感測元件目前發展

作者:Yuchi   |   2014 / 10 / 28

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:股感知識庫


感測器(Sensor)就像是「機器對外在的感覺」,利用自然界物理或生物特性來探測外界信息,感測元件在科技進步下不斷發展,結合人類在科學、物理、醫療上所累積的知識,如今感測器已經不只是人類用來探索知識的一門工具,更能結合通訊、物聯網、雲端巨量資料的運算,提供生活中更便利的服務。

觀察目前感測技術,發展已經成熟的有光應用、聲音、動態、壓力等感測器,尚在開發階段的是生物細胞、腦波等感測器。將這些感測器結合設計出應用裝置導入生活中,開發出能獨立判斷並主動提供決策服務的智慧裝置,如果用人類的五感來作對照感測是如何發生的:

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光感測器

光感測器的原理即是藉由光敏感元件將接收的各種光波轉換成電訊號。光感測也是目前應用最廣的一種感測方式,主要範圍大多集中於肉眼可見光(380nm~780nm)的頻段附近,由於光有反射、折射等特性,感測器可由發射端射出光線,再經反射由接收端探知波長的變化,稱為主動式光感測。若是只有接收端直接測量外在的光能量,則是被動式光感測。

感測光譜

光感測器大致可以分類為紅外線光感測器、紫外線光感測器、影像感測器、深度感測器。

紅外線光感測器

紅外線是肉眼看不到的安全光線,因此在感測應用上非常廣,在工業生產鏈上要測量物體的通過或是保全警報系統,都可以採用紅外線感測器,利用光的折射與反射特性來完成感測訊號,當有發射端、與接收端,紅外線也可以作短距離訊號的傳遞,如搖控器、紅外線傳輸介面等。然而一般紅外線的穿透性並不高,主動式紅外線加上光反射原理還可以用在距離的探測上,打在人體皮膚上可以透過微血管變化計算心跳、心律。

在「黑體幅射定律」中,物體溫度高於絕對零度(攝氏-273.15K)就會產生紅外線的輻射光能量;因此對於溫度的感測也常常與紅外線相關,熱視鏡、熱追縱系統、熱感應式監視器,就是被動式紅外線感測的應用。這類型感測器也常與我們日常生活息息相關,舉例還有防盜系統、火災警報器、耳溫槍等。

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紫外線光感測器

紫外線的波長短、頻率高使穿透力較強,對人體有一定的傷害,當木材、化纖織物、紙張、油、塑料、等可燃氣體燃燒時,都會產生紫外光反應,另外太陽光放射出的紫外線能穿透石英、玻離、水和空氣。綜合以上特性,紫外線感測器多被用在與燃燒陽光相關的感測應用上,如引擎控制、火焰感測器、太陽紫外線監測、紫外線天文學、光源校正系統等,以被動感測為主。主動放射紫外線的應用一般在醫療上使用,紫外線常被用來殺菌消毒。

紫外線對人體有一定的破壞性,當環境汙染(臭氧層破壞)造成紫外線數值越來越高,罹患皮膚癌的機率也相對增加,UV紫外線感測器將被置入到許多運動型的穿戴裝置,來提醒使用者目前的紫外線指數,是紫外線感測器置入行動裝置目前的主要應用。

影像感測器

影像感測器是光感測器中製程最複雜、也是最先進的主流產品,感測的輻射光大多集中在可見光附近,配合人眼可辨識成像的應用,最廣為人知的例子是取代傳統底片的數位相機,靠的就是影像感測器的發展。

影像感測器一般都需要搭配鏡頭使用,模擬人眼對RGB紅綠藍三原色的反應,為了避免紅外線的干擾還會加上一層紅外線濾光片;在CCD、CMOS兩種半導體晶片製作技術的進步下,影像感測器能解讀的畫質像素(Pixel)非常細微,iPhone有一款App是只要將手指壓在鏡頭前用補光燈照射,就能以接收微血管的變化來測量心跳。

現在的影像感測器能夠捕捉靜態或動態中的影像,並分析影像作出各種判斷,例如相機的自動對焦功能、手機APP的微笑拍照功能、保全系統的人臉辨識,

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深度感測器

將感測畫面由平面推向3D立體,是人機介面中虛擬實境、手勢操控最主要的感測器,未來應用非常具有潛力。3D深度感測方案主要係由CMOS影像感測器、演算法、輔助感測效果的外部元件(如主動式光源(紅外光IR)及主處理器所組合而成。紅外線能捕捉人體的熱幅射,使感測時可以聚焦在主控者身上,不被混亂的背景干擾;也能用來作距離的運算,與影像感測器配合來實現3D掃描的功能。

在應用方面,微軟的Kinect產品絕對是代表作,不僅在體感遊戲中實現了人體動態操控,不需穿戴任何搖控設備,也能被應用開發在許多人機互動平台上。

動態感測器

動態感測器在測量物體的動態,與3D深度感測器不同的是,動態感測器是直接在行動者(人、車)身上作感測,所謂感測物體的”動態”包含了方向、速度(加速度感測器)、角度(陀螺儀)、方位(磁力感測器)、高度(氣壓感測器)幾種。

動態感測的方式通常會需要測量物理量(重力、速度)的變化,因此採機械的方式製成,微機電系統(MEMS)是一種先進的工藝技術,將傳統的機械系統微小化到類似晶片的大小,也是今天能將動態感測器放入手機、手錶等許多穿戴裝置的重要科技。

加速度感測器

又稱重力感測器(G-Sensor)、加速計,用來偵測物體本身的移動及速度;如果要加上方向,一個加速度感測器可以感測一個軸向,兩個可以感測平面移動(X,Y),三個可以立體全方位感測(X,Y,Z)稱為三軸加速度感測器。

加速度感測器目前的許多應用,在體感操控上,如遊戲機wii的操控方式只要揮動手上的搖控器。汽車方面安全氣囊的致動元件、隧道內的補助導航(因隧道內收不到訊號,用加速度感測器計算行駛距離),穿戴裝置在運動方面測量行走步數、距離,計算消秏的卡路里等,未來也能在室內導航上,另外還有相機的防手震功能,也能利用感測器感應震動呈度,進行影像補償。

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壓力感測器

壓力感測器可以測得水中、或大氣中形成的外部壓力(又稱氣壓感測器),應用上如汽車引擎內的監控管理、胎壓偵測、以及醫療輔助器材、航太相關等,近年來置入行動裝置中作為環境氣壓偵測,判斷即時的天氣變化(又稱晴雨計)外,也能依海拔高度的氣壓變化作為垂直高度的定位系統。

氣壓感測器分類上也屬於環境感測器的一員,環境的偵測可以協助我們改善居住品質,主要有氣壓、溫度計、溼度計、紫外線感測器、氣體感測器、環境光感測器幾種。

陀螺儀

結構類似陀螺般,用來測量裝置本身斜度、角度的變化量,早期多用在軍事、航太導航系統的角度修正,工業生產上機械手臂的動態平衡方案等。與加速感測器不同的是,陀螺儀量測數據較偏向斜度、轉動等動態資訊,反而與重力、線性動作的感測較無關,陀螺儀多在偵測物體水平改變狀態時較能達到效用,無法如加速度計對於物體移動或移動動能具較高的感測能力。相反的,加速度計可在偵測物體移動狀態具較高實用效益,但卻無法感測物體的小幅角度改變。

目前應用上大多將加速度計與陀螺儀整合,讓動態感測系統同時具備直向速度與轉動數據的感測資訊,使偵測方式更全面且完整。將兩者共同封裝於單晶片上,又稱為慣性感測器(Inertial Sensing),使用在智慧型手機及平板的螢幕旋轉操控。

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磁力感測器

(M-Sensor)運用磁鐵吸引力的感測器,在行動裝置應用上可分為感應開關、與電子羅盤兩種。感應開關如手機、平板上的螢幕鎖,透過感應保護套上的磁鐵來進行開關動作,若用於工業生產鏈上也能作為磁力感應的近接開關、轉速測量等,電子羅盤又稱地磁感應器,運用電流通過半導體來感測大自然的磁場(霍爾效應),可作方向的指引、協助GPS導航作進一步方位的確認。

目前大多也將地磁感測器共同整合到”慣性感測器”中,使方向、速度、各種動態等都能完整被感測記錄使用,且能提供高精細度的動態數據,未來在體感控制、動態分析上都能有更棒的體驗。由其發展”室內導航”就是許多大廠共同努力的目標;除了慣性感測外,也可能再加入壓力感測器(氣壓感測器),用細微的氣壓變化來測量目前所高度及所在的樓層。

聲音感測器

聲波也有不同的頻率、振幅,需透過介質傳播,簡單區分為人耳可聽見的聲音,及無法聽見的超音波;聲波會引起頻率共震、及折射等特性,傳遞的方式即是與大氣中物體(空氣、水)共振造成,由此原理作成相關的聲音感測器,另外聲波在遇到物體阻檔時也會產生折射的現像,所以也能作為距離的探測。

收音麥克風

最簡單也最實用的聲音感測器,其實就是我們常用的麥克風;麥克風能夠精準的收取週遭環境的音波,科技應用上追求的反而是如何將聲音轉換成可用的資訊或指令,如語音辨識功能、語音輸入就是目前主要應用。但不像人類可以主觀判斷聚焦想聽見的聲音,聲音感測器在音源分析上達到有效的音源定位、音源分離,尚處於努力階段。

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超音波感測器

超音波是指超越人體能聽到的音波,利用聲波的反射原理,最常利用超音波來做距離的測量;用在服務型機器人身上,可以有效測距與避障,如水深探測、水位測定、倒車雷達等,由於光的折射與聲音的折射在物質上略有不同,若兩者搭配來用在偵測周圍環境,即可以更精準達到環境偵測效果。

超音波在醫療用途上也常被使用,如孕婦照超音波看胎兒的原理,是由不同密度介質會有反射特性,隨組織密度不同造成不同的反射波,說穿了也是一種測距的應用。

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Yuchi
宅女一枚,放空時間和思考時間一樣多,相信知識的累積與連結可以帶來強大力量!
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