作為一枚電子人，你應該知道這6大傳感器原理

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(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)，設備也一樣，根據傳感器獲得的信息進(jìn)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(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、個(gè)人電腦等通信設備，還包括醫療設備、可穿戴式設備、車(chē)載、自然環(huán)境、基礎設施等，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)現這些所不可缺少的是檢測狀態(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)），指傳感器嵌入到周?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?工業(yè)4.0: 是德國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)的國家項目。推出新的概念，旨在通過(guò)工廠(chǎng)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)檢測地磁來(lái)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，并測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(shí)X和Y值的分布。

如果地磁傳感器水平旋轉，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?/span>

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)行調整以將圓心移動(dòng)到零。
地磁傳感器導出的北極稱(chēng)為磁北（略偏離北極）。通過(guò)上述方程式計算該磁北的角度，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量磁場(chǎng)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	MR	MI
構成
抗噪聲 （靈敏度）	×	△	◎
消耗電流	×	△	◎
響應速度	×	△	◎

霍爾傳感器

基于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。

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

MR傳感器

MR（Magneto Resistance）傳感器也被稱(chēng)為磁阻效應傳感器，利用物體電阻因磁場(chǎng)變化來(lái)測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)等地磁檢測應用外，它還用于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，采用特殊的非晶絲并應用了磁阻抗效應。

它的靈敏度比霍爾傳感器高出10,000倍以上，并且可以高精度地測量地磁的微小變化。
可以應用于超低消耗電流的方位檢測（電子羅盤(pán)），還可應用于室內定位、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(fā)送血液時(shí)產(chǎn)生的血管的體積變化波形，監測該體積變化的檢測器稱(chēng)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(jìn)行測量的方法。

由于測量方法的不同，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，測量隨著(zhù)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)測量脈搏波。
該方法限于測量易于穿透的部分，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(cháng)的綠光，利用光電二極管或光電晶體管測量生物體反射的光。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），測量脈搏信號。
另外，由于是反射光的測量，因此不必像透過(guò)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(xiàn)或紅光測量脈搏波時(shí)，受到室外陽(yáng)光中包含的紅外線(xiàn)的影響，不能進(jìn)行穩定的脈搏波測量。因此，建議僅將其用于室內或半室內應用。
在運動(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。

脈搏傳感器的應用
通常，通過(guò)觀(guān)察以下兩點(diǎn)可以測量動(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(guān)察心率（脈率）；通過(guò)使用紅外線(xiàn)和紅光兩個(gè)波長(cháng)，來(lái)觀(guān)察脈動(dòng)（變化量）。
此外，作為脈搏傳感器的應用，期望通過(guò)高速采樣和高精度測量來(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（用于氣壓檢測）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(chēng)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(gè)封裝里，可以輕松獲得高精度的氣壓信息。

※ MEMS：Micro Electro Mechanical System（微機電系統）
在一個(gè)電路板上集成機械構成部件、傳感器、執行機構（驅動(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)特定應用。

加速度傳感器
加速度是指單位時(shí)間內產(chǎn)生的速度，測量加速度的IC就叫加速度傳感器。
通過(guò)測量加速度，可以測得物體的傾斜、振動(dòng)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。
還有用于檢測地震震動(dòng)的加速度的單位※Gal（CGS單位制）。

※ 國際單位制SI（法語(yǔ)：Système international d'unités）
由長(cháng)度m、重量kg、時(shí)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(chǎn)生的加速度。物體在自由落體時(shí)，物體每單位時(shí)間內增加的速度值（9.806 65m/s2）。

※ Gal
CGS（長(cháng)度cm、重量g、時(shí)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
何謂電流傳感器？
電流傳感器是指檢測電路中流動(dòng)的電流值的傳感器。
電流的檢測方法
如下圖所示，檢測流動(dòng)電流的方法大致可分為電阻檢測型和磁場(chǎng)檢測型。

【電流檢測方法和特點(diǎn)】
電阻檢測型將分流電阻引發(fā)的電壓降轉換為電流。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)檢測型＜有鐵芯＞

根據電流線(xiàn)中流動(dòng)的電流測量鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)的大小，以此來(lái)測量電流值。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＞

利用霍爾效應將流動(dòng)電流周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)轉換為電壓（霍爾電壓）進(jìn)行測量，以此來(lái)測量電流值。因為霍爾效應產(chǎn)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(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(diǎn)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(wú)需將電流引入封裝內，也能以高精度進(jìn)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(jìn)行非接觸式電流測量，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(guò)光電二極管接收周?chē)饩€(xiàn)，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(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)識別物體的顏色。

在漆黑的場(chǎng)所什么都看不見(jiàn)吧！這是因為沒(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)計算接收到的R、G、B量的比例來(lái)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(jiǎn)要結構】

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，能高精度識別顏色。

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