工業感測

貿澤電子(Mouser)與意法(ST)宣布出版最新電子書《工業感測解決方案》(Industrial Sensing Solutions)，針對工業感測器市場的產品、策略和創新技術提供全面性概觀。書中來自ST和貿澤的專家針對採用工業感測器的最新策略，以及能將創新技術引進廠房的產品提出詳細見解。電子書內刊載了多篇關於MEMS技術進展的文章，指出這些裝置在工業4.0中所扮演的關鍵角色。 雖然感測器早已是工業應用不可或缺的重要元件，其部署率卻因為成本、尺寸和準確度等相關問題而減緩。隨著輕巧型MEMS技術的出現，再度為感測器創造了新的機會，使其有機會部署到智慧工廠，同時感測器解決方案的擴充性也因為成本和耗電量更低而獲得改善。ST與貿澤攜手出版的最新電子書探究了過去十年裡的技術進展，扼要說明感測器供應商如何從眾多方面滿足客戶的需求。    《工業感測解決方案》書中介紹多款ST產品的詳細資訊，包括專為工業4.0應用所設計的LSM6DSOX iNEMO慣性模組和ISM330DHCX iNEMO慣性SiP模組。這些可靠耐用的系統封裝在低功耗解決方案中，整合了3軸數位陀螺儀和3軸數位加速度計與機器學習核心。機器學習核心為ST的創新之一，讓感測器不用喚醒系統內其他元件就能辨識活動，具有節能效益。 電子書內包含將近二十款ST感測器產品的快速連結和訂購資訊，還有方便好用的影片內容連結。貿澤所供應的ST全系列產品包含有感測器、開發板、半導體、射頻模組和其他電子元件。

艾邁斯半導體(ams AG)日前宣布，該公司將在通訊、消費性電子及電腦運算三大市場外，將目前所擁有的感測器技術進一步應用在更具未來性的醫療、汽車以及工業等三個新興市場。目前通訊、消費性電子與電腦運算為ams最主要的營收來源。 在汽車領域方面，ams正研發將3D感測技術應用在汽車駕駛的身分認證、智慧手勢識別、駕駛監控以及臉部識別等，涵蓋ADAS先進輔助駕駛系統以及車內人機互動等領域。此外，VCSEL/陣列及驅動器方案可使用於LiDAR應用，位置感測及LED微透鏡陣列方案可運用於充電及先進照明領域，全面支援汽車未來趨勢發展應用。 在醫療領域方面，ams的生物監測、CMOS影像以及無線感測節點在醫療方面的應用廣泛，從測量心率及血壓的健康監測設備、到高效能CT及高畫質X光等診斷用感測器，更有高精確度、體積精巧的微型相機，可在AR/VR等市場發揮威力，更看好在醫療一次性內視鏡的應用。 ams的光學及影像感測器，在工業應用領域的應用更是多元化。運用於工業視覺與監控的3D感測、機器視覺與無人機；運用於航空與無人機的CMOS解決方案、光達(LiDAR)、環境測量、環境光感測及手勢感測等；交通、運輸與物流領域則有用於冷鏈監測的感測器以及用於存在偵測的ToF等；在工業與工廠自動化領域，則有用於品管、生產、壓力、溫度及流體監控的顏色與光譜感測方案；最後，CMOS影像感測器更可應用於高階安全，包括體育場/機場監控、航空測圖、無人機及生物辨識等領域。 ams 以光學感測器、影像感測器以及音訊感測器為三大產品類別，並透過研發及收購不斷強化自身的技術完整性。ams策略清晰，在智慧型手機的成長放緩的趨勢下，穩定布局放眼汽車、醫療及工業等新的市場，為未來的成長做好準備。

但在智慧製造的浪潮下，負責收集真實世界各種物理資訊的感測設備，地位將比以往更為關鍵。資料將是下一個世代的石油，而第一手資料的來源，就是生產線與廠房內的各種感測設備，加上大數據分析技術趨於成熟，現在的分析工具可以處理比以往更大的資料量，並從中找出趨勢變化的脈絡，進而創造價值。這也使得感測設備朝多合一與聯網化的發展趨勢更為明確。 工業用感測器走向多合一 從自動化走向智慧製造，對感測器而言，最明顯的差別在於使用者想監測的物理量種類明顯增加了。在過去，為監控機台運作所設計的工業感測器，通常都只能量測少數幾種物理量。這跟元件供應商的產品整合度有關，以往加速度計、陀螺儀跟氣壓感測器都是各自獨立的元件，如果感測器製造商想實現多合一設計，必須要花很大的功夫來進行設計整合，而且成本高昂。 但隨著MEMS感測器的整合度不斷提升，現在跟運動有關的物理量測，基本上已經可以用單晶片搞定。例如整合了三軸加速度計跟三軸陀螺儀的六軸感測器，基本上就已經把跟運動有關的所有物理量都涵蓋在內。少數應用可能還需要再額外採用電子羅盤，以判斷系統正在朝哪個方向移動。這種應用需求多半出現在會在工廠中到處移動的設備上，例如自動搬運車(AGV)。而這種需求，就可以使用更高階的九軸感測器(六軸感測器加上電子羅盤)來滿足。 許多國際知名的IDM業者，都有完整的運動感測解決方案，例如亞德諾(ADI)、博世集團(Bosch)旗下的Bosch Sensortec、英飛凌(Infineon)、意法(ST)等，都有這類晶片產品。但對工業感測器來說，這些只是核心零組件，距離真正可以運用在生產現場的感測器，還有一大段差距。 博世力士樂(Bosch Rexroth)工廠自動化協理陳俊隆(圖1)指出，從電子元件到可以部署在生產線上的感測器，機構設計是最關鍵因素。工業現場對電子元件來說，是很惡劣工作環境，像溫溼度變化、粉塵、機械衝擊等因素，都會讓元件失效。如果機構設計不佳，感測器部署到現場後很快就會故障，而這也是工業感測器廠商的核心價值所在。Bosch Sensortec幾乎可以提供所有基於MEMS的感測器元件，但真正向工業用戶提供產品的是集團內另一個負責研發聯網裝置與解決方案的事業部門。 圖1　博世力士樂工廠自動化協理陳俊隆認為，在智慧製造的浪潮下，工業用感測器未來將加速朝多合一感測方向發展。 整體來看，由於半導體的功能整合度越來越高，因此工業感測器也必然朝多功能整合發展。但對於工業用戶來說，為進一步提高設備的整體運作效率(OEE)，導入預防性維護機制將是必然趨勢，而這會使感測器必須能量測更多元的物理量。 除了前面提到的運動感測外，博世相信，未來的工業感測器將會進一步整合麥克風、溫溼度感測、氣壓計甚至照度計等功能，因為要做到預防性維護，或是找出產線運作的瓶頸，需要很多種資料交叉比對分析，才能得到精確的結果。以旋轉機械的故障預警來說，現在的做法不外乎是將電流數值、轉軸的轉速、溫度等參數做交叉比對，未來則可以從聲音的頻譜分析。 這也是博世的八合一工業感測器CISS整合了MEMS麥克風的原因。聲音這個面向以往比較少有人用科學方法去分析，但其實聲音可以提供很多跟機械運作有關的資訊。很多機械廠的老師傅都知道，當機器出現異音的時候，故障很快就會隨之而來。藉由MEMS麥克風跟音訊分析，可以把老師傅的經驗用科學化的方法傳承下去。 環境氣體偵測攸關性命　物聯網概念落實已久 除了機台的監測外，對許多製造業來說，廠區的環境監測也會使用到大量工業感測器，特別是生產過程中會使用或產生有毒氣體的行業，氣體監測系統更是法規強制要求必須加裝的設備。而在工業4.0世代，這些存在已久的環境感測系統，又會朝什麼方向演進？ 在台灣某半導體廠擔任環安經理的業界人士表示，對半導體製造業而言，氣體偵測是環境偵測中最重要的環節之一，因為半導體製造過程中會使用到許多帶有毒性的氣體，而且這些氣體在參與製程反應的時候，有時要先與氫氣混合至適當比例，才會進入腔體內。這使得半導體廠內往往存放著大量有毒或是易燃氣體，而且在製程中還會產生新的有毒化合物。因此，為了保護廠區工作人員的安全，氣體檢測系統一直是半導體廠內的標準配備，而且有法規強制要求。 另一方面，對人體有害的氣體，如果控制不當，通常也會對晶圓或生產設備造成損害。因此，半導體業者為了確保產品良率，對氣體檢測的精確度要求只會越來越嚴格，而且監控系統網路化的程度只增不減。舉例來說，隨著半導體線寬越來越細，氣體性分子污染物(Airborne Molecular Contamination, AMC)的管制標準已比以往更為嚴格。另外，為了避免化學汙染物腐蝕機台或造成曝光機的鏡面霧化，現在半導體業者都會對酸鹼物質或有機氣體進行線上分析，以便即時監控生產環境的狀況。 目前半導體廠的氣體偵測技術大致可分成三大類，分別是紙帶式、電化學式與紅外線偵測，但各自有其優勢跟限制。 漢威聯合(Honeywell)工業安全事業處業務經理李其能(圖2)分析，紙帶式氣體偵測技術最大的優勢在於可以留下實體證據，而且偵測精確度可達到十億分之一(ppb)，也比較不用擔心干擾訊號。但紙帶屬於耗材，必須定時更換，因此會造成短暫的停機時間。電化學式感測技術則無法像紙帶式系統留下實體證據，而且也比較容易被干擾，因此精確度只能做到百萬分之一(ppm)。但整體來說，電化學式氣體感測的成本比紙帶式來得低廉，是其主要優勢。 圖2　漢威聯合工業安全事業處業務經理李其能認為，與工業安全相關的系統跟設備，未來會朝預防性維護發展，進一步提升其可靠度。 紅外線氣體偵測跟電化學式檢測方法一樣，也無法保留實體證據，而且也會有干擾的疑慮存在。但電化學式偵測跟紅外線偵測適用的氣體種類不同，因此兩者無法互相取代，例如紅外線在偵測氟化物氣體時，就有很優異的表現。不過，紅外線氣體偵測所使用的感測元件成本比電化學式偵測器昂貴許多，因此在成本上，電化學式偵測設備會比紅外線來得低廉。 不過，量測設備的成本也跟量測的點數有關係，目前Honeywell的電化學式檢測設備Midas為單點偵測，紅外線偵測設備ACM150則可支援40個採樣點，而紙帶式設備Vertex則最多可支援72個採樣點。高採樣點對環安廠務人員來說，是很具吸引力的特性，因為現在的晶圓廠越蓋越大，單一感測設備能支援的取樣點越多，越容易覆蓋更大的廠區。 值得一提的是，由於氣體偵測跟工廠的人員與財物安全密切相關，因此很早就已經落實物聯網概念，只是當時還沒有物聯網這個名詞。舉例來說，氣體偵測系統不單只是提供資料，還會與警報系統、閥門系統連動。當氣體外洩事件發生時，偵測系統會觸發警報系統，並自動關閉閥門。把資料拋轉到工廠的資訊後台，也早就是基本功能。 因此，李其能認為，對氣體偵測系統來說，下一個發展方向是利用大數據分析來實現預防性維護，而非聯網化。這也是Honeywell針對半導體客戶進行意見調查時，多數半導體業者最想要的功能之一。其實，高階氣體偵測設備因為肩負關鍵任務，很多重要的子系統，例如進氣的風泵、電源等，都有冗餘設計，當一套子系統故障時，備援系統會快速接手，因此無預警故障停擺的機率已經很低。但客戶總是希望能做得更好，而這也是Honeywell未來會努力的方向。 廠內人員偵測需求興起　雷達/ToF技術正面對決 除了既有感測設備/系統必須隨著工業4.0的腳步升級外，由於工業4.0會讓廠區運作更加自動化，人員與自動化設備接觸的機會將只增不減，甚至會並肩工作。在人跟機器的距離如此靠近的情況下，如何確保人員不會被機器手臂、自動搬運車撞傷，會是一個新的議題。與距離量測有關的技術，如毫米波雷達跟ToF感測，可望在更高度自動化的工業環境中找到新的舞台。 德州儀器(TI)嵌入式系統總監詹勳琪(圖3)指出，提到雷達，業界通常會把這項技術跟軍事或汽車聯想在一起，但雷達在工業領域的應用，其實也已經存在一段時間，只是目前的工廠環境對於距離偵測的需求量不大，因此比較少有人探討。舉例來說，中心頻率為6GHz的毫米波雷達，就已經少量運用在自動搬運車上。從TI的觀點，汽車跟工業是相似度很高的兩個市場，因此，只要能解決幾個瓶頸，雷達在工業領域的應用有機會明顯成長。 圖3　德州儀器嵌入式系統總監詹勳琪表示，單晶片毫米波雷達將為雷達技術在工業應用市場上創造新的突破口。 詹勳琪分析，一項新技術要打入市場，不外有兩種發展策略，一種是創造出既有技術做不到的新應用，另一個方法則是要比現有技術的性能更好、成本更低。TI在工業市場上推廣毫米波雷達的策略也是如此。在創造新應用方面，因為TI的工業用毫米波雷達中心頻率為60GHz，因此解析度非常高，可偵測到只有數毫米的位移。這種解析度可以創造出許多新的應用可能性，例如隔空手勢操作、甚至是人員的生命跡象偵測。這些應用是以往的低頻雷達或超音波所無法實現的。 至於在成本面，以往的毫米波雷達是相當複雜的系統，除了要有數位訊號處理器(DSP)或高性能微控制器(MCU)作為主處理器之外，其射頻前端為了做到這麼高頻率，必須採用矽鍺製程，因此無法整合成單晶片。另外，毫米波訊號在印刷電路板(PCB)上的衰退非常嚴重，如果雷達的天線跟收發器分開，應用開發商必須使用很昂貴的電路板材料，才能解決訊號衰退的問題。 為了徹底解決成本面的問題，TI從十多年前就開始研發CMOS毫米波雷達技術，以便為雷達應用的普及鋪路。採用CMOS最大的優勢在於可以實現SoC整合，不僅簡化應用開發的複雜度，也能帶來更有優勢的成本結構。而針對工業用毫米波雷達，TI提供的解決方案還進一步把天線整合到晶片封裝中，讓應用開發商不必使用昂貴的高頻電路板材。因此，只要市場需求量達到經濟規模，這種高整合度的毫米波雷達方案在價格上會非常有競爭力。 無獨有偶，亞德諾(ADI)近期也推出基於不可見雷射光的ToF量測方案。亞德諾亞太應用工程總監李財旺表示，目前市場上有多種ToF量測方案，各自有其優缺點，例如手機臉部辨識使用的結構光ToF，有很優秀的解析度，但不適用於戶外環境；基於CMOS影像感測器的ToF，則有解析度偏低的缺點，而且相對耗電。 亞德諾的ToF技術具備640×480 VGA解析度，而且是打脈衝光而非連續波，因此功耗很小，其深度資料可有效地增加影像辨識度，達到物件判斷的精準度。就工業應用來說，人流偵測、障礙物偵測、虛擬圍欄等，都很適合採用這種ToF技術。 除了提供晶片外，為協助客戶縮短設計週期，該公司正與第三方一起合作開發ToF模組，在ToF模組中並整合了包括類比前端(Analog Front End, AFE)、雷射二極體(Laser Diode)、ToF與CMOS影像感測器，相關演算法也包含在內。目前晶片本身已可量產，但因為工業應用開發者通常需要參考設計或模組方案，因此產品正式推出的時間會稍微延後，預計2019年1月開始供貨(圖4)。 圖4　即將進入量產階段的亞德諾ToF參考設計。 因為亞德諾的ToF技術非常省電，因此ToF攝影機開發商只需在攝影機上整合乙太網供電(PoE)技術，就不需要另外插電，還有多餘的電力可以供給其他應用。 工業感測蓬勃發展可期 工業感測面對的物理量五花八門，且隨著智慧製造所帶來的生產環境、流程改變，許多原本派不上用場的感測技術，未來都有可能在工業市場上找到應用商機。另一方面，工業感測設備本身也很明顯受到智慧製造趨勢的影響，除了聯網已經是最基本的功能要求外，感測設備和預防性維護、大數據分析等資訊應用連結，將是未來工業感測市場發展的重頭戲。