一切從Sensing開始

在上篇 光感測器工作原理 中，筆者介紹了Light sensor 的運作原理與光感測元件的種類。這篇要探討使用Light sensor 在終端裝置時如何執行校正程序。 了解為什麼要校正 - Light sensor 篇

前一陣子跟同事的對話如下: A同事: 老闆剛開會時，要我們在目前的案子上多加一些感測器功能，以增加產品的差異性。 Ethan: 這個想法很好啊, 那你有想到什麼樣應用嗎? A同事: 我想用一個環境光感測器來感應光線，然後讓我們的裝置藉由這些照度資料來反映LCD螢幕面板的亮度。 Ethan: OK. A同事: 再者如果可以在我們裝置上加上接近感測器，當使用者操作時，就可以自動感知。不過這樣就要使用到兩個以上的感測器。 Ethan: 喔 其實以上這兩個應用，你只要使用一個Combo sensor就好了 A同事: 有這麼好用的感測器阿? Ethan: 有喔, 而且很早就應用在智慧型手機上了，那就是 接近 與環境光二合一感測器 。 最近公司在Run的一個案子需要用到 接近與環境光二合一感測器 (Proximity Sensor and Ambient Light Sensor, 簡稱: PS + ALS) 事實上, 如果在接近與環境光感測器元件之外加上一個接近感測器所需的紅外線LED (IR LED)，業界稱之為三合一光學感測器: PS + ALS + IR LED。 圖1: 三合一光學感測器示意圖 (* Lamp Photo by  Rodolfo Clix  from  Pexels ) 這種三合一sensor 可以縮短客戶的開發時間，不用在線路上額外設計一顆IR LED。 目前有很多廠商都已推出這種三合一的light sensor，所以在感測器市場上是一個很成熟的技術。在目前萬物聯網的時代，就是在考驗各家公司如何結合一些成熟感測技術在自家產品上，創造出獨特的應用以及產品差異性。 三合一光學感測器原理介紹 有關環境光感測器的工作原理，先前已經專文介紹過了，請參考這一篇:  環境光感測器 (Ambient Light Sensor) 工作原理介紹 這篇主要是針對接近感測器工作原理做個簡介: 接近感測器通常會有發射紅外線的Ir LED與接收紅外線的感測區域，當有物體接近感測器時，紅外線碰到物體會反射，紅外線感測器會因此接收到紅外線。這類的紅外線光都是屬於近紅外線光的波長範圍，一般感測器可以偵測波 長為 700nm ～1050 nm 的近紅外線，所以IR LED 的發射波長通常為 850 nm 或 950 n

        環境光感測器(Ambient Light Sensor, 簡稱: ALS) 是在手持式裝置很常見的一種光學式感測器，其主要應用為光感測器偵測環境光源變化，讓系統根據照度資訊來自動調整螢幕面板的背光亮度，隨時保持面板最佳舒適亮度，如在光源較弱的環境下，自動調暗亮度或者在大太陽光底下，調高螢幕亮度。永遠保持螢幕面板亮度在最佳閱讀情境之下有兩個好處: 第一：提高使用者體驗，第二：降低螢幕的耗電量。 透過以下方塊圖，有助於我們快速了解光感測器的運作原理: PD : Photo Diode (光二極體), 一種光感測元件，利用PD 可以偵測到環境光源的變化，是光感測器的兩大核心之一。 AMP : Amplifier (放大器)，將光感測器偵測到的信號放大，同時將電流訊號轉換成電壓訊號。 ADC : Analog Digital Converter (類比數位轉換器) 將類比形式的連續訊號轉換為數位訊號，通 常有8 bits 跟16 bits。 ASIC : Application-specific integrated circuit (特殊用途的積體電路)包含Logic 電路, 處理 I2C interface 與中斷處理電路(如果IC具有中斷功能的話)。 OSC : Oscillator (震盪器) 產生穩定的時脈信號給整個系統。 以下詳列出環境光感測元件的種類與優缺點:

在上一篇文章: 感測器技術 中，Ethan概述了微機電系統感測器的相關知識，就如文末所提到的，接下來就各感測器的工作原理以及實作方面(例如結合Arduino)多做介紹。 第一個要介紹的感測器是霍爾感測器 (Hall Sensor) 霍爾感測器(Hall Sensor) Hall Sensor相較於其他感測器而言，比較簡單易懂，所以本系列文章先從霍爾感測器開始介紹。同時它在3C產品的應用上也是非常常見。 Hall Sensor是一種基於霍爾效應來感應磁場變化的感測器。霍爾感測元件的材料一般是由P型的半導體所組成，如砷化鎵(GaAs)與銻化銦(InSb)等。 霍爾效應(Hall Effect) 請看以下Ethan所製作的圖片以了解霍爾效應的原理： 霍爾效應的示意圖               如上圖所示，先在P型半導體通過一個固定電流，當某個磁場施加在這個半導體上方時，由於磁場B 的影響，由於勞侖茲力（Lorentz force）的作用力，按照右手定則: 互相垂直的右手三根手指，拇指的方向是導體運動方向、食指的是磁場方向、中指則為電流方向。正電荷會移動到P型半導體的上方，負電荷則是移動到下方。透過電表所量到的電位差，就是霍爾電壓(Hall Voltage)。Edwin Hall 在1879年發現了霍爾效應。 關於霍爾效應(Hall effect)在Wiki的說明，請參考此 Link 。 霍爾感測器的工作原理 霍爾感測元件感應磁場之後而得到的電位差(電壓)是一種類比訊號，為了方便輸入到MCU的GPIO腳位做後續控制，在霍爾感測器(Hall Sensor IC)的內部，會有以下訊號處理流程： 霍爾感測器內部方塊圖 從以上方塊圖可知，霍爾感測器的內部訊號流程，從放大器得到的輸出依然是電壓值(類比訊號)，經過施密特觸發器後，訊號才轉換成高或者低的數位訊號來輸出。 霍爾感測器的分類 霍爾感測器依照感測方式，可以分為四種： 單極單輸出 (Unipolar and one output)： 只可以感應磁場S極或者N極兩者之一，訊號為單一輸出。 雙極單輸出 (Bipolar and one output)：磁場S極或者N極兩者皆可以感應，訊號為單輸出。 雙極雙輸出 (Bipolar and two output )：

先前由於工作的緣故，Ethan從台灣Mouser電子購入了Rohm sensor shield 套件組，購買網址如下: ROHMSENSORSHIELD-EVK-003 。 拿到手的Rohm sensor shield長這樣， 正面寫著Rohm Evaluation Board的字樣。     內含物包含了左上角的Sensor shield board, 左下角跟右下角的盒子總共放了八個種類的Sensor board。 裡面還有一張英文版(日文版在背面)的說明書，介紹了Sensor shield 與各Sensor board的種類。      Sensor Shield board 的Pin腳腳位跟Arduino UNO 是相容的，所以使用時只要先把Sensor Shield board插到Arduino UNO 上，再放上想要測試的Sensor board 就可以了。      這組ROHM Sensor shield套件與Arduino 搭配使用非常方便。詳細的介紹，請看續篇。

一切從Sensing開始         所謂Sensing是指透過感測器技術來"感測"某種變化量，這裡指的某種變化量可以是環境變化量(如: 光線、溫度或濕度等)或者物理現象等等。 Ethan 所熟悉的感測器技術 (Sensor Technology) 是屬於MEMS 範疇的Sensor。 什麼是微機電系統 (What is MEMS)         MEMS其實就是Micro Electro Mechanical Systems的縮寫，中文叫做微機電系統。 從字面上可知MEMS技術結合了微電子工程與機械工程相關方面的知識。簡單來說就是結合負責感測的機械元件以及負責信號處理的電子元件來做到感測變化量。透過MEMS這種半導體加工技術，可以將以往的感測元件縮小到只有um  (micro meter)大小，同時提高感測精度。 微機電系統感測器 (MEMS Sensor)          利用MEMS技術所製作出來的Sensor就叫做MEMS Sensor。依照所支援的信號介面(interface) 可分為數位(Digital)與類比(Analog)方式。類比訊號(Analog signal): 就是指連續的訊號，這部分可以參考 Wiki關於類比訊號 的說明。類比訊號由於未經過數位轉換的過程，因此擁有更精確的訊號解析度。這部分希望之後能用實際上的例子來說明。 目前最普遍的Digital interface非 I2C 莫屬。但也有部分使用者因為某些原因而選擇可支援SPI interface的Sensor 產品。 順帶一提，在工作場合中我有聽過I2C 跟 SPI的念法，整理如下： I2C (念I-two-C, 常見但不一定正確的念法) I2C (大陸念法: I-方-C), 方是平方的意思。 I2C (念I-squared-C , 正確唸法，事實上外國人都是這樣念) SPI (念S-P-I) SPI (念法跟Spy很像, 這是跟某國際大廠工程師學來的) 感測器應用 (Sensor Applications)         MEMS Sensor可應用的場合非常廣泛，例如3C產品、工業自動化、汽車電子、醫療與各種物聯網相關產品都可以看到感測器設計在其中。Ethan所support的客戶其產品應用確實非常多樣化。目