許家展/工研院材化所、蕭景鴻/工研院產服中心
Sonar On A Chip: MEMS Ultrasonic Time-Of-Flight Sensors
生活中常見的超音波感測裝置多安裝於汽車或空拍機，用於量測距離，如圖十九。目前每輛汽車大約會搭載18顆超音波測距儀作為安全感測裝置。而空拍機的超音波測距儀則可量測飛行高度。目前超音波感測器由於採取傳統製造方式，尺寸大多落在一枚硬幣的大小，對於整合性的商品來說尺寸過大。在未來的應用上需朝向公厘尺度邁進，如圖廿。當超音波感測器的尺寸下降至公厘尺度時，除了在汽車和工業應用外，也可搭載在VR/AR遊戲機、智慧手錶、相機系統的自動對焦系統乃至於智慧家庭的全新應用上，如圖廿一。
圖十九、應用在汽車以及空拍機測距用的超音波測距儀和尺寸大小
圖廿、現今常用以及Chirp所開發之公厘級，整合晶片功能的超音波測距儀
圖廿一、將超音波感測儀微縮至公厘尺度可延伸的應用領域
超音波感測裝置的原理主要是藉由偵測發出及接收脈衝訊號的時間差，得到聲波達到待測物間的時間再乘上聲速，即可得知與物件之間的距離。目前在一公尺的範圍內量測準確度可達mm等級。由於是採用音波的原理量測，因此量測過程中並不會受到光線、顏色及形狀等因素的影響。若要在3D世界中進行定位則需要至少三個超音波感測器量測，並藉由三邊量測法(trilateration)計算出位置與距離，如圖廿二。
在未來的機械超音波感測(Micromachine Ultrasonic Transducer , MUT)部分，搭載懸吊型的震動平板結構較低的聲音阻抗(acoustic impedance)能力來提升耦合能力，例如使用Si晶片上蝕刻出平板結構，如圖廿三。當採用此結構時，可在製程中調整如震動平板形狀結構，可調控震動平板的機械特性。
目前的製造技術有電容式機械超音波感測(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer, CMUT)以及壓電式機械超音波感測(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer, PMUT)，如圖廿四。電容式機械超音波感測為兩電極間絕緣薄膜與一段真空的空間所形成，但此真空空間寬度需達數個μm才可產生足夠的振幅且操作電壓為百伏特等級。壓電式機械超音波感測採用壓電效應，透過電荷產生機械變形來發送超音波，在做動時較不受限制，因此體積較小且施加的電壓也較小(數個伏特)，符合未來所需的小體積與低功耗趨勢。目前Chirp公司的產品已達低功耗(15uW )與小體積，在測距功能上可達到5 m且位置雜訊僅sub millimeter等級。
Nanotechnology Gas Sensors - The Disruptive Technology That Will Change Our Lives Forever
氣體偵測可用於環境監控、國土防衛、工業安全、醫學研究等領域。目前遭遇到幾項問題，如多種氣體的判定、耐候性、偵測器壽命、偵測器校正、快速偵測、整合性以及價格等挑戰。作者認為顛覆性的氣體感測器具備：及時偵測多種氣體的能力(數秒內)、小尺寸(10 mm2)、低功耗---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖廿五、氣體感測器運作原理
★相關閱讀：商用感測器發展現況及未來趨勢(上)