【導(dǎo)讀】近年來隨著自動(dòng)化設(shè)備及自動(dòng)化控制系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，作為電子裝置“感官”元件的感測(cè)器應(yīng)用領(lǐng)域也大幅擴(kuò)展，傳感器領(lǐng)域迎來新一輪騰飛。以下介紹幾款可配備于自動(dòng)化設(shè)備與控制系統(tǒng)的感測(cè)器，并進(jìn)一步說明其技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)發(fā)展方向以及應(yīng)用領(lǐng)域。
感測(cè)器(Sensor)可以說是物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)架構(gòu)下，讓智慧自動(dòng)化設(shè)備與智慧聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，像是智慧機(jī)器人、智慧工廠、智慧電動(dòng)車、智慧手環(huán)、智慧醫(yī)療裝置、智慧家電、智慧行動(dòng)電話等，執(zhí)行即時(shí)互動(dòng)的關(guān)鍵元件。
感測(cè)器可以定義為：“能夠感知并檢測(cè)欲量測(cè)對(duì)象物的物理量或化學(xué)量，并將其轉(zhuǎn)換成可以計(jì)量的輸出訊號(hào)之裝置”。其中，量測(cè)的物理量，包括溫度、壓力、磁性、光等;而化學(xué)量則包括pH值、濃度、純度、濕度等。
感測(cè)器種類多樣
以下介紹幾款可配備于自動(dòng)化設(shè)備與控制系統(tǒng)的感測(cè)器，并進(jìn)一步說明其技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)發(fā)展方向以及應(yīng)用領(lǐng)域。
影像感測(cè)器
影像感測(cè)器(Image Sensor)可從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計(jì)圖元，基本原理是透過光電效應(yīng)將光線能量轉(zhuǎn)換成電荷，光線越強(qiáng)電荷越多，這些電荷就成為判斷光線強(qiáng)弱的依據(jù)。
影像感測(cè)器應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用，像是檢驗(yàn)、計(jì)量、測(cè)量、定向、瑕疵檢測(cè)。未來技術(shù)發(fā)展方向?qū)⒊秃碾娏?、更廣光線波長(zhǎng)擷取范圍、更高精密度檢測(cè)辨識(shí)、更快檢測(cè)辨識(shí)速度等邁進(jìn)。
壓力感測(cè)器
壓力感測(cè)器(Pressure Sensor)是檢測(cè)氣體或液體之壓力強(qiáng)度，并將壓力強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成輸出訊號(hào);已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)控制環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智慧建筑、生產(chǎn)自 動(dòng)控、航空航太等。未來技術(shù)將朝更微型MEMS腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、更高靈敏度檢測(cè)能力發(fā)展。
位置感測(cè)器
位置感測(cè)器(Position Sensor)主要應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)，如線性編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服馬達(dá)等;技術(shù)發(fā)展是朝更高精確度控制、
加速度感測(cè)控制、更微型MEMS腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向前進(jìn)。
位移感測(cè)器
位移感測(cè)器(Level Sensor)，又稱為線性感測(cè)器，分為電感式位移感測(cè)器、電容式位移感測(cè)器、光電式位移感測(cè)器、超音波式位移感測(cè)器、霍爾式位移感測(cè)器;主要應(yīng)用在自動(dòng) 化裝備生產(chǎn)線對(duì)模擬量的智慧控制。技術(shù)發(fā)展朝更微型MEMS腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、非接觸檢測(cè)技術(shù)開發(fā)、數(shù)位式檢測(cè)技術(shù)開發(fā)、更高精確度控制等方向演進(jìn)。
力量感測(cè)器
力量感測(cè)器(Force Sensor)是用來檢測(cè)氣體、固體、液體等物質(zhì)間相互作用力的感測(cè)器，多應(yīng)用在力度檢測(cè)，如機(jī)器人手臂抓取物件力度大小的控制。技術(shù)發(fā)展朝更低耗電量、更快的檢測(cè)反應(yīng)時(shí)間、更高精確度檢測(cè)辨識(shí)等方向前進(jìn)。
氣體感測(cè)器
氣體感測(cè)器(Gas Sensor)能針對(duì)可燃性氣體、毒性氣體成分進(jìn)行測(cè)定，并將其轉(zhuǎn)換成輸出訊號(hào)，可用于工業(yè)自動(dòng)化、礦產(chǎn)資源探測(cè)、氣象觀測(cè)和遙測(cè)、生鮮保存、防盜、節(jié)能等領(lǐng)域。技術(shù)發(fā)展朝更快的監(jiān)測(cè)反應(yīng)時(shí)間、更短的監(jiān)測(cè)距離、更多氣體類型連續(xù)監(jiān)測(cè)等方向精進(jìn)。
半導(dǎo)體感測(cè)器
半 導(dǎo)體感測(cè)器(Semiconductor Sensor)系利用半導(dǎo)體材料各種物理、化學(xué)和生物學(xué)特性制成的感測(cè)器。應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋工業(yè)自動(dòng)化、遙測(cè)、工業(yè)型機(jī)器人、家用電器、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、醫(yī)療保 健、醫(yī)藥工程、生物工程等。技術(shù)發(fā)展朝更微型MEMS腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、更高靈敏度檢測(cè)能力、降低制造成本等方向邁進(jìn)。
光纖感測(cè)器
光纖感測(cè)器(Fiber Optic Sensor)可將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器(Modulator)，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，稱為被調(diào) 制的訊號(hào)光，再經(jīng)過光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。主要用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，像是磁力、聲波、壓力、溫度、加速度、陀螺儀、位移、液體、轉(zhuǎn) 矩、聲光、電流及應(yīng)變力等物理量之檢測(cè)。技術(shù)發(fā)展朝更短監(jiān)測(cè)距離、提高量測(cè)光能量強(qiáng)度的準(zhǔn)確性等方向精進(jìn)。
因應(yīng)全球趨勢(shì)與市場(chǎng)變化，廠商積極提出研發(fā)計(jì)畫進(jìn)行創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)，重要的技術(shù)成果必須加以保護(hù)，避免因競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手抄襲或模仿而喪失競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。對(duì)此，科技界主要 是透過專利申請(qǐng)程序進(jìn)行技術(shù)成果保護(hù)，其他廠商藉由系統(tǒng)化專利探勘與分析，可以了解特定領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)趨勢(shì)以及特定廠商專利布局動(dòng)向，同時(shí)，也得以避免或是 提早因應(yīng)未來可能招致的專利侵權(quán)威脅。
本文以美國(guó)專利暨商標(biāo)局(USPTO)公告的核準(zhǔn)專利做為專利檢索資料來源，并透過“資策會(huì)專利地圖探勘分析平臺(tái)”，進(jìn)行專利檢索、專利分析以及專利資料下載與整理。
針對(duì)感測(cè)器進(jìn)行專利分析，藉此掌握感測(cè)器國(guó)際研發(fā)投入情形，進(jìn)一步了解專利技術(shù)動(dòng)向以及對(duì)產(chǎn)業(yè)可能造成之影響。
專利檢索以感測(cè)器關(guān)鍵廠商為基礎(chǔ)，并佐以關(guān)鍵字及關(guān)鍵欄位等項(xiàng)目進(jìn)行檢索。其中，關(guān)鍵廠商包括：Robert Bosch、Denson、Honeywell、Infineon Technologies、STMicrolectronics、Analog Devices、Freescale Semiconductor等;關(guān)鍵字為Sensor等;分類項(xiàng)為73*(UPC);關(guān)鍵欄位則以請(qǐng)求項(xiàng)為主。
針對(duì)專利檢索結(jié)果進(jìn)行研判與調(diào)整，最后，篩選出22,612件感測(cè)器美國(guó)核準(zhǔn)專利進(jìn)行分析。
首先，透過資料探勘(Data Mining)功能并針對(duì)22,612件感測(cè)器專利進(jìn)行國(guó)家別(Country)、行業(yè)別(Sector)以及領(lǐng)域別(Field)分析。其次，針對(duì) 22,612件感測(cè)器專利進(jìn)行技術(shù)分類項(xiàng)目比對(duì)分析，藉此掌握感測(cè)器專利涉及的重要技術(shù)分類項(xiàng)目分布情形。
醫(yī)療/半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)＠苤匾?/strong>
根據(jù)世界智慧財(cái)產(chǎn)組織(WIPO)發(fā)布的對(duì)照表，每一國(guó)際專利分類項(xiàng)(IPC)皆可對(duì)應(yīng)到某行業(yè)別及領(lǐng)域別，據(jù)此進(jìn)行資料探勘分析。透過資料探勘功能，并針對(duì)22,612件感測(cè)器專利進(jìn)行比對(duì)分析，進(jìn)一步掌握感測(cè)器專利所屬行業(yè)別、領(lǐng)域別分布情形。
首先，根據(jù)國(guó)際專利分類碼(IPC)所屬行業(yè)別(Sector)進(jìn)行資料探勘比對(duì)分析，22,612件感測(cè)器專利所屬行業(yè)別分布，主要集中在 Instruments(40.9%)，其次則依序?yàn)镋lectrical Engineering(31.1%)、Mechanical engineering(22.4%)、Chemistry(3.6%)、Other Fields(2.1%)。
其次，根據(jù)國(guó)際專利分類碼所屬領(lǐng)域別(Field)進(jìn)行資料探勘比對(duì)分析，22,612件感測(cè)器專利所屬領(lǐng)域別比重前十名者依序?yàn)椋?/div>
- Measurement(27.2%)
- Computer technology(10.9%)
- Transport(10.0%)
- Electrical machinery, apparatus, energy(9.1%)
- Control(7.6%)
- Engines, pumps, turbines(6.2%)
- Semiconductors(4.6%)
- Medical technology(4.3%)
- Audio-visual technology(3.1%)
- Mechanical elements(2.1%)。
整體而言，感測(cè)器專利所屬領(lǐng)域別分布，主要集中在量測(cè)、機(jī)械、運(yùn)算科技、運(yùn)輸、電氣能源裝置、控制、引擎、半導(dǎo)體、醫(yī)療科技、視聽科技等。
近年來感測(cè)器專利則在醫(yī)療科技、半導(dǎo)體等領(lǐng)域別布局相對(duì)積極，值得科技界密切關(guān)注后續(xù)發(fā)展趨勢(shì)。
專利技術(shù)分類項(xiàng)目分析
根據(jù)美國(guó)專利暨商標(biāo)局發(fā)布的美國(guó)專利分類項(xiàng)(UPC)對(duì)照表，每一UPC皆可對(duì)應(yīng)到某技術(shù)分類項(xiàng)目，據(jù)此進(jìn)行資料探勘分析。
透過資料探勘比對(duì)分析，共計(jì)篩選出30項(xiàng)感測(cè)器重要專利涉及的重要技術(shù)分類項(xiàng)目(表1)。
整體而言，感測(cè)器專利所屬技術(shù)分類項(xiàng)目，主要分布在測(cè)量與檢查、運(yùn)輸工具/導(dǎo)航/相對(duì)位置(含括陀螺儀感測(cè)器技術(shù))、電氣特性-測(cè)量與檢查、通訊-電氣訊號(hào) 處理、內(nèi)燃機(jī)、數(shù)據(jù)處理-校正、半導(dǎo)體裝置(含括半導(dǎo)體感測(cè)器技術(shù))、手術(shù)-放射性照射、輻射能、半導(dǎo)體裝置制造-制程(含括半導(dǎo)體感測(cè)器技術(shù))、控制系 統(tǒng)、光學(xué)-測(cè)量與檢查(含括光纖感測(cè)器技術(shù))、影像分析(含括影像感測(cè)器技術(shù))等。
近年來感測(cè)器專利則在半導(dǎo)體裝置、半導(dǎo)體裝置制造-制程、手術(shù)-放射性照射等技術(shù)分類項(xiàng)目布局相對(duì)積極，值得科技界密切關(guān)注后續(xù)發(fā)展。
透過資料探勘篩選出的30項(xiàng)感測(cè)器專利涉及的重要技術(shù)分類，進(jìn)一步根據(jù)其屬性分類為：檢測(cè)、資料處理、網(wǎng)路傳輸、電力處理、應(yīng)用、其他等類別。
整體而言，專利布局主要集中在應(yīng)用(51.0%)、檢測(cè)(28.5%)、網(wǎng)路傳輸(8.2%)等類別，合計(jì)比重高達(dá)87.7%。其中，應(yīng)用以運(yùn)輸工具/導(dǎo)航/相對(duì)位置為主，檢測(cè)以測(cè)量與檢查為主，網(wǎng)路傳輸以通訊-電氣訊號(hào)處理為主(圖1)。
圖1 感測(cè)器專利資料探勘分析-重要技術(shù)分類項(xiàng)目 圖片來源：資策會(huì)MIC，2016年2月
測(cè)量/檢查為核心技術(shù) 半導(dǎo)體相關(guān)技術(shù)布局漸增
透過資料探勘比對(duì)分析，篩選出30項(xiàng)感測(cè)器專利涉及的重要技術(shù)分類項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)主要分布在測(cè)量與檢查(17.7%)、運(yùn)輸工具/導(dǎo)航/相對(duì)位置(9.1%)、 電氣特性-測(cè)量與檢查(7.4%)、通訊-電氣訊號(hào)處理(6.9%)、內(nèi)燃機(jī)(4.9%)、數(shù)據(jù)處理-校正(4.6%)、半導(dǎo)體裝置(4.5%)、手術(shù)- 放射性照射(4.0%)、輻射能(3.5%)、半導(dǎo)體裝置制造-制程(2.8%)、控制系統(tǒng)(2.2%)、光學(xué)-測(cè)量與檢查(1.7%)、影像分析 (1.4%)等。
近年來感測(cè)器專利則在半導(dǎo)體裝置(含括半導(dǎo)體感測(cè)器技術(shù))、半導(dǎo)體裝置制造-制程(含括半導(dǎo)體感測(cè)器技術(shù))、手術(shù)-放射性照射等技術(shù)分類項(xiàng)目布局相對(duì)積極，值得科技界密切關(guān)注后續(xù)發(fā)展。
建議有意跨入感測(cè)器產(chǎn)業(yè)的半導(dǎo)體廠商或是新進(jìn)廠商，應(yīng)可鎖定半導(dǎo)體感測(cè)器相關(guān)技術(shù)做為新事業(yè)規(guī)劃之優(yōu)先選項(xiàng)，像是MEMS Sensor、Infrared Sensor、CMOS Sensor等。
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