盤點生活中的傳感器 未來發(fā)展空間巨大

　　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(jìn)步下不斷發(fā)展，結(jié)合人類在科學(xué)、物理、醫(yī)療上所累積的知識，如今感測器已經(jīng)不只是人類用來探索知識的一門工具，更能結(jié)合通訊、物聯(lián)網(wǎng)、云端巨量資料的運算，提供生活中更便利的服務(wù)。

　　觀察目前感測技術(shù)，發(fā)展已經(jīng)成熟的有光應(yīng)用、聲音、動態(tài)、壓力等感測器，尚在開發(fā)階段的是生物細(xì)胞、腦波等感測器。將這些感測器結(jié)合設(shè)計出應(yīng)用裝置導(dǎo)入生活中，開發(fā)出能獨立判斷并主動提供決策服務(wù)的智慧裝置，如果用人類的五感來作對照感測是如何發(fā)生的:　

　　納米科技的進(jìn)步也使感測器更精準(zhǔn)及細(xì)微，從動作、血液流動、到腦波偵測運算，就像許多電影情結(jié)，未來電子、機器設(shè)備不僅能更超越人類的感測范圍，也能更即時分析作出判斷，與人們的生活密切結(jié)合，觸覺、嗅覺、味覺三種感測方式，未來都還有很大的發(fā)展空間，是目前科學(xué)家研究發(fā)展的重心。

　　觸覺感測器

　　觸控面板是觸覺感測最主要的產(chǎn)品，近期開始走紅的”指紋辨識”技術(shù)，也是觸覺感測的一種應(yīng)用，指紋辨識器一般采用電容式的觸控屏，從前使用在保全系統(tǒng)、犯罪偵防上，後來置入智慧型手機，應(yīng)用在指紋鎖、個人認(rèn)證及行動支付方案等。　

　　如果將觸覺進(jìn)一步衍伸到如皮膚般能感測壓力、溫度、表面紋路，應(yīng)用到機器人。使得機器人身上將有層仿真皮膚，協(xié)助特定類型的機器人可以利用觸覺工作，例如提升抓取物品的準(zhǔn)確性。這種電子皮膚技術(shù)也嘗試能使用在原本沒有觸覺的機械義肢、或皮膚移植的可能。觸覺感測器不斷以仿生物特性的角度持續(xù)開發(fā)中。

　　氣體感測器

　　氣體感測器應(yīng)用上常用於酒精偵測、可燃性氣體偵測、環(huán)境氣體偵測等，在環(huán)境空氣檢測上可用於室內(nèi)空氣品質(zhì)的偵測，搭配溫、濕度、氣壓計形成智慧空調(diào)系統(tǒng)，主動調(diào)整室內(nèi)、車內(nèi)空間的空氣品質(zhì)，并達(dá)到節(jié)能與安全維護(hù)的目的。

　　氣體感測器的制作是利用加熱氧化物後表面吸附氣體，再進(jìn)行催化產(chǎn)生電阻的變化產(chǎn)生感測訊號。偵測不同氣體所用的元件略有不同，因此目前單一感測器通常僅限特定某類型氣體的偵測，例如可燃性性氣體、二氧化碳、污染型氣體、氫氣等，又稱為”電子鼻”或”嗅覺感測器”。　

　　未來采用半導(dǎo)體制程的嗅覺感覺器，不僅感度好、反應(yīng)快、穩(wěn)定性佳，且維護(hù)上也容易;用於醫(yī)療領(lǐng)域，目前已有利用檢測二氧化碳濃度來檢知病人是否因感染幽門螺旋菌(Helicobacter Pylori)而導(dǎo)致胃炎、胃潰瘍的半導(dǎo)體氣體感應(yīng)器裝置。歐美日等國的研究更發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人體生病時，呼氣中特定成分的氣體濃度會提高。若是此類呼氣嗅覺感應(yīng)器能夠小型化，整合到手機上，使用者平常就能利用手機來做健康診斷，掌握日常的健康狀態(tài)。

　　生物感測器

　　如果是以一般感測技術(shù)(光學(xué)、壓力等)來辨識生物特徵，稱為生物辨識技術(shù)(Biometric)，不同於生物感測器(Bio Sensor)，則是直接以相關(guān)的生物分子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)來感測，兩者皆是測量生物量的方法，前者發(fā)展較快且已能置入行動裝置，後者測量出的數(shù)據(jù)則更為精準(zhǔn)，但離商品化還需努力。

　　生物辨識(Bio-metric)技術(shù)，指的是如指紋辨識器、人體特徵分析，如臉部、指紋、虹膜辨識等。主要透過光感測器、電流、磁力或電磁波等方式，來測量心跳、心律、血氧濃度、血壓等基本的生理訊號。

　

　　基於在各種非生物感測器的技術(shù)進(jìn)步下，加上程式設(shè)計人員透過演算法要測量出各種生理訊號，都有一定程度的可測量性，由其紅外線IR穿透力比可見光稍強，可測量人體表面溫度及血液中細(xì)微的變化來進(jìn)行分析。但大部份的測量如果要能用於醫(yī)療水準(zhǔn)，達(dá)到更高的準(zhǔn)確性作為疾病的預(yù)防診斷，還是需要靠生物感測器來達(dá)成。

　　生物感測器(Bio-sensor)，即是利用生物分子的交互作用來感測，從測量生理變化，至分析更多生物元素的感測方法。由於在測量的生物體背景值相當(dāng)復(fù)雜(如血液里就有血球、蛋白質(zhì)、抗體)，且生物元素具有高特異性，因此檢測過程通常較為繁瑣，要做成單一設(shè)備能夠商品化的感應(yīng)器更是一大挑戰(zhàn)，現(xiàn)有商品化設(shè)備的感測模式通常是在感測器前端(探針)加入生物分子，與受測物作用後，再透過轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)為電子訊號。

　　生物作用分子的選用相當(dāng)獨特，一種生物感測器通常只能測幾種特定的生物原素，這個部份跟嗅覺感測器的發(fā)展裝況類似。除了醫(yī)療用途外，在食品的研發(fā)及品管上，也有發(fā)展出食品分析儀、及味覺感測器，味覺感測器能分別將甜、咸、酸、苦、辣等五種基本味覺數(shù)值化，食品分析儀可以檢測出食品的成份。　

　　Vessyl推出的智慧水杯，不僅可以馬上認(rèn)出裝入的是水還是那種飲料，還能透過手機App協(xié)助計算卡路里及健康管理，醫(yī)療方面糖連病患者最需要的血糖測試方法，現(xiàn)在也有采取體液的偵測方式，比起以往需采集血液的方式，對糖尿病患者是一大福音;Google X研發(fā)隱形眼鏡，就是以淚液偵測血糖值，生物感測器的微小化、商品化，將會是遠(yuǎn)端醫(yī)療、個人健康管理上在未來的發(fā)展方向。

　　腦波感測器

　　我們的大腦是由數(shù)十億個活躍的神經(jīng)元組成，如果把神經(jīng)軸突(Axon)連接在一起，長度大約有十七萬公里，當(dāng)這些神經(jīng)元互動時，可以測量到這些化學(xué)作用所發(fā)射出的電脈沖。腦波的密碼解讀是相當(dāng)困難的，因此目前腦波感測器的進(jìn)展并不大。在未來隨著腦波感測的發(fā)展，也許我們就能用意念來移動物品、打開電視、甚至與寵物溝通。

　　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(zhuǎn)換成電訊號。光感測也是目前應(yīng)用最廣的一種感測方式，主要范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(fā)射端射出光線，再經(jīng)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(yīng)用上非常廣，在工業(yè)生產(chǎn)鏈上要測量物體的通過或是保全警報系統(tǒng)，都可以采用紅外線感測器，利用光的折射與反射特性來完成感測訊號，當(dāng)有發(fā)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并不高，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(chǎn)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(guān)，熱視鏡、熱追縱系統(tǒng)、熱感應(yīng)式監(jiān)視器，就是被動式紅外線感測的應(yīng)用。這類型感測器也常與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)，舉例還有防盜系統(tǒng)、火災(zāi)警報器、耳溫槍等。

　

　　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(dāng)木材、化纖織物、紙張、油、塑料、等可燃?xì)怏w燃燒時，都會產(chǎn)生紫外光反應(yīng)，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或陽光相關(guān)的感測應(yīng)用上，如引擎控制、火焰感測器、太陽紫外線監(jiān)測、紫外線天文學(xué)、光源校正系統(tǒng)等，以被動感測為主。主動放射紫外線的應(yīng)用一般在醫(yī)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(dāng)環(huán)境污染(臭氧層破壞)造成紫外線數(shù)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(shù)，是紫外線感測器置入行動裝置目前的主要應(yīng)用。

　　影像感測器

　　影像感測器是光感測器中制程最復(fù)雜、也是最先進(jìn)的主流產(chǎn)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(yīng)用，最廣為人知的例子是取代傳統(tǒng)底片的數(shù)位相機，靠的就是影像感測器的發(fā)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(lán)三原色的反應(yīng)，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(dǎo)體晶片制作技術(shù)的進(jìn)步下，影像感測器能解讀的畫質(zhì)像素(Pixel)非常細(xì)微，iPhone有一款A(yù)pp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(xiàn)在的影像感測器能夠捕捉靜態(tài)或動態(tài)中的影像，并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(tǒng)的人臉辨識，

　

　　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(yīng)用非常具有潛力。3D深度感測方案主要系由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(xiàn)3D掃描的功能。

　　在應(yīng)用方面，微軟的Kinect產(chǎn)品絕對是代表作，不僅在體感游戲中實現(xiàn)了人體動態(tài)操控，不需穿戴任何搖控設(shè)備，也能被應(yīng)用開發(fā)在許多人機互動平臺上。

　　動態(tài)感測器

　　動態(tài)感測器在測量物體的動態(tài)，與3D深度感測器不同的是，動態(tài)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(tài)”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(tài)感測的方式通常會需要測量物理量(重力、速度)的變化，因此采機械的方式制成，微機電系統(tǒng)(MEMS)是一種先進(jìn)的工藝技術(shù)，將傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)微小化到類似晶片的大小，也是今天能將動態(tài)感測器放入手機、手表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(yīng)用，在體感操控上，如游戲機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(nèi)的補助導(dǎo)航(因隧道內(nèi)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(shù)、距離，計算消秏的卡路里等，未來也能在室內(nèi)導(dǎo)航上，另外還有相機的防手震功能，也能利用感測器感應(yīng)震動呈度，進(jìn)行影像補償。

　

　　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(yīng)用上如汽車引擎內(nèi)的監(jiān)控管理、胎壓偵測、以及醫(yī)療輔助器材、航太相關(guān)等，近年來置入行動裝置中作為環(huán)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(tǒng)。

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

　　陀螺儀

　　結(jié)構(gòu)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(dǎo)航系統(tǒng)的角度修正，工業(yè)生產(chǎn)上機械手臂的動態(tài)平衡方案等。與加速感測器不同的是，陀螺儀量測數(shù)據(jù)較偏向斜度、轉(zhuǎn)動等動態(tài)資訊，反而與重力、線性動作的感測較無關(guān)，陀螺儀多在偵測物體水平改變狀態(tài)時較能達(dá)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(tài)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(yīng)用上大多將加速度計與陀螺儀整合，讓動態(tài)感測系統(tǒng)同時具備直向速度與轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)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?zāi)恍D(zhuǎn)操控。　

　　磁力感測器

　　(M-Sensor)運用磁鐵吸引力的感測器，在行動裝置應(yīng)用上可分為感應(yīng)開關(guān)、與電子羅盤兩種。感應(yīng)開關(guān)如手機、平板上的螢?zāi)绘i，透過感應(yīng)保護(hù)套上的磁鐵來進(jìn)行開關(guān)動作，若用於工業(yè)生產(chǎn)鏈上也能作為磁力感應(yīng)的近接開關(guān)、轉(zhuǎn)速測量等，電子羅盤又稱地磁感應(yīng)器，運用電流通過半導(dǎo)體來感測大自然的磁場(霍爾效應(yīng))，可作方向的指引、協(xié)助GPS導(dǎo)航作進(jìn)一步方位的確認(rèn)。

　　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(tài)等都能完整被感測記錄使用，且能提供高精細(xì)度的動態(tài)數(shù)據(jù)，未來在體感控制、動態(tài)分析上都能有更棒的體驗。由其發(fā)展”室內(nèi)導(dǎo)航”就是許多大廠共同努力的目標(biāo);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(xì)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(zhì)傳播，簡單區(qū)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(guān)的聲音感測器，另外聲波在遇到物體阻檔時也會產(chǎn)生折射的現(xiàn)像，所以也能作為距離的探測。

　　收音麥克風(fēng)

　　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(fēng);麥克風(fēng)能夠精準(zhǔn)的收取周遭環(huán)境的音波，科技應(yīng)用上追求的反而是如何將聲音轉(zhuǎn)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(yīng)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(dá)到有效的音源定位、音源分離，尚處於努力階段。　

　　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(wù)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?yán)走_(dá)等，由於光的折射與聲音的折射在物質(zhì)上略有不同，若兩者搭配來用在偵測周圍環(huán)境，即可以更精準(zhǔn)達(dá)到環(huán)境偵測效果。

　　超音波在醫(yī)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(zhì)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(yīng)用。