低功耗、多传感单芯片无线传感网络元件加速物联网普及

「多传感整合单芯片制程」整合多个MEMS传感器与数码逻辑于单芯片上(图右)；克服传统制程中，各种传感器及IC芯片必须分置的问题(图左)。国家实验研究院芯片系统设计中心

在二十世纪，个人电脑及网际网络的出现为世界带来两波信息新浪潮，迈入二十一世纪，物联网(Internet of Things；IOT)则被视为将翻转全球经济及生活、产业面貌的另一驱动新势力。物联网的崛起，与无线网络普及、传感器价格降低、云端运算及巨量数据(Big Data)的发展有莫大关系，尤其是无线网络传感节点价格的降低及商业化，更攸关物联网的扩展速度。

物联网此一名词的出现，始于电信联盟(International Telecommunication Union；ITU)于2005年提出以此为名的网际网络报告书。物联网的定义，基本上就是藉由各种信息传感设备与一致的协定，利用互联网、射频识别等技术，让全球物品信息实时共享的实物互联网。也就是说，我们可以将电子标签、条码等传感器放入物品中，将物理世界与网际网络连接起来，进行信息交换与通讯以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，这其中蕴含无限商机。

物联网市场商机无限

根据市调机构IDC所发布的报告指出，在2016年，物联网市场规模将达2.9万亿美元，超越传统嵌入式(Traditional embedded system)和智能系统(Intelligent Systems)的市场规模；而在2020年后，预期物联网装置将达250亿个。也就是说，目前以移动设备为主流的资通讯产业，正朝着物联网时代迈进。

此外，国际半导体大厂英特尔(Intel)也预估，物联网市场将从2015年的150亿美元成长至2020年的2,000亿美元，年复合成长率达67.8%。麦肯锡全球机构(McKinsey Global Institute)则预估至2025年，物联网带来的经济影响力将高达6.2万亿美元。

无线传感网络部署灵活度高

基本上，一个完整的物联网体系需具备三个要素，分别为感知、传输及智能处理。其中，无线传感网络(Wireless sensor network)便是可以实现感知的技术之一。无线传感网络由众多节点组成，每个节点的基本配备包括一或多个传感器、无线电收发器、微控制器及电力来源等。存在于无线传感网络中的各种传感器，因种类不同执行监控温度、声音、振动、压力、运动或污染物等功能，可应用于环境与生态监测、健康监护、家居自动化以及交通控制等。

相较于有线传感网络的成本较高且部署难度高，无线传感网络节点则能灵活布建于各个地点，甚至是长期置于荒郊野外，然而，前提当然就是低功耗，包括微控制器(MCU)、存储器、传感器、收发器等元件都必须尽量降低耗电，如此无线传感网络才能有普及的条件。

无线传感网络元件追求低功耗

无线传感网络元件的低功耗，也正是各种相关元件的开发目标之一。就负责传感系统的数据计算及处理的微控制器而言，它必需在不工作时进入休眠状态，而一旦需启动时，则必须迅速被唤醒及有效率地进行量测、通讯及控制等功能，如此才能最大限度地降低耗电。

无线传感网络节点的其他元件也是如此，必须在运作时将功耗降至最低，例如与微控制器搭配的存储器，除必须考量容量是否足够储存程序和数据外，速度也必须够快，才能在微控制器醒过来时支持短暂的活动周期，此外，存储器也必须设计节能读写功能，并在休眠周期保留储存数据时，避免电力消耗。在这些条件要求下，铁电随机存取存储器(FRAM)的特性便越来越受到看重。

FRAM的结构与动态随机存取存储器(DRAM)相同，因此FRAM的读写存取和周期次数类似DRAM，而这两者不同之处则在于：DRAM是以电荷方式储存数据，FRAM则是以结晶状态储存数据，因此尺寸可以更小。再者，FRAM是非挥发性(Non-volatile)存储器，能在系统电源关闭时继续保留数据，且速度较快闪存储器(Flash)快，所需电力较低且写入次数较多。综合以上，微控制器整合FRAM意谓无线传感节点可以进一步达成超低功耗的省电目标。

微机电制程实现更小及更省电的传感器

同样的，存在于无线传感网络节点中的传感器，除了必须灵敏测量所处环境的温度、电流、化学物质及其他环境因子外，还得顾及低功耗。根据IC Insights表示，目前整体市场有七成传感器是采用微机电(MEMS)技术，物联网的兴起将带动微机电传感器的进一步需求成长，且物联网对于传感器的功耗及体积要求日益严格，促使愈来愈多芯片商投入研发MEMS制程，以打造更小尺寸且省电的传感器。

目前国际大厂的研发方向多围绕在如何将物理界更多元素加进传感器中，并将尺寸做到更小、耗电量更低并提高产品性价比。因此包括意法半导体、Bosch等厂商皆积极投入MEMS传感器研发，并推出将加速度计、磁力计、陀螺仪以及各种环境传感器组合而成的二合一、三合一产品，如此不仅能将尺寸缩小、保持高精准度，且在产品兼容性上保持极大弹性，能够依照需求搭配不同组合的MEMS传感器。

单芯片制程整合多个传感器

值得一提的是，台湾的国家实验研究院芯片系统设计中心与台积电、联电等晶圆厂所开发出的「多传感整合单芯片制程」，则是能将许多MEMS传感器、数码逻辑电路整合在一起，实现小尺寸、低成本及低功耗的系统单芯片(SoC)方案。

据了解，现有的MEMS传感器无法与一般芯片的数码逻辑电路整合在一起，且动作、环境、生理等传感器的制作方法迥异，所以也无法整合或封装于单一芯片；但透过此一技术，未来单一芯片将可包含多种传感功能，且能整合无线通讯、运算及存储器等数码逻辑功能。「多传感整合单芯片制程」目前已取得7件台湾专利及6件美国专利，另有6件专利尚在申请中。

一般来说，目前至多是在同个封装内整合3个MEMS传感器，未来透过此制程技术，MEMS传感器与一般芯片的整合能力将大幅进展。根据芯片系统设计中心的评估，藉由此项制程技术，不但可以简化繁复的制程，亦可缩小芯片面积达50%以上，成本可减少三分之一至四分之一，而耗电量也可降低50%左右。

整体而言，在无线传感网络的设计及节点建置上，必需衡量元件尺寸、成本、以及低功耗要素，尤其是在线上离的无线传感网络布建上，若元件经过慎选，在功能性与低功耗之间求取平衡，则传感节点将能自主运作多年，更有利于环境变量的监测，也更能促使物联网的进一步普及。