【導讀】近年來隨著自動化設備及自動化控制系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，作為電子裝置“感官”元件的感測器應用領域也大幅擴展，傳感器領域迎來新一輪騰飛。以下介紹幾款可配備于自動化設備與控制系統(tǒng)的感測器，并進一步說明其技術(shù)特點、技術(shù)發(fā)展方向以及應用領域。
感測器(Sensor)可以說是物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)架構(gòu)下，讓智慧自動化設備與智慧聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，像是智慧機器人、智慧工廠、智慧電動車、智慧手環(huán)、智慧醫(yī)療裝置、智慧家電、智慧行動電話等，執(zhí)行即時互動的關鍵元件。
感測器可以定義為：“能夠感知并檢測欲量測對象物的物理量或化學量，并將其轉(zhuǎn)換成可以計量的輸出訊號之裝置”。其中，量測的物理量，包括溫度、壓力、磁性、光等;而化學量則包括pH值、濃度、純度、濕度等。
感測器種類多樣
以下介紹幾款可配備于自動化設備與控制系統(tǒng)的感測器，并進一步說明其技術(shù)特點、技術(shù)發(fā)展方向以及應用領域。
影像感測器
影像感測器(Image Sensor)可從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計圖元，基本原理是透過光電效應將光線能量轉(zhuǎn)換成電荷，光線越強電荷越多，這些電荷就成為判斷光線強弱的依據(jù)。
影像感測器應用領域包括工業(yè)自動化應用，像是檢驗、計量、測量、定向、瑕疵檢測。未來技術(shù)發(fā)展方向?qū)⒊秃碾娏俊⒏鼜V光線波長擷取范圍、更高精密度檢測辨識、更快檢測辨識速度等邁進。
壓力感測器
壓力感測器(Pressure Sensor)是檢測氣體或液體之壓力強度，并將壓力強度轉(zhuǎn)換成輸出訊號;已廣泛應用于各種工業(yè)自動控制環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智慧建筑、生產(chǎn)自 動控、航空航太等。未來技術(shù)將朝更微型MEMS腔體結(jié)構(gòu)設計、更高靈敏度檢測能力發(fā)展。
位置感測器
位置感測器(Position Sensor)主要應用于機器人控制系統(tǒng)，如線性編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服馬達等;技術(shù)發(fā)展是朝更高精確度控制、
加速度感測控制、更微型MEMS腔體結(jié)構(gòu)設計方向前進。
位移感測器
位移感測器(Level Sensor)，又稱為線性感測器，分為電感式位移感測器、電容式位移感測器、光電式位移感測器、超音波式位移感測器、霍爾式位移感測器;主要應用在自動 化裝備生產(chǎn)線對模擬量的智慧控制。技術(shù)發(fā)展朝更微型MEMS腔體結(jié)構(gòu)設計、非接觸檢測技術(shù)開發(fā)、數(shù)位式檢測技術(shù)開發(fā)、更高精確度控制等方向演進。
力量感測器
力量感測器(Force Sensor)是用來檢測氣體、固體、液體等物質(zhì)間相互作用力的感測器，多應用在力度檢測，如機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、更快的檢測反應時間、更高精確度檢測辨識等方向前進。
氣體感測器
氣體感測器(Gas Sensor)能針對可燃性氣體、毒性氣體成分進行測定，并將其轉(zhuǎn)換成輸出訊號，可用于工業(yè)自動化、礦產(chǎn)資源探測、氣象觀測和遙測、生鮮保存、防盜、節(jié)能等領域。技術(shù)發(fā)展朝更快的監(jiān)測反應時間、更短的監(jiān)測距離、更多氣體類型連續(xù)監(jiān)測等方向精進。
半導體感測器
半 導體感測器(Semiconductor Sensor)系利用半導體材料各種物理、化學和生物學特性制成的感測器。應用領域涵蓋工業(yè)自動化、遙測、工業(yè)型機器人、家用電器、環(huán)境污染監(jiān)測、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)設計、更高靈敏度檢測能力、降低制造成本等方向邁進。
光纖感測器
光纖感測器(Fiber Optic Sensor)可將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器(Modulator)，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質(zhì)發(fā)生變化，稱為被調(diào) 制的訊號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。主要用于工業(yè)自動化領域，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、電流及應變力等物理量之檢測。技術(shù)發(fā)展朝更短監(jiān)測距離、提高量測光能量強度的準確性等方向精進。
因應全球趨勢與市場變化，廠商積極提出研發(fā)計畫進行創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)，重要的技術(shù)成果必須加以保護，避免因競爭對手抄襲或模仿而喪失競爭優(yōu)勢。對此，科技界主要 是透過專利申請程序進行技術(shù)成果保護，其他廠商藉由系統(tǒng)化專利探勘與分析，可以了解特定領域?qū)＠夹g(shù)趨勢以及特定廠商專利布局動向，同時，也得以避免或是 提早因應未來可能招致的專利侵權(quán)威脅。
本文以美國專利暨商標局(USPTO)公告的核準專利做為專利檢索資料來源，并透過“資策會專利地圖探勘分析平臺”，進行專利檢索、專利分析以及專利資料下載與整理。
針對感測器進行專利分析，藉此掌握感測器國際研發(fā)投入情形，進一步了解專利技術(shù)動向以及對產(chǎn)業(yè)可能造成之影響。
專利檢索以感測器關鍵廠商為基礎，并佐以關鍵字及關鍵欄位等項目進行檢索。其中，關鍵廠商包括：Robert Bosch、Denson、Honeywell、Infineon Technologies、STMicrolectronics、Analog Devices、Freescale Semiconductor等;關鍵字為Sensor等;分類項為73*(UPC);關鍵欄位則以請求項為主。
針對專利檢索結(jié)果進行研判與調(diào)整，最后，篩選出22,612件感測器美國核準專利進行分析。
首先，透過資料探勘(Data Mining)功能并針對22,612件感測器專利進行國家別(Country)、行業(yè)別(Sector)以及領域別(Field)分析。其次，針對 22,612件感測器專利進行技術(shù)分類項目比對分析，藉此掌握感測器專利涉及的重要技術(shù)分類項目分布情形。
醫(yī)療/半導體領域?qū)＠苤匾?/strong>
根據(jù)世界智慧財產(chǎn)組織(WIPO)發(fā)布的對照表，每一國際專利分類項(IPC)皆可對應到某行業(yè)別及領域別，據(jù)此進行資料探勘分析。透過資料探勘功能，并針對22,612件感測器專利進行比對分析，進一步掌握感測器專利所屬行業(yè)別、領域別分布情形。
首先，根據(jù)國際專利分類碼(IPC)所屬行業(yè)別(Sector)進行資料探勘比對分析，22,612件感測器專利所屬行業(yè)別分布，主要集中在 Instruments(40.9%)，其次則依序為Electrical Engineering(31.1%)、Mechanical engineering(22.4%)、Chemistry(3.6%)、Other Fields(2.1%)。
其次，根據(jù)國際專利分類碼所屬領域別(Field)進行資料探勘比對分析，22,612件感測器專利所屬領域別比重前十名者依序為：
- 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，感測器專利所屬領域別分布，主要集中在量測、機械、運算科技、運輸、電氣能源裝置、控制、引擎、半導體、醫(yī)療科技、視聽科技等。
近年來感測器專利則在醫(yī)療科技、半導體等領域別布局相對積極，值得科技界密切關注后續(xù)發(fā)展趨勢。
專利技術(shù)分類項目分析
根據(jù)美國專利暨商標局發(fā)布的美國專利分類項(UPC)對照表，每一UPC皆可對應到某技術(shù)分類項目，據(jù)此進行資料探勘分析。
透過資料探勘比對分析，共計篩選出30項感測器重要專利涉及的重要技術(shù)分類項目(表1)。
整體而言，感測器專利所屬技術(shù)分類項目，主要分布在測量與檢查、運輸工具/導航/相對位置(含括陀螺儀感測器技術(shù))、電氣特性-測量與檢查、通訊-電氣訊號 處理、內(nèi)燃機、數(shù)據(jù)處理-校正、半導體裝置(含括半導體感測器技術(shù))、手術(shù)-放射性照射、輻射能、半導體裝置制造-制程(含括半導體感測器技術(shù))、控制系 統(tǒng)、光學-測量與檢查(含括光纖感測器技術(shù))、影像分析(含括影像感測器技術(shù))等。
近年來感測器專利則在半導體裝置、半導體裝置制造-制程、手術(shù)-放射性照射等技術(shù)分類項目布局相對積極，值得科技界密切關注后續(xù)發(fā)展。
透過資料探勘篩選出的30項感測器專利涉及的重要技術(shù)分類，進一步根據(jù)其屬性分類為：檢測、資料處理、網(wǎng)路傳輸、電力處理、應用、其他等類別。
整體而言，專利布局主要集中在應用(51.0%)、檢測(28.5%)、網(wǎng)路傳輸(8.2%)等類別，合計比重高達87.7%。其中，應用以運輸工具/導航/相對位置為主，檢測以測量與檢查為主，網(wǎng)路傳輸以通訊-電氣訊號處理為主(圖1)。
圖1 感測器專利資料探勘分析-重要技術(shù)分類項目 圖片來源：資策會MIC，2016年2月
測量/檢查為核心技術(shù) 半導體相關技術(shù)布局漸增
透過資料探勘比對分析，篩選出30項感測器專利涉及的重要技術(shù)分類項目，發(fā)現(xiàn)主要分布在測量與檢查(17.7%)、運輸工具/導航/相對位置(9.1%)、 電氣特性-測量與檢查(7.4%)、通訊-電氣訊號處理(6.9%)、內(nèi)燃機(4.9%)、數(shù)據(jù)處理-校正(4.6%)、半導體裝置(4.5%)、手術(shù)- 放射性照射(4.0%)、輻射能(3.5%)、半導體裝置制造-制程(2.8%)、控制系統(tǒng)(2.2%)、光學-測量與檢查(1.7%)、影像分析 (1.4%)等。
近年來感測器專利則在半導體裝置(含括半導體感測器技術(shù))、半導體裝置制造-制程(含括半導體感測器技術(shù))、手術(shù)-放射性照射等技術(shù)分類項目布局相對積極，值得科技界密切關注后續(xù)發(fā)展。
建議有意跨入感測器產(chǎn)業(yè)的半導體廠商或是新進廠商，應可鎖定半導體感測器相關技術(shù)做為新事業(yè)規(guī)劃之優(yōu)先選項，像是MEMS Sensor、Infrared Sensor、CMOS Sensor等。
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