物联网需求爆发　MEMS传感器商机飞跃成长

感测器是建构物联网不可或缺的关键元件;随着各产业领域业者纷纭投入物联网利用开发，已刺激动作、影象、温度、湿度、紫外线、气压及有机气体等感测器需求急剧爬升，相干元件制造商无不积极研发新产品，以抢搭此波商机。

物联网行将建构的美好生活使人充满想像。人类将透过1个由全球数亿人所共有同享的巨型智慧网路基础建设，进行全面性的社群交换与资讯分享，并且经过连结实体物件及虚拟分析整合，到达无所不在的侦测、辨认、控制及服务。

物联网可藉由亿万个遍及于体内、体外与周围环中的智慧感测装置，长时间搜集记录所有关心的目标讯息，并利用先进分析技术处理这些巨量资料，延续创造出预测性演算法或智动化系统，来到达改良能源使用效力、提供优良医疗服务、增加生活舒适便利性、下降安全风险、或是提高生产力等目的。

在2014年，台湾半导体产业协会(TSIA)的年会中，张忠谋以“Next Big Thing”为题发表演说。他表示，下1个Big Thing是物联网，而物联网商机将可望于5到10年内萌芽。

感测技术　IoT基础建设核心项目

在无穷感测、万物互联的未来世界中，将充满着各式各样的智慧技术，例如无人车辆会自动驾驶、让行车更安全;智慧家电提供便利舒适的生活管家及保全服务;植物工厂精准掌握作物生产进程、解决气候剧变致使的粮荒问题;工业4.0实现安全有效力的人机协作、提升产品良率与品质。

远距医疗网路带来更优良便利的医疗服务;智慧电网提升城市能源使用效益、带动经济成长、并减缓全球温室效应等。而对个人而言，行动及穿着式装置则将提供无处不在的资讯服务及生活照顾。

物联网整体架构基本上是由感测层、网路层及利用层所组成，其3大关键技术种别则包括感测器、网路通讯和大数据分析。特别是感测器技术，是物联网智慧基础建设中最核心的项目。

根据市场统计资料，在2007年时已有1千万个感测器将各式各样的装置连结到网际网路上;而2013年时，联网的感测装置已激增到3105亿个。预估到2030年时，连结物联网的感测器数量将超过1百兆个之多。

如此庞大的感测器需求范围，将能为现有及新兴厂商带来丰富利润的市场机会。根据Yole的研究预测，2024年全球物联网产业将到达4,000亿美元的范围，复合年均增长率(CAGR)高达42%。而物联网所必须利用之感测器市场营收，预估2022年时将成长超过140亿美元。

感测器普及　加速物联网时期到来

2014年全球手机出货数量已超过101亿支。智慧型手机是目前最便利的上网工具，同时也是数量最多、使用者黏着度最高的消费性电子随身装置;由于其同时具有感测、连网及运算贮存等最好条件，只要用1支手机就可以够获得世界上所有资讯，因此被公认为是开启物联网时期的最好核心终端装置。

苹果(Apple)公司于2007年首度将微电机系统(MEMS)加速度计利用在iPhone中，开启手机产业的感测器革命。而MEMS感测器在手机利用的数量范围和多样性，也仍不断在快速成长当中。

单就Apple公司为例，截至目前为止已具有超过3百510篇以上与感测器相干的发明专利，而申请内容包括触控、影象、运动、振动感测、资料运算、掉落感知及亮度感知等等，可见其积极布局智慧感测器未来市场的野心。

目前有许多的行动装置如手机、笔记型电脑、数位相机等，皆已广泛采取MEMS元件于系统中，以取得更良好的操控性能和创新功能。而随着MEMS技术利用风潮的快速突起，也使得轻浮及微小化变成目前消费性电子产品全面寻求的时尚新趋势。

凭藉半导体晶圆制程的成熟优势，MEMS感测元件具有灵敏度高、性能均1、本钱便宜、可批次生产等特点，不但合适普及利用在数量庞大的消费性电子产业，未来也必定将成为物联网感测利用市场上的营收亮点。根据IC Insights预估，至2018年MEMS感测器的总出货量可望达9103亿颗，而产值将到达122亿美元。

若是以物联网感测器利用需求爆发的时间点来辨别，首波热潮绝对仍会是行动装置与智慧穿着产品，其次为车辆物联网，以后才会真正进入到需求广泛且种类多样化的工业物联网(IIOT)。

此地方谓的工业物联网，范围包括传统的工业利用，例如医疗、导航、军事、航空、地震勘探及制程控制等，和业界目前正在定义中、利用MEMS感测元件技术的新型态工业物联网，此新兴利用包括资产追踪系统、智慧电网或智慧建筑自动化等。

根据IHS机构预测，在2018年时，全球MEMS在消费性电子产品与行动装置的市场范围将到达57亿美元，比起在工业物联网的利用市场营收约3.34亿美元高很多。而在这些工业利用中，建筑物自动化包括由智慧电表、智慧家庭(Smart Home)、智慧城市(Smart City)等，将会是最主要的营收来源。

预期未来10年内MEMS在物联网的最大商机及技术挑战，仍会是在行动装置与智慧穿着产品的相干利用。图1是利用在消费性电子产品与穿着装置的热门感测元件及其商品上市时程。

图1　消费性电子产品与穿着装置利用的热门感测元件及其商品化时程

穿着装置成为MEMS感测器新兴利用商机

智慧穿着装置是目前最热门的新兴产品，其所使用的感测元件，大多仍与智慧手机者相同。主要是相较于手机利用，穿着装置所使用的感测器不管在尺寸、耗电量、感测灵敏度或是元件可靠度上，通常皆须面对更严苛的要求。

目前已处于市场百家争鸣的智慧手表，即便结构上所允许的设计空间及电池容量皆远小于手机，但使用者却对声控、动作感知、或是续航力等产品性能，有与手机相同的期待。

因此，大多数感测器皆须先经过利用在智慧手机上商品化成功后，才会转移到穿着装置来使用。其最成功的元件案例是惯性感测器与MEMS麦克风，包括Google、Apple、微软(Microsoft)、摩托罗拉(Motorola)等多家知名大厂，皆已将此两元件整合在自家的穿着装置产品内，成为其感测器标准配备。

根据视察，智慧穿着装置在物联网利用最具商机潜力的两大功能项目在于量化生活(Quantified Self)及随身环境安全监测。所谓量化生活是指将个人逐日生活中的输入(例如饮食内容、走路步数、环境空气品质等)、状态(例如心情、肤导、心率、血氧饱和度等)及表现(包括心理及生理面向)等参数变化，结合科学技术来进行资料撷取记录的1种活动。

其目的是藉由分析具体化的自我量测数据，来有效评估改良个人生活品质。例如藉由智慧穿着装置平日延续的生理资讯监测和记录，未来医疗诊断将不但根据患者的局部病征作辨别，而会从饮食习惯与生活型态等根本缘由1并考量，迈向整合式预防医疗的服务模式。

满足穿着装置物联网利用的常见感测功能如表1，大致可包括活动感知、影象感测、环境感测及生理感测4大种别。MEMS元件在穿着装置上的利用诉求，是使系统到达微小化、低功耗、高性能及多功能整合等目的;而其最关键的两大功能需求则在于感测与无线通讯。

如表2所示，最有机会广泛利用于穿着行动装置的MEMS元件包括动作感知、声控辨识、无线通讯及环境侦测4大种别。在无线通讯方面，智慧穿着装置通常需要尺寸微小、并且功耗超低的无线前端模组，来担当穿着装置系统长时间连网与资料传输等工作。

为使无线系统尺寸缩小，除将内部射频(RF)元件缩小以外，也须想法同时提高该元件的Q值(品质系数)，如此才能下降环境杂讯的干扰影响，提供符合需求的无线讯号传输品质。

在MEMS感测器的利用方面，目前市场范围最大者还是惯性感测器及MEMS麦克风;而近期包括高度计与气体感测器两大元件，预期利用需求将会大幅成长。而未来最具市场爆发潜力的MEMS元件，将可能会是红外线影象感测器。

越来越多的穿着装置利用复合式惯性感测器来到达健身监测功能，并实现系统智慧节能与姿态控制等目的。全球复合式惯性感测元件在消费性电子及行动装置利用市场之营收，预估将由2013年约4.43亿美元成长至2017年超出10亿美元范围。

复合式多轴惯性感测器遭到广泛接受的最大缘由，主要是在于他的利用便利性。

系统商可买进1颗复合式惯性感测器取代本来的2至3颗惯性元件，并且也可同时由供应商获得该感测器最好的感测融会解决方案。

IHS市调机构研究显示，下1阶段公道的市场演进，将会是见到愈来愈多的6轴或9轴复合式惯性感测器利用在智慧穿着装置内。

MEMS麦克风是目前MEMS产业中成长速度最快的元件，其在消费性电子产品的需求数量正在延续增加当中;例如在智慧型手机内的利用，MEMS麦克风数量正从本来只需要1个，发展到乃至多达5颗，以便有助于消除杂讯和改良音质。

根据Yole市场研究报告，2013年全球MEMS麦克风市场产值到达7.85亿美元，预估其在未来几年内仍将延续以13%的CAGR快速成长，并在2019年到达约16.5亿美元的市场范围。而全球的出货量也将在2019年时到达6106亿颗，相较于2013年的出货量2104亿颗将有更大幅度成长。

在穿着行动装置例如Google眼镜或是智慧手表的利用上，欲实现人机之间最自然的互动及操控，采取“语音”方式绝对是最好选项。而对声控及高品质收音等利用，MEMS麦克风则是不可或缺的关键元件。

预期MEMS麦克风技术将朝向“高讯噪比”、“超宽频率响应”与“高灵敏度”3大技术方向发展，以充分满足未来穿着行动装置高品质的语音及辨识利用需求。但是，如何在产品的专利布局与本钱良率上获得优势，还是竞争厂商是不是能在未来市场上获得庞大商机的决胜关键。

压力/气体/UV　MEMS利用如影随形

高度计(Barometer)是1种绝对式压力感测器，而压力感测器的发展源自于70年代，其早已经是MEMS领域中10分成熟的产品技术。随着室内地图资讯日益完全，若加入其高度侦测功能，将可实现完全的行人导航筹划，帮步行使用者拟定出包括穿越地下道、百货商场、1般马路、或天桥等的最快线路。

另外，藉由结合云端网路，也能够进1步实现所谓的定位资讯服务(Location Based Service, LBS)，提供使用者例如现地导览介绍，或是周边商店搜索等适地性即时协助。因此，其未来在穿着行动装置例如智慧眼镜或智慧手表的室内定位导航功能上，必定也有极大的利用发展潜力。

气体感测器使用在穿着行动装置上，可随时侦测周遭环境有害气体，例如1氧化碳(CO)、2氧化碳(CO2)或是瓦斯(Gas)等浓度，或是个人呼气时的疾病代谢气体如1氧化氮(NO)、氨气(NH3)等，及时提供使用者在安全和健康方面的生活照护提示。

其若同时结合湿度、压力、紫外线(UV)或温度等感测功能，则可组成所谓的环境感测器。目前消费电子产品中仍较少采取环境感测器。但是，2015年将是环境感测器起飞的1年，包括博世(Bosch)、Figaro、Sensirion及Cambridge等知名公司，皆已陆续推出自家的气体感测器产品。

根据IHS预测，气体感测器将在2015年正式进军行动装置市场。中国手机制造商将率先采取环境感测器来随身监测空气品质，而预期3星(Samsung)在2016年准备上市的Note 6手机，也将在产品内采取MEMS气体感测器。

红外线感测器主要是侦测外界物体的温度变化，其利用领域10分广泛，包括行车夜视辅助、工业安全监测、气体成份分析、夜间保全监视、医疗影象检测等。近几年来随着红外线影象感测器的影象品质与解析度日趋提升、制程技术愈趋成熟、并且元件价格逐步降落，使得红外线热影象的利用变得愈来愈普及。

2014年年初时FLIR公司推出1款具有高灵敏度红外线影象感测功能的手机壳配件FLIR ONE，可供个人随时检知包括体温、食品或周遭环境等温度影象，作为生活中便利的随身辅助工具。

2014年9月SEEK公司也推出可以USB连接的微型红外线影象感测模组。预期在不久以后，红外线影象感测器将很有机会变成行动装置及智慧穿着装置的标准配备，并在行车夜视、智慧家电和智慧型机器人视觉等多项物联网新兴利用中，成为不可或缺的重要MEMS元件。

事实上，智慧穿着装置的技术已发展超过20年。而最近几年来随着MEMS在智慧型手机与平板装置的利用技术迈入成熟期，才使得穿着装置商品化之技术门坎大幅下降。

根据IC Insights预估，在2013年至2018年间，MEMS产品市场的年复合成长率将达11.7%;到2018年时，MEMS年销售额将到达122亿美元。而全球穿着装置的感测器市场出货数量范围，也将从2013年的6700万个，大幅成长到2019年的4.66亿个，6年间将成长接近7倍。

便宜感测终端实现万物互联基础

推动物联网产业快速发展的两大关键，在于便宜的感测器及足够多的网路位址。正在突起的物联网可谓历史上首见的智慧基础建设革命，想要连结全球所有的物件或装置，构成1个由通讯、能源、物流、医疗、保全等网路共同组成的巨型智慧网路，满足其巨量资料高速传输的设施、和伴随随而来的网路位址数量需求大到使人难以想像。

根据IDC预测到2020年时全球连网装置将超过两千1百210亿个，而所需要的感测器在2030年预估更将高达1百兆个以上。目前使用中的网路协议IPv4，可提供4103亿个独立网路位址，而全球连接到网路的人口已高达20亿以上，因此网路位址不足对物联网产业发展构成很大的障碍。

不过，此问题近期已取得解决，国际组织网际网路工程小组(IETF)已开发出下1代的网路协议IPv6。IPv6使用128个位元加以定址网际网路节点，定址空间高达2的128次方(32bits扩充为128bits)，预估地球上的每一个人可分到1百万个IP位址，所以未来从眼镜、手表、手机、家电、汽车、乃至到建物设施或工厂装备等任何物件，都将会有1个唯一无2的IP位址，可透过网路获得更新资讯或进行远端遥控等。其足够容纳未来10年内预估将连接到网路的两兆个装置。

不但只有物联网，所有需要互动与智慧判断功能的物件都需要大量的感测器。例如近期较新生产的高阶车辆，都已搭载1百个以上的感测器、包括惯性感测器、压力感测器、温度感测器、和位置感测器等，以高度电子化的控制来到达最好操控性能，并促进驾驶者的安全便利和舒适性。

最近更有消息指出，大量的MEMS麦克风和蔼体感测器也行将跨足智慧汽车利用，来大幅提升鴐驶座舱的环境品质。全球车用MEMS感测器市场在2013年为26亿美元，预估到2020年将可到达47亿美元。

随着感测器的需求数量显现爆发性成长、并且种类迈向多样化，供应链厂商伴随而来的挑战将会是如何让这些新元件可以更快速且本钱更低的条件下进行量产，以确保产品的市场竞争力。

在1995年物联网概念刚提出那几年，其发展其实不顺利，乃至显现逐步萎缩的情形，1大部份缘由即是由于内建在各种物件内的感测器本钱仍太高。多家国际研究机构都已提出对物联网市场的预测，其大部份皆认为2020年整体联网装置将上看百亿部，但要支援数量如此庞大的装置互连情境，任何感测节点本钱则须低于1美元，如此才能加速布建完全物联网路。

MEMS感测器由于已成功利用在智慧手机中，历经严苛的商品化技术挑战，其感测器价格已在过去10年从平均1.30美元降至0.6美元。因此，欲连同运算处理器及无线传输模组封装后将本钱压低至1美元以下，已非遥不可及的目标。但是，如何使感测器制造价格更加低廉，仍将是各家MEMS大厂在物联网市场中的产品致胜关键。

物联网利用的感测元件在本钱与性能上皆须面对极严苛的挑战。产业分析专家指出，之前MEMS的客户都习惯先开发出自己的产品制程，再要求代工厂照着流程复制及改良，但现在越来越多客户偏向于直接利用代工厂已妥善建立的制程标准平台去设计开发产品。

如此不但制程相对稳定、价格较便宜，并可大幅缩短产品上市时程。另外，为节省感测器的封装本钱、并缩小尺寸，愈来愈多MEMS感测元件也都朝向大量采取新兴的制程技术，例如以晶圆结合或是体深蚀刻等作法构成其结构。

为因应物联网在不同利用领域的多样化感测功能需求、并大幅下降感测节点数量，采取通用型晶片整合设计概念亦是未来重要的发展趋势;已开始有厂商斟酌将可以使用相同制程平台制作的数种感测器，直接设计整合在同1颗晶片上，以后再依客户使用需求以软体来触发所需感测功能。

为能大幅下降感测器本钱，近期MEMS在新技术开发上也已开始朝便宜作法发展，例如以印刷方式、或是以纸作为基底来制作元件。预期未来进军物联网市场的MEMS感测器，其不管在材料、制程、设计、乃至制造流程等技术上，皆将面临重大改变与竞争考验。