/QuickLogic开发低功耗/小体积元件
无论是何种感测器，皆会走向小尺寸、低功耗以及高整合的设计方式。亚德诺(ADI)半导体认为，穿戴式装置崛起将对于感测元件的功耗与体积有更进一步的要求。

亚德诺半导体亚太区MEMS市场经理赵延辉(图2)表示，“低功耗”一直是所有感测器业者关注的重点，该公司推出的产品皆以低功耗为主要导向。举例来说，中国小米手环中所使用的ADI感测器元件ADXL362(图3)，便是以低功耗着称。

该感测器元件是一款超低功耗、三轴MEMS加速度计，输出资料速率为100Hz时功耗低于2μA，在运动触发唤醒模式下功耗为270nA。与使用功率工作周期来实现低功耗的加速度计不同。


图3　ADI感测器元件ADXL362
另一方面，QuickLogic也认为节能低功耗的产品是感测器的一大重点。该公司推出灵敏且低功耗的感测器平台，此平台能以少量功耗提供比传统基于ARM Cortex-M4F微控制器(MCU)的感测器集线器(Sensor Hub)方案高出80%的运算效能。

QuickLogic产品管理资深总监Frank A. Shemansky, Jr.(图4)表示，该平台为一多核心的系统单晶片(SoC)，内含三个专属处理引擎，包括该公司的μDSP-like FFE、ARM Cortex-M4F MCU，以及一组前端感测器管理器。FFE和感测器管理器可进行大量演算处理，可将浮点MCU的工作周期降至最低。


图4　QuickLogic感测器集线器平台架构
QuickLogic设计的这一款灵敏且高效能的平台，能在运行常时开启(Always On)语音触发和识别，同时其耗能低于350微安培，比以往基于MCU的解决方案为佳。

消费者胃口加大　东芝提升CMOS感测画素

如同MEMS感测器朝向小尺寸、低功耗与高功能整合发展，CMOS影像感测器的规格演进路线也大致相同。以东芝(Toshiba)为例，即不断致力朝这些方向努力。


图5　台湾东芝电子股份有限公司半导体行销部经理周彦勋表示，CMOS影像感测器规格将随着消费市场需求的变化，持续演进。


台湾东芝电子半导体行销部经理周彦勋(图5)表示，未来拥有自动对焦、高画素及高解析的手机相机，方能符合消费者要求。目前市面上多款智慧型手机相机中的CMOS影像感测器，皆已内建相位检测对焦(Phase Detection Auto Focus, PDAF)功能。东芝看好此一发展前景，不仅提升该公司CMOS感测器画素(Pixel)，也于其中内建PDAF快速对焦功能。

周彦勋强调，使用者对于手机相机画素要求越来越高，且照相功能也一直受到消费者关注，在此情况下，东芝的CMOS影像感测器，为因应市场上智慧型手机相机的需求，已推出800、1,300、1,600及2,000画素的解决方案，并于其中内建PDAF，实现快速对焦功能。

周彦勋补充，为了因应市场上的需求，东芝未来将开发Super Pixel，加强解析度与连拍，在高速连拍多张照片后，可合成一张超高解析度的影像；而目前该公司感测器的画素尺寸以1.12μm为主，未来会朝更微小化迈进。

显而易见，物联网的发展风潮顺势带起了感测器的强大需求，相关厂商无不加速投入市场布局，但不论是何种感测器，低功耗、小尺寸、高精准、高整合是目前感测器厂商在开发、设计产品时的重要考量。随着制造商争相推出消费者期待的解决方案，未来物联网中各式感测器产品将会更加完备，表现能力也将更上一层楼。