氣體感測器
在晶圓階段確認特性 點測設備助力氣體感測器開發
物聯網的發展風潮,帶動了感知層中感知技術、辨識技術、控制技術各種需求的增加,感測器種類繁多,動作、聲音、影像、溫度、濕度、氣壓、氣體、紫外線等各式各樣的感測器,空氣品質監測與氣體感測器便屬於其中之一。
2018年法國市調機構Yole Dévelopment預估,2021年氣體感測器市場可成長至9.2億美元的規模,2022年挑戰10億美元(圖1),其中又以行動裝置與穿戴式裝置的成長幅度最大。
圖1 2018-2023氣體感測器市場發展趨勢。
資料來源:Yole Développement(11/2018)
目前市面上的氣體感測器種類繁多,依其偵測的機制跟原理可大致區分為以下幾種:電化學式氣體感測、觸媒燃燒式氣體感測器、光學式氣體感測器、半導體式氣體感測器。其中仍在發展中的半導體式氣體感測器,易於整合於高密度積體電路中,能做到小型化、高效能、低耗能、低成本適合低價量產等優點而備受矚目。
晶圓製程階段確認特性 加速半導體氣體感測器開發
半導體氣體感測器的流程,大致可以為晶圓製作、封裝、測試,如圖2所示,若以一個功能完整的模組為例,我們分析其成本結構可以發現前段晶粒製程約占29%,後段封裝製程占比約28%,感測器功能測試占比21%,其他的電子零件占比則是22%(圖3)。在元件的開發階段,若是每一個實驗或是參數的調整,都必須完成封裝至元件或是模組,除了每一階段製程的材料成本,還必須增加該製程所需要的時間成本,而此時間動輒數週甚至數月,大幅度地增加元件開發的時間;因此若可以在晶圓製程階段確認氣體感測器的特性,等於提供了一種強而有力的工具,讓氣體感測器的開發者可以在晶圓製程階段得到結果的確認,並即時地回饋,讓開發者挑選調整各種方案或參數,有效地縮短開發所需要的時程。
圖2 半導體式氣體感測器的製作流程圖。
圖3 感測器的製造成本分配圖。
晶圓級半導體式氣體偵測器元件驗證機台,在元件封裝前即以具計量追溯之檢測程序進行元件效能評估,可提早至少1/3的製程製作時間,得知元件的特性,大幅縮短研發該氣體偵測器元件所需要的時間;若能搭配實驗計畫的設計,將材料、圖案,或結構等參數的變化整合於單一晶圓上,則縮短研發的時間幅度,更能達到倍數以上。若將此機台設置於生產線,不但可以避免讓不良的晶粒進入封裝與測試製程線,造成無效成本的浪費,更可能提早發現不良或不穩定的晶粒產出,讓產線人員得以及時矯正,避免產出更大規模的瑕疵產品,進而降低生產成本,增加產品競爭力。
金屬氧化物半導體式氣體感測器需在一定的工作溫度(200℃~400℃)下使用,其感測原理則因半導體氧化物表面的導電率會因為氣體吸附而發生變化(氧化或還原),達到偵測有害氣體目的。根據其工作原理可知若需在元件封裝前即確認氣體感測器的特性,則此點測設備至少需具備以下不可或缺之基本功能:(1)可通入特定目標氣體濃度,(2)具備晶圓加熱功能,使感測器晶片達到工作溫度;(3)精密點測控制電路,量測微小電流與電壓變化。然而為了達到晶圓級氣體感測器高效能點測系統,本設備更具備了自動光學對位系統、線陣列探針點測裝置、氣體濃度調整與吸附劑篩選裝置。根據以上需求所開發出之晶圓級氣體感測器高效能點測系統與各部說明如圖4。
圖4 晶圓級氣體感測器高效能點測系統外觀與次模組說明。
自動光學對位系統主要由兩組光機取像模組、調校滑台與機構及對位解算軟體等所構成,以提供線陣列探針點測裝置之調校對準及以定位Keys(晶圓上對位用之十字標)進行晶圓的精確定位,以及解算兩光機取像模組與線陣列探針點測裝置和晶圓之間的幾何關係與調校參數,量測畫面如圖5,並建立晶圓之座標系統與地圖(Wafer Map),以執行線陣列探針點測裝置之定位調校及感測器晶粒之電性點測,並連結原來的晶圓地圖屬性資料(Attributes),以利於取得晶圓的基本資訊及更新點測結果資料到晶圓地圖資料中。
圖5 自動光學對位量測晶圓四角落十字Key偏移量。
圖6為整合自動光學對位系統與高效能進氣腔裝置之點測架構之實體圖,此架構設計亦為本量測系統設備之重要核心技術,可使得系統設備具有操作簡單及備便時間短等優良的操作性。
圖6 整合自動光學對位系統與高效能進氣腔裝置之點測架構實體圖。
本設備標準氣體供應系統為利用流量控制器配合背景氣體(N2+20%O2)氣體調整標準氣體濃度,以單一標準濃度氣體稀釋出各種欲量測之濃度,其方法以1000sccm流量控制器背景氣體流量,標準氣體可配合欲稀釋比例選擇以1000、500或10sccm流量控制器控制通入腔體流量,以此方式可以調整標準氣體濃度由原濃度調整至1%,1%以下則改以10sccm流量控制器控制標準氣體流量,最小可調整至0.0002%原濃度,若原標準氣體濃度為2000ppm,則最小可將濃度調整至0.4ppm,即可稀釋為原濃度1/5000。
感測器受其他物質干擾易造成量測失準
在工業或民生的應用上,感測器若是受同一環境中其他物質之干擾時,除了使量測值誤差過大,更常造成誤判的困擾;例如酒測,藉由氣體感測器偵測人體呼氣中的特定氣體濃度時,這項技術面臨到的問題大致上可分為兩個:一為選擇性,所檢測的特定氣體濃度,可能會受到呼吸中其他氣體的影響,導致檢測的結果出現誤差;二則為濕度,由於檢測是透過呼吸中的氣體成分,而呼氣中有相當高的水氣含量,所以在檢測的過程中可能會受到水氣的干擾,而影響檢測的準確度。又例如,慢性肝炎患者的呼氣中除了有氨氣外,尚有丙酮、氧氣、二氧化碳及水氣等,會對感測器造成訊號干擾。因此,在氣體進入腔體前設計一吸附劑容器,可於量測時選擇是否通過吸附劑,藉此可篩選有效之吸附劑材料。
根據計畫規格需求,選定以懸臂式探針卡作為本計畫使用的探針卡,如圖7所示,懸臂式探針卡又稱環氧樹酯式(Epoxy Probe Card)約在60年代由Rucker與Kolls所發展設計出來的,優點:價格低廉、製造時間較短、清針容易、裝配和修理起來較容易。
圖7 懸臂式探針卡設計式意圖。
由於待測晶圓須要加熱至200℃,探針卡待測環境高溫,為了避免探針卡印刷電路板(Printed circuit board, PCB)板因受熱而形變,結構加強環增加結構強度,選用圖8之公版PCB,60pin走線左右各走30條線,末端排Pin將與電路PCB板對接,完成之60pin懸臂式探針卡實體圖如圖9所示,10die 60pin懸臂式探針卡待測元件(Devices Under Test, DUT)分布與探針針尖顯微鏡局部放大圖分別如圖10、圖11所示,針尖直徑量測為直徑範圍落在17.5~18.75μm,針點z軸水平位置落在+/-2.5μm,x-y平面位置落在+/-5μm。
圖8 懸臂式探針卡所選用之公版PCB。
圖9 10 die 60pin懸臂式探針卡。
圖10 10die 60pin CPC Probe card DUT分布。
圖11 探針OM圖。(a)焦距在針身,(b)焦距在針尖。
點測控制電路模組提供多種檢測電源訊號
點測控制電路模組主要工作為提供感測器晶粒多種檢測電源訊號,並量取、紀錄其對應電性特徵,以作為判斷晶粒品質好壞的參考依據。點測控制電路板直接以商規排針與母座,和上方的探針卡模組對接,透過排針與探針串接方式,將驅動訊號分別傳送至每個晶片輸入電極;除此之外,點測控制電路亦利用其他組探針探測晶粒輸出電氣特徵,經由訊號處理電路將此類比訊號,轉換成數位形式,再傳回主控電腦繪製關係曲線,以代表每顆晶粒原始電性特徵。依照現階段檢測需求,點測控制電路模組共配置10組相同的檢測電路,可同時點測10顆感測器晶粒,縮減每片晶圓檢測時間。每組檢測電路包含:-10V~+10V可程式設定電壓輸出源、20mA定電流輸出源、精密電流感測電路、以及迴路壓降量測電路。其中輸出點測電壓部分,可根據需求自行以程式控制方式,準確設定-10V~+10V之間的電壓值輸出予晶粒,其最小調整量為±0.1V,最高可支應500mA的電流消耗。檢測電路在輸出驅動電壓同時,利用精密電流感測電路量取迴路中消耗電流,作為晶粒電性特徵之一;此外,檢測電路亦可供給20mA定電流至晶粒另一組電極,再讀取此部分壓降狀態,當作另一項特徵資訊,而其量測精度可分別達到1uA與0.1mV。點測控制電路與探針卡可視不同檢測晶圓型式,設計客製化模組並可輕易置換,以因應多樣化點測需求,增加檢測機台應用彈性。
(本文作者卓文浩、林儀豪、林郁欣、陳柏睿任職於國研院儀科中心、葉瑞鴻任職於晶圓光電)
專訪台灣儀器科技研究中心副院長吳光鐘 國研院發表晶圓級點測系統
台灣儀器科技研究中心副院長吳光鐘提到,氣體感測器的應用領域相當廣泛,包括酒駕的檢測、空氣汙染的防治、瓦斯外洩的警示等等,都用得到氣體感測器。再加上物聯網的多元應用,氣體感測器的需求大幅提升。且台灣擁有領先全世界的半導體技術,在技術成熟的條件之下,以半導體形式製作氣體感測器,除了可以低成本量產之外,更可以縮小體積。因此非常適合應用於手持式裝置如手機等設備。
根據產業研究機構Yole Développement最新研究報告,預期於2021年全球氣體感測器市場可成長至9.2億美元的規模,2022年挑戰10億美元;其中又以智慧手持裝置與穿戴式裝置的成長幅度最大,分別有269%與225%的年複合成長率。台灣是半導體大國,要切入由半導體製程所製作的感測器市場具有絕對優勢。
台灣儀器科技研究中心副主任陳峰志表示,此氣體感測器點測系統於晶圓階段即可測試氣體感測器(感測晶片)效能,且可同時測試多顆,不但大幅縮短檢測時間,且可提早於封裝前即查知每顆晶片的品質與分級,大幅降低封裝資源浪費;亦可回饋測試結果,據以改善製程,提高生產效能與品質。
目前廠商測試氣體感測器的方式,是完成晶片的封裝後,再一顆一顆測試其功效。國家實驗研究院台灣儀器科技研究中心開發的「晶圓級氣體感測器高效能點測系統」,則是在晶圓上製作出一格一格的晶片後、在尚未切割封裝前(即晶圓階段),即進行感測晶片之氣體反應電性量測。另外由於整合了「自動光學對位系統」、「線陣列探針點測裝置」及「精密定位移動平台」的核心技術,可用「線陣列探針」十顆十顆進行測試,大幅提升測試速度,進而縮短檢測時間。
氣體感測器需求上揚,國研院發表晶圓級點測系統,助台灣打好AIoT根基。
氣體感測器需求上揚 國研院發表晶圓級點測系統
隨著空氣污染防治意識抬頭,以及物聯網時代來臨,氣體感測器需求跟著顯著提升。對此國研院儀科中心運用高度整合的光機電及真空等技術建置了創新高效能「晶圓級氣體感測器高效能點測系統」,將引領台灣廠商搶攻感測器市場,為台灣邁向智慧環境AIoT時代奠定基礎。
台灣儀器科技研究中心副院長吳光鐘提到,氣體感測器的應用方面相當廣泛,包括酒駕的檢測、空氣汙染的防治、瓦斯外洩的警示等等,都用得到氣體感測器。再加上物聯網的多元應用,氣體感測器的需求大幅提升。且台灣擁有領先全世界的半導體技術,在技術成熟的條件之下,以半導體形式製作氣體感測器,除了可以低成本量產之外,更可以縮小體積。因此非常適合應用於手持式裝置如手機等設備。
根據產業研究機構 Yole Développement最新研究報告,預期於2021年全球氣體感測器市場可成長至9.2億美元的規模,2022年挑戰10億美元;其中又以智慧手持裝置與穿戴式裝置的成長幅度最大,分別有269%與225%的年複合成長率。由於台灣是半導體大國,要切入由半導體製程所製作的感測器市場具有絕對的優勢。
台灣儀器科技研究中心副主任陳峰志表示,此氣體感測器點測系統於晶圓階段即可測試氣體感測器(感測晶片)效能,且可同時測試多顆,不但大幅縮短檢測時間,且可提早於封裝前即查知每顆晶片的品質與分級,大幅降低封裝資源浪費;另外亦可回饋測試結果,據以改善製程,提高生產效能與品質。
目前廠商測試氣體感測器的方式,是完成晶片的封裝後,再一顆一顆測試其功效。國家實驗研究院台灣儀器科技研究中心開發的「晶圓級氣體感測器高效能點測系統」,則是在晶圓上製作出一格一格的晶片後、在尚未切割封裝前(即晶圓階段),即進行感測晶片之氣體反應電性量測。另外由於整合了「自動光學對位系統」、「線陣列探針點測裝置」及「精密定位移動平台」的核心技術,可用「線陣列探針」十顆十顆進行測試,大幅提升測試速度,進而縮短檢測時間。
揮發性化合物氣體感測 空氣品質監控有一套
今天,最受歡迎的氣體感測器晶片應用與空氣品質監測相關,可以支援家庭和建築物自動化(Home And Building Automation, HABA)系統的運作,觸發空氣清淨機和淨化器,以及為智慧型手機等消費性裝置的生活和家庭環境應用提供數據。
現今應用中的氣體感測器晶片,通常是使用由金屬氧化物(MOX)材料製成的微加工(Micro-Machined)感測元件。在主動感測模式下,此元件會被加溫至150℃和450℃之間。在這樣的高溫下,感測元件的電阻會隨著暴露於各種類型的還原或氧化氣體而發生變化。藉由測量電阻的變化,就可以計算環境空氣中氣體濃度的相對值。在空氣品質監測應用中,這些單一元件氣體感測器能提供極高價值,艾邁斯半導體(ams)的MOX型CCS811氣體感測器(圖1)就是此類產品,這類氣體感測器提供兩個主要優點:
圖1 ams CCS811評估套件,結合感測器板(右)與USB-to- I2C橋接板(左)
.計算等效總揮發性有機化合物(eTVOC)值,測量環境空氣中的相對濃度,以十億分之一(ppb)計。
.計算等效二氧化碳(eCO2)值,用於測量環境空氣中的相對濃度,單位為百萬分之一(ppm)。
透過空氣淨化器或是智慧型恆溫器等設備的軟體演算法,可以從各種還原氣體的eTVOC測量中得到空氣品質指標或總體空氣品質分數。此外,針對人們所在的密閉空間,由於除非有來自外部的新鮮空氣流入,否則人們的呼氣往往會增加室內空氣的二氧化碳(CO2)濃度的濃度,因此eCO2測量是很可靠的替代措施。
這些相關氣體濃度的測量,已成功運用於需求控制通風(DCV)和空氣淨化系統的自動調節。這表明空氣品質監測技術的應用的確有其價值,不過,潛藏的更大的價值仍有待實現。進展取決於氣體感測技術在四個方面的發展。本文概述現今氣體感測器製造商的開發工作重點,並說明該技術在未來可能支援的全新應用以及可實現的改善。
市場需求驅動技術發展
促使感測器製造商快速研發的驅動力,來自客戶對於更好、可自動運作的通風和空氣淨化系統的需求。為滿足此一需求,氣體感測技術需改進以下方面:
.更高的選擇性
.更高的準確性和精度
.更高的靈敏度
對於選擇性的需求,源於人體對不同氣體的不同反應。以氣體感測器為例,透過大量安裝,可以測量所有的揮發性有機化合物(VOC)。「揮發性有機化合物」這個名詞涵蓋多種氣體:它們的作用可能僅限於引起輕微不適,但對健康沒有影響。的確是這樣,例如,人體產生的氣體,像是口臭就是散發令人不快的氣味。
但揮發性有機化合物類別還包括有害化學物質,例如苯,這是一種已知的致癌物質,存在於香菸煙霧和汽車引擎的廢氣中,如(圖2)所示。
圖2 車輛排出的廢氣是造成城市地區空氣品質欠佳的原因之一
使用氣體感測器區別有氣味但無害的VOC,以及有毒VOC揮發性有機化合物,如此將能夠開發出更佳的空氣品質監測系統,該系統可以根據空氣的危害性,提供漸進式的緊急和嚴重程度信號給使用者,且功能更強大的HABA系統能夠在沒有使用者介入的情況下,自動將有害氣體排出室內空間。
氣體感測器測量的準確性和精度,會影響使用者對於空氣品質監測設備提供的資訊價值的評價。現今的氣體感測器IC可以提供多種指數,將空氣品質分為乾淨、中等或惡劣。VOCs和CO2濃度測量的準確性,足以確保隨著時間推移,以及環境溫度和濕度的變化,這三個指數仍能維持一致性和準確度。
但是,如果空氣品質評等是「中等」,用戶可能會不知該採取哪些措施。空氣近乎乾淨,所以不需採取任何行動?或者是接近惡劣且快速惡化,所以應該採取緊急行動讓該區域通風?
更正確和精確的測量,能夠為終端使用者提供更有用的指示。更高的靈敏度,使得監測設備能檢測出濃度極低卻極端有害或令人不適的氣體,進而提高對終端使用者的價值。此一目標的達成涉及幾個關鍵標準。
氣體感測器開發重點
須針對氣體感測器的四個層面進行研發,使新裝置具有更高的選擇性、準確性和精確度以及靈敏度。
首先,是材料科學領域的專業知識:需要更新的、更佳的感測材料來代替或是輔助現今氣體感測器晶片核心所使用的MOX材料。新型的感測材料可以透過辨識特定氣體來提供更高的選擇性;如果比較不易受到雜訊或是污染的影響,則可以提高準確度;又或者如果它們能夠辨識比較低濃度的單氣體或多種氣體,則可以提高靈敏度。
第二個研究是半導體設計及製造商所熟悉的微型化。以多氣體感測器陣列取代現今的單一元件感測器,可以實現更高的選擇性。
但是用於氣體感測器的主機設備(例如行動電話、智慧音箱或LED燈具)受到空間限制,所以氣體感測晶片或模組能占有的空間不會比現在大。現今單一感測元件的面積通常約是1mm2:感測器晶片製造商面臨的挑戰是在相同的占板面積中容納多感測器陣列。
將相對濕度感測功能整合進包含多氣體感測元件的同一晶片或封裝中,則是第三個挑戰。濕度變化對氣體感測器測量有顯著影響,這就意謂著須使用補償演算法來提高輸出精度。如果能在取得氣體樣本的相同位置取得濕度樣本,則能增進這些演算法的有效性:這有助於提高檢測準確性。
將濕度感測整合至多氣體感測封裝中,還能減少氣體感測電路的總占板面積並減少元件總數量。
最後,氣體感測器製造商須持續改進演算法的範圍和效能,這些演算法是用來將感測元件的原始電阻測量值轉換及校正為環境空氣的氣體濃度數值。在下一代氣體感測器中,這些演算法需要整合多氣體感測器陣列及整合型相對濕度感測器的輸入:相較於以前的氣體感測器系統,執行這些日益複雜的演算法需要更強大的處理能力。
室內空氣品質精準調校
感測器製造商目前正在研發本文所述的這些技術特性改善。在商用氣體感測器晶片和模組實現這些技術特性,將能使新的空氣品質系統提供更佳的效能,其中包括:
.針對空氣品質變化提供更精確的漸進式響應。
.更準確地測量污染和其他空氣品質危害,為用戶提供更一致的室內環境體驗。
.快速排出危險或有毒氣體,如此能提供更健康、更安全的室內空氣,而這是現今氣體感測器無法做到的。
現今市場上MOX氣體感測器的功能,以及其所支援的空氣品質管理應用,顯現出了消費者、商業和工業市場對自動化和監控解決方案的需求,這些解決方案能夠產生更乾淨、更舒適的室內空氣。
氣體感測技術的發展將催生更強大的感測器晶片和模組,這些產品所提供的正確度、精度、靈敏度和選擇性皆將高出目前的設備,屆時此方面需求將更為強烈。
(本文作者為ams AG環境感測行銷經理)
無線/感測/平台同步進擊 智慧家庭AI加持邁向康莊大道
AI技術近年引起熱烈討論,與家電結合之後,將真正打通智慧家庭任督二脈,在家中各個角落埋設的感測器蒐集溫度、濕度、空氣品質等環境訊息,透過無線技術如Zigbee、Thread、Wi-Fi、藍牙(Bluetooth)5網狀網路(Mesh Network)等與家電連結,再利用人工智慧深度學習演算法,判斷出最適合使用家電的時機,讓家裡的各項環境數值時時保持最舒適的狀態。甚至透過語音指令操作各類電器,讓家庭裡所有裝置的控制與家電使用真正智慧化。
同時,相關商機也吸引Apple、Google、Amazon等國際大廠積極布局,根據Strategy Analytics預估,全球智慧家庭硬體裝置與服務市場規模在2020年將高達1,300億美元,2015~2020年的複合成長率(CAGR)為16%,本活動邀請相關領域代表性業者與專家深入探討智慧家庭的設計與應用趨勢,並剖析部署對策及未來發展趨勢。另外,為鼓勵學生投入智慧家電並厚植相關領域能量,由經濟部工業局主辦的家電產品設計競賽,強化台灣家電產業之時尚美學與色彩運用能量,提升產品附加價值,特於會中舉辦頒獎活動,鼓勵得獎作品與團隊,並於現場展示。
感測器在智慧家庭無所不在
家庭在智慧化的過程中,感測器(Sensor)的應用將越見普遍,藉由偵測環境如光、空氣的感知與控制,改善人們的生活並提升舒適性,艾邁斯半導體(ams)台灣區總經理李定翰(圖1)表示,該公司感測器的發展與應用是以人為本,為人或是人所在的環境而服務。感測器蒐集類比世界各種訊息,並整合MCU、演算法、參考設計等與數位世界連接,同時經由數據的判斷達成自動化。
圖1 艾邁斯半導體台灣區總經理李定翰表示,該公司感測器的發展與應用是以人為本,為人或是人所在的環境而服務。
與環境有關的感測器種類繁多,李定翰說明,光感測器在家庭應用將最為普遍,因為燈具無所不在,未來燈具的自動化是光感測器主要應用之一,根據研究機構IHS Markit的數據,2017年全球光感測器市場規模達26億個。而光感測的應用不僅在燈具的感應與控制,近期愈來越被市場討論的光譜晶片與食物晶片,其實都是光感測的應用,透過光線的折射、透射與繞射現象,可以檢測水質、分析血液、油品品質,甚至感測食物中的水分,分析食物的新鮮度,應用層面相當廣泛。
另外,空氣污染近年也是人們關心的重大議題,環境中經由人們呼吸進入人體的有害物質如灰塵類的霧霾、室內裝潢散發的甲醛、無色無味的一氧化碳、二氧化碳等,李定翰解釋,氣體感測器(Gas Sensor)應用同樣深具潛力,揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)感測器可以協助發現有害氣體,還給消費者清新健康的空氣。而磁性位置感測器(Magnetic Position Sensor)是一種利用霍爾效應(Hall Effect)或磁阻(Magneto Resistive)的晶片,可搭配其他感測器來追蹤移動中的裝置元件其轉速及線性角度,透過磁場偵測功能來定位。
智慧家電高度互連互通發展
智慧家庭中,除了環境的自動化之外,智慧家電也是談論已久的核心裝置,大同家電電子事業部廠長張忠棋(圖2)指出,前一波智慧家庭中談論的智慧家電,主要是將家電導入電子化的功能,但基本上整個生態系中的各領域業者還是各做各的,因此無法發揮整合性的效益,物聯網則提供了一個新的契機,除了產品的智慧化之外,開發App,結合實體與網路門市,深化會員服務,還要連結雲端服務與共通性的網路協定。
圖2 大同家電電子事業部廠長張忠棋指出,智慧家庭高度互連互通的發展趨勢,促使家電業者朝向開放平台Open API的方向發展。
因此,張忠棋強調,未來的智慧家電發展趨勢,已經不再是單純的遠端控制,還包括節能管理、排程控制、情境控制、智慧烹調、智慧服務、智慧診斷與近期最熱門的智慧助理。而在雲端也提供家電管理、情境管理、設備分享、智慧助理、開關機提示、長時間使用提示、區域設定、用電管理等整合性的服務。而開放性平台,讓不同廠牌家電產品能夠互連互通亦非常重要。
因應智慧家庭高度互連互通的趨勢,智慧能源、智慧生活、跨平台協作的三大主軸,大同也朝向開放平台Open API的方向發展,張忠棋期許,該公司的家電產品與服務也能與各領域之物聯網聯盟與軟體服務進行整合,朝提供消費者有感的智慧生活體驗來建構AIoT物聯網生態系統。
家用無線網路混合型架構
在家庭的環境中,網路連結是另一個重要的元素,未來智慧家庭網路尤其是無線網路,是混合型的網路架構,Silicon Labs台灣區總經理寶陸格(圖3)提到,WiFi、藍牙、Zigbee、Thread、Z-Wave還有特定的無線標準等,都會共存在家庭環境中。除了目前熱門的智慧音箱之外,以美國家庭為例,平均每個家庭擁有40個燈,燈光控制的智慧化需求也陸續浮現,2019年為家庭燈座導入智慧功能可能會出現大幅成長。
圖3 Silicon Labs台灣區總經理寶陸格提到,智慧家庭混合式無線環境的應用與順暢度,是未來無線方案供應商發展重點。
另外,越來越多家用裝置具備聯網能力,也將使多對多架構的網狀網路(Mesh Network),取代過去以網路閘道器為中心,一對多架構的星狀網路。寶陸格表示,網狀網路相較星狀網路有連結距離較長、耗電量較低、網路規模較大、系統穩定性更佳,並提供更好的回應能力(Deliver Optimal Responsiveness)等優勢。目前Bluetooth Mesh、Thread、Zigbee都可以提供網狀網路功能(圖4),技術各有優劣勢,智慧家庭平台業者亦會針對自身的需求導入相關服務。
圖4 Bluetooth、Thread、Zigbee網狀網路技術特性比較
資料來源:Silicon Labs整理
而在現有混和式網路環境下,多重協議也會共存在一個環境中,寶陸格指出,多重協議主要分成切換式與動態式兩種模式,以智慧燈泡的控制為例,使用者的手機通常有藍牙功能,於是先透過藍牙把上網功能喚醒,經過10~15秒重新啟動,將網路切換到Zigbee架構下,燈泡實際運作時的控制就是透過Zigbee網路。
另外,在零售賣場,燈泡控制是Zigbee網路,因應消費者的購買行為,需要不定時發送信標(Beacons)推播訊息到消費者的手機上,推播訊息需要採用藍牙網路,這個情境是在Zigbee網路架構下,即時、動態切換到藍牙網路。現在Silicon Labs就推動支援2.4GHz與sub-GHz頻段,支援多通訊協議藍牙、Zigbee、Thread與特定協定的多重協議單晶片解決方案,與原先需要2~3顆晶片的解決方案,不但較為省電也更具備成本效益。
另外,會中也同時舉辦由經濟部工業局主辦的家電產品設計競賽頒獎典禮,執行單位電電公會毛恩洸副秘書長致詞時表示,家電是每個家庭必備的產品,市場需求不會消失,設計競賽活動的舉辦,就是為了促使家電更符合現在的應用需求,並結合技術趨勢發展新的家電,本次活動共131件 產品經過兩階段評選,選出的優勝作品,無論在造型設計、功能應用與新技術導入都有各自傑出之處,希望藉此鼓勵得獎作品與團隊,也推動台灣家電產業維持發展與創新的動力。
氣體感測器市場2022年挑戰10億美元
汽車、家庭和建築物的空氣品質監測正在推動氣體和顆粒感測器市場的發展。產業研究機構Yole Développement(Yole)最新研究報告分析感測技術的發展,並確定其在不同的氣體和顆粒監測市場中的影響。室外空氣污染是21世紀的主要挑戰之一,2014年全球約有400萬人死於此,2016年的另一項估計是,世界上90%以上的人口居住在空氣污染物水平高於世衛組織規定限值的地區。
因此,有一個解決這個問題的全球驅動力,特別是透過開發和安裝氣體和顆粒感測器。長期以來,氣體和顆粒感測器市場一直侷限於工業應用,以確保空氣品質控制和工人的安全。然後,HVAC已經穩定地採用氣體感測。這裡的主要驅動因素是透過控制空調來節省能源。如今,全球空氣品質的惡化正在影響許多不同的地方,家庭、辦公室、酒店、汽車和城市地區。
嵌入氣體和顆粒感測器的空氣清淨機系統市場預計將從2017年的160億美元擴大到2023年的330億美元,年複合成長率高達12.5%。整體而言,氣體與顆粒感測器2018年市場規模約8億美元,2020年約9億美元,2022年將挑戰10億美元大關,應用領域包括國防與工業、車輛動力管理、環境等領域。
AI智慧家庭設計論壇暨家電設計競賽頒獎典禮盛大落幕
AI技術近年引起熱烈討論,與家電結合之後,將真正打通智慧家庭任督二脈,在家中各個角落埋設的感測器蒐集溫度、濕度、空氣品質等環境訊息,透過無線技術如Zigbee、Thread、Wi-Fi、藍牙(Bluetooth)5網狀網路(Mesh Network)等與家電連結,再利用人工智慧深度學習演算法,判斷出最適合使用家電的時機,讓家裡的各項環境數值時時保持最舒適的狀態。
同時,相關商機也吸引Apple、Google、Amazon等國際大廠積極布局,根據Strategy Analytics預估,全球智慧家庭硬體裝置與服務市場規模在2020年將高達1,300億美元,2015~2020年的複合成長率(CAGR)為16%,本活動邀請相關領域代表性業者與專家深入探討智慧家庭的設計與應用趨勢,並剖析部署對策及未來發展趨勢。另外,為鼓勵學生投入智慧家電並厚植相關領域能量,由經濟部工業局主辦,家電產品設計競賽,強化台灣家電產業之時尚美學與色彩運用能量,提升產品附加價值,特於會中舉辦頒獎活動,鼓勵得獎作品與團隊,並於現場展示。
會中艾邁斯半導體(ams)台灣區總經理李定翰表示,智慧家庭中感測器(Sensor)的應用將越見普遍,該公司感測器的發展與應用是以人為本,為人或是人所在的環境而服務。光感測器、光譜晶片、食物晶片、氣體感測器(Gas Sensor)、磁性位置感測器(Magnetic Position Sensor)等都是重要的環境感測晶片,也具備很高的發展潛力。
另外,大同家電電子事業部廠長張忠棋強調,未來的智慧家電發展趨勢,已經不再是單純的遠端控制,還包括節能管理、排程控制、情境控制、智慧烹調、智慧服務、智慧診斷與近期最熱門的智慧助理。因應智慧家庭高度互連互通的趨勢,家電開放平台Open API是重大的趨勢之一,未來家電產品與服務也能與各領域之物聯網聯盟與軟體服務進行整合,建構AIoT物聯網生態系統。
另外,會中也同時舉辦由經濟部工業局主辦的家電產品設計競賽頒獎典禮,執行單位電電公會毛恩洸副秘書長致詞時表示,家電是每個家庭必備的產品,市場需求不會消失,設計競賽活動的舉辦,就是為了促使家電更符合現在的應用需求,並結合技術趨勢發展新的家電,本次活動共131件產品經過兩階段評選,選出的優勝作品,無論在造型設計、功能應用與新技術導入都有各自傑出之處,希望藉此鼓勵得獎作品與團隊,也推動台灣家電產業維持發展與創新的動力。