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分析:傳感器的危與機

2015/5/17 14:49:24      点击:

隨著自動化設備及控制系統蓬勃發展,做爲電子裝置“感官”元件的感測器應用領域也大幅擴展,感測器可以說是物聯網架構下讓智慧連網産品執行即時互動的關鍵元件。什麽是感測器?感測器關鍵廠商專利布局重點有那些?技術要項又有那些?BOSCH、DENSO、Honeywell、Abbott、SIEMENS、STMicroelectronics、Infineon等指標性大廠相對研發強度及技術要項布局如何?對此,本文進行深入剖析與探討。

 

技術簡介

感測器(Sensor)可以定義爲:“能夠感知並檢測欲量測對象物的物理量或化學量,並將其轉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。

 

感測器可類比爲人類的感覺器官(感官),像是影像感測器(視覺)、壓力感測器(聽覺)、溫度感測器(觸覺)、氣體感測器(嗅覺)、味感測器(味覺)等。

 

近年來隨著自動化設備及自動化控制系統的蓬勃發展,做爲電子裝置“感官”元件的感測器應用領域也大幅擴展包括:運輸、機械、建築、醫療、家電、資通訊、制造加工等。压力感测器(Pressure Sensor)

壓力感測器是檢測氣體或液體之壓力強度,並將壓力強度轉換成輸出訊號。依據材料差異可區分爲:陶瓷感測器、電容感測器、半導體感測器、壓電感測器等。

 

壓力感測器應用領域包括:氣象、喇叭、麥克風、汽車、機器人、建築等領域。

 

温度感测器(Temperature Sensor)

溫度感測器藉由對溫度變化極爲敏感的材料進行溫度值測定,並將其轉換成輸出訊號。依據材料差異可區分爲:熱敏電阻感測器、白金感溫電阻感測器、熱電偶感測器等。

 

溫度感測器應用領域廣泛包括:智慧手環、智慧家庭感測控制裝置、機器、汽車、氣象、建築等。

 

气体感测器(Gas Sensor)

氣體感測器針對可燃性氣體、毒性氣體成分進行測定,並將其轉換成輸出訊號。依據材料差異可區分爲:半導體感測器、電化學感測器、催化燃燒感測器、熱導感測器、紅外線感測器等。

 

氣體感測器應用領域包括:家庭、辦公大樓、礦場、工場、汽車等。

 

味感测器(Taste Sensor)

人類舌頭上的味覺細胞膜內側與外側由氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KCl)不同離子濃度的鹽水填滿,當鉀離子從內往外流時會産生膜電位變化,若味覺細胞膜吸附味道原因離子或化學物質,味覺細胞膜會産生膜電位變化,並透過味覺細胞後端的神經再將電位變化傳給大腦,此時,人類就會感覺到味道。

 

味感測器就是藉由對離子濃度進行電位差測定,並將其電位差值轉換成輸出訊號。味感測器應用領域包括:食品檢測、醫療檢測等。

 

美商相對投入更多研發資源發展醫療用途感測器技術,目的是布局智慧醫療産業關鍵技術與商機。

 

未來在物聯網帶動下,智慧連網産品勢必配備更優質感測器以符合即時互動要求,感測器的重要性可想而知。

 

影像感测器(Image Sensor)

影像感測器由于制程技術差異可區分爲兩大類:CCD感測器以及CMOS感測器。其中,CCD感測器主要材質爲矽晶半導體,基本原理是透過光電效應將光線能量轉換成電荷,光線越強、電荷越多,這些電荷就成爲判斷光線強弱的依據。

 

CMOS感測器爲可記錄光線強弱變化的半導體,是利用矽和鍺兩種材質做成的半導體,使其在CMOS上共存著帶N極(帶負電)、P極(帶正電)的半導體,這兩個互補效果的電極會對光線産生電流變化,並將光線強弱轉換成輸出訊號。

 

影像感測器應用領域包括:智慧型手機、數位相機、遠端居家監視、機器人、汽車、建築等。

專利探勘

檢索策略

针对感测器(Sensor)进行專利探勘分析,藉此深入瞭解感测器领域重要专利权利人(Assignee)专利布局情形及对产业可能造成之影响。

 

拟定如下专利檢索策略与执行步骤:

選擇專利資料庫

选定美国专利暨商标局(USPTO)专利资料库做为此次專利探勘分析主要资料来源。

 

擬定檢索關鍵字

首先,透過技術論文、新聞報導、關鍵廠商、訴訟案件、關鍵詞彙、專利分類、科技部落格等相關訊息的搜尋與浏覽,標定出感測器專利檢索重要特征訊息,並采用“資策會專利地圖分析探勘平台”進行專利檢索與分析任務。

 

其次,进一步设定专利申请日期(31995)、专利分类码、关键厂商、关键词汇等做为感测器專利探勘检索。

 

另外,搭配專利名稱(Title)、專利摘要(Abstract)、專利請求項(Claim)等欄位進行關鍵詞彙的輸入與檢索。

 

篩選資料

針對專利檢索初步結果進行研判與調整,另外,再加上相關引證專利進行探勘資料補強,最後,共計篩選出35,423件感測器專利進行探勘分析。

 

趨勢分析

文字探勘(Text Mining)

文字探勘(Text Mining)结果筛选出28项感测器专利布局之技术重点。值得注意的是,感测器重要类别以及相对应专利透过文字探勘明确筛选出来,包括:影像感测器(5,789件专利)、温度感测器(3,701件专利)、压力感测器(3,565件专利)、气体感测器(2,500件专利)、加速感测器(1,037件专利)、转矩感测器(494件专利)、触控感测器(483件专利)、血糖感测器(418件专利)、超音波感测器(367件专利)。

 

另外,分析物感測器(968件專利)、無線感測器(950件專利)、感測器節點(926件專利)、角速度感測器(337件專利)、工作電極(317件專利)也是感測器重要的技術要項。

 

资料探勘(Data Mining)

透过资料探勘(Data Mining)功能针对35,423件感测器专利进行比对分析,进而掌握感测器专利所属行业别(Sector)、领域别(Field)分布情形。

 

值得注意的是,測量(Measurement)占領域別比重最高達到37.9%,諸如:各式各樣感測及其量測技術皆含括在測量領域。

 

另外,值得一提的是,测量(Measurement)结合运输(Transport)构成运输感测器应用技术,测量结合医疗技术(Medical technology)构成医疗感测器应用技术,测量结合机器构成机器感测器应用技术,后续可进一步展开为运输感测器、医疗感测器、机器感测器等专题研究。

相對研發強度分析

透过“资策会专利地图分析探勘平台”资料探勘(Data Mining)功能,并针对感测器专利权利人(Assignee)相对研发强度进行分析,评比项目包括:专利件数、他人引证次数、自我引证次数、发明人数、平均专利年龄、活动年期等。

 

资料探勘结果挑选出30家相对重要的感测器专利权利人进行相對研發強度分析,藉此瞭解其拥有的专利权对感测器的产业影响力。

 

進一步發現,德商BOSCH在感測器相對研發強度表現較佳,主要原因爲專利件數、發明人數等評比項目高于其他29家專利權利人所致。

 

很明显地,感测器以美商、日商、欧商较具研发能力,未来在物联网(Internet of Things)带领下,美、日、欧等国感测器主要制造商将持续影响智慧连网产品所属感测技术之发展,值得相关科技界密切注意上述主要制造商近期开发成果与专利布局动向。

 

技術要項布局分析

透过文字探勘(Text Mining)筛选出的28项感测器技术要项,并对应30家相对研发强度较强的专利权利人进行技術要項布局分析,藉此瞭解感测器重要专利权利人技术开发动向之差异。

 

进一步发现,美商在医疗用途感测器技术的布局远高过于欧商以及日商,因为,文字探勘结果中与医疗用途直接相关的技术要项包括:分析物感测器(Analyte Sensor)以及血糖感测器(Glucose Sensor)。其中,分析物感测器有373件专利,美商占359件、比重达96.2%,而握有相关专利的美商包括:Honeywell、MEDTRONIC、DexCom、Abbott、OmniVision、General Electric、COVIDIEN LP、FORD等。

 

另一方面,血糖感测器有304件专利,美商占297件、比重达97.7%,并且握有相关专利的美商包括:JP MORGAN CHASE BANK(投资银行)、MEDTRONIC、DexCom、Abbott等。

 

很明显地,欧商及日商较着重发展资通讯、建筑、机械、汽车用途感测器技术,像是影像感测器(Image Sensor)、压力感测器(Pressure Sensor)、温度感测器(Temperature Sensor)、气体感测器(Gas Sensor)、触控感测器(Touch Sensor)、转矩感测器(Torque Sensor)、超音波感测器(Ultrasonic Sensor)、角速度感测器(Angular Velocity Sensor)等。

 

另一方面,美商則相對投入更多研發資源發展醫療用途感測器技術。顯然,美商目的就是爲了要掌握智慧醫療産業關鍵技術與市場先機,此布局動向值得相關科技界密切關注其後續發展演變。

 

日商及歐商相對著重發展資通訊、汽車、建築、機械用途感測器技術,深耕感測器目前主要用途。

 

MIC觀點

測器核心技術集中于美、日、歐廠商手中,美商積極布局醫療用途,日商及歐商相對著重發展資通訊、汽車、建築、機械用途。

 

针对感测器进行相對研發強度分析、技術要項布局分析发现,感测器以美商、日商、欧商较具研发能力,因为相对研发强度TOP 30厂商中,美商占有11家、日商占有9家、欧商占有7家。

 

另外,感测器技術要項布局分析发现,美商、日商、欧商投入研发资源积极发展资通讯、汽车、建筑、机械、医疗用途感测器技术。

 

其中,美商在醫療用途感測器技術的布局遠高過于日商及歐商,因爲文字探勘結果發現血糖感測器專利美商占比重達97.7%、分析物感測器專利美商占比重達96.2%。

 

很明显地,美商相对投入更多研发资源发展医疗用途感测器技术,其目的就是布局智慧医疗产业关键技术与商机。反观日商及歐商相對著重發展資通訊、汽車、建築、機械用途感測器技術,深耕感測器目前主要用途。

 

未來在物聯網帶領下,美、日、歐等國主要感測器制造商將持續影響智慧連網産品所屬感測技術之發展與應用,值得相關科技界密切注意上述主要制造商近期開發成果與專利布局動向。