吳俊斌、湯士源／工研院材化所
隨著工業物聯網(IIoT)建構及應用日漸蓬勃，生產廠務可透過偵測器、電腦儀表以及其他設備進行串聯與資料互聯傳輸，達到生產智慧化管理，以提升設備附加價值及提高生產效能。然而隨著高階製程技術不斷向上提升，環境或設備間密集運作時會導致環境空間電磁場產生耦合干擾，稍有不慎則會影響設備正常運作，或使偵測器訊號產生誤判而影響到製程品質。因此如何快速檢測環境電磁場對於製程品質掌握占有重要地位。由於空間電磁場耦合傳輸錯綜複雜，隨著操作頻段差異需採取合適的電場或磁場整合探頭及原理，導致檢測困難度提升，再加上現有偵測器大都仰賴外購，難以因應客製化場域變化進行偵測設計，國內產業更須思索如何開發電磁檢測理論及元件技術整合能量，以提升設備附加價值性。相信在不久的將來，高頻電磁場檢測技術可廣泛運用並協助製程維運穩定，有益於工業物聯網加速形成，以達到廠務高效智慧化管理為目標。
【內文精選】
前 言
物聯網(IoT)是一種藉由通用辨識碼(UID)通過網路傳輸數據，將計算裝置、機械、數位機器等相互關聯網絡系統進行串聯，並透過偵測器、軟體和其他技術，傳輸/接收網絡上各點資訊，統整物與物的數位資訊，將現實世界數位化。物聯網主要應用領域包括運輸/物流、工業製造、健康醫療、智慧型環境、個人和社會領域等。隨著IoT在應用場域範圍的擴張發展及多元化，包含智慧居家、智慧工廠、智慧城市、穿戴產品、智慧農業與無人機應用，由IoT Analytics預估，全球主動式IoT網絡將由2020年的9.9 Bn設備連結數，於2025年提升至21.5Bn連結數。然而物件網絡間的串聯將以無線通訊技術（WPAN、WLAN、LPWA/5G/WNAN等）與相關設備為主，並且為讓訊息傳輸容量更大、低延遲與更具信賴性，傳輸應用頻率也將提升至毫米波~太赫茲頻段，讓IoT網絡變得更加優化高效，如圖一。。通訊設備藉由設計產生出特殊電磁(Electromagnetic)場型以達到不同功用，但是無線設備數量/密度不斷快速增長讓設備彼此距離縮短，使電磁場耦合造成訊號失真，導致傳輸效率變低、數據信賴性下降、去雜訊成本大幅上升等問題將浮現，為IoT發展關鍵之挑戰。
圖一、(a) IoT (Internet of Things)應用場域；(b)全球主動式IoT連結數趨勢圖
物聯網(IoT)發展與設備互聯干擾評估
如圖二(a)所示，過去工業革命3.0以電子資料庫/製造過程自動化為核心，資訊主要以有線技術為主；隨著演進至工業革命4.0，除了工業技術（物流/物料搬運/工廠自動化）、產品銷售與產品體驗資料整合，並導入人工智慧(AI)建立高適應性/資源效率的智慧型工廠，並且藉由商業流程中回饋來整合客戶與商業夥伴，提供更完善的售後服務。其技術基礎是智慧型整合感控/物聯網(IoT)系統，而訊息資料串聯將以「無線通訊技術」為主，以降低成本與消除有線通信結構的物理障礙，具有易於部署/維護成本低/靈活性佳等優勢。大量無線技術被用於工業IoT關鍵儀器設備中，因此電磁場耦合讓訊號失真的問題已不可忽視。舉一例來說，如圖二(b)，在≤1 GHz之頻段，傳輸訊號已受交流電源整流器/開關模式電源/微處理器Clocks及其諧波電磁場的強烈干擾，使得傳輸訊號已完全失真，將嚴重影響到工廠運行。由HMSIndustrial Networks的一項調查，工業生產中最全面的無線技術是Wi-Fi (74%)，主要於工廠車間或產品應用，藍牙使用率為39%，WirelessHART (WHART)、ZigBee、SigFox或LoRA等技術使用率為13%，而將來5G/6G通訊提升至毫米波/太赫茲頻段，更高頻率的電磁場交互耦合將隨之產生。
光導天線電磁波偵測器
現今半導體製程已經非常成熟，一種利用Schottky二極體與天線整合的高頻(High Frequency)訊號偵測器，其量測機制為電磁波經由半球透鏡集中於高頻天線，天線所感應訊號再藉由二極體特性與負載而得到DC的輸出訊號，而Schottky二極體導通電壓降比低，沒有逆向恢復時間，因此其二極體切換時間約可以快到只有數十皮秒，如圖十二…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十二、Schottky二極體-Base電磁波偵測器與結構簡圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》413期，更多資料請見下方附檔。