何謂傳感器？

傳感器（Sensor）是指將收集到的信息轉(zhuǎn)換成設(shè)備能處理的信號(hào)的元件或裝置。

人類(lèi)會(huì)基于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)獲得的信息進(jìn)行行動(dòng)，設(shè)備也一樣，根據(jù)傳感器獲得的信息進(jìn)行控制或處理。

傳感器收集轉(zhuǎn)換的信號(hào)（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(dǎo)體的物質(zhì)變化，除此之外，還有利用酶和微生物等生物物質(zhì)的生物傳感器。

IoT與傳感器

所有物體都連接互聯(lián)網(wǎng)的IoT（Internet of Things：物聯(lián)網(wǎng)）。

不僅智能手機(jī)、個(gè)人電腦等通信設(shè)備，還包括醫(yī)療設(shè)備、可穿戴式設(shè)備、車(chē)載、自然環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施等，所有物體都能聯(lián)網(wǎng)共享信息，從而創(chuàng)造更便利、更安心、更安全的社會(huì)。

實(shí)現(xiàn)這些所不可缺少的是檢測(cè)狀態(tài)的“傳感器”。

【IoT有關(guān)的術(shù)語(yǔ)定義】

IoT： Internet of Things（“物體”的互聯(lián)網(wǎng)），指?jìng)鞲衅髑度氲街車(chē)矬w中，進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，從而物體之間，物體與人之間可以相互通信的狀態(tài)。

德國(guó)?工業(yè)4.0： 是德國(guó)政府提出的旨在提升制造業(yè)智能化水平的概念，也是工業(yè)、政府、學(xué)術(shù)界共同推進(jìn)的國(guó)家項(xiàng)目。推出新的概念，旨在通過(guò)工廠物聯(lián)網(wǎng)，創(chuàng)造新的價(jià)值。

M2M： Machine to Machine： 指不以人為媒介，通過(guò)物體之間聯(lián)網(wǎng)，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(yè)互聯(lián)網(wǎng)： GE（Generel Electric Company）為中心提倡的工業(yè)IoT戰(zhàn)略。

地磁傳感器

地球被磁場(chǎng)磁力所包圍，這被稱(chēng)為地磁。

地磁傳感器是檢測(cè)地球磁力的傳感器，也被稱(chēng)為“電子羅盤(pán)”。

地磁傳感器可以通過(guò)檢測(cè)地磁來(lái)檢測(cè)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，并測(cè)量各方向上的磁力值。

如果不考慮諸如簡(jiǎn)單羅盤(pán)之類(lèi)的傾斜，則僅使用X軸和Y軸的值。當(dāng)考慮傾斜時(shí)，需要將地磁傳感器的3軸值與加速度傳感器相結(jié)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(zhuǎn)時(shí)X和Y值的分布。

如果地磁傳感器水平旋轉(zhuǎn)，在不受周?chē)艌?chǎng)影響的理想情況下，輸出分布圖的圓心變?yōu)榱恪?/p>

然而，實(shí)際上中心因環(huán)境磁場(chǎng)的影響而移動(dòng)，因此需要進(jìn)行調(diào)整以將圓心移動(dòng)到零。

地磁傳感器導(dǎo)出的北極稱(chēng)為磁北（略偏離北極）。通過(guò)上述方程式計(jì)算該磁北的角度，可以容易知道方向。

各類(lèi)磁傳感器

磁傳感器是一種旨在測(cè)量磁場(chǎng)的大小和方向的傳感器。

根據(jù)目的不同有多種傳感器，以下列舉典型的傳感器。

檢測(cè)方法霍爾MRMI

構(gòu)成

抗噪聲

（靈敏度）×△◎

消耗電流×△◎

響應(yīng)速度×△◎

霍爾傳感器

基于霍爾效應(yīng)測(cè)量磁通密度的傳感器，輸出與磁通密度成比例的電壓。

它易于使用，主要用于非接觸式開(kāi)關(guān)應(yīng)用，例如門(mén)和筆記本電腦等物體的打開(kāi)和關(guān)閉檢測(cè)。

MR傳感器

MR（Magneto Resistance）傳感器也被稱(chēng)為磁阻效應(yīng)傳感器，利用物體電阻因磁場(chǎng)變化來(lái)測(cè)量地磁大小的傳感器。

靈敏度高于霍爾傳感器，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(pán)等地磁檢測(cè)應(yīng)用外，它還用于電機(jī)旋轉(zhuǎn)和位置檢測(cè)應(yīng)用。

MI傳感器

MI（Magneto Impedance）傳感器是下一代磁傳感器，采用特殊的非晶絲并應(yīng)用了磁阻抗效應(yīng)。

它的靈敏度比霍爾傳感器高出10，000倍以上，并且可以高精度地測(cè)量地磁的微小變化。

可以應(yīng)用于超低消耗電流的方位檢測(cè)（電子羅盤(pán)），還可應(yīng)用于室內(nèi)定位、金屬異物檢測(cè)等高靈敏度特性的應(yīng)用。

脈搏傳感器

脈搏波是心臟發(fā)送血液時(shí)產(chǎn)生的血管的體積變化波形，監(jiān)測(cè)該體積變化的檢測(cè)器稱(chēng)為脈搏傳感器。

首先，測(cè)量心率有四種方法，心電圖、光電脈波法、血壓測(cè)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(jìn)行測(cè)量的方法。

由于測(cè)量方法的不同，光電脈波法的脈搏傳感器有透過(guò)型和反射型。

透過(guò)型通過(guò)向體表照射紅外線(xiàn)或紅光，測(cè)量隨著心臟的脈動(dòng)而變化的血流量的變化，作為透過(guò)身體的光的變化量來(lái)測(cè)量脈搏波。

該方法限于測(cè)量易于穿透的部分，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(xiàn)、紅光、550nm左右波長(zhǎng)的綠光，利用光電二極管或光電晶體管測(cè)量生物體反射的光。含氧血紅蛋白存在于動(dòng)脈血液中，具有吸收入射光的特性，因此通過(guò)檢測(cè)隨時(shí)間序列并隨心臟搏動(dòng)而變化的血流量（血管容積的變化），測(cè)量脈搏信號(hào)。

另外，由于是反射光的測(cè)量，因此不必像透過(guò)型那樣限制測(cè)量部位。

【反射型脈搏傳感器的原理】

當(dāng)使用紅外線(xiàn)或紅光測(cè)量脈搏波時(shí)，受到室外陽(yáng)光中包含的紅外線(xiàn)的影響，不能進(jìn)行穩(wěn)定的脈搏波測(cè)量。因此，建議僅將其用于室內(nèi)或半室內(nèi)應(yīng)用。

在運(yùn)動(dòng)腕表等戶(hù)外用途，血液中的血紅蛋白的吸收率高，由于綠色光源較少受環(huán)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(yīng)用

通常，通過(guò)觀察以下兩點(diǎn)可以測(cè)量動(dòng)脈血氧飽和度（SpO2）。通過(guò)脈搏傳感器獲得的波形的變動(dòng)周期，觀察心率（脈率）；通過(guò)使用紅外線(xiàn)和紅光兩個(gè)波長(zhǎng)，來(lái)觀察脈動(dòng)（變化量）。

此外，作為脈搏傳感器的應(yīng)用，期望通過(guò)高速采樣和高精度測(cè)量來(lái)獲取諸如HRV分析（壓力水平）、血管年齡等各種生命體征。

氣壓傳感器

氣壓傳感器是檢測(cè)大氣壓力的傳感器。

根據(jù)要測(cè)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(cè)大氣壓力（用于氣壓檢測(cè)）的傳感器通常被稱(chēng)為氣壓傳感器。

［使用的材料 - 按方式分類(lèi)的壓力傳感器］

氣壓傳感器的典型示例是使用硅（Si）半導(dǎo)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(guò)在其表面上擴(kuò)散雜質(zhì)形成電阻橋電路，將施加壓力時(shí)產(chǎn)生的變形作為電阻值變化，來(lái)計(jì)算壓力（氣壓）。

【壓阻式氣壓傳感器】

電阻率（電導(dǎo)率）因施加在該電阻上的壓力而變化的現(xiàn)象稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。羅姆的氣壓傳感器IC將使用壓阻式壓力接收元件（隔膜結(jié)構(gòu)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(gè)封裝里，可以輕松獲得高精度的氣壓信息。

※ MEMS：Micro Electro Mechanical System（微機(jī)電系統(tǒng)）在一個(gè)電路板上集成機(jī)械構(gòu)成部件、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)部件）等的裝置。

※ ASIC：Application Specific Integrated Circuit（專(zhuān)用集成電路）它是一種集成電路，將多個(gè)電路功能組合成一個(gè)特定應(yīng)用。

加速度傳感器

加速度是指單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的速度，測(cè)量加速度的IC就叫加速度傳感器。

通過(guò)測(cè)量加速度，可以測(cè)得物體的傾斜、振動(dòng)等信息。加速度單位為m/s2（※國(guó)際單位制SI）。

另外，單位G是以※標(biāo)準(zhǔn)重力（1 G = 9.806 65m/s2）為基準(zhǔn)的加速度值。還有用于檢測(cè)地震震動(dòng)的加速度的單位※Gal（CGS單位制）。

※ 國(guó)際單位制SI（法語(yǔ)：Système international d‘unités）由長(zhǎng)度m、重量kg、時(shí)間s （MKS單位）組合而成的國(guó)際單位。

※ 標(biāo)準(zhǔn)重力

物體在重力作用下產(chǎn)生的加速度。物體在自由落體時(shí)，物體每單位時(shí)間內(nèi)增加的速度值（9.806 65m/s2）。

※ Gal

CGS（長(zhǎng)度cm、重量g、時(shí)間s為基準(zhǔn)）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(tuán)加速度傳感器是采用MEMS技術(shù)的電容式加速度傳感器。

傳感器元件由Si制成的固定電極、可動(dòng)電極和彈簧構(gòu)成。未施加加速度的狀態(tài)下，固定電極和可動(dòng)電極間的距離相同。施加加速度，則可動(dòng)電極移位。由此與固定電極的位置關(guān)系發(fā)生變化，電極間容量發(fā)生變化。容量的變化通過(guò)※ASIC轉(zhuǎn)化為電壓，算出加速度。

【電容式原理】

※ ASIC

Application Specific Integrated Circuit（專(zhuān)用集成電路）指將特定用途的多個(gè)電路功能集成到一起的集成電路。

電流傳感器

電流傳感器是指檢測(cè)電路中流動(dòng)的電流值的傳感器。

【電流的檢測(cè)方法】

如下圖所示，檢測(cè)流動(dòng)電流的方法大致可分為電阻檢測(cè)型和磁場(chǎng)檢測(cè)型。

【電流檢測(cè)方法和特點(diǎn)】

電阻檢測(cè)型將分流電阻引發(fā)的電壓降轉(zhuǎn)換為電流。安裝簡(jiǎn)單而且價(jià)廉物美，操作簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是電阻上的功率損耗會(huì)產(chǎn)生較大的發(fā)熱量。磁場(chǎng)檢測(cè)型＜有鐵芯＞

根據(jù)電流線(xiàn)中流動(dòng)的電流測(cè)量鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)的大小，以此來(lái)測(cè)量電流值。這種方法無(wú)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(wú)鐵芯＞

利用霍爾效應(yīng)將流動(dòng)電流周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電壓（霍爾電壓）進(jìn)行測(cè)量，以此來(lái)測(cè)量電流值。因?yàn)榛魻栃?yīng)產(chǎn)生的電壓較小，所以IC由霍爾元件和放大電路構(gòu)成。因?yàn)樾枰獙㈦娏饕隝C內(nèi)，所以會(huì)產(chǎn)生功率損耗。

M1電流傳感器

為了消除上述磁場(chǎng)檢測(cè)型在安裝難度（有鐵芯）和功率損耗（無(wú)鐵芯）方面的缺點(diǎn)，ROHM開(kāi)發(fā)出了使用MI（Magneto Impedance）元件的磁場(chǎng)檢測(cè)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(yīng)的新一代傳感器，其特點(diǎn)是具備超高靈敏度的磁性檢測(cè)能力。

靈敏度遠(yuǎn)超霍爾元件，可高精度檢測(cè)磁性的微小變化。因此，無(wú)需將電流引入封裝內(nèi)，也能以高精度進(jìn)行非接觸式電流檢測(cè)（磁性檢測(cè)）。

【電流傳感器的結(jié)構(gòu)比較（羅姆調(diào)查）】

綜上所述，MI電流傳感器可進(jìn)行非接觸式電流測(cè)量，功率損耗少，還能進(jìn)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(cè)R（紅色）、G（綠色）、B（藍(lán)色）3原色的叫作顏色傳感器。顏色傳感器通過(guò)光電二極管接收周?chē)饩€(xiàn)，檢測(cè)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(huì)隨物體的顏色發(fā)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(lán)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(guò)獲取反射光成分來(lái)識(shí)別物體的顏色。

在漆黑的場(chǎng)所什么都看不見(jiàn)吧！這是因?yàn)闆](méi)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管接收光線(xiàn)，通過(guò)計(jì)算接收到的R、G、B量的比例來(lái)識(shí)別顏色。

【顏色傳感器IC的結(jié)構(gòu)】

下圖是顏色傳感器IC的結(jié)構(gòu)。內(nèi)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(jiǎn)要結(jié)構(gòu)】

下面比較了傳感器在有無(wú)這些濾光片時(shí)的分光特性。

【RGB分光特性示意圖】

顏色傳感器IC通過(guò)為內(nèi)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(guò)配備紅外截止濾光片，具備了紅外線(xiàn)去除特性，能高精度識(shí)別顏色。

審核編輯 ：李倩