環境感測器「錢」途光明　MEMS製造商競逐市場新商機

物聯網(IoT)微機電(MEMS)感測器市場再掀新浪潮。在各類動作感測器逐漸成為行動裝置標準配備，其技術與應用發展愈加成熟之後，業界紛紛開始尋找下一個MEMS感測器產業商機。其中，下一階段「漲」相最被看好的，莫過於是溫/濕度、氣體或是氣壓等環境感測方案。

MEMS新方向　環境感測成新寵

圖1 工研院南分院微系統中心副主任許郁文表示，環境感測器與民眾生活相關，因此極具發展潛力。

工研院南分院微系統中心副主任許郁文(圖1)表示，環境感測是現今物聯網應用中，最具潛力，且在未來幾年會快速成長的MEMS感測器產品。其原因在於，環境偵測與一般人生活息息相關，例如氣壓、溫/濕度、噪音或是空氣汙染等；其所獲得的資料，對民眾而言是直接而有用的資訊，因此市場需求快速增加，也帶動業者朝此一方向發展。

又像是近期鬧得沸沸揚揚的食安事件，環境感測器也可在食物分析上一展妙用。亞德諾半導體(ADI)亞太區MEMS市場經理趙延輝指出，食物組成分析感測器，目前在中國大陸十分熱門；其功用可檢測食物成分，探查食物中是否具有對人體有害之物質，例如三聚氰胺等。若有害物質超過制定標準，該感測器便會發出警告；此一感測器於大陸備受關注，除半導業者投入之外，軟體公司也積極發展當中，像是百度便是其中之一。

圖2 飛思卡爾感測器資深營銷與市場開發經理高小龍指出，環境感測器於智慧家庭中可用於家電設備偵測。

飛思卡爾(Freescale)感測器資深營銷與市場開發經理高小龍(圖2)也透露，在智慧家庭發展上，環境感測器也極具重要性，像是可應用於家電設備的偵測上。比如電磁爐燒水時，便可使用感測器監測其振幅與振動頻率，透過判斷電磁爐的振幅和振動頻率，提醒家中成員水何時燒開，避免因一時不察而導致意外發生。

綜上所述，可得知環境感測器應用多元，且貼近民眾生活。因此，目前包括智慧家庭、工業4.0、汽車、行動裝置等開發商，莫不積極朝此一方向發展，以實現感知物聯網，讓用戶無時無刻掌握身體及周遭環境變化。

上述提到，環境感測器為目前MEMS感測器市場大熱門。在眾多環境感測器方案當中，氣體感測器(Gas Sensor)尤其備受注目，未來預計將有一波爆發性成長。Bosch Sensortec亞太區總裁百里博(Leopold Beer)(圖3)認

圖3 Bosch Sensortec亞太區總裁百里博認為，空氣是對人類最重要的介質，而氣體感測器可提醒民眾健康相關風險。

為，空氣是對人類最重要的介質。很明顯地，此介質的品質會間接影響人類的健康。從簡易指標例如空氣溫度開始，逐漸進階到空氣濕度及空氣汙染，在這個越來越工業化的社會中，更需要此類裝置監測這些與生活息息相關的指標。因此，未來需要能補足人類所缺乏之感測功能的裝置來提醒健康相關風險，而氣體感測器便可滿足此一需求。目前Bosch Sensortec也已開發出整合大氣壓力、溫度、濕度與揮發性有機化合物(氣體)的感測方案--BME680，可應用於智慧型手機及穿戴裝置。

許郁文也表示，氣體感測器確實已成為MEMS業者新寵。從生活需求面來看，細懸浮微粒(PM2.5)等空汙問題日益惡化，使得民眾對生活環境的空氣品質愈加重視，連帶驅動可即時且有效偵測環境空氣品質的氣體感測器需求快速高漲，包括意法半導體(ST)、Bosch Sensortec、奧地利微電子(ams)及工研院皆已全力投入相關元件開發，預期2016年將陸續問市。

許郁文指出，氣體感測器可偵測某一地點的揮發性有機化合物(VOC)氣體，以及空氣汙染，如PM2.5及氮氧化物(NOx)等，甚至還可檢驗汽機車廢氣排放量。這些偵測數據對一般民眾而言，是直接且有用的資訊。此一特性使得氣體感測器極具發展潛力與市場商機，同時也是吸引業者轉往此一領域發展的主要原因之一。

顯而易見地，隨著民眾對環境監測之需求逐漸升高，氣體感測器已成為明顯的市場發展趨勢。看準此一發展，工研院長期以來即致力研發氣體感測器相關技術與產品，提升其偵測能力及氣體分辨功能。目前，工研院已經研發完成酒精偵測感測器，於2015年也開發出可以偵測一氧化碳(CO)之產品，預計2016年將推出VOC＋CO之整合型氣體感測器。

針對未來氣體感測器的發展，許郁文表示，智慧手機將是驅動此類元件普及的重要應用，因為智慧手機目前還是最大的載具平台，而國內知名的手機大廠也已經進行相關研發。

值得一提的是，氣體感測器除可用來監測環境品質外，還可應用於醫療方面。許郁文提到，目前已觀察到國內生醫業者，打算使用氣體感測器偵測人體所呼出來的氣體，判斷人體健康狀況，因為呼出來的氣體可反映某些器官狀態或是疾病。此一應用雖還在研究與測試階段，不過未來也將成為驅動氣體感測器成長的另一股力量。

圖4 意法半導體類比、微機電與感測元件技術行銷與應用工程經理蘇振隆看好氣體感測器於酒駕預防的應用。

意法半導體類比、微機電與感測元件技術行銷與應用工程經理蘇振隆(圖4)也看好氣體感測器發展。像是酒駕事件頻傳，為預防酒駕，便可將氣體感測器應用於汽車當中，若測得酒精數值超過一定標準，方向盤便會發出警告，甚至禁止用戶駕駛車輛。因此，以現在大環境而言，氣體感測器確實極具發展潛力，成為業者與民眾關注的目標。

此外，為搶攻氣體感測器應用市場，奧地利微電子也針對家庭環境，推出一款室內空氣品質模組--iAQ-core。iAQ-core為一款小型低功耗氣體感測器模組，可精確地檢測室內空氣品質。該模組採用基於MEMS的VOC感測器，可通過一個I2C介面，根據室內環境中常見污染物的水準變化反映總揮發性有機物(TVOC)(ppb)以及二氧化碳(ppm)等效值。

iAQ-core還可直接量測各種與空氣品質相關的氣體濃度，例如乙醇、乙醛、酮類、有機酸、有機胺類、脂肪烴和芳香烴等，在高濃度時對人類和動物有危害的氣體。與目前空氣品質監測常用的二氧化碳感測器相比，這些揮發性有機物檢測裝置可以更有效地檢測室內空氣品質，因為二氧化碳濃度容易受到人和動物呼出氣體的影響。

除知名半導體廠商之外，新創公司也積極布局氣體感測器市場。例如英國感測器新創公司CCS(Cambridge CMOS Sensors)推出新款數位式氣體感測器--CCS811，其整合金屬氧化物氣體感測器與微控制器子系統，可大幅簡化智慧手機、穿戴式裝置及家庭聯網設備的空氣品質監測功能設計，並實現更靈敏的乙醇(酒精)、一氧化碳(CO)和各種揮發性有機化合物等有害氣體偵測。

CCS產品營銷總監Paul Wilson表示，該公司為客戶提供一系列產品，這些產品主要是為消費性市場使用者帶來空氣品質檢測功能，而新款數位氣體感測器，可用於監測區域環境。透過將CCS811氣體感測器整合至智慧手機、穿戴式裝置及聯網設備中，該公司客戶可使旗下產品達成差異化，讓終端使用者可藉由可靠的室內空氣品質測量來控制周遭環境。

據悉，CCS811氣體感測器基於CCS獨有的微熱板(Micro-hotplate)技術，與傳統金屬氧化物氣體感測器相比，CCS811可提供高度可靠的氣體感測效能、更快感測週期並顯著降低平均功耗。

此外，CCS811整合了微控制器，該微控制器在氣體偵測過程中，可管理感測器驅動模式、類比數位轉換器(ADC)量測，並處理原始感測器數據，以呈現實際環境中的等量二氧化碳(equivalent CO2, eCO2)與總揮發性有機化合物(Total Volatile Organic Compound, TVOC)之測量值。此種板上(On-boarding)處理功能可減少總體系統的功耗及主系統所需的處理負擔。

CCS811還支援與應用處理器相容的標準I2C數位介面，提供高度整合的解決方案。與使用分離式氣體感測器及微控制器晶片的方式相比，分離式方案通常需要兩個或更多的附加元件，而CCS811可節省整體物料清單(BOM)及高達60%的電路板面積。

滿足環感應用　MEMS麥克風性能再提升

隨著環境感測應用需求升溫，MEMS麥克風也成業者發展重點目標之一。MEMS麥克風除可應用於噪音監測之外，隨著行動裝置加速升級語音功能，加上物聯網擴大語音應用，其市場需求持續成長；而為能達到精準的語音辨識，高性能、高靈敏且低功耗的超高階MEMS麥克風，更是業者下一階段的布局重點。

目前Akustica正在計畫推出高訊號雜訊比的麥克風，以便在所有的環境裡都能正確識別語音；而針對智慧型手機之外採用分布型麥克風陣列裝置的興起，Akustica也推出小封裝尺寸及數位介面的麥克風。

圖5 市調機構IHS統計，超高階麥克風市場將有爆發性成長，從2012年二十億顆成長至2016年約五十億顆左右。

圖6 英飛凌射頻及感測元件、電源管理及電子事業處資深行銷經理潘哲源表示，麥克風靈敏度需求提升為超高階麥克風成長主要因素。

根據市調機構IHS統計，超高階麥克風市場從2012年開始急速成長，預估將從二十億顆成長至2016年約五十億顆左右(圖5)。英飛凌(Infineon)射頻及感測元件、電源管理及電子事業處資深行銷經理潘哲源(圖6)表示，超高階麥克風急速成長原因，最主要是來自於高階消費性電子產品對麥克風靈敏度的需求提升，像是智慧手機、平板電腦，耳機或者是醫療產品類，如助聽器等。

潘哲源進一步指出，目前麥克風發展主要的兩個挑戰為降低風聲干擾及提升錄音品質。為克服上述挑戰，英飛凌在降低風聲干擾方面，採用減少低頻的方式，在麥克風的隔膜(Diaphram)上打洞，隨著洞的數量多寡與大小，減少低頻範圍，以降低風聲所引起的麥克風失真情形。至於提升錄音品質，英飛凌則使用Double Backplate技術，降低因錄音環境聲音太大，導致錄音效果不佳之影響。

另外，隨著行動裝置提升語音功能及物聯網擴大語音應用，常時開啟(Always-on)將成為未來的普遍應用。因應此一趨勢，低功耗的MEMS麥克風將是未來發展趨勢，而英飛凌目前也將MEMS搭配低功率的特定應用積體電路(ASIC)，研發出Low Power Mode麥克風產品，供客戶使用。

潘哲源表示，Low Power Mode麥克風在常時開啟應用中，於待機(Stand By)可保持較低功耗，於類比麥克風中大約是80mA，數位麥克風則約為250mA；而當達到使用者所設定的啟動條件，麥克風功耗才會瞬間提升，開始錄音或通話功能。

蘇振隆也指出，常時開啟模式是指麥克風在省電模式下可以持續工作而不耗費太多功耗，而意法目前技術是以降頻的方式，使麥克風於常時開啟模式時，可達到省電並維持高效能。

與此同時，意法也積極拓展麥克風新應用。蘇振隆表示，過往麥克風主要用於溝通，且硬體極限大約只能做到語音接收。現今隨著技術提升，麥克風功用已不僅限於此，還可發展更多創新應用，如將麥克風應用於3D超音波偵測當中。

蘇振隆進一步解釋，麥克風於超音波感測應用中，主要功能還是接收聲音為主。由於超音波本就是頻率高於人耳可接取的音頻，因此麥克風發展當然是朝向更寬音域跟頻寬發展；而為實現超音波3D偵測，則須將麥克風結合超音波發射器跟主晶片。

據悉，意法與合作夥伴透過超音波3D偵測，已成功實現手勢(Gesture)辨識。此功能未來有望拓展至更多新應用，例如應用於汽車時，使用者除可透過MEMS麥克風，使用語音控制之外，還可運用手勢啟動其餘車內裝置；抑或是在進行機器人動作靈敏度測試時，運用此一技術，機器人便可直接捕捉到測試人員之行動，與測試人員做出相同舉動；測試人員不須再穿上感測器裝置，將身上感測器裝置與機器人連接後，才可使機器人感應到人體動作。

基於民眾需求提高及物聯網部署擴增，環境感測器市場已成兵家必爭之地。無論在市場策略、技術及產品，MEMS製造商皆有新的布局方向。

布局環感市場　各路好手新招盡出

圖7 英飛凌射頻及感測元件、電源管理及電子事業處經理吳柏毅提到，該公司旗下DPS310氣壓感測器，已可應用於天氣監測。

例如ADI便採取合作發展的策略，積極與在此一領域中已具備相當發展進程的公司合作，結合雙方軟硬體技術，研發環境感測器方案；而英飛凌射頻及感測元件、電源管理及電子事業處經理吳柏毅(圖7)也提到，目前該公司所推出的DPS310，已可應用於天氣監測，往後也將致力於研發環境感測器產品，其應用大多以消費性電子市場為主，例如智慧手機、穿戴式裝置等。

許郁文則指出，工研院除每年都會提升氣體或環境感測器之能力，強化其辨識能力之外，未來也將朝光學感測研發，其方向主要為高光譜影像(Hyperspectral Imaging)及光譜儀，預估2016年會有相關產品或技術問世。

此外，針對環境感測器市場，意法半導體也積極推出各項產品。蘇振隆透露，隨著市場需求增加，環境感測器將是該公司未來重點發展項目之一，大約一年會推出一個產品。前幾年產品為氣壓感測器及濕度計等，2015年則是推出紫外線(UV)感測器。此一UV感測器經陽光照射後可直接呈現紫外線強度，且該產品尺寸只有2.5毫米(mm)×2.5mm×1mm，可結合於各式穿戴式裝置當中，如眼鏡、手錶等，方便使用者隨時偵測紫外線指數。

顯而易見，MEMS感測器正逐漸由動作感測，朝向多元領域擴展，而環境感測器貼近生活需求及搭上物聯網設計熱潮，因而躍居MEMS市場新寵，成為MEMS製造商極力搶攻的灘頭堡，預期這股MEMS新趨勢將持續發酵，激發更多應用創意和商機。