毫米波雷達

在資料中心、車用電子、工業等眾多應用驅動之下，全球能源使用量大增，如何有效提高能源使用效率，同時兼顧可靠性與安全性，已是電源設計人員共通的開發課題。大數據和人工智慧(AI)興起，使得資料中心的雲端儲存/運算需求增加，導致耗電量大增；預估至2020年，資料中心的耗電量將突破730億度。另一方面，隨著工廠智慧化程度攀升，自動化設備的大量導入，使得整體工業用電量維持逐年上升的趨勢。 顯而易見，如何實現高效率的電源轉換已成當務之急，因此，新材料和新技術趁勢崛起，像是48V供電架構、電源模組、可程式/數位電源，及SiC/GaN寬能隙功率半導體等新技術，以達到高功率密度、縮小尺寸、提升能效、減少升溫，甚至可降低系統閒置時所需耗費的電力，壓低能源需求。本活動邀集代表性電源技術方案供應業者，深入探討提升電源系統能源轉換效率的設計關鍵。 SiC將發展高電壓/電流應用 半導體技術持續在各領域攻城掠地，羅姆半導體(ROHM)台灣技術中心資深工程師蘇建榮(圖1)表示，業界對電源技術的要求為節能、小型化與寬能隙(Wide BangGap)。由於傳統的矽(Si)已經達到物理極限，需要新的半導體材料以提供更優越的性能表現，碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)為最常被提到的兩種新興功率半導體材料，其中碳化矽的矽與碳是1：1比例結合的IV-IV族化合物半導體，在高溫高壓的環境下長晶，熱、化學、機械等特性表現穩定。 圖1　羅姆半導體ROHM台灣技術中心資深工程師蘇建榮表示，碳化矽SiC被視為未來高電壓功率元件的明日之星。 因此SiC具有高擊穿電場強度、寬能隙與高熱傳導率三大特性，蘇建榮強調，SiC崩潰電場(Breakdown Field)是矽的10倍，能隙是矽的3倍，熱傳導率也是矽的3倍。所以有低導通電阻、高耐壓600~1200V；且可以快速切換，具備低開關損耗、可在超過150℃的環境工作，及可以流過大電流的優點，被視為未來高電壓功率元件的明日之星。 因此SiC MOSFET近年發展迅速，在其內部閘極電阻部分，該元件內部閘極電阻(Rg)與柵電極材料的表面電阻及晶片尺寸有關；如果是相同設計則與與晶片尺寸成反比，晶片越小閘極電阻越高；同等特性下，SiC MOSFET的晶片尺寸比矽元件小，因此閘極電容小，但內部閘極電阻增大，因此若要實現高速開關，外接閘極電阻要盡量小。蘇建榮認為，SiC在大電流與高電壓的應用前景備受看好，如馬達的牽引逆變器(Traction Inverter)、電動車充電系統、SiC不斷電系統、太陽光電逆變器(PV Inverter)等。 48V系統降低電源傳輸損耗 資料中心與AI邊緣運算近年高速成長，帶動高壓直流化趨勢，美商懷格(Vicor)資深技術支援工程師張仁程(圖2)指出，電源系統技術需求包括：更寬與更高的操作電壓、高輸出功率、高效率、高能量密度/小尺寸、低雜訊、高功率重量比(Power to Weight)、散熱(Thermal Dissipation)與遙測(Telemetry)設計等。為提高電源轉換效率，48V傳輸架構取代12V架構的呼聲越來越高。 圖2　美商懷格Vicor資深技術支援工程師張仁程指出，為提高電源轉換效率，48V傳輸架構取代12V架構的呼聲越來越高。 相較12V的架構，48V電壓提高4倍，傳輸耗損降為1/16。張仁程說，在相同瓦特數下，48V電流僅有1/4，阻抗損失為原本的1/16，以750W的供電實例而言，12V系統電流達63A，傳輸使用2AWG電源線，每公尺重量約273公克，3公尺線路損耗約13.6W；而48V系統電流降到16A，使用12AWG電源線，每公尺線路重量僅27公克，3公尺線路損耗8.6W，重量剩下1/10，損耗降低37%。 電源效率除傳輸效率之外，高低壓轉換也會產生耗損，目前一般的電壓轉換效率大概為97%~98%，努力的目標是提升轉換效率到99%，甚至零耗損轉換，包括雙向升降壓。張仁程解釋，零電壓切換(Zero-Voltage Switching, ZVS)是一種將電流引導到開關中以在開關打開之前均衡任一側電壓的技術，ZVS利用箝位開關和電路諧振，通過柔性切換有效地操作高端和同步MOSFET，避免了其在常規PWM操作和定時期間產生的損耗。另一種正弦振幅轉換器拓撲(Sine Amplitude Converter, SAC)是一個處於BCM模組核心位置的動態、高效能引擎。 工業/車用電源轉換器設計強化效率 在升降壓與電源傳輸時，都需要應用高效率電源轉換器，這也是另一個電源設計的要點，ADI代理商茂宣的應用工程副理洪家成(圖3)提到，在電源轉換器設計時，需要考量的重點如：輸出鏈波(Ripple)/雜訊、輕載效率、關機電源正常、大小/高度限制與環境溫度等。設計重點則為：瞬態響應(Transient Response)、線性調整率(Line Regulation)、輸入/輸出保護、電流限制/短路保護、安規保護、EMC/EMI等。 圖3　茂宣應用工程副理洪家成提到，Silent Switcher具有高效率、小體積與低EMI，即使在高切換頻率下亦能高效運作。 在工業環境，基於安全、接地迴路與能階位移(Level Shifting)等理由，採用隔離電源(Isolated Power)設計相對普遍，洪家成解釋，ADI經過簡化的Isolated Flyback電路，效率超過90%。在車用部分，降壓-升壓拓撲(Buck-Boost Topology)，車輛行駛時電子系統會進行升/降壓，伴隨許多電流突波與雜訊，如何協助電壓轉換非常重要；另外車輛運行時會產生高溫，電子系統的散熱與抗熱也很重要，並且需要避免電磁干擾。 ADI發展Silent Switcher 2同步單片降壓開關穩壓器，為汽車與交通運輸應用所設計。洪家成說明，Silent...

目前，較具備發展前景的技術是電腦視覺，馬羽佳強調，其具備較好的環境感知功能，也因為技術成熟、價格親民，因此導入大規模應用有相對優勢。此外，多感測器資訊融合技術也備受關注，該技術能夠對各類訊息進行篩選及融合，以提供全面的環境資訊進行決策，保障車輛行駛的穩定和安全。 PerceptIn發展適用於低速園區的自動駕駛載具，例如遊樂園、學校、科學園區等。根據不同的場景，自動駕駛技術可與載人、零售、廣告等功能的車輛結合，滿足不同的使用需求。 PerceptIn的視覺感測技術可讓自駕車辨識行駛過程中的車及行人，達到避障效果，辨識速度低於0.1秒，準確率達90%以上。 馬羽佳說明，PerceptIn透過優化系統內部資料傳輸以降低系統延遲，並將系統到電腦之間的傳輸優化，基於不同架構平台包括GPU、FPGA等的移植加速。而為了提高準確率，該公司也針對視覺演算法本身，同時使用深度學習和幾何視覺方法，達到視覺資訊交叉驗證；以「安全低速」為核心，讓自駕應用進行成本有效控制與採用相對成熟、可靠技術的前提下快速落地。 PerceptIn商務拓展經理馬羽佳指出，該公司降低系統延遲，並提高準確率，以「安全低速」為自駕技術應用發展核心。  

全球汽車電子業將迎接新的典範轉移。2019年初國際消費性電子展(CES)再度成為各大車廠角力戰場，除了各種配備先進的自駕車車款爭奇鬥艷外，創新的商用服務、車載娛樂及模組化設計，也成為展示新焦點。與此同時，車用電子供應鏈及相關零組件與半導體業者也火力全開，競相推出最新一代解決方案，為自駕車發展增添極大動能。 今年，具半自主駕駛能力的Level 3等級自駕車，將是全球車廠與車電相關業者的研發重心，而ADAS功能的升級，以及車載毫米波雷達與V2X車聯網等技術的突破，將是促成此一發展目標實現的重要關鍵。與此同時，自駕車資安風險問題也日益受到重視，如何通盤考量並落實亦是業者不容輕忽的課題。緣此，本活動聚焦車用電子關鍵技術與零組件，深入剖析其最新發展動向與應用設計對策，協助產業界加速布局車電市場，成功搭上未來自駕車商機。 車輛智慧化自動駕駛為終極目標 針對車輛智慧化的發展趨勢，車輛中心(ARTC)經理許文賢(圖1)說，產業將透過五大發展策略包括：自駕化(Autonomous)導入AI人工智慧、機器學習、深度學習與類神經網路等技術；連網化(Connected)汽車與其他汽車或交通基礎設施的網路連接；協同化(Cooperated)發展協同式智慧交通系統C-ADAS/C-ITS等；電動化(Electrified)達成移動零排碳，有效管理CO2；共享化(Shared)透過隨選需求服務(On Demand Service)搭乘自駕車。 圖1　車輛中心經理許文賢說，自駕車更可以降低人為疏失事故及老齡駕車、疲勞駕駛的安全疑慮，提升行的安全。 從駕駛的行為來看，自駕車更可以降低人為疏失事故及老齡駕車、疲勞駕駛的安全疑慮，提升行的安全。同時補強都會離峰時段或偏鄉司機人力短缺問題，發展社區自動駕駛車隊，促進共乘共享經濟。而自駕車導入的新興科技應用人工智慧、物聯網與電能，提升環境與生活品質。因此，自駕車技術已經成為各國科技發展的重點項目。 根據產業研究機構IHS報告指出，2030年全球預計有400萬輛Level4以上的自駕車，2035年更將成長到1200萬台，約占全球汽車市場規模9%。而另一研究單位則指出，到2030年，Level4和Level5等級系統將僅占全球市場銷售新車的4%，不過到2040年則會快速成長到超過25%。而在這樣的趨勢下，許文賢建議，為確保自駕車安全無虞，國內應該發展完整的自駕車法規與驗證能量；服務上，則應該利用台灣特有人車混流交通情境，發展創新的自駕運行模式；技術上，可以投入感知、定位、人機介面/車用網路、決策與控制系統等核心技術。 77/79GHz高頻毫米波雷達將成車用主流 車輛的發展從目標來觀察，德州儀器(TI)半導體行銷與應用嵌入式系統總監詹勳琪(圖2)提到，不外乎更安全、更綠能/環保、更多樂趣三大面向。所有的科技、電子系統、智慧化都是為此，以先進駕駛輔助系統而言，2019年預計將創造291億美元產值，2021年更將成長至373億美元；另外，這些主動安全系統或是自駕系統的發展，將直接帶動感測器的發展，2019年車用感測器需求約為41.4億顆，2021年還將一路成長到46.4億顆，未來五年，需求成長比重高達37.07%。 圖2　德州儀器半導體行銷與應用嵌入式系統總監詹勳琪說，該公司毫米波雷達直接切入發展77/79GHz的高頻雷達，並採用CMOS製程。 而車用雷達在不同的位置也有不同的功能要點，詹勳琪說明，安裝在側向與四角的稱為角雷達(Corner Radar)，前方測距的稱為影像雷達(Imaging Radar)，安裝於車後的為停車雷達(Radar for Parking)，還有安裝在車內負責感測乘客與生理跡象的雷達。以TI目前的毫米波雷達(mmWave Radar)為例，該公司直接切入發展77/79GHz的高頻雷達，並採用高整合度的CMOS製程。 針對不同的應用與整合度，TI發展了三個系列的產品，詹勳琪表示，AWR1243系列搭載四個接收器(4Rx)與三個發送器(3Tx)，主要應用在影像雷達，可以依照感測距離整合兩個或四個；AWR1642系列則是整合度更高的產品，搭載四個接收器(4Rx)與兩個發送器(2Tx)，並整合數位訊號處理器(DSP)，可應用在車內身體感測、乘客感測等，以上兩個系列都已經量產；2019年第二季，將針對高整合系列推出AWR1843產品，搭載四個接收器(4Rx)與三個發送器(3Tx)，可應用在車後停車雷達。 高頻雷達測試驗證提升產品可靠度 車規應用不同於消費性產品，可靠性、環境耐受度、生命週期的要求都更加嚴格，因此在設計與測試部分需要更完善的考量。是德科技資深專案經理廖康佑(圖3)解釋，目前車用感測主流的技術包括毫米波雷達、攝影機與光達(LiDAR)，在高頻毫米波雷達部分，因為頻率高所以訊號容易衰減，並產生相位雜訊(Phase Noise)、重複性(Repeatability)、頻率響應誤差降低、更多雜訊影響差向量振幅值(EVM)、測試環境設定複雜、生成並顯示準確的寬頻帶毫米波訊號等挑戰。 圖3　是德科技資深專案經理廖康佑解釋，目前車用感測主流的技術包括毫米波雷達、攝影機與光達(LiDAR)。 而頻率調變連續波雷達(FMCW)由於產品便於小型化，也是高頻毫米波雷達常用的調變技術之一，廖康佑提到，此種雷達的挑戰是頻率調變線性度的品質、相位雜訊與調幅雜訊、傳送到接收間的訊號洩漏、感測器和目標之間多次不良反射的混亂情況、來自其他雷達感測器頻段用戶的干擾、散熱/耗電的挑戰等。是德從一個雷達模組系統的架構設計階段、開發階段到成品的驗證階段都有軟硬體的模擬驗證解決方案可以協助廠商。 而新興的高頻77/79GHz毫米波雷達，對於原本就投入24GHz產品開發的廠商而言，雖然頻率提升三倍，原先使用的設備可能不敷使用，廖康佑也強調，可以透過延伸擴充的模組協助在架構設計階段進行模擬(Simulation)，除了模擬的軟體之外，並提供訊號產生器協助廠商進行模擬。進到開發階段就以訊號分析為主，透過高頻的頻譜分析儀可以了解訊號的好壞。量產與產線階段，就透過模擬實際環境與應用狀況，檢視設計成果的距離、方向、角度等有沒有達成預設的目標。 設計模擬助訊號表現最佳化 77/79GHz的高頻雷達是未來的主流，現階段吸引許多廠商投入開發，安矽思(ANSYS)應用工程經理吳俊昆(圖4)從設計的角度表示，雷達天線的設計可以協助集中並強化雷達的能量，讓訊號傳送與接收狀況更好，一般而言天線設計的原則是要強化中間能量最大的部分，並設法降低旁波瓣(Sidelobe)，若設計不良形成相反的天線輻射場型，旁波瓣就變成是干擾，也嚴重影響訊號的傳送與接收品質，透過設計軟體可以微調參數最佳化訊號的表現。 圖4　安矽思(ANSYS)應用工程經理吳俊昆表示，透過設計軟體可以反覆模擬並微調參數最佳化訊號的表現。 另外，車用雷達的電磁波因為可以穿透物體，因此為了美觀一般的車用雷達都會使用雷達罩保護，並安裝在汽車Logo或保險桿後，但是只要遮罩的材料有金屬成分，就很容易破壞雷達的訊號，透過設計軟體可以發現這樣的問題，有助於廠商提早因應。在軟體裡也有場景設定的功能，套入實際環境的設定可以分析雷達在實際場景的效能表現。 與現在人們熟知的Waymo、Uber等公司持續將自駕車於現地進行實際測試相較，軟體場景設定不僅成本較低也較有效率，目前在路上測試運行的自駕車雖然可以不斷蒐集實際交通與突發狀況的資訊，但世界各地的道路狀況與交通場景畢竟有很大的差異，吳俊昆認為，利用設計軟體模擬部分交通與路況，可以在早期設計階段就改正一些錯誤，並因應部分複雜的路況，協助提高產品的完成度。 安全風險隨車輛智慧化提高 隨著車輛的電子化與聯網化，自駕車潛在資訊安全問題也越來越嚴重，趨勢科技協理許育誠(圖5)指出，資訊安全的問題常發生在不被注意的地方，這些地方的漏洞因為被忽略形成攻擊的破口，因此資訊安全的問題非常難以預測，所以需要預先準備，資訊安全廠商通常從攻擊機會、攻擊獲利的機會與攻擊被複製的機會來判斷並預作準備。 圖5　趨勢科技協理許育誠指出，隨著車輛的電子化與聯網化，自駕車潛在資訊安全問題也越來越嚴峻。 一般的網路攻擊者可以分成兩個類型，許育誠表示，白帽(White Hat)駭客通常是為了發現系統漏洞，然後提出警示，以便將漏洞補起，可能是研究單位或學校老師；另外一種是黑帽(Black Hat)駭客，這種就是一般人認知的駭客，其網路攻擊行為的目地是為了在網路漏洞中取得利益。攻擊可以從所有可能對外聯繫的管道中發生，包括免鑰匙(Keyless)系統、車用藍牙/WiFi，還有未來的車聯網都可能是網路攻擊的弱點。 車輛本來就非常講究安全，不僅是行駛的安全，車輛保全使其降低失竊的風險普遍為消費者重視。而在汽車智慧化的過程中，這部分的安全更加重要，因為若駭客透過網路漏洞奪走車輛主控權，後果更是不堪設想，許多戲劇、電影都已經描述過類似情節，許育誠表示，若大規模爆發有可能很難解決，同時對車商的信譽造成非常大的打擊，以北美市場為例，一次車輛召回的成本至少200萬美元，所以車廠對這類問題必不能等閒視之。 專業設計系統降低進入市場門檻 除了熱門的車用雷達之外，抬頭顯示器(HUD)、車用影像監控系統與新式車燈，也是許多廠商投入的市場，同時適合國內廠商發展，ANSYS協理張力和(圖6)說，以往的HUD系統在設計、分析、驗證的流程有極為複雜的步驟；該公司提出一個新的設計流程，透過視覺化規格定義、顯示器設計、反射片概念設計、成像品質分析、公差影響分析、人眼視覺模擬、虛擬實境體驗等步驟，簡化並提高HUD的設計流程與品質。 圖6　ANSYS協理張力和說，專業設計系統協助降低HUD、影像監控、智慧型頭燈設計市場進入門檻。 ANSYS另外提出一套車用影像監控系統OST(Optical Sensor Test)，張力和表示，影像是汽車應用最為廣泛直覺並發展成熟的環景感測技術之一，OST系統的設計可以應用在後視、停車輔助系統、智慧型頭燈控制、超速指標辨認、車道偏移警示、行人偵測、夜視等。 車輛頭燈對於在惡劣天候下的駕駛安全相當重要，因此智慧型頭燈的設計也有高度的市場需求，張力和進一步說明，ANSYS智慧頭燈設計系統，具有許多有用的工具如光學真實物理特性的表現，讓設計者設定不同的環境或時間，模擬實際的環境光線變化，並透過不同的角度觀察照明的實際效果，針對近期熱門的主動頭燈轉向系統(AFS)與矩陣式頭燈(Matrix Beam)設計與模擬，可以完整支援。 成熟技術助自駕車落地 對於一般人用車的自駕化發展來說，因為牽涉到複雜的現實環境，加上人要搭載於其上，安全問題便不斷被擴大，所以全球許多廠商都還在發展與測試的階段，但是對於特定應用的自駕車，可能是載貨或在園區/廠區固定路線上執行單純任務的載具而言，目前產業的技術已經足以應付。發展特殊應用無人載具的普思英察(PerceptIn)商務拓展經理馬羽佳(圖7)表示，一般自駕車分為三大系統，感測(Sensing)、知能(Perception)、決策(Decision)等。 圖7　普思英察(Perceptin)商務拓展經理馬羽佳表示，利用機器視覺技術搭配AI深度學習，可以讓自駕技術快速落地。 以這三大系統來看，都有許多技術與解決方案可以提供，馬羽佳就車輛的定位視覺系統為例指出，全球導航系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)與慣性導航系統(INS)是一種傳統的解決方案，缺點是誤差範圍多在幾公尺，而且可能因為環境干擾因素產生延遲與斷訊；另一個光達結合高解析地圖(HD Map)的方案，精準度與效果極佳，但因為軟硬體成本高昂，也須搭配運算能力強大的處理平台，目前導入商用的情況尚屬少數；而以工業應用的機器視覺技術，透過雙目視覺(Stereo Visual)系統、單目視覺(Monocular Visual)、視覺慣性測距(Visual Inertial Odometry)技術，則是另一個解決方案。 在一個交通載具可以低速運行，且道路環境相對單純的環境裡，利用低成本的機器視覺技術，搭配AI深度學習，馬羽佳說，這樣一來不僅可以讓自駕技術快速落地，也可以將成本進行有效控制，否則在光達與HD...

先進駕駛輔助系統(ADAS)經過多年的發展，已經從高階車款普及到大眾車款，尤其是主動安全系統證明能夠有效提高行車安全，成為消費者購車的主要考量之一，2019年ADAS功能成熟代表車輛自駕化進程將從Level 2往Level 3邁進，功能更加進化的Level 2+與Level 3 light次系統，帶動車用感測器質與量的需求全面提升。 毫米波雷達(mmWave Radar)在車用感測器領域已占有一席之地，一方面由於歐洲電信標準協會(ETSI)和美國聯邦傳播委員會(FCC)制定的頻譜規則和標準自2018年9月起禁止新產品使用24GHz超寬頻段，所有使用24GHz超寬頻段(Ultra-wide Band, UWB)的現有產品必須在2022年之前逐步淘汰。另一方面現行毫米波雷達技術主流的24GHz與高頻的77/79GHz技術相較，相同的距離解析度77/79GHz能提供更好的表現，讓雷達偵測距離可以有效拉長，對高速奔馳的汽車，緊急事故的預警時間與反應時間都能提升。 進階安全配備　推升高頻毫米波雷達需求 根據研究車速高達時速112公里時，安全煞車滑行距離為75公尺。目前ADAS若採用影像視覺分析技術，攝影解析度僅能精準分析80~100公尺距離內物體，如果在上述高速駕駛情境，車輛僅配置影像分析，那駕駛只剩5公尺反應距離，約0.15秒可進行應對。透過高頻毫米波雷達偵測距離可延伸至250公尺，駕駛提升反應距離增加到175公尺，反應時間延長5.2秒。意法半導體亞太區汽車產品事業體行銷經理陳錫成(圖1)表示，以前自動緊急煞車(Autonomous Emergency Braking, AEB)系統主要是在高階車款上才會看到，然而現在低階車款也開始配備這樣的功能。 圖1　意法半導體亞太區汽車產品事業體行銷經理陳錫成表示，現在技術日益成熟，台灣業者也開始導入相關技術製造高頻毫米波雷達。 中國重卡車已在2019年4月將AEB列為標配。另外，日本與歐盟40個國家和地區針對AEB將強制列入新車標配的草案已達成協定，未來將要求所有新的乘用車和輕型商用車都必須加裝AEB，新法最快2020年上路；美國則預計於2022年將AEB列為標配。法規也是促成毫米波雷達市場發展的主要力量之一，儘管AEB功能不必然需要導入77/79GHz雷達，但高頻雷達有效延伸偵測距離，強化AEB的預警能力與剎停準確度。 另外，從定速系統進化到主動式車距調節巡航系統(Adaptive Cruise Control, ACC)也是ADAS主要的功能之一，使用24GHz僅能較大尺度的調節與前車距離，77/79GHz雷達可以精確到公尺等級，未來車輛可以隊列巡航方式行進就是所謂的車龍(Platoon)行駛，每輛車的距離不超過1公尺，可以改善交通流量，並提升車輛燃油效率約15%左右。 毫米波雷達普及之路　降低成本成關鍵 目前，24GHz毫米波雷達已經達到技術成熟的階段，若成本能夠下降到一定的水準，完全取代超音波雷達只是時間的問題。同時，高頻毫米波雷達也正在快速發展中，同樣地，高頻毫米波雷達在車用感測器的領域取代低頻毫米波雷達成本也是主要的因素之一。 工研院產科國際所機械與系統研究組資深研究經理石育賢(圖2)表示，為了節省系統開發的成本，歐洲晶片大廠現在有一些解決方案是將低頻與高頻毫米波整合在同一個晶片上，就不需要那麼多電子控制單元(Engine Control Unit, ECU)，藉此降低成本。 圖2　工研院產科國際所機械與系統研究組資深研究經理石育賢表示，為了節省系統開發的成本，可將低頻與高頻毫米波整合在同一模組共用ECU。 車用高頻毫米波雷達在2019年的趨勢還是緊扣前方防碰撞功能系統。石育賢也指出，現在高階車款都配備高頻毫米波雷達，在車用感測器市場占有一定的比例。至於能不能成為標配，就看價格能否降低。 目前，24GHz的雷達模組價格約50~80美元，77/79GHz的高頻雷達模組依照功能不同約100~200美元，77/79GHz產品約是24GHz產品的一倍，若是前方的長程雷達價格高達200美元左右，成本差距就更大了，石育賢認為，77/79GHz的模組價格若是能降到100美元以內，成長動能就會進一步加碼。 成本/效能雙管齊下　高頻毫米波雷達起飛 由於自駕車對感測器感測距離、解析度與精準度的要求不斷提升，高頻毫米波雷達取代24GHz毫米波雷達已成不可逆的趨勢，但是高頻毫米波雷達要普及甚至取代低頻毫米波雷達仍有其挑戰，須能克服成本與效能的瓶頸。預估在2022年高頻毫米波雷達將逐步放量，並展現取代低頻產品的態勢。 德州儀器CMCU技術應用經理王盈傑(圖3)表示，2018年整體來說，主要是24GHz毫米波雷達技術成熟的時期，同時也是高頻毫米波雷達開始發展的階段。高頻毫米波雷達在2018年下半年到2019年開始出現更多新興應用，如更短距離的盲點偵測，或是車內的雷達，用以偵測駕駛的生理狀態與姿態、乘客數量等等，甚至利用車內雷達判讀手勢。 圖3　德州儀器CMCU技術應用經理王盈傑表示，2018年是24GHz雷達技術成熟的時期，同時也是77/79GHz雷達開始發展的階段。 王盈傑也提到，車輛智慧電子功能要求只會越來越多，必須掌握路況和所有突發狀況，也須要靠感測器來輔助。以現在的高頻毫米波雷達技術大概能偵測到200~250公尺左右的距離，但未來的需求一定會更高，甚至可能會達到300~400公尺。高頻毫米波雷達目前成本仍然高居不下，由於高頻毫米波雷達相較影像感測器或是超音波來說是新興、前瞻的技術，在製造、生產、測試等都較為困難，所以成本還是偏高。須要更多廠商投入，降低技術瓶頸，同時導入更多應用提升出貨量。 陣列天線/波束成形　毫米波雷達又精又遠 要提升高頻毫米波雷達精度，工研院資通所技術副組長陳文江(圖4右)指出，透過陣列天線與波束成形(Beam Forming)技術可以讓毫米波雷達更精準、傳輸距離更遠。 圖4　工研院資通所新興無線應用技術組組長丁邦安(圖左)；工研院資通所技術副組長陳文江(圖右)。 工研院資通所新興無線應用技術組組長丁邦安(圖4左)表示，毫米波雷達在車用感測方面的應用最初是因為ADAS的興起。但是感測器要模仿的器官就是人眼，而人眼是一個非常偉大的器官，要用機械替代如此精密的感官有相當大的挑戰。因各種車用感測器如光達(LiDAR)、毫米波雷達、攝影機等分別有技術上的優劣勢。 因此就有廠商提出結合攝影機與毫米波雷達的解決方案，一般毫米波雷達感測的資訊是點雲圖，無法具體判斷物體的類型，結合攝影機的影像資訊與毫米波雷達的物體感測，可以大幅提升感測精準度，業界有人稱這樣的方案為影像雷達(Camera Radar)，將兩個不同感測器蒐集的訊息利用感測融合的方式進行綜合判斷與解讀。 但丁邦安也提到，感測融合也有其困難，由於感測器數量多種類又不同，資訊量當然就跟著增加。資訊量大的情況下，若是不同感測器的感測結果產生矛盾，要如何判斷將是一大挑戰。以現在的技術來說，正確的感測和運算可以達到辨識物體的能力，但若要完全自駕同時也要求短時間做出正確的判斷，過於複雜的演算法和大量的感測器也會讓成本變得高不可攀。另外，車輛行駛過程中速度與反應時間對於感測與訊息處裡是一大挑戰，尤其車輛高速行駛時，如何即時提供準確的運算、判斷技術難度高，有賴後端的數位訊號處理器(DSP)或中央處理器運算能力的搭配。 針對高頻毫米波雷達如何提升精準度，陳文江進一步說明，理論上頻率越高傳輸距離是越短的，因為高頻會有衰減的問題，而77~79GHz的衰減至少是24GHz的九倍以上。而之所以會選擇高頻毫米波雷達是因為高頻的波長短，波長短就可以掃描得更精細，因此解析度就會比較高。 為了解決高頻訊號衰減的問題，可以透過陣列天線的方式讓傳輸距離提升、掃描範圍變廣。藉由開關天線改變使用天線個數的方式控制波束，即波束成形技術，集中波束便能使傳輸距離變遠，寬波束可以進行短距離大角度範圍的掃描。在IC發射功率固定的狀況之下，藉由波束控制即可以調整訊號傳輸距離。且由於高頻的天線可以做得更小，而且可直接印刷在PCB板上，相較模組與天線分離式的設計，整體成本並不會成長太多。 為了提升高頻毫米波雷達的感測距離、範圍和效能，目前德州儀器提供的解決方案可以整合多顆雷達在一個模組，讓兩顆毫米波雷達的感測訊號疊加，達到更遠的距離和更細膩的角度解析度。另外，毫米波雷達的專長是透過電波感測相對速度、位置與角度，由於77/79GHz毫米波雷達晶片模組體積更小，尤其是使用CMOS製程的晶片。因此，德州儀器同時提出整合四顆77/79GHz高頻毫米波雷達的解決方案，與過去單顆或兩顆雷達不同的是，透過這四顆雷達感測不同的向量資訊，可以將過去主要是2D訊息的感測資料，提升到3D的訊息尺度，更具體描繪感測物的型態。 77/79GHz大潮來襲　台廠應把握先機 根據研究機構Yole Développement(Yole)研究指出，預計到2025年雷達市場將達到86億美元(圖5)，2015~2025年複合成長率為15.6%。24GHz雷達是2018年市場的主流，市場規模約22億美元。77GHz的產品從2018年開始也加速成長，根據Yole的看法，77/79GHz雷達在2020年左右就會成為主流。 圖5　2015~2025年車用雷達發展趨勢 資料來源：：Yole Développement(05/2019) 陳錫成更進一步說明，過去囿於技術門檻，主要只有歐洲大廠在做高頻毫米波雷達，但現在技術日益成熟，台灣業者也開始導入相關技術製造高頻毫米波雷達。 然而，目前台灣的廠商出貨仍以低頻毫米波雷達為主，高頻毫米波雷達主要用於長距離，要取代短距離的24GHz毫米波雷達至少還需要2~3年的時間。但陳錫成指出台灣廠商也已經開始接到許多高頻毫米波雷達RFQ，由於技術方面已經準備好了，只要價格能夠下降，高頻毫米波雷達成為主流是必然的趨勢。但因為雷達用於汽車，關係人身安全，車規也就更加嚴格，從技術開發到生產約需要2~3年，在高頻毫米波雷達量產之前，台灣廠商的毫米波雷達出貨仍以24GHz為大宗。 儘管目前24GHz出貨還是毫米波雷達的主流，不過根據台灣車用雷達模組廠商表示，接下來新的設計都是針對77/79GHz的高頻產品，以該公司為例，2019年下半年高頻毫米波模組產品出貨量與24GHz模組可能就會出現黃金交叉，這波77/79GHz高頻技術取代潮，可以說來得又急又快。對於台灣產業來說就是個黃金時期，把握這波潮流對於車用電子產業的發展非常重要。 台灣的ICT產業擁有良好的體質，除了生產代工的水準，也具備程式設計的能力。石育賢呼籲，在車用電子領域，應用場景非常重要，台灣交通環境複雜，廠商應該積極投入對於應用環境的研究與了解，以最普遍的ACC與AEB為例，這兩套系統在歐美日本與台灣或印度這樣的地方運行，台灣人車混用還有機車在車陣中穿梭，印度更是有牛在路口漫步，所以系統模組在作動與感測時需要再做因地制宜的調整，軟體也要進行客製化的設定。 車電市場並不像消費性電子產品，對產品的要求相對嚴苛許多，加上產品驗證周期長，另外車規的要求生產品質與環境耐受度也必須提升一個等級，台灣廠商經營車用電子市場需要更深入並更沉得住氣。石育賢建議國內業者先從元件開始進入Tier 1，再慢慢擴大到能做好一個系統。雖然初期投資成本相當高，要進入車用電子市場需要2~3年的時間，而現在就是抉擇的時刻，若現在猶豫不決怕是再遲就來不及了。 丁邦安總結道，車用對於安全性的要求非常高，萬中不能有一失，高頻毫米波雷達要在車用領域普及會遇到最大的困難在於道路實測與成本。目前藉由提升運算量、增加天線數量、提高雷達頻率都可以讓解析度與辨識度提升，技術方面和理論已足夠成熟，但是成本將會高到難以接受。在安全與成本的拉鋸之下，高頻毫米波雷達用於Level 3以上自駕車仍有一段路要走。 對此，王盈傑針對台灣高頻毫米波雷達發展提出了建議，目前高頻毫米波雷達在台灣發展目前仍面臨許多挑戰，包括天線設計、演算法的開發、製造測試等方面都是全新的領域。因此也有許多的可能性，以台灣來說，現在只有大學電波組實驗室在研發高頻天線，並沒有太多公司投入設備和測試。原先做24GHz天線或手機天線的廠商，可以考慮開始投入高頻的研發設計。另外，在製程上如何克服測試的問題也是可以投入的方向。至於演算法的開發，如用於姿態辨識和生命跡象等等，結合AI機器學習(Machine Learning)來進行計算，也是可以開發的新領域。

毫米波雷達(mmWave Radar)在車用感測器領域已占有一席之地，一方面由於歐洲電信標準協會(ETSI)和美國聯邦傳播委員會(FCC)制定的頻譜規則和標準已禁止新產品使用24GHz超寬頻段，另一方面車用感測器也要求更精準的感測解析度，因此，高頻(77~79GHz)毫米波雷達開始快速發展。為提升高頻毫米波雷達精度，工研院資通所技術副組長陳文江指出，透過陣列天線與波束成形(Beam Forming)技術可以讓毫米波雷達更精準、傳輸距離更遠。 工研院資通所新興無線應用技術組組長丁邦安表示，毫米波雷達在車用感測方面的應用最初是因為先進駕駛輔助系統(ADAS)的興起，後來才進入了自駕車發展的領域。但是自駕車感測器要模仿的器官就是人眼，而人眼是一個非常偉大的器官，要用機械替代如此精密的感官有相當大的挑戰。因各種車用感測器如光達(LiDAR)、毫米波雷達、攝影機等分別有技術上的優劣勢，目前感測融合技術互補乃是車用感測器主流趨勢。 但丁邦安也提到，感測融合也有其困難，由於感測器數量多種類又不同，資訊量當然就跟著增加。資訊量大的情況下，若是不同感測器的感測結果產生矛盾，要如何判斷將是一大挑戰。以現在的技術來說，正確的感測和運算可以達到辨識物體的能力，但在車用領域同時也要求短時間做出正確的判斷，過於複雜的演算法和大量的感測器也會讓成本變得高不可攀。因此，丁邦安認為短時間內，毫米波雷達的主要舞台還是在ADAS和主動安全的領域。 針對高頻毫米波雷達如何提升精準度，陳文江進一步說明，理論上頻率越高傳輸距離是越短的，因為高頻會有衰減的問題，而77~79GHz的衰減至少是24GHz的九倍以上。而之所以會選擇高頻毫米波雷達是因為高頻的波長短，波長短就可以掃描得更精細，因此解析度就會比較高。 為了解決高頻訊號衰減的問題，可以透過陣列天線的方式讓傳輸距離提升、掃描範圍變廣。藉由開關天線改變使用天線個數的方式控制波束，即波束成形技術，集中波束便能使傳輸距離變遠，寬波束可以進行短距離大角度範圍的掃描。在IC發射功率固定的狀況之下，藉由波束控制即可以調整訊號傳輸距離。且由於高頻的天線可以做得較小，而且可直接印在PCB板上再拉到IC上做成小模組，因此增加陣列天線的成本並不會太高。 丁邦安總結道，車用對於安全性的要求非常高，萬中不能有一失，高頻毫米波雷達要在車用領域普及會遇到最大的困難在於道路實測與成本。目前藉由提升運算量、增加天線數量、提高雷達頻率都可以讓解析度與辨識度提升，技術方面和理論已足夠成熟，但是成本將會高到難以接受。在安全與成本的拉鋸之下，高頻毫米波雷達用於自駕車仍有一段路要走。但是可以肯定的是高頻毫米波雷達在車用領域取代低頻毫米波雷達將只是時間的問題。

隨著感測器在汽車應用上越來越重要，相關技術也日益發達。目前，低頻(24GHz)毫米波雷達已經達到技術成熟的階段，若成本能夠下降到一定的水準，完全取代超聲波雷達只是時間的問題。同時，高頻(77GHz)毫米波雷達也正在快速發展中，同樣地，高頻毫米波雷達在車用感測器的領域取代低頻毫米波雷達只差成本考量。 產科國際所機械與系統研究組資深研究經理石育賢表示，為了節省系統開發的成本，歐洲晶片大廠現在有一些解決方案是將低頻與高頻毫米波整合在同一個晶片上，就不需要那麼多電子控制單元(Engine control unit, ECU)，藉此降低成本。另外也有整合攝影機和雷達的解決方案，由於毫米波雷達相較攝影機，儘管較不受光線及氣候影響，但辨識物體的能力就不如攝影機，因此整合攝影機也能彌補技術上的不足。 車用高頻毫米波雷達在2019年的趨勢還是緊扣前方防碰撞功能系統。石育賢也指出，現在高階車款都配備高頻毫米波雷達，在車用感測器市場一定占有相當的比例。至於能不能成為標配，就看價格能否降低。除了成本考量，政策也是推動高頻毫米波雷達發展的一大因素。 歐洲現在的政策力推eCall緊急呼叫系統，旨在為歐盟內任何地方發生碰撞的駕駛者提供快速援助。但是從安全的角度來看，主動的安全系統的搭載應該更優先於這類被動求救系統。所以重要性的順序應該是防碰撞第一，再來是緊急煞車系統，最後才是緊急呼叫系統。 然而在台灣，目前出貨還是以低頻毫米波雷達為主。另外，對於台灣車用電子廠商的發展，石育賢呼籲，台灣的ICT產業擁有良好的體質，除了生產代工的水準，也具備程式設計的能力。但工程師對汽車應用環境的掌握度不夠，加上要進入車規的水準生產良率也必須提升一個等級，儘管潛力無窮，但進步空間仍大。 另外，車電市場並不像消費性電子產品，對產品的要求相對嚴苛許多，檢驗也是一大挑戰。石育賢建議國內業者先從元件開始進入汽車一階零組件供應商(Tier 1)市場，再慢慢擴大到能做好一個系統。雖然初期投資成本相當高，可是要進入車用電子市場需要2~3年的時間，而現在就是抉擇的時刻，若現在猶豫不決怕是再遲就來不及了。

隨著科技發展，交通安全的重要性只會越來越高，再加上感測技術不斷提升，人們對汽車必備功能的觀念也與過往大不相同。近年來先進駕駛輔助系統(ADAS)市場興起，車用感測器如毫米波雷達的需求跟著水漲船高。中國重卡車已在2019年4月將自動緊急煞車系統(AEB)列為標配。另外，日本與歐盟40個國家和地區針對AEB將強制列入新車標配的草案已達成協定，未來將要求所有新的乘用車和輕型商用車都必須加裝AEB，新法最快2020年上路；美國則預計於2022年將AEB列為標配。汽車是否有AEB，已經成為是否選購的衡量重點之一。 意法半導體亞太區汽車產品事業體行銷經理陳錫成表示，以前AEB主要是在高階車款上才會看到，然而現在低階車款也開始配備這樣的功能。既然有市場需求，廠商就會有解決方案。AEB主要採用偵測距離較遠的高頻(77~79GHz)毫米波雷達，因此，高頻毫米波雷達的需求也逐漸提升。 陳錫成更進一步說明，過去囿於技術門檻，主要只有歐洲大廠在做高頻毫米波雷達，但現在技術日益成熟，台灣業者也開始導入相關技術製造高頻毫米波雷達。從IC的部分來說，2019年高頻毫米波雷達技術更加成熟，也更接近量產。同時，2019年也是台灣低頻(24GHz)毫米波雷達產量真正大幅提升的一年。 然而，目前台灣的廠商出貨仍以低頻毫米波雷達為主，高頻毫米波雷達還是多用於長距離，要取代短距離的低頻毫米波雷達至少還需要2~3年的時間。但陳錫成指出台灣廠商也已經開始接到許多高頻毫米波雷達RFQ，由於技術方面已經準備好了，只要價格能夠下降，高頻毫米波雷達成為主流是必然的趨勢。但因為雷達用於汽車，關係安全車規也更加嚴格，從技術開發到生產約需要2~3年，在高頻毫米波雷達量產之前，台灣廠商的毫米波雷達出貨仍以低頻為大宗。

由於自駕車對感測器感測距離、解析度與精準度的要求不斷提升，77GHz毫米波雷達取代24GHz毫米波雷達已成不可逆的趨勢，但是77GHz毫米波雷達要普及甚至取代24GHz毫米波雷達仍有其挑戰，未來若能克服成本與效能的瓶頸。預估在2022年高頻77GHz毫米波雷達將逐步放量，並展現取代24GHz產品的態勢。 德州儀器CMCU技術應用經理王盈傑表示，2018年整體來說，主要是24GHz毫米波雷達技術成熟的時期，同時也是77GHz毫米波雷達開始發展的階段。77GHz毫米波雷達在2018年下半年到2019年開始出現更多新興應用，如更短距離的盲點偵測，或是車內的雷達，用以偵測駕駛的生理狀態與姿態、乘客數量等等，甚至利用車內雷達判讀手勢。 由於77GHz毫米波雷達頻寬較寬，頻率也是24GHz毫米波雷達的三倍，偵測距離也比24GHz毫米波雷達來得遠。77GHz毫米波雷達主要用於長距離的巡航、防撞等功能。而24GHz毫米波雷達則用於短距離的一般盲點偵測或軌道偏移應用。 王盈傑也提到，自駕車功能要求只會越來越多，必須掌握路況和所有突發狀況，也須要靠感測器來輔助。以現在的77GHz毫米波雷達技術大概能偵測到200~250公尺左右的距離，但未來的需求一定會更高，甚至可能會達到300~400公尺。為了提升77GHz毫米波雷達的感測距離、範圍和效能，目前德州儀器提供的解決方案有疊加雷達，在同一個模組中整合兩顆毫米波雷達，疊加感測訊號，達到更遠的距離和更細膩的角度解析度；另外也有廠商提出影像雷達解決方案，整合毫米波雷達與影像感測器，結合兩種感測器的訊號，以感測融合(Sensor Fusion)的方式提升感測效能。 77GHz毫米波雷達目前成本仍然高居不下，由於77GHz毫米波雷達相較影像感測器或是超聲波來說是新興、前瞻的技術，在製造、生產、測試等都較為困難，所以成本還是偏高。須要更多廠商投入，降低技術瓶頸，同時導入更多應用提升出貨量，才能進一步降低成本。 對此，王盈傑針對台灣77GHz毫米波雷達發展提出了建議，目前77GHz毫米波雷達在台灣發展目前仍面臨許多挑戰，包括天線設計、演算法的開發、製造測試等方面都是全新的領域。因此也有許多的可能性，以台灣來說，現在只有大學電波組實驗室在研發77GHz天線，並沒有太多公司投入設備和測試。原先做24GHz天線或手機天線的廠商，可以考慮開始投入77GHz的研發設計。另外，在製程上如何克服測試的問題也是可以投入的方向。至於演算法的開發，如用於姿態辨識和生命跡象等等，結合AI機器學習(Machine Learning)來進行計算，也是可以開發的新領域。

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。

產業研究機構Yole Développement(Yole)研究指出，在ADAS的新興應用和自駕車的推動下，雷達技術發展得非常快，雷達晶片市場2016～2022年的複合年成長率(CAGR)為22.9%。過去兩年，汽車業已經有許多意想不到的發展。 從使用頻率的角度來看，Yole認為，自動駕駛將成為雷達技術發展的下一個長期動力。汽車雷達採用非授權的ISM頻段24GHz，適用於短距離(最長30米)應用，包括盲點檢測，車道變換輔助等，技術相較成熟，不過由於各國政府計畫收回該頻段，因此24GHz的產品在20202年以後將陸續消失，轉換為高頻的77GHz頻率產品。 而高頻的77GHz，適用於中長距離(最長250米)應用，包括自動跟車定速控制、自動緊急剎車。未來，多模的毫米波雷達設計會逐漸發展，也就是一個模組裡同時搭載多顆毫米波雷達晶片。然而，多模解決方案可能會導致配備雷達的汽車產生干擾問題。 自動緊急剎車、自動跟車定速控制和車道變換輔助是這些新應用的一些例子。在新車評估計劃的推動下，車廠正在設計具有眾多感測器的汽車，以實現這些應用。由於大多數這些新應用都與安全相關，因此感測器必須高度準確。這意味著物體檢測和分類的規格非常嚴格且可靠：可在各種天氣條件下，在光線不足，近處或遠處以及寬視野範圍內操作。雷達技術非常適合滿足大多數這些要求。 Yole解釋，儘管全球汽車銷售成長率在2022年達到近3%，預計未來五年雷達晶片的銷售平均成長率為23%，平均成長率為22.9%。