微传感器知多少

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  生活中,你可曾留意随处可见的小助手?如光学鼠标、随车护卫的隐藏式安全气囊等等,这些都是“微传感器”的应用。
  随着微机电技术(简称MEMS)的突破与生物技术的进步,微传感器的功能越来越多元化,尺寸也更趋于微小化。
  微传感器的应用范围相当广泛,在行车安全、居家保健、电脑应用、运动娱乐等方面,都能见到它的踪影。近年来,微传感器的开发也开始倾向于高便利性与人性化,人们期望它在提供便捷舒适的生活环境的同时,也能提高生活品质。
  
  微传感器进步的推手
  
  MEMS技术不仅仅是一种整合机械单元、传感器、执行器与电子组件的技术,它在空间尺寸上更是迈进了以微米为单位的领域。它的成品主要包括微传感器、微驱动器、控制电路等。由于缩小与整合特性的结合,使之广泛应用于信息、电脑、运输、能源、航空等产业。
  另一方面,生物科技也是近年来极为热门的领域,它整合了生物、物理等多门学科,应用范围涵盖了农业、制药工业、化工、环保等。
  在现今产品追求轻薄短小的趋势下,MEMS技术的特性正好符合这一潮流,加上结合了生物技术,开发出了不少微传感器的应用商品,不仅降低了生产成本、减小了尺寸与重量,也提高了运作速度和准确度,在竞争激烈的感测器产品行业中具有独特的优势。
  
  居家常见的微传感器
  
  1.体脂计
  体脂计是一种利用生物阻抗分析(简称BIA)进行测定的传感器,也
  体脂计就是利用接触的方式得到体内阻抗的变化。测量时,以低于800毫安的微弱电流通过人体,测量双脚间的电阻值,利用水分导电、脂肪不导电的原理,估算出人体的脂肪率。
  生物阻抗分析决定于组织中非脂肪量(即体液与电解质)与脂肪量(即脂肪不含水分)的比例。利用体脂计就能了解自身是否达到理想的人体脂肪率,男性的脂肪率介于14%-23%之间,女性的则在17%~27%之间。国际上以身体质量指数,即体重(kg)/身高2(m2),作为一种公认判断肥胖的标准。身体质量指数的正常值应介于18.5~24之间,若大于24就是过胖,小于18.5则是太瘦。
  
  2.光学鼠标
  鼠标是电脑族不可或缺的接口设备,一般电脑卖场常可看到有线、无线的光学鼠标或轨迹球鼠标。另外,还有一些具备独特功能的另类鼠标,如适合行动族使用的小巧玲珑的鼠标、或适用左手、游戏专用等特殊情况的款式。
  光学鼠标的感测原理是,底部的光学感测系统发出的光线接触到桌面以后,会感测到鼠标移动的方向,并把讯号反射回鼠标底部的接收器,由鼠标内部的处理器分析接收到的影像,再把分析完的影像讯号传递到电脑里,以判别鼠标的移动方向。所以,接收画面的精确度是决定光学鼠标品质好坏的重要因素。越微小的感应器,能提供的坐标值也就越佳,精确度也可大幅度地提升。
  如此看来,那些会吸收、穿透或扰乱光线反射的材质都不适合做鼠标垫。也就是说,光滑的黑色材质、完全透明的玻璃或镜子,都不适合做光学鼠标的鼠标垫。不过,随着技术的进步,选用黑色的材质做鼠标垫不再是棘手的问题,有些高级的鼠标垫甚至被刻意做成黑色的。但是,这类黑色的鼠标垫未必能用在早期的鼠标上。
  
  3.微型麦克风
  麦克风是一种动态压力传感器,可以测量很小的压力变化,功能与耳朵相似。不同机械结构的麦克风,感测声音的频率范围也不同。采用MEMS技术制作的微型声音传感器,即硅晶麦克风,能感测到不同频率的声音。
  通过MEMS技术使体积微小化后,把微型麦克风与信号处理电路整合在同一个芯片上,可降低噪音且有良好的兼容性,再由信号处理电路把通话环境中的噪音滤除、信号放大,提高讯噪比,这样,即使在吵闹的环境中,也能拥有良好的声音辨识效果。
  微型麦克风应用在助听器上,能作为人类听觉器官功能的延伸。利用声波感应器研制出来的“助听器”,成了市面上普遍替代人体听觉器官的传感器。
  助听器的主要原理是:首先利用麦克风接收声波并把它转换成电讯号,经由扩大器放大后传到接收器,电讯号再被转换成使用者可听得到的声波讯号。
  从20世纪初到现在,电子助听器的基本结构并没有太大的改变,仍是由麦克风、扩大器、接收器、电源等部分构成。近年来,消费者对可放入耳内的小型助听器的需求增加,促使厂商开始设法把助听器的零件,如麦克风、放大器、耳机等加以改良缩小,以及增加更多的选择性控制功能。
  用MEMS技术制作的硅晶麦克风,有别于以往的传统麦克风,可大幅降低成本。此外,用这种技术可将噪音信号监控系统集体化,使商品更具竞争性。在未来,它们的用途还将转入工业、医疗、环保等新的应用领域。
  
  户外常见的微传感器
  
  1.汽车安全气囊
  汽车安全气囊系统,简称安全气囊,是汽车的一项安全辅助设备。它在系有安全带的前提下,能产生最佳的防护效果。
  安全气囊系统包含3个部分:碰撞微传感器、充气装置和气囊织物。驾驶座的安全气囊装置主要由传感器、微处理器、气体发生器和气囊等部件组成。传感器和微处理器用以判断撞车程度、传递及发送信号;气体发生器根据信号的指示产生点火动作,点燃固态燃料给气囊充气,使气囊迅速膨胀(气囊内的气体大多是氮气)。
  气囊装在方向盘壳内紧靠缓冲垫处,容量50~90升不等。碰撞反应后的安全气囊用大面积的气球阻挡因惯性造成的冲撞力,以此保护驾驶者与乘客的安全。
  碰撞微传感器能随时接收车速变化、车辆震动状态、刹车形式等信息,并传给微处理器进行比对。当车辆发生碰撞时,安全气囊数控模块确认发生碰撞的严重程度已超出安全带的保护能力时,立即产生脉冲电流,瞬间点燃气囊内的三氮化钠(NaN3),释放出大量的氮气,使得气囊在10毫秒内以飞快的速度充气膨胀。
  另外,欧洲的汽车零件供货商前不久发明了一种类似安全气囊的“弹性引擎盖”,称为行人保护气囊(简称PPA)。这种专门为保护行人设计的安全气囊,是在保险杆上内嵌微传感器,当微传感器接受到撞击后,藏在引擎盖下面的两个风囊会快速灌入气体,使气囊迅速膨胀,并有效提起引擎盖后端约10公分,形成类似弹簧的斜坡构造,以隔开头部和机械构造间的冲撞。这一机制将有效避免行人头部直接撞击坚硬的引擎盖。
  
  2.计步器
  计步器是一种记录行走者步数的小型仪器,它的大小约为手机的四分之一。
  计步器的最佳配戴位置是在腰带上,其主要作用原理是,在步行过程中,躯干产生的上下震动改变了计步器的水平位置,并传到计步器内部的微传感器,进而使计步器开始计数,并把结果呈现在计步器的屏幕上。早期的计步器是以传统的数字链带显示行走步数,而如今的计步器则多以液晶显示。
  随着电子科技的进步,现在的计步器不仅能调整感应震动的灵敏度,而且具有多日记忆功能。事实上,已有不少商家把计步器也融入其产品设计中,如将计步器置于皮带扣环、皮鞋,甚至手机、MP3中,以符合消费者的多样化需求。
  可见,微传感器满足了人们追求完美生活品质的欲望。由于MEMS技术与生物科技的不断发展和进步,其“轻、薄、短、小”的特性使得商品不再只有单一功能,而是结合了多项功能,迈向了多元化的应用。在促进衣、食、住、行等方面进步的同时,对于维护健康及生理保健也提供了有效的信息。
  我们相信,基于MEMS技术所带动的微传感器的产品开发,将会引起另一次尖端科技产业的革命。
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