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多重感测能力 打开MEMS工业应用大门
工业市场已是感测器大厂的新标的

【作者: 王岫晨】2018年11月14日 星期三

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MEMS是一种微机电系统,而MEMS感测器则是透过微机电的制程,将微型电路与机械结构整合於同一晶片上,来进行感测功能的一种元件。MEMS技术透过半导体的光刻、腐蚀、薄膜等制程,来实现毫米甚至微米等级的感测器尺寸。也正由於采用的是半导体制程技术,使得MEMS感测器可以大量生产,且良率也稳定,也可以达到压低生产成本的目的。


目前智慧电子产品已经成为市场趋势,随着智慧物联网产品与整机制造市场的稳定带动,对於感测器的应用需求开始偏向微型化、智慧化、低功耗、高整合、以及低成本,并且必须能大量生产。在这些条件下,MEMS感测器成为了解决市场需求的最隹解答,因此近年来也带动了MEMS感测市场一波高速的发展契机。


MEMS感测器的多元应用

MEMS感测器的应用场合十分多元,物联网、消费性电子、汽车、穿戴、医疗保健、以及工业生产等,都是MEMS感测器十分适用的领域。消费性电子产品可说是MEMS感测器最普遍的应用市场,细分之下还可以包括时下流行的游戏装置、智慧手机、平板电脑、笔记型电脑、导航装置、电视遥控器与电子玩具等。



图1 : 汽车是感测器应用的大宗。关注重点在於安全、舒适和节能。
图1 : 汽车是感测器应用的大宗。关注重点在於安全、舒适和节能。

至於汽车则是MEMS感测器市场的大宗,车用感测器的关注重点在於安全、舒适、方便和节能。目前MEMS感测器在汽车上有许多应用,包括用於撞击侦测、车辆稳定性控制、车辆平稳性控制、导航、车辆安全、侧翻侦测、电子制动控制、引擎振动监测、坡道起动辅助系统、以及胎压监测系统等。


而健康与医疗保健产业,则算是MEMS感测器在行动装置市场中,成长速度最快的应用类别之一。由智慧穿戴与健康照护所融合而出的个人健康监测装置,包括计步器、活动监测器、倒地侦测、个人紧急应答系统、睡眠跟踪装置、个人血压监测器,以及其他相关的身体机能监测装置等,商机十分庞大。


此外,工业市场也成为MEMS感测器近年来十分火热的一个应用领域。由於工业环境具有极端温度、剧烈振动和机械冲击等极端环境的问题,使得不论是机器人运作、平台稳定化、工业装置的动作控制、安全监控装置、车辆导航等工业环境应用,都为感应器本身是否能适应工业严苛环境带来了巨大挑战。



图2 : 多轴感测器为穿戴式装置带来更大的便利性。
图2 : 多轴感测器为穿戴式装置带来更大的便利性。

只不过由於感应器对於提供产线资讯来改善产品生产与系统效能、提高稳定性及安全性,以及降低维护成本等具有十分大的效益,因此工业生产环境中也大量采用了感测器,特别是MEMS感测器可为工业应用提供更低的成本与更高的优势,因此随着工业4.0崛起,更增加了MEMS感测器在工业环境的能见度。


感测器整合需求日益迫切

近年来,由於物联网与穿戴式装置的普及,成功为感测器市场带来一波成长契机,然而由於应用的多元,也使得感测器的整合更为重要。感测器的整合正是多轴化,随着多轴化而来的整合工作,成为设备与系统业者的重要工作,毕竟没有系统工程师会希??看到,采用的多颗感测器杂乱散置在电路版上的不同角落里,不仅增加设计困难度,对於系统的轻薄化以及物料成本等方面都不会有任何帮助。


目前感测器厂商所主推的方案中,除了单一的感测器之外,最常见的就是模组化的整合感测系统,模组化的方式可将多轴感测器整合在一起,这样的模组通常还会整合自家的处理器或MCU等,透过这些产品打造出完整的感测模组,并将这样的感测模组出货给物联网或穿戴式装置的系统商或设备商,可达到毕其功於一役的效用。


只不过,一体化的模组方案尽管可为设计省下不少麻烦事,但从目前行动装置轻薄化的趋势来看,采用模组化的感测方案对於这些终端装置来说仍然稍嫌笨重,最好的方法仍然是进一步透过系统级封装,来打造单一完整的感测系统晶片,这才是满足感测系统高度整合的必要手段。


感测系统的多轴化,也代表在同一系统中必须整合多种不同的感测元件。然而感测元件范围包山包海,从常见的加速度计、陀螺仪和地磁罗盘,到压力计、温度计、光感计,甚至还能感测声音、味觉、??觉等感测器。多数厂商至多拥有部分感测技术,但要能广泛且全面的包办所有感测元件,这样的厂商目前仍为数不多,且并非所有厂商都能一手包办所有感测元件。透过厂商间的合作夥伴关系,可将不同厂商的感测元件整合在同一个感测模组上,来打造成一个感测系统。


这种状况虽然在现今的感测系统上很常见,不过由於感测元件来自不同厂商,因此品质良莠就得视各厂商的技术而定。也因此在半导体产业,感测晶片商通常会强调其产品从上游到下游均一手包办,如此一来,产品品质都能够自行掌握,不会受到外来因素的影响。


放眼未来,感测技术的自有化,仍将是所有感测大厂致力追求的目标,不论是自行开发或者透过并购获得感测技术,随着感测技术的自有化之後,感测器厂商将更容易打造品质一致的多轴感测系统,且技术自有化之後,对於整体感测系统的整合,更将能达到事半功倍之效。


工业感测器竞争日趋激烈

在工业环境中,感测器的采用数量也是日渐提升。尤其智慧化是近年来制造业发展的重要趋势,由於智慧制造系统需要透过大量感测器撷取底层设备与环境的数据资料,因此为感测器市场提供了庞大商机。工业生产环境由於条件严苛,因此工控设备的感测器多采用专业的工业级别感测元件。不过,许多对於成本敏感、且并不需求过高效能的工业市场,采用消费型感测元件将会更合??应用上的需要,因此已有厂商开始使用消费性感测元件大厂所推出的工控等级感测产品。



图3 : 工业感测器的长期市场需求已经浮现。
图3 : 工业感测器的长期市场需求已经浮现。

一般来说,工业生产系统对於设备的需求,一直都以稳定度为最高考量,因此其感测器也多会采用专业的工业等级产品。工业级别的感测器不论在稳定度与效能等方面,一般消费性感测器都难以取代,尽管虽然价格高昂,然而占整体生产系统的成本比重并不高,因此绝大多数工业生产的系统制造商都会选择此类产品。


而今日,随着智慧制造系统中的感测器数量逐渐多元,部分应用并不需要采用工业级别的高效能感测器(如机台监测),这些应用对於成本也更为敏感。在这样的状况下,长期投入消费性感测器元件发展的大厂如ST,其所推出的工业感测器,就成为这些客户的新选择。


以ST的感测元件来看,其工业感测器针对稳定度方面有所强化,更提供长达10年的保证期,加上价格只有专业工业感测器的一半,这些对於工业客户都产生了强大诱因,而这样的长期市场需求也已经浮现,未来在工业领域的感测器市场竞争也将会更趋激烈。


加速布局工业市场

工业4.0号称将带动第四次的工业革命,在落实上当然有其困难。特别是工业4.0更偏重於透过网路实体系统来赋予终端装置更高的智能化,且不同领域市场均存在着不同的技术需求,要能满足这些不同层面的应用,除了累积的经验之外,更要有能力提供市场所需的完整产品阵容。


就以工业4.0的特性来看,其发展是透过网路实体系统、物联网等,来整合自动化的电脑与电子设备。这其中,MCU、感测器与联网功能将是核心元件,并依此来扩展到更全面的系统与终端市场应用。在工业环境中,打从先期的预测性维护与自动化、产线的即时监测与校准,到资产的追踪与供应链管理,再到震动侦测、油电用量、流量计算与水位监测等,在在都与感测器息息相关。


而MEMS感测器本身的优势,就在於体积小、重量轻、功耗低、耐用性高、效能稳定等优点。透过MEMS的微机电制程可透过大量生产来降低制造成本,且MEMS的微缩制程也能打造出微小且精确的机械元件。因此感测器大厂纷纷将目光从原本的消费性电子领域,转移到工业市场。



图4 : 工业环境与感测器息息相关。
图4 : 工业环境与感测器息息相关。

这原因很简单,消费市场尽管数量庞大种类繁多,然而一来包括智慧手机与穿戴式装置逐渐饱和,使得出货量难再有大幅度的突破,加上消费性电子产品的利润并不高,对於整体营收有一定的限制。这种种因素,也使得现有的MEMS感测器大厂将自家产品加速布局工业应用市场。


结语

事实上,工业应用的多元性,比起消费性电子市场有过之而无不及。工业市场包罗万象,从产品的生产制造、安装组装乃至於营运阶段,都是在工业应用的范畴。因此感测器厂商比的已经不是谁家的感测元件种类较多元,或者谁家的整合度更高,而是在产品从生产、运输到寿命结束,都要有能力提供全套感测器以控制相关设备。而由於高整合的多轴感测系统已经是重要趋势,因此提供多重感测能力,也成为推动工业自动化时代新一波MEMS产品的关键所在。


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