感測器系統和晶片開發商正面臨微型化，兼顧功能性及節能特色的嚴峻設計挑戰，因此業界正積極開發新一代薄膜電子製程和能源擷取方案，並投入研究異質網路，以實現更微型、低功耗且支援各種無線聯網技術的感測器，讓物聯網感測機制無所不在。
今日的科技已讓許多物聯網應用裝置得以成真，但要建立「萬物」之間真正的網路之前仍有諸多挑戰，尤其當中的感測器設計得兼具微型化及節能特性，更要物美價廉。
物聯網發展日漸明朗 多元感測器需求增溫
事實上，感測器可架起物聯網裝置間互動的橋梁，並將資訊傳送到智慧型手機上，未來除能導入藥丸包裝、衣物、冰箱等生活用品，結合馬路及路燈外，甚至還能置入尿布(圖1)。目前已有類似的感測器應用出現，如使用者能從辦公室監測家中耗電量，或是從遠處啟動洗衣機，以低成本、高彈性輕薄材料所製作的感測器，將會是這些物品極需的元件。
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| 圖1 左圖為感測裝置與藥丸包裝結合，能檢查患者是否按時吃藥；若患者沒有確用藥，相關訊息便會傳到手機上。右圖為尿布中的感測器能協助護理人員，掌握嬰兒或患者狀況。 |
往後幾年還能預見更多與感測裝置結合的生活用品問世，這些應用裝置將全部具備聯網功能。
搭載感測器的物聯網裝置能在日常生活中協助使用者，在不增加任何負擔的情況下，達到節能減碳的效果。試想一套能依照行程、天氣、室內擺設調整的自動照明和空調設備，或是能透過前一週晚餐內容，分析家庭對食材的喜惡，並根據家中庫存記錄、家人行程、季節變化等因素，自動列出購物清單的裝置，感測器無疑能為個人健康加分。
在「未來之屋」可以看到智慧型冰箱的原型，那是一台能在牛奶喝完時，自動通知店家的智慧型冰箱，並能在屋主外出時，自動補充庫存。
此類應用裝置須結合智慧型感應標籤和電子標籤，以能導入食品包裝，並自動與通路聯繫。因此也須壓低製造成本，最終的目標則是將這些智慧型標籤印製在塑膠薄膜上。
另一個受到關注的是能測量產品新鮮度的感測器。該元件置入食品包裝後，裝置能透過酸鹼感測器判別牛奶是否過期，或是利用乙烯感測器偵測水果熟成程度，再藉由這些數值測定食品保存期限，解決日益嚴重的糧食浪費問題。針對此一概念性應用，研究人員正著手開發能以低價製造、安全穩定，且能自動校正的相關感測器方案。
實現微型/節能感測器 薄膜電子/能源擷取漸夯
業界要實現真正的物聯網，感測器科技絕對是首要挑戰，物聯網的建立仰賴各式感測器零組件，其中包括多功能感測器(偵測心跳、酸鹼值、速度、二氧化碳濃度或濕度)、將資訊傳送到中央集線器的無線電設備、一台處理裝置、電池或能源擷取(Energy Harvesting)器及能源管理電路。比利時微電子研究中心(IMEC)和Holst Centre的研究人員皆致力於相關基礎元件的研發，並已發展出兩個感測器整合平台：一個以標準矽晶片科技為基礎，另一個則以薄膜電子為基礎，可望製作出優質的物聯網應用感測器。
微型化亦是感測器科技非常重要的一環，感測器須控制在1立方公分內，才能順利置入各式物品。在此前提下，電池的尺寸相當受限，一般電池大小對於理想的感測器尺寸來說絕對過大，因此，目前首要任務便是製作出省電的感測器，讓裝置得以利用有限能源運作一段時間。
另一種縮減電池大小的方式，則是從環境中汲取電力。業界已提出將充電式電池與能源擷取器結合的概念，此將使置於不易觸及之處的物件達到省電集電的功效。Holst Centre已研發出兩種能源擷取系統：動能擷取器與無線電擷取器。
除合適感測器外，無線網路連線對物聯網系統設計亦至關重要，尤其在未來千億部聯網裝置的環境下，系統業者將需要遠比4G更快的連線速度。
串連各式感測裝置 異質網路方案受矚目
因此，業界正積極朝建置異質網路(HetNet)，以及5G超高速網路的方向邁進。此外，感測器蒐集的大量資訊也須儲存於雲端，故晶片間寬頻輸出/輸入(I/O)的光纖解決方案也將成為不可或缺的元素。
未來，多重標準、異構式及具高度適應性的超低耗能無線電晶片將扮演重要角色，成為無線頻譜的整合解決方案，從最小的感測器節點、智慧型手機和平板裝置，以至路由器和基地台皆完整涵蓋。如此一來，使用者將不必擔心地點、資訊傳送速度或手機用電情況，隨時隨地都能和他人取得聯繫。
多重標準係指未來的物聯網環境將有各式無線技術並存，例如針對短距高速通訊設備(如將高畫質影片從電腦傳到電視上)，60GHz無線傳輸技術將有很大發揮空間，包括Holst Centre等廠商正在積極開發解決方案；另外，為提供行人和單車騎士更安全的環境，業界也正著手研發高解析度的79GHz雷達感測技術。
(本文作者為IMEC與Holst Centre超低耗電電路及元件企畫總監)