你需要知道的6大傳感器原理

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何謂傳感器（Sensor）？

傳感器（Sensor）是指將收集到的信息轉換成設備能處理的信號的元件或裝置。
人類會基於視覺、聽覺、嗅覺、觸覺獲得的信息進行行動，設備也一樣，根據傳感器獲得的信息進行控制或處理。
傳感器收集轉換的信號（物理量）有溫度、光、顏色、氣壓、磁力、速度、加速度等。
這些利用了半導體的物質變化，除此之外，還有利用酶和微生物等生物物質的生物傳感器。

IoT與傳感器
所有物體都連接網際網路的IoT（Internet of Things：物聯網）。
不僅智慧型手機、個人電腦等通信設備，還包括醫療設備、可穿戴式設備、車載、自然環境、基礎設施等，所有物體都能聯網共享信息，從而創造更便利、更安心、更安全的社會。
實現這些所不可缺少的是檢測狀態的「傳感器」。

【IoT有關的術語定義】
IoT: Internet of Things（"物體"的網際網路），指傳感器嵌入到周圍物體中，進行聯網，從而物體之間，物體與人之間可以相互通信的狀態。
德國・工業4.0:  是德國政府提出的旨在提升製造業智能化水平的概念，也是工業、政府、學術界共同推進的國家項目。推出新的概念，旨在通過工廠物聯網，創造新的價值。
M2M: Machine to Machine: 指不以人為媒介，通過物體之間聯網，直接通信。＜P2M: People to Machine   人向物體通信＞，＜M2P: Machine to People   物體向人通信＞
工業網際網路: GE（Generel Electric Company）為中心提倡的工業IoT戰略。

地磁傳感器

地球被磁場磁力所包圍，這被稱為地磁。
地磁傳感器是檢測地球磁力的傳感器，也被稱為「電子羅盤」。
地磁傳感器可以通過檢測地磁來檢測方向。
【圍繞地球的地磁】

地磁傳感器有X和Y兩軸型以及添加了Z的三軸型，並測量各方向上的磁力值。
如果不考慮諸如簡單羅盤之類的傾斜，則僅使用X軸和Y軸的值。當考慮傾斜時，需要將地磁傳感器的3軸值與加速度傳感器相結合，將其校正到正確的方向。

下圖顯示了地磁傳感器水平旋轉時X和Y值的分布。

如果地磁傳感器水平旋轉，在不受周圍磁場影響的理想情況下，輸出分布圖的圓心變為零。

然而，實際上中心因環境磁場的影響而移動，因此需要進行調整以將圓心移動到零。
地磁傳感器導出的北極稱為磁北（略偏離北極）。通過上述方程式計算該磁北的角度，可以容易知道方向。

各類磁傳感器
磁傳感器是一種旨在測量磁場的大小和方向的傳感器。
根據目的不同有多種傳感器，以下列舉典型的傳感器。

檢測方法霍爾MRMI構成抗噪聲
                        （靈敏度）×△◎消耗電流×△◎響應速度×△◎

霍爾傳感器

基於霍爾效應測量磁通密度的傳感器，輸出與磁通密度成比例的電壓。

它易於使用，主要用於非接觸式開關應用，例如門和筆記本電腦等物體的打開和關閉檢測。

MR傳感器

MR（Magneto Resistance）傳感器也被稱為磁阻效應傳感器，利用物體電阻因磁場變化來測量地磁大小的傳感器。

靈敏度高於霍爾傳感器，功耗更低，因此是一種使用更廣泛的磁傳感器。除了電子羅盤等地磁檢測應用外，它還用於電機旋轉和位置檢測應用。

MI傳感器

MI（Magneto Impedance）傳感器是下一代磁傳感器，採用特殊的非晶絲並應用了磁阻抗效應。

它的靈敏度比霍爾傳感器高出10,000倍以上，並且可以高精度地測量地磁的微小變化。
可以應用於超低消耗電流的方位檢測（電子羅盤），還可應用於室內定位、金屬異物檢測等高靈敏度特性的應用。

脈搏傳感器

脈搏波是心臟發送血液時產生的血管的體積變化波形，監測該體積變化的檢測器稱為脈搏傳感器。

首先，測量心率有四種方法，心電圖、光電脈波法、血壓測量法、心音描記法等。
其中的光電脈波法是使用脈搏傳感器進行測量的方法。

由於測量方法的不同，光電脈波法的脈搏傳感器有透過型和反射型。
透過型通過向體表照射紅外線或紅光，測量隨著心臟的脈動而變化的血流量的變化，作為透過身體的光的變化量來測量脈搏波。
該方法限於測量易於穿透的部分，例如指尖和耳垂。

反射型脈搏傳感器

反射型脈搏傳感器是向生物體照射紅外線、紅光、550nm左右波長的綠光，利用光電二極體或光電電晶體測量生物體反射的光。含氧血紅蛋白存在於動脈血液中，具有吸收入射光的特性，因此通過檢測隨時間序列並隨心臟搏動而變化的血流量（血管容積的變化），測量脈搏信號。
另外，由於是反射光的測量，因此不必像透過型那樣限制測量部位。

[反射型脈搏傳感器的原理]

當使用紅外線或紅光測量脈搏波時，受到室外陽光中包含的紅外線的影響，不能進行穩定的脈搏波測量。因此，建議僅將其用於室內或半室內應用。
在運動腕錶等戶外用途，血液中的血紅蛋白的吸收率高，由於綠色光源較少受環境光的影響，我們將綠色LED作為照射光使用。

脈搏傳感器的應用
通常，通過觀察以下兩點可以測量動脈血氧飽和度（SpO2）。通過脈搏傳感器獲得的波形的變動周期，觀察心率（脈率）；通過使用紅外線和紅光兩個波長，來觀察脈動（變化量）。
此外，作為脈搏傳感器的應用，期望通過高速採樣和高精度測量來獲取諸如HRV分析（壓力水平）、血管年齡等各種生命體徵。

氣壓傳感器

氣壓傳感器是檢測大氣壓力的傳感器。
根據要測量的壓力值，壓力傳感器具有如下所示的各種材料和方法的傳感器。
在這些壓力傳感器中，檢測大氣壓力（用於氣壓檢測）的傳感器通常被稱為氣壓傳感器。

[使用的材料 - 按方式分類的壓力傳感器]

氣壓傳感器的典型示例是使用矽（Si）半導體的壓阻式。
羅姆提供的氣壓傳感器也是壓阻式氣壓傳感器。

壓阻式氣壓傳感器

壓阻式氣壓傳感器使用Si單晶板作為隔膜（壓力接收元件），通過在其表面上擴散雜質形成電阻橋電路，將施加壓力時產生的變形作為電阻值變化，來計算壓力（氣壓）。

[壓阻式氣壓傳感器]

電阻率（電導率）因施加在該電阻上的壓力而變化的現象稱為壓阻效應。羅姆的氣壓傳感器IC將使用壓阻式壓力接收元件（隔膜結構和壓阻集成在一起※MEMS），以及溫度校正處理、控制電路等的集成電路（※ASIC）集成在一個封裝裡，可以輕鬆獲得高精度的氣壓信息。

※ MEMS：Micro Electro Mechanical System（微機電系統）
在一個電路板上集成機械構成部件、傳感器、執行機構（驅動部件）等的裝置。

※ ASIC：Application Specific Integrated Circuit（專用集成電路）
它是一種集成電路，將多個電路功能組合成一個特定應用。

加速度傳感器

加速度是指單位時間內產生的速度，測量加速度的IC就叫加速度傳感器。
通過測量加速度，可以測得物體的傾斜、振動等信息。
加速度單位為m/s2（※國際單位制SI）。
另外，單位G是以※標準重力（1 G = 9.806 65m/s2）為基準的加速度值。
還有用於檢測地震震動的加速度的單位※Gal（CGS單位制）。

※ 國際單位制SI（法語：Système international d'unités）
由長度m、重量kg、時間s （MKS單位）組合而成的國際單位。

※ 標準重力
物體在重力作用下產生的加速度。物體在自由落體時，物體每單位時間內增加的速度值（9.806 65m/s2）。

※ Gal
CGS（長度cm、重量g、時間s為基準）單位制的加速度單位。被定義為SI單位制的1/100（1Gal=0.01 m/s2 ）。

加速度傳感器一般分為低G加速度傳感器和高G加速度傳感器，如下圖所示。

電容式加速度傳感器

羅姆集團加速度傳感器是採用MEMS技術的電容式加速度傳感器。
傳感器元件由Si製成的固定電極、可動電極和彈簧構成。未施加加速度的狀態下，固定電極和可動電極間的距離相同。施加加速度，則可動電極移位。由此與固定電極的位置關係發生變化，電極間容量發生變化。容量的變化通過※ASIC轉化為電壓，算出加速度。

 

【電容式原理】

※ ASIC
Application Specific Integrated Circuit（專用集成電路）
指將特定用途的多個電路功能集成到一起的集成電路。

電流傳感器

何謂電流傳感器？
電流傳感器是指檢測電路中流動的電流值的傳感器。

電流的檢測方法
如下圖所示，檢測流動電流的方法大致可分為電阻檢測型和磁場檢測型。

【電流檢測方法和特點】
電阻檢測型將分流電阻引發的電壓降轉換為電流。安裝簡單而且價廉物美，操作簡單，但缺點是電阻上的功率損耗會產生較大的發熱量。磁場檢測型＜有鐵芯＞
根據電流線中流動的電流測量鐵芯中產生磁場的大小，以此來測量電流值。這種方法無需接觸，功率損耗較小，但鐵芯較大，存在貼裝面積大的課題。＜無鐵芯＞
利用霍爾效應將流動電流周圍產生的磁場轉換為電壓（霍爾電壓）進行測量，以此來測量電流值。因為霍爾效應產生的電壓較小，所以IC由霍爾元件和放大電路構成。因為需要將電流引入IC內，所以會產生功率損耗。

M1電流傳感器
為了消除上述磁場檢測型在安裝難度（有鐵芯）和功率損耗（無鐵芯）方面的缺點，ROHM開發出了使用MI（Magneto Impedance）元件的磁場檢測型非接觸型電流傳感器。
MI傳感器作為使用特殊非晶絲，利用其磁阻抗效應的新一代傳感器，其特點是具備超高靈敏度的磁性檢測能力。
靈敏度遠超霍爾元件，可高精度檢測磁性的微小變化。因此，無需將電流引入封裝內，也能以高精度進行非接觸式電流檢測（磁性檢測）。

【電流傳感器的結構比較（羅姆調查）】
綜上所述，MI電流傳感器可進行非接觸式電流測量，功率損耗少，還能進一步縮小貼裝面積。

顏色傳感器

感光傳感器（光傳感器）中，檢測R（紅色）、G（綠色）、B（藍色）3原色的叫作顏色傳感器。
  顏色傳感器通過光電二極體接收周圍光線，檢測RGB值。

顏色傳感器的原理
向物體照射具有RGB成分的光，反射光的顏色成分會隨物體的顏色發生改變。
例如，紅色物體的反射光成分為紅，黃色物體為紅和綠、白色則包含紅、綠、藍全部成分。

【物體反射光顏色示意圖】

由此可知，物體的顏色由物體反射的光色（R、G、B）成分的比例決定。
人眼是通過獲取反射光成分來識別物體的顏色。
在漆黑的場所什麼都看不見吧！這是因為沒有照射光，反射光自然也不存在，所以看上去是漆黑一片。
與人眼一樣，顏色傳感器是使用光電二極體接收光線，通過計算接收到的R、G、B量的比例來識別顏色。

顏色傳感器IC的結構
下圖是顏色傳感器IC的結構。內部搭載了彩色濾光片（Color filter）和紅外截止濾光片（Ir cut filter）。

【羅姆的代表性顏色傳感器的簡要結構】

下面比較了傳感器在有無這些濾光片時的分光特性。

【RGB分光特性示意圖】

顏色傳感器IC通過為內部傳感器配備R、G、B各種顏色的濾光片，具備了較高的RGB分光特性，而且通過配備紅外截止濾光片，具備了紅外線去除特性，能高精度識別顏色。

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