一文詳細了解傳感器的工作原理

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。

人類會基于視覺、聽覺、嗅覺、觸覺獲得的信息進行行動，設備也一樣，根據傳感器獲得的信息進行控制或處理。

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變化，除此之外，還有利用酶和微生物等生物物質的生物傳感器。

不僅智能手機、個人電腦等通信設備，還包括醫療設備、可穿戴式設備、車載、自然環境、基礎設施等，所有物體都能聯網共享信息，從而創造更便利、更安心、更安全的社會。

而實現這些所不可缺少的是檢測狀態的“傳感器”。

地磁傳感器

地球被磁場磁力所包圍，這被稱為地磁。

地磁傳感器是檢測地球磁力的傳感器，也被稱為“電子羅盤”。

地磁傳感器可以通過檢測地磁來檢測方向。

【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。

如果不考慮諸如簡單羅盤之類的傾斜，則僅使用X軸和Y軸的值。當考慮傾斜時，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X和Y值的分布。

如果地磁傳感器水平旋轉，在不受周圍磁場影響的理想情況下，輸出分布圖的圓心變為零。

然而，實際上中心因環境磁場的影響而移動，因此需要進行調整以將圓心移動到零。

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

各類磁傳感器

磁傳感器是一種旨在測量磁場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。

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關應用，例如門和筆記本電腦等物體的打開和關閉檢測。

MR傳感器

MR(Magneto Resistance)傳感器也被稱為磁阻效應傳感器，利用物體電阻因磁場變化來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)，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

脈搏波是心臟發送血液時產生的血管的體積變化波形，監測該體積變化的檢測器稱為脈搏傳感器。

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型和反射型。

透過型通過向體表照射紅外線或紅光，測量隨著心臟的脈動而變化的血流量的變化，作為透過身體的光的變化量來測量脈搏波。

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、紅光、550nm左右波長的綠光，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脈血液中，具有吸收入射光的特性，因此通過檢測隨時間序列并隨心臟搏動而變化的血流量(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]

當使用紅外線或紅光測量脈搏波時，受到室外陽光中包含的紅外線的影響，不能進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。

在運動腕表等戶外用途，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，通過觀察以下兩點可以測量動脈血氧飽和度(SpO2)。通過脈搏傳感器獲得的波形的變動周期，觀察心率(脈率);通過使用紅外線和紅光兩個波長，來觀察脈動(變化量)。

此外，作為脈搏傳感器的應用，期望通過高速采樣和高精度測量來獲取諸如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)的傳感器通常被稱為氣壓傳感器。

[使用的材料 - 按方式分類的壓力傳感器]

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)，通過在其表面上擴散雜質形成電阻橋電路，將施加壓力時產生的變形作為電阻值變化，來計算壓力(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)

在一個電路板上集成機械構成部件、傳感器、執行機構(驅動部件)等的裝置。

※ ASIC：Application Specific Integrated Circuit(專用集成電路)

它是一種集成電路，將多個電路功能組合成一個特定應用。

加速度傳感器

加速度是指單位時間內產生的速度，測量加速度的IC就叫加速度傳感器。

通過測量加速度，可以測得物體的傾斜、振動等信息。

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的加速度的單位※Gal(CGS單位制)。

※ 國際單位制SI(法語：Système international d'unités)

由長度m、重量kg、時間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生的加速度。物體在自由落體時，物體每單位時間內增加的速度值(9.806 65m/s2)。

※ Gal

CGS(長度cm、重量g、時間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、可動電極和彈簧構成。未施加加速度的狀態下，固定電極和可動電極間的距離相同。施加加速度，則可動電極移位。由此與固定電極的位置關系發生變化，電極間容量發生變化。容量的變化通過※ASIC轉化為電壓，算出加速度。

【電容式原理】

※ ASIC

Application Specific Integrated Circuit(專用集成電路)

指將特定用途的多個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的電流值的傳感器。

電流的檢測方法

如下圖所示，檢測流動電流的方法大致可分為電阻檢測型和磁場檢測型。

【電流檢測方法和特點】

電阻檢測型將分流電阻引發的電壓降轉換為電流。安裝簡單而且價廉物美，操作簡單，但缺點是電阻上的功率損耗會產生較大的發熱量。磁場檢測型<有鐵芯>

根據電流線中流動的電流測量鐵芯中產生磁場的大小，以此來測量電流值。這種方法無需接觸，功率損耗較小，但鐵芯較大，存在貼裝面積大的課題。<無鐵芯>

利用霍爾效應將流動電流周圍產生的磁場轉換為電壓(霍爾電壓)進行測量，以此來測量電流值。因為霍爾效應產生的電壓較小，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，所以會產生功率損耗。

M1電流傳感器

為了消除上述磁場檢測型在安裝難度(有鐵芯)和功率損耗(無鐵芯)方面的缺點，ROHM開發出了使用MI(Magneto Impedance)元件的磁場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，無需將電流引入封裝內，也能以高精度進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電流傳感器可進行非接觸式電流測量，功率損耗少，還能進一步縮小貼裝面積。

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。

顏色傳感器通過光電二極管接收周圍光線，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隨物體的顏色發生改變。

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。

人眼是通過獲取反射光成分來識別物體的顏色。

在漆黑的場所什么都看不見吧!這是因為沒有照射光，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，通過計算接收到的R、G、B量的比例來識別顏色。

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要結構】

下面比較了傳感器在有無這些濾光片時的分光特性。

【RGB分光特性示意圖】

顏色傳感器IC通過為內部傳感器配備R、G、B各種顏色的濾光片，具備了較高的RGB分光特性，而且通過配備紅外截止濾光片，具備了紅外線去除特性，能高精度識別顏色。

原文標題：總結各種傳感器原理

文章出處：【微信公眾號：STM32嵌入式開發】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。