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生活中的小助手–微感測器

隨著微機電技術的突破與生醫技術的進步,微感測器的功能更多元化,尺寸也更趨於微小化,舉凡行車安全、居家保健、電腦周邊、運動娛樂等,都可看到它的蹤影,而開發的方向也傾向於高便利性與人性化。
 
 
 
你可曾發現生活中隨處可見的小助手嗎?像是讓電腦操作更為順手的光學滑鼠、傳達喜訊的驗孕棒、隨車護衛的隱藏式安全氣囊等,其實這些都是「微感測器」的應用。

隨著微機電技術(micro-electro-mechanical systems, MEMS)的突破與生醫技術的進步,微感測器的功能更多元化,尺寸也更趨於微小化。微感測器涵蓋的層面相當廣泛,舉凡行車安全、居家保健、電腦周邊、運動娛樂等,都可看到它的蹤影,而開發的方向也傾向於高便利性與人性化,除了提供便捷舒適的生活之外,更提高了生活的品質。

微感測器進步的推手

MEMS 技術不僅是一種整合機械單元、感測器、執行器與電子元件的技術,空間尺寸上更是進入了以微米為單位的領域,可說是把電機裝置縮小化的一門科技。它的成品主要包括微感測器、微驅動器、控制電路等部分,由於縮小與整合特性的結合,因此可應用於資訊、電腦、製造、運輸、能源、航空、工安等產業。

另一方面,生物科技是近年來極為熱門的領域,它整合了生物、物理、化學和工程,應用範圍甚至涵蓋農業、製藥工業、化工、環保等,對於人類未來的生活、健康和環境品質的提升非常具有影響力。由生物科技進一步發展出來的生醫技術,也已應用在生活商品上,如驗孕棒、體脂計等。生醫技術能提供更為快速、精確、大量且自動化的測量平台,有助於生活中的保健需求。

在現今產品追求輕薄短小的趨勢下,MEMS 技術的特性正好符合這股潮流,加上結合了生醫技術,開發出不少微感測器的應用商品,不僅降低了生產成本、減小了尺寸與重量,也增加了運作速度和準確度,在各式感測器產品製造技術的競爭中建立了獨特的優勢。

居家常見的微感測器應用

體脂計
 體脂計是一種利用生物阻抗分析(bioelectric impedance analysis, BIA)進行測定的感測器,也就是利用接觸的方式得到體內阻抗的變化。量測時以低於 800  毫安的微弱電流通過人體,測量雙腳間的電阻值,利用水分導電、脂肪不導電的原理,以精確的迴歸分析公式估算出人體脂肪率。

生物阻抗分析決定於組織中非脂肪量(即體液與電解質)與脂肪量(即脂肪不含水分)的比例,利用體脂計能了解是否達到理想的體脂肪率,男性主要介於 14% ~ 23% 之間,女性則是 17 ~ 27% 之間。另一種公認判斷肥胖的指標就是身體質量指數(body mass index, BMI),體重(公斤)∕身高2(平方公尺),正常值應介於 18.5 至 24 之間,若大於 24 就是過胖,小於 18.5 則是太瘦。

驗孕棒 為了能更方便地得知受孕訊息,已有多種檢驗產品開發上市,例如驗孕棒、驗孕片等。

驗孕棒是一種免疫分析的微感測器,感測的結果利用顏色的變化做為判斷的依據。市面上常見的簡易型驗孕棒、驗孕片的原理,大都以免疫分析為基礎,主要是針對女性在懷孕期間會大量分泌一種人類絨毛膜性腺激素(human chorionic gonadotropin, HCG),這種荷爾蒙多存在於血液與尿液中,因此只要檢驗尿液就可知道是否懷孕。

驗孕棒/片是利用抗原-抗體原理來檢測 HCG。通常是把 HCG 的抗體置於驗孕棒/片中,如果尿液中含有 HCG 抗原,就會與驗孕棒/片中的抗體結合而產生顏色的變化,便可以得知是否已懷孕。

光學滑鼠 滑鼠是電腦族不可或缺的周邊設備,在一般電腦賣場常可以看到有線、無線的光學滑鼠或軌跡球滑鼠。更有一些具備獨特功能的另類滑鼠,例如小巧適合行動族使用,或適用左手、遊戲專用等特殊情況的款式,現今儼然已能為使用者量身打造滑鼠。

一般光學滑鼠的運作是靠底部的光學感測系統來感測光線,因此會吸收、穿透或擾亂光線反射的材質都不適合做為滑鼠墊。一般來說,光滑的黑色材質、完全透明的玻璃或鏡子,都不適合做為光學滑鼠的滑鼠墊。但由於近年來技術的進步,黑色的材質不再是棘手的問題,有些高級的滑鼠墊還刻意做成黑色的。不過,這類黑色的滑鼠墊未必可用在較早期的滑鼠上。

光學滑鼠的感測原理是,當底部的光學感測系統發出的光線接觸到桌面以後,會感測滑鼠移動的方向,並把訊號反射回滑鼠底部的接收器,由滑鼠內部的處理器分析接收到的影像,再把分析完的影像訊號傳遞到電腦裡,以判別滑鼠的移動方向。因此接收畫面的精確度是決定光學滑鼠品質好壞的重要因素,而越微小的感應器,能提供的座標值也越佳,相對地,精確度也可大幅提升。

微型麥克風 麥克風是一種動態壓力感測器,可以量測很小的壓力變化,相當於耳朵的功能。透過不同機械結構的麥克風,就可以感測到不同頻率範圍的聲音。以 MEMS 技術製作微型聲音感測器,即矽晶麥克風,就可以達到這個目的。

透過 MEMS 製程使體積微小化後,把微型麥克風與信號處理電路整合在同一個晶片上,可降低雜訊且有良好的相容性,再藉由信號處理電路把通話環境中的噪音濾除、信號放大,提高訊噪比後,即使在吵雜環境中也能有良好的辨識效果。麥克風的應用範圍包括助聽器、多媒體電腦、手機等,近年來消費者對可放入耳內的小型助聽器的需求增加,促使廠商開始設法把助聽器的零件,如麥克風、放大器、耳機等加以改良縮小。

微型麥克風應用在助聽器上,能做為人類聽覺器官功能的延伸,利用聲波感應器發展出來的「助聽器」,就成了市面上普遍替代人體聽覺器官的感測器。從20世紀初到現在,電子助聽器的基本結構並沒有太大的改變,仍是維持著麥克風、擴大器、接收器、電源等部分。近年來主要差異在於助聽器各部分的體積逐漸縮小,音質日漸改善,並讓患者增加更多的選擇性控制功能。

助聽器的主要原理,首先是利用麥克風接收聲波並把它轉換成電訊號,經由擴大器放大後傳到接收器,電訊號再被轉換成使用者可聽得到的聲波訊號。利用 MEMS 技術製作矽晶麥克風,有別於以往的傳統式麥克風,可大幅降低成本,外型更加微小。此外,噪音信號監控系統也可積體化,使商品更具競爭性,未來更可望轉進工業、醫療、環保等新應用領域。

戶外常見的微感測器

汽車安全氣囊 汽車安全氣囊系統,簡稱安全氣囊,是汽車的一項安全輔助設備,在繫有安全帶的前提下,能產生最佳的防護效果。

安全氣囊系統包含 3 個部分,分別是碰撞微感測器、充氣裝置與氣囊織物。駕駛座安全氣囊裝置,主要由傳感器、微處理器、氣體發生器、氣囊等部件組成。傳感器和微處理器用以判斷撞車程度,傳遞及發送信號。氣體發生器根據信號指示產生點火動作,點燃固態燃料向氣囊充氣,使氣囊迅速膨脹,而氣囊所用的氣體大多是氮氣。氣囊裝在方向盤殼內緊靠緩衝墊處,容量 50 至 90 公升不等。碰撞反應後的安全氣囊,是藉由大面積的氣球阻擋因慣性造成的衝撞力,藉以保護駕駛人與乘客的安全。

碰撞微感測器能隨時接收車速變化、車輛震動狀態、剎車形式等信息,並由微處理器比對。當車輛發生碰撞時,安全氣囊數控模組確認發生碰撞的嚴重程度已超出安全帶的保護能力時,便開始產生脈衝電流,點燃氣囊內的三氮化鈉(NaN3),釋出大量的氮氣,使得氣囊在數十毫秒內以甚快的速度充氣膨脹。

另外,歐洲的汽車零件供應商日前發表了一種類似安全氣囊的「彈性引擎蓋」,稱為行人保護氣囊(pedestrian protection airbags, PPA)。這種行人專用的安全氣囊,是在保險桿上內嵌微感測器,當微感測器接受到撞擊後,藏在引擎蓋下面的兩個風囊會快速灌入氣體,使得氣囊迅速膨脹,並有效提起引擎蓋後端約10公分,形成類似彈簧的斜坡構造,以隔開頭部和機械構造間的衝撞。這一機制可有效避免行人頭部直接撞擊堅硬機械構造的引擎蓋。

計步器 計步器是一種記錄行走步數的小型儀器,它的大小約為行動電話的四分之一。計步器最佳配戴位置是在腰帶上,主要作用原理是靠步行過程中軀幹產生的上下震動,改變了計步器的水平位置,並傳到計步器內部的微感測器,進而使計步器進行計數,並把結果呈現在計步器的螢幕上。早期的計步器是以傳統的數字鏈帶表示行走步數,今日的計步器則多以液晶顯示。

隨著電子科技的進步,現在的計步器不僅能調整震動的靈敏度,並且有多日記憶的功能。事實上,已有不少市售產品把計步器融入產品設計中,例如把計步器置於皮帶扣環、皮鞋,甚至手機、MP3 中,以符合消費者的多樣化需求。

隨著科技的進步,微感測器滿足了人們追求更完美生活品質的欲望。由於 MEMS 技術與生物科技的不斷發展與進步,其「輕、薄、短、小」的特性使得相關商品不再只有單一功能,而是結合了多項功能邁向更多元化的應用。在促進食、衣、住、行等方面進步的同時,對於健康及生理保健維護也提供了有效率的資訊。相信 MEMS 技術所促進微感測器的發展與開發,會帶動另一次尖端科技產業的革命。
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