低功耗、多感測單晶片無線感測網路元件加速物聯網普及

「多感測整合單晶片製程」整合多個MEMS感測器與數位邏輯於單晶片上(圖右)；克服傳統製程中，各種感測器及IC晶片必須分置的問題(圖左)。國家實驗研究院晶片系統設計中心

在二十世紀，個人電腦及網際網路的出現為世界帶來兩波資訊新浪潮，邁入二十一世紀，物聯網(Internet of Things；IOT)則被視為將翻轉全球經濟及生活、產業面貌的另一驅動新勢力。物聯網的崛起，與無線網路普及、感測器價格降低、雲端運算及巨量資料(Big Data)的發展有莫大關係，尤其是無線網路感測節點價格的降低及商業化，更攸關物聯網的擴展速度。

物聯網此一名詞的出現，始於電信聯盟(International Telecommunication Union；ITU)於2005年提出以此為名的網際網路報告書。物聯網的定義，基本上就是藉由各種資訊感測設備與一致的協定，利用互聯網、射頻識別等技術，讓全球物品資訊即時共用的實物互聯網。也就是說，我們可以將電子標籤、條碼等感測器放入物品中，將物理世界與網際網路連接起來，進行資訊交換與通訊以實現智慧化識別、定位、跟蹤、監控和管理，這其中蘊含無限商機。

物聯網市場商機無限

根據市調機構IDC所發佈的報告指出，在2016年，物聯網市場規模將達2.9兆美元，超越傳統嵌入式(Traditional embedded system)和智慧型系統(Intelligent Systems)的市場規模；而在2020年後，預期物聯網裝置將達250億個。也就是說，目前以行動裝置為主流的資通訊產業，正朝著物聯網時代邁進。

此外，國際半導體大廠英特爾(Intel)也預估，物聯網市場將從2015年的150億美元成長至2020年的2,000億美元，年複合成長率達67.8%。麥肯錫全球機構(McKinsey Global Institute)則預估至2025年，物聯網帶來的經濟影響力將高達6.2兆美元。

無線感測網路部署靈活度高

基本上，一個完整的物聯網體系需具備三個要素，分別為感知、傳輸及智能處理。其中，無線感測網路(Wireless sensor network)便是可以實現感知的技術之一。無線感測網路由眾多節點組成，每個節點的基本配備包括一或多個感測器、無線電收發器、微控制器及電力來源等。存在於無線感測網路中的各種感測器，因種類不同執行監控溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物等功能，可應用於環境與生態監測、健康監護、家居自動化以及交通控制等。

相較於有線感測網路的成本較高且部署難度高，無線感測網路節點則能靈活佈建於各個地點，甚至是長期置於荒郊野外，然而，前提當然就是低功耗，包括微控制器(MCU)、記憶體、感測器、收發器等元件都必須盡量降低耗電，如此無線感測網路才能有普及的條件。

無線感測網路元件追求低功耗

無線感測網路元件的低功耗，也正是各種相關元件的開發目標之一。就負責感測系統的資料計算及處理的微控制器而言，它必需在不工作時進入休眠狀態，而一旦需啟動時，則必須迅速被喚醒及有效率地進行量測、通訊及控制等功能，如此才能最大限度地降低耗電。

無線感測網路節點的其他元件也是如此，必須在運作時將功耗降至最低，例如與微控制器搭配的記憶體，除必須考量容量是否足夠儲存程式和資料外，速度也必須夠快，才能在微控制器醒過來時支援短暫的活動週期，此外，記憶體也必須設計節能讀寫功能，並在休眠週期保留儲存資料時，避免電力消耗。在這些條件要求下，鐵電隨機存取記憶體(FRAM)的特性便越來越受到看重。

FRAM的結構與動態隨機存取記憶體(DRAM)相同，因此FRAM的讀寫存取和週期次數類似DRAM，而這兩者不同之處則在於：DRAM是以電荷方式儲存資料，FRAM則是以結晶狀態儲存資料，因此尺寸可以更小。再者，FRAM是非揮發性(Non-volatile)記憶體，能在系統電源關閉時繼續保留資料，且速度較快閃記憶體(Flash)快，所需電力較低且寫入次數較多。綜合以上，微控制器整合FRAM意謂無線感測節點可以進一步達成超低功耗的省電目標。

微機電製程實現更小及更省電的感測器

同樣的，存在於無線感測網路節點中的感測器，除了必須靈敏測量所處環境的溫度、電流、化學物質及其他環境因子外，還得顧及低功耗。根據IC Insights表示，目前整體市場有七成感測器是採用微機電(MEMS)技術，物聯網的興起將帶動微機電感測器的進一步需求成長，且物聯網對於感測器的功耗及體積要求日益嚴格，促使愈來愈多晶片商投入研發MEMS製程，以打造更小尺寸且省電的感測器。

目前國際大廠的研發方向多圍繞在如何將物理界更多元素加進感測器中，並將尺寸做到更小、耗電量更低並提高產品性價比。因此包括意法半導體、Bosch等廠商皆積極投入MEMS感測器研發，並推出將加速度計、磁力計、陀螺儀以及各種環境感測器組合而成的二合一、三合一產品，如此不僅能將尺寸縮小、保持高精準度，且在產品相容性上保持極大彈性，能夠依照需求搭配不同組合的MEMS感測器。

單晶片製程整合多個感測器

值得一提的是，台灣的國家實驗研究院晶片系統設計中心與台積電、聯電等晶圓廠所開發出的「多感測整合單晶片製程」，則是能將許多MEMS感測器、數位邏輯電路整合在一起，實現小尺寸、低成本及低功耗的系統單晶片(SoC)方案。

據了解，現有的MEMS感測器無法與一般晶片的數位邏輯電路整合在一起，且動作、環境、生理等感測器的製作方法迥異，所以也無法整合或封裝於單一晶片；但透過此一技術，未來單一晶片將可包含多種感測功能，且能整合無線通訊、運算及記憶體等數位邏輯功能。「多感測整合單晶片製程」目前已取得7件台灣專利及6件美國專利，另有6件專利尚在申請中。

一般來說，目前至多是在同個封裝內整合3個MEMS感測器，未來透過此製程技術，MEMS感測器與一般晶片的整合能力將大幅進展。根據晶片系統設計中心的評估，藉由此項製程技術，不但可以簡化繁複的製程，亦可縮小晶片面積達50%以上，成本可減少三分之一至四分之一，而耗電量也可降低50%左右。

整體而言，在無線感測網路的設計及節點建置上，必需衡量元件尺寸、成本、以及低功耗要素，尤其是在遠距離的無線感測網路佈建上，若元件經過慎選，在功能性與低功耗之間求取平衡，則感測節點將能自主運作多年，更有利於環境變量的監測，也更能促使物聯網的進一步普及。