機械資訊 734期
文/蘇中源
工研院智慧微系統科技中心 經理
 
摘要
 
智慧感測器為智慧製造的關鍵核心，提供系統間「溝通」、「決策」、「合作」所需訊息來源，要達到聯網通訊及巨量資料分析處理的功能，就需要藉由正確的感測器訊息提供。目前國產設備所需的高階關鍵核心感測器幾乎皆受制於國外，國內必須自主開發工業感測器相關技術，解決進口感測器價格昂貴與規格限制，及開發智慧設備缺乏彈性與創新先行的國際障礙，提升國產系統產品競爭力及掌握關鍵組件供應能力。本文首先探討國際大廠投入工業4.0與智慧感測器之開發現況與技術趨勢，並進一步說明國內廠商在發展智慧機械時於感測器可能面臨之問題與挑戰。最後，針對工研院智慧微系統科技中心投入開發工業感測器基礎扎根與應用進行說明，並以MEMS振動感測器為例，說明工業感測器技術開發之技術挑戰以及相關之技術成果。
 
一、前言
 
工業感測器技術在國際上一直被視為重要的工業基礎技術，其基礎技術的扎根與成熟度也是影響國家工業發展的重要關鍵因素之一[1]。歐美日各國於工業感測器技術的發展已具有數十年累積的基礎，也掌握了許多關鍵的技術know-how以及專利，高階工業感測器具有高度客製化的產品與產業特性，鮮少有如消費性電子產品所使用的感測器有統一的制式規格，價格與功能容易被市場壟斷，因此歐美日各國在高階工業基礎技術的發展上也建構許多技術與市場障礙。
 
特別是近年來，在全球工業技術的快速發展下，先進國家為鞏固既有市場，以及人口老化與缺工之問題，各國政府紛紛提出不同政策，如德國藉由其製造與自動化技術基礎優勢率先提出工業4.0的技術；或是日本提出的工業智慧化、中國的中國製造2025、南韓的「製造業創新3.0」、美國的再工業化等，都是要因應全球趨勢並引導產業升級轉型的主要政策[2-4]。進一步細究各國政策與資源投入的主要重點之一就是發展感測技術，主因就是感測技術為工業4.0與工業物聯網最關鍵的起始核心。
 
因此，各國為了搶食工業4.0以及工業物聯網應用需求的市場大餅，國際大廠與各國政府皆投入龐大的資源在持續強化感測技術的開發或是透過全球併購的方式來提升感測技術能量與建構技術障礙。此外，由於市場快速變化，傳統的低成本大規模生產已轉變為少量多樣、產品生命週期短以及彈性客製化之模式[5]。另一方面，由於全球製造版圖轉變，開發中國家搶占量產市場，已開發國家則搶占客製化市場，台灣面臨前後夾擊雙重挑戰[6]。台灣急需要建立與扎根智慧感測工業基礎技術以支援智慧機械之發展，透過開發自主工業級智慧感測器並結合系統解決方案，來提升終端高階產品生產製造效率。
 
二、國際發展現況
 
領導廠商的技術不斷的進步，產品也不斷推陳出新，最早大多藉由外掛標準品的感測器於設備上進行機器運作情況監控與回饋補償，但此法最大的缺點就是會限制了原有設備或是零組件的設計彈性，且無法推出差異性較大之產品，大多數僅能在後端的回饋補償機制進行差異性的設計。而透過專利分析以及近年的國際展場上觀察，國際大廠皆紛紛投入將關鍵零組件與感測器的整合，除了提升了原有設備/零組件的設計彈性外，更可將感測器與待測零組件的整體性能最佳化，並同時達到產品差異性的目標。此外，在後端的回饋補償控制外，更可以獲得更準確的感測資訊，不僅可以監控設備的運作情況，更可以進一步獲得關鍵零組件的健康情況，達到故障診斷與預知保養等智慧化情境。
 
近年來在國際市場上也可發現，許多國際領導品牌之設備廠或系統廠在感測器的發展上除了自行開發外，還積極地透過收購的方式，直接收購感測器廠或關鍵模組廠，其主要目的就是要為其產品客製化量身訂做感測器，推出差異性的殺手級產品，還可以將感測器的技術壟斷，讓競爭對手買不到感測器或是必須以非常高的價格才能購買到。因此現在許多國家政府也紛紛立法限制相關的併購案，以避免技術外流。
 
以德國工具機大廠DMG MORI為例，其推出之Sensor package i4.0方案，大多感測器與其零組件的結合就是自行開發，以確保核心競爭力持續領先，主要功能包括：例如機台保護控制(Machine Protection Control；MPC)系統[7]，透過主軸與振動感測器的整合，量測振動狀況並偵測鑽削和攻牙的切削力，一旦發生異常可在<10毫秒內停機，在主軸上同時整合主軸伸長感測(Spindle Growth Sensor；SGS），並透過使用定位編碼器與力感測器偵測與進行主軸變形補償。而在其冷卻液流量監控，在工具機的主軸、電氣櫃、Y軸滑座、床身等4個位置裝設溫度感測器來即時控制冷卻液系統的流量，確保冷卻效能。此外也開發AE(音頻變化)感測器，偵測砂輪與工件的最先接觸點，用於修整砂輪的修整循環；以非接觸式雷射感測器，用來偵測細小刀具切削後磨損情形，由於為非接觸式設計，因此壽命長且防水。以DMC 80 FD duoBLOCK工具機為例，其整機就超過60個感測器[7]，且完全內嵌於各關鍵組件中，如主軸、螺桿進給系統、軸承等關鍵組件(如圖1所示)。再來再利用自行開發的CELOS系統將機台上感測器的資訊整合呈現到淺顯易懂的人機介面上，再藉由網路將訊息傳到雲端，讓資訊流通建立起設備間的機聯網(M2M)，掌握生產系統的作動狀態，達到智慧化產線的程度。
 
另一工具機大廠OKUMA在智慧工具機感測器上亮點是運用熱親和(Thermal Friendly)概念技術(如圖2所示)，結合環境溫控、機台結構與溫度感測回饋來校正熱變形，在刀具主軸、機台上裝設溫度感測器，能夠大幅抑制主軸熱變形造成的誤差[8]。主軸上會加裝振動感測器來修正進行表面切削的誤差。而在旋轉軸、刀具主軸上裝設了5軸力量定位感測器(Touch Probe)，達到5軸自動調校定位；另外還研發一套動態工具負載控制(Dynamic Tool Load Control)系統，在刀具主軸上裝設力感測器，會在刀具開始實際作動前先做刀具負載測試，經由測試結果來最佳化作動之後刀具動力輸出情形。由於刀具的耗損情形屬於常時改變狀態，感測器可即時偵測刀具的狀態，並隨時因應刀具的狀態來改變動力輸出[8]。
 
三、發展智慧機械時在感測器面臨之問題與挑戰
 
過去台灣製造業以代工為主，成為全球製造業的主要生產中心，也促成台灣在電子資訊領域的產業榮景；但由於各國積極推動工業4.0與智慧製造，其主要目標是藉由基礎工業技術及創新製造技術研發，帶動製造業回流，提升各國生產效率與製造競爭力，解決勞動力下降與缺工問題，這對台灣製造業將逐漸造成衝擊[2, 3]。另一方面，由於市場快速變化，傳統的低成本大規模生產以轉變為少量多樣、產品生命週期短以及彈性客製化之模式；再者，由於全球製造版圖轉變，開發中國家搶占量產市場，已開發國家則搶占客製化市場，台灣勢必面臨前後夾擊雙重挑戰。
 
國內在工業感測器的發展相較於歐、美、日等國家的起步較晚，因此在發展工業4.0相關技術將受到更嚴峻的挑戰。主要是因為過去並未投入高階工業感測器基礎技術研發，在發展智慧機械與設備所需的關鍵核心感測器幾乎皆受制於國外，普遍的問題為對於不同的應用有不同感測性能要求，目前仍難以完全符合實際操作上使用，且國內廠商避免不了面臨價格昂貴與不易得到供應商的客製化服務及有效解決方案。因此國內必須建立自主開發精密感測器，協助國內產業解決問題，提升系統產品競爭力及掌握關鍵組件供應能力，透過開發自主工業級智慧感測器並結合系統解決方案，來提升終端高階產品生產製造效率。
 
四、國內智慧化工業感測器之發展
 
相較於歐、美、日所累積數十年的技術與經驗，智慧化工業感測器在國內的發展則相對較不成熟。工研院智慧微系統科技中心過去在消費性感測器累積多年的微機電技術研發成果與能量，如元件與模組設計、感測元件製程整合、智慧/生醫微系統之技術多重感測融合與整合應用，並成功運用於Smart Sensors、Micro-Systems及Machine Intelligent等領域。為因應全球智慧感測物聯網及智慧製造趨勢以及國內產業界之需求，基於過去累積之技術能量投入工業感測器基礎技術發展，鏈結產業、學界與國際研發能量，發展智慧工業感測與微系統整合應用關鍵技術，以關鍵組件國產化、關鍵技術自有化、建立與扎根國產自主技術為研發投入目標。所開發之感測器以國內智慧製造及機械設備加值需求的工業智慧感測器為主，同時透過感測模組技術整合開發、數據匯集加值，以促進未來CPS提升及遠端監控服務，帶動產業高階設備及製程服務發展。
 
主要開發應用範圍初步鎖定於智慧加工、智慧組裝及智慧檢測三段製造流程，搭配加值設備展開智慧加工感測優化技術、智慧組裝高精密感測技術、智慧檢測技術。智慧加工感測優化技術以國產工具機智慧化為主軸，開發振動、非接觸式溫度、多圈型編碼器及絕對定位感測器等需求之功能規格為依據，因應智能加工伺服定位、切削熱誤差補償、切削振動監控之感知需求，提升加工精度、品質控制及可靠度。智慧組裝高精密感測技術以提升機械手臂於產品組裝智慧化為主軸，開發精密力、扭力、視覺導引等，因應智慧組裝中設備視覺導引、零組件取放、組合等機械手臂動作的感知的終端需求達到功能規格要求，提升力回饋精度、彈性定位等功能。智慧檢測技術開發著眼於電子資訊/金屬加工之檢測需求的功能解決及精度規格，開發視覺、熱影像紅外線、雷射3D掃描、靜電/磁等感測器，解決如電子產業製程受環境干擾、或金屬加工需人工抽樣(off-line)檢測等問題。
 
在國內工業感測器需求中，振動感測器是目前公認國內產業使用需求最高，自主化與客製化需求最急迫的技術/產品，以下將針對MEMS振動感測器進一步介紹說明。
 
五、工研院振動感測模組技術
 
微型振動感測模組，主要由MEMS感測元件、特用IC電路、晶圓級封裝與金屬封裝的整合。而在工業應用上與一般消費性電子的應用需求差異上除了規格不同外，最重要的就是在元件的可靠度以及穩定性的要求上也較高，因此其設計難度也較一般消費性電子產品所使用的加速度計高出許多。在整個工業振動感測器的主要開發流程如圖3所示，除了初期的MEMS元件與CMOS電路的設計、晶圓與電路製作、晶圓及測試、模組化測試與可靠度測試，最後最重要的就是必須到實際應用場域進行beta-site的測試驗證。唯有透過以上不斷的反覆測試及設計修正才有辦法達到不同領域對於工業振動感測器所要求的規格以及長期可靠度的需求。因此，相較於消費性電子用感測器，工業級振動感測器必須付出較多的時間與資源在開發、測試與可靠度驗證。微系統中心在技術開發策略上將採取同步工程的方式以達到產品開發的時效與目標一次到位，並與產業一同參與驗證開發，讓技術開發成果將來不會再經過冗長的工程技術移轉過程，並降低技術重建的風險，以縮短國產自主所需要的時程。
 
設計上透過MEMS製程實現創新之寬頻域振動感測結構，並開發高頻讀取電路、低雜訊電容訊號感測電路之特用IC。採用一體考量的結構與電路整體測試功能設計方式，配合創新的全電子式測試技術與方法，有效縮短生產時的In-Process測試時間以降低成本。結合晶圓級氣密封裝技術與薄形的堆疊封裝技術，有效縮小振動感測元件之尺寸與整體封裝後的感測模組大小。
 
MEMS振動感測器技術共分為三個部分與五大工程技術(如圖4所示)。第一部分為MEMS寬頻振動感測單元技術：配合現有的製程平台，開發創新之電容式振動感測結構設計與製程技術。第二部分為寬頻、低雜訊特用IC技術：透過數位電路來控制核心的類比前級技術，開發一寬頻低雜訊之電容轉電壓類比前端電路(C2V AFE)、二階三角積分類數轉換器、數位控制電路。最後是振動感測元件與模組測試技術：針對振動感測元件做整體產品的測試方法設計，配合量產型測試機台，開發以電性驅動方法之晶圓級測試技術，有效提升測試速度以降低成本。
 
透過上述技術之開發並結合國內既有產業優勢來發展感測元件、ASIC、封測技術與振動感測模組的整體解決方案，不但可節省開發時間與工程成本，串聯製造振動感測器的上下游產業鏈，在提供建立國內自主化關鍵振動感測元件供應方案的同時，也將研發之成果同時落實於創造產業價值之目的上。
 
目前智慧微系統科技中心所開發之MEMS振動感測器工程樣品之性能規格如圖5所示。其為數位式輸出，應用範圍可數位調整由±2g~±10g，感測頻寬為BW: 0~1KHz，而雜訊的表現為Noise: ~100ug/√Hz @500Hz。經初步在工具機主軸的測試驗證性能與一般壓電式振動感測器產品特性類似，皆可以感測到主軸振動的特徵頻率，且在低頻的感測訊噪比(S/N Ratio)較傳統壓電式具競爭力(如圖6所示)。
 
六、結論與未來展望
 
工業4.0的發展趨勢將會從單機的智慧零組件規模演進擴展成智慧機械設備、智慧產線，最終達到智慧工廠的規模，以整體產線資訊整合管理為目標，並將資訊連結至雲端形成物聯網系統。在工業4.0與智慧工廠逐漸擴大的規模演化，感測器在其中扮演著不可或缺的角色，未來如何有效率地針對特定零組件/機台做高度客製化的感測器已是國際的重點發展趨勢。台灣電子產業結構完整，研發技術實力強，若能夠開始深耕工業感測器基礎技術，十年磨一劍，並與台灣機械產業進一步異業結合，同時透過產官學研的緊密合作，對於台灣未來的工業發展與智慧機械的全球競爭力是極具戰略價值。
 
誌謝
 
本文感謝國立成功大學製造資訊與系統研究所 鄭芳田講座教授對於本文所開發之振動感測器相關的工具機測試實驗的協助。
 
參考文獻
[1] Global Industrial Sensors Market 2016-2020, Technavio, 2016.
[2] 黃仲弘，謝孟玹，智慧系統應用之感知模組發展策略 全球篇, 2016
[3] 汪建南、馬雲龍，工業4.0 的國際發展趨勢與台灣因應之道，2016
[4] 歐洲工具機展(EMO 2017)之發展趨勢和國際標竿現況
[5] 經濟部技術處，以智慧製造技術發展與應用提升產業競爭力，2016
[6] 黃仲宏，葉立倫，洞悉中國2025製造開啟台灣機械設備產業之發展契機，2015
[7] https://www.dmgmori.co.jp/en/top2/
[8] https://www.okuma.co.jp/english/