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人類的第七感–感測器

感測器通常由感應元件和轉換元件組成。前者能感測到被測物並輸出訊號,後者則能把感應元件的輸出訊號轉換成可傳輸和量測的訊號。
 
 
 
什麼是感測器

所謂「感測器」(sensor),就是能把化學量、生物量、物理量等轉換成電訊號的元件。感測器可輸出各式各樣的訊號,如電壓、電流、頻率、脈衝等,並滿足訊息傳輸、處理、記錄、顯示、控制的要求。

感測器通常由感應元件和轉換元件組成。前者能感測到被測物並輸出訊號,後者則能把感應元件的輸出訊號轉換成可傳輸和量測的訊號。簡言之,感測器就是能把力、熱、光、磁場、電流、超音波等外界變化的狀況檢測出來,並轉換成電信號的元件。舉例來說,人類須借助感官來檢測外界環境的訊息,而眼、耳、鼻、舌、觸覺等就是感測器。

但只依賴感官並不能精確地感覺到某些環境中的變化,例如電磁場的強弱或無色無味氣體的濃淡。為克服這一限制,就開發出各種檢測裝置和自動控制系統,人類除了現有的五感及第六感外,感測器儼然已成為人類的第七感了!

讓科技產品更人性化是科技發展的目標之一,感測器早期以手工機械式為主,接著發展出電氣機械式、電子式與微電子式。近年來在微機電製程技術快速發展下,已把感測器成品推向系統化、微小化與智慧化的境界,也便利並豐富了人類的生活。

生醫感測器

血糖計 傳統量測血糖主要是利用生化檢驗的方式,需要抽血及幾個工作天的繁瑣過程,無法達到快速檢驗的目標。現在是以電化學氧化-還原反應進行血液中血糖濃度的測量,配合血糖感測試紙的使用,可更快速地量測出血糖濃度。

電化學氧化—還原反應分為氧化與還原兩個步驟,前者是使葡萄糖失去電子變成葡萄糖酸,後者則由氧氣得到電子還原成水。血糖計就是利用這一機制達到快速測定血液中葡萄糖濃度的目的,這樣的感測器的確有效地節省了醫療人員與病人檢驗血糖的時間。

耳溫槍 耳溫槍是生醫感測器中最常見的產品。傳統量測體溫的方式,主要是由水銀柱受熱膨脹產生的高度變化換算而得。但在量測過程中,受測者須避免晃動以減少誤差,而且需時較久(1分鐘至數分鐘),不利於兒童與病人使用。另外,應用水銀對環境的危害也是一大缺點。

感測器應用於耳溫槍解決了傳統量測的缺點,它的作用原理是利用紅外線測量從鼓膜釋放的熱能。當耳溫槍前端感測元件感測到熱能後,會把它轉換成電訊號,再經數位化處理後成為可判讀的資料。高精密的紅外線感測元件確實方便了我們的生活。

血壓計 血壓計的量測原理是把人體血壓的柯氏音,經由麥克風放大,因此即使不使用聽診器檢測,也可以輕易檢測到血壓脈動的聲音。傳統水銀式血壓計操作不易,並不適合家庭使用。但藉由電子血壓計裡感測晶片的量測,不但操作容易,而且只需在使用前校正,測得的血壓值誤差會比水銀量測的小,也無水銀污染的問題。

仿生感測器
  
電子眼 電子眼-矽視網膜晶片裝置的主要結構,可分成光敏區、光電二極體區及金屬電極區3個部分。藉由光敏區吸收外界光線,使光線通過光電二極體區轉變成電流,電流再傳遞到視網膜神經組織,藉由電流刺激晶片附近的視網膜細胞,產生視覺訊號傳遞到視皮層,恢復對光線、圖片及運動中的物體產生反應的能力。電子眼使患者能分辨光線強弱,恢復部分視覺功能,讓失明病患可以得到較好的生活品質。

電子耳 俗稱的「電子耳」是藉由外科手術植入耳蝸的電子裝置,經過這一裝置所放出的電流,能直接刺激聽覺神經而產生聽覺。這項技術源於1950年代,開始時是使用單電極進行聲音傳遞,今日已改良到使用多電極來傳遞聲音了。

電子耳的設計是仿自人類耳朵內部的構造,可以分成內部及外部元件。內部元件包含語言處理機及小型麥克風,外部元件則包含解碼器及電極。電子耳傳遞方式主要藉由麥克風接收環境的聲音,再經由語言處理機進行聲音轉換,以及過濾周遭環境的雜音,再把聲音轉換成聲波碼,經過特殊的轉換器傳遞到耳朵內的解碼器進行解碼。然後再傳遞到仿耳朵纖毛細胞的電極,使聽覺神經產生訊號,最後再傳遞到大腦以產生聲音。電子耳讓聽障者得以重新得到聽覺,大幅便利了聽障者的生活。

食衣住行類感測器

壓力感測器是汽車中重要的關鍵零組件,也是許多國外半導體大廠活躍於汽車電子領域的強項之一。目前輪胎氣壓有兩種檢測方式:直接式檢測與間接式檢測。直接式檢測法是利用壓力感測器檢測輪胎氣壓,間接式則是統計車上四個輪胎的運轉數,計算輪胎運轉產生的氣壓變化而達到胎壓監測的目的。

胎壓感測器在汽車行駛中能即時監測車胎的氣壓狀況,當偵測到胎壓不足或有爆胎之虞,可以在第一時間提醒駕駛者,避免車輛在高速行駛中發生危險。感測元件整合了半導體壓力感測器、半導體溫度感測器、數位訊號處理單元和電源管理器的晶片系統,以及可傳送到車內接收器的無線訊號裝置。

紅外線感測器

電子收費系統(ETC)是結合電子、紅外線感測器、電腦與通訊的自動化收費系統,這個系統是相當成熟的技術,已廣泛使用在世界各國的高速公路上。亞洲的日本、韓國、新加坡、香港、菲律賓、馬來西亞、印度、甚至巴基斯坦的高速公路,都已裝設這種收費系統。

電子收費系統的基本原理是在收費端裝置感應器(有些在中途點,如台灣,有些則是在進出匝道口,如日本)與信號收發器,當感應器偵測到車輛經過時,收發器就會發送電磁波信號給裝置於通過車輛上的收發器,同時車上的收發器也會接收到開始計程、扣款等信號。內裝的儲值卡就會自動扣款,然後回傳信號給收費點的信號收發器完成交易。

電子收費系統的信號傳輸大致有紅外線和微波傳輸兩種方式,目前國內系統使用的是紅外線傳輸。紅外線的傳送頻率比微波高,傳送頻寬也大很多,若把1 GHz想像是一個車道,紅外線可容納近40萬個車道,而微波只有300個車道,因此紅外線可以在短時間內傳輸大量資料。

電子收費系統到底有什麼好處呢?對於駕駛人來說,它可節省停車付費的時間,快速完成繳費動作,達到更高的行車效率及提供安全的行車環境。另一方面,對於高速公路的收費單位來說,最大的好處是電子收費取代了人工收費,降低服務人員在高速行車環境下的危險性,並減少人工成本的支出。

氣體感測器

「開車不喝酒,喝酒不開車」是降低交通意外的不二法門。交通警察藉由酒精感測器,測試駕駛呼出氣體裡的酒精濃度是否超過安全標準,以判斷是否能繼續安全駕駛。在環保方面的應用,氣體感測器可用來進行即時監測,如汽機車定期的排氣檢測及加油站的油氣監測。

此外,由於有害氣體會被空氣稀釋,使得人們很難辨別污染物及其來源。但藉由空氣感測器的協助,環保人員能快速準確地判斷,並即時防制污染的擴散與危害。例如瓦斯是生活中不可或缺的重要能源,但稍不注意便可能造成憾事,如一氧化碳中毒或氣爆事件。如今,氣體感測系統能提供即時的感測預警,減少意外事件的發生。氣體感測器也可以減少在坑、槽、井、洞、溝環境中作業人員的意外發生,或是預警化學廠易燃、致命毒氣外洩可能引發的災害。

人類感官的延伸

近年來感測器的應用越來越廣泛,繼續研發檢測範圍廣、準確度高、反應速率快、壽命長、抗干擾性高的感測器,是這一新興領域努力的目標。目前感測器正朝向以下幾個重要方向發展:智能化、微型化、多功能化、新型功能材料的開發應用、結合仿生技術、網路資訊數位化等。

感測器在日常生活中扮演著舉足輕重的角色,就像人類感官的延伸,不但豐富、便利了人類的生活,也使我們避免了許多不必要的危險,感測器儼然已成為人類的第七感!

誌謝:本文作者感謝國科會大眾科學教育計畫(人工知覺–各式感測器之演進及生活應用,NSC-95-2515-S-006-003)的支持。
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