感官到感測–淺談感測晶片高速整合技術與應用
 
2017/06/26
 
黃俊銘 | 國家實驗研究院國家晶片系統設計中心研究員
 
 
活動(演講)時間:2017/06/09
 
人類可以透過各種「感官」去感覺外界資訊,例如:眼睛的視覺、耳朵的聽覺、口腔的味覺、鼻子的嗅覺以及皮膚的觸覺。人類的感官有其限制,所以我們看不到紫外線也聽不到超音波;感測器的發明讓這些限制得以突破,透過各種感測器我們可以擴大我們的感知範圍,並且可以量化這些感測資訊。而半導體以及相關技術的進展讓感測器得以微小化,也讓感測器迅速走入我們的日常生活。本次演講我們將介紹多種感測器的有趣應用,以及如何快速將一個概念變成具體實用的感測系統。
 
聽講心得(撰文|孫維新館長)
 
上週五(06/09)晚間的第七場春季展望演講,由國家實驗研究院國家晶片系統設計中心黃俊銘博士擔綱,黃博士以「從感官到感測-淺談感測晶片高速整合技術與應用」為題,分享感測器如何超越感官極限,獲取具體實用的資訊,並且發展出多元應用價值,朝實踐創意的智慧生活邁進!

演講一開始,黃博士就藉由心路歷程的回顧,講述自己一直以來的追求:致力「系統微型化」,只要看見有趣的東西,都會思考該怎樣讓它變小!這也是他20多年來從事晶片工作的原因之一。黃博士曾在2004年與成大教授合作開創了「多計畫單晶片系統」(將很多晶片系統進行融合),後來希望加進不同製程的複雜功能,於2007
年開始異質整合,團隊轉向研究系統級封裝的新方向,並在2011年完成了MorPACK (多層系統晶片模組結構),在國內獲得「國家發明創作獎」的殊榮,還被享譽國際的電機電子工程師學會(IEEE spectrum)以「台灣R&D Group」標題報導,讓世界看見台灣的研發與設計實力!

邁入感測時代的重點在於:如何開發各式各樣的感測應用?黃博士列舉了許多研發案例,比如在對橋樑基礎裸露掏空方面,他們開發了橋梁沖刷深度感測系統,目前在濁水溪流域安裝。另外也有為了一氧化碳感測而開發的雲端電子鼻,可無線上網,還不用電池,獲得了紐倫堡國際發明獎金牌。而在娛樂性質的感測應用方面,則有
虛實積木,與浮空顯示器一同互動遊戲。他們現在主要研發的是MorSensor感測積木,希望大家一起使用這項產品開發各式各樣的感測應用!

人的五種感官包括視、聽、味、嗅、觸,而它們又分別對應到辨別顏色、光、聲量、味道,和溫度等功能,相較於感測器,人的感官具備的優點是輕薄短小、攜帶方便、低功耗(不需要散熱器)、不須校正,與完美構裝,但它們也有限制,如可見光範圍、視角範圍等,而這正是為什麼需要感測器的開發。簡單定義「感測器」,是指能將物理量變成可量化數據的設備。溫度計與氣壓球就具備這樣的性質,可稱為感測器前身,因為它們尚有體積太大又危險等缺陷。他接著提到傳統感測器熱電偶的發明,其應用原理是任何導體被施加熱梯度時產生電壓,正符合感測器將物理量轉為可量化數據的特性。

感測器其實非常貼近我們的生活,以大家隨身攜帶的手機為例,手機裡的感測器包含聲音、影像、光線、距離、加速度、陀螺儀、地磁、指紋、霍爾,與氣壓感測器等。因為半導體技術的優勢,感測器的研發往體積小、量產快、成本低的趨勢發展,但這並不是絕對優勢,黃博士還說,不同感測器的準確度和價位其實是成正比的,它們各有市場,選擇時取決於應用於何處。

黃博士提到很多人會好奇感測器怎麼感測?事實上大部分是藉由物理量的變化反應到電性(電壓、電流、電阻、電容)的變化進行測量。因為感測器本身的個體特性不同,會導致量測出來的結果有差異,這時校正就顯得相當重要了。感測器的校正重點在如何產生可控制且精確的物理量,以加速度感測器為例:如何營造出持續的
力?他向大家解釋,這部分他們想到的是離心力,不過馬達卻又成了另一個變因,由此我們可以看得出來,有時校正環境也不好設計。

現在生活中廣泛應用的感測器,還包括了靜脈感測顯像系統、聲音照相系統、動作捕捉感測系統等,黃博士預言「素人感測時代」即將來臨,什麼是「素人感測系統」?其特點正是順應了市場需求:概念較直覺、技術較簡單、生活化、柔性、開發週期短等。以MorSensor感測積木為例,從加速度感測、影像感測,甚至是二氧化碳感測器都有,希望使用者自己設計挑選組合,開發出相應系統。

黃博士在最後介紹了MorSensor創意競賽,希望藉此鼓勵大家投入,他列舉了2015、2016年的投稿作品,包括「洗衣店動態顯示」、「彩妝模擬推薦」、「天氣娃娃」等,可謂創意無限,而今年的MorSensor創意競賽題目為「科普」,目前正在公開徵稿,他表示期待大家能踴躍參與,也期望在未來感測器能夠更普及、更多元、更國際化、增加不同社群參與,並且無所不在!

 
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