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#物聯網IoT #環境感測器 #半導體製程 #金屬有機框架MOF #石墨烯Graphene #氮化鎵GaN #奈米碳管SWNT #3D列印 #環境光源感測器ALS #能源採集EnergyHarvesting #EnOcean

【感測器的硬技術】

隨著物聯網 (IoT) 環境的成熟，可與智慧型手機或電腦連接的微型化感測器亦水漲船高。在各種感測器中，電化學因其高靈敏度、快速反應和使用壽命長而具有特殊優勢，但找到可增強標的物的電極材料是挑戰所在。因應微型化需求，感測晶片開始嘗試能兼容多種奈米材料與不同半導體、有機／無機導體的電路，製程亦出現重大演進。相較於傳統矽 (Si) 或氮化鎵 (GaN) 製程，電子印刷更便於製作軟性電路和異質結構，且成本僅需 1/10、乃至 1/100。

除了化學感測器進展神速，物理層面最受矚目的當屬「飛時」(ToF) 雷射感測了，更適用於 1 公里內的近距感測。蘋果 iPhone X 已為 3D 感測打響名號，但內建紅外線測距和光感測器的螢幕「瀏海」設計，卻也因容易遮住應用程式 (APP) 而為人詬病。藉由光波來回時間與光速推算精確距離的 ToF，可補足紅外線精度低、方向性差，有顏色辨識及易受環境光源干擾的缺點；且模組較小，在電路板有限的行動裝置較具優勢。

此外，能源採集 (Energy Harvesting) 搭配充電式電池與超級電容，將太陽能、機械能或射頻能量轉化成電能，已成新興供電途徑。世界首個符合「超低功耗無線通訊」ISO / IEC 國際標準規範的 EnOcean，可收集自然界的微小能量、借助開開動作將動能轉換為電能，免去邊緣節點 (edge node) 更換電池或充電維護的不便，迄今歐美已約有 40 萬棟建築物建置。中國重慶大學亦新研發出由風力驅動、可監測風速和溫度的無線感測器。

麻省理工學院 (MIT) 則藉環境溫度變化開發「熱諧振器」，可從稀薄空氣中採集環境熱能，不須依賴陽光照射、在陰涼處亦可工作。不過，此類「就地取材」的環境能源並非隨時可得，必須善加珍惜使用；此時，感測器的工作模式及參數設定格外重要。另一個須留意的問題是：即使設有超級電容，但它可能因為過度自放電，而浪費辛苦採集到的能量。如何提高轉換效率、盡可能降低晶片本身功耗、極小化啟動電壓並妥善管理採集進來的能量是關鍵所在。

延伸閱讀：
《材料、製程、供電大躍進 感測技術一日千里》
http://compotechasia.com/a/____//2018/0415/38544.html
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#電源設計 #電池充電拓樸 #動態電源管理DPM #動態電源路徑管理DPPM

【電池充電學問大！拓樸結構決定效能與成本】

電池充電裝置功能可分為兩大面向來看：動態電源管理 (DPM) 和動態電源路徑管理 (DPPM)，兩者皆與充電拓樸結構密切相關，且同樣重要。不同的拓樸結構決定了 DPM 和 DPPM 的能力，以及選用不同零組件所產生的總成本。對於低功率應用，NVDC 充電裝置因為較低的成本和 DPM / DPPM 功能而大受歡迎；而高功率應用，選擇傳統的充電拓樸結構則可將功率損耗降至最低。

具有高輸出額定值的轉接器通常較貴。為降低成本，有些業者會想使用額定值較低的轉接器；但如此一來，需要備有基於電流的 DPM 功能之充電裝置，以防止轉接器超載。此舉是為了防止總系統負載和電池負載超過轉接器所提供的總功率；基於電流的 DPM，能處理寬輸入電源而不會發生超載情況。然而，欲獲得最佳系統性能還需要 DPPM 功能，讓充電裝置可以補充模式運作，使電池透過電池 FET 為系統提供電源，而不需進行充電。

充電拓樸通常有三種常見結構：傳統拓樸、混合拓樸和窄電壓直流 (NVDC) 拓樸，而高性能通常伴隨更高的成本，因此，設計過程需考慮性能和成本之間的取捨。

●傳統拓樸：系統軌可達到最大轉接器電壓，若從電池操作，系統電壓可低至最小電池電壓，但高壓輸入源可能導致系統軌的大幅擺動；優點是系統可以從輸入源獲得最大功率，不過因零組件價格較昂貴且需處理高功率，將使總成本提高。
●混合拓樸：也稱為「渦輪升壓」模式，在筆記型電腦應用非常流行。有些應用系統僅需要最大功率傳輸，但為一般運作而設計的轉接器無法滿足最大功率需求，且傳統的充電拓樸結構不允許電池在補充模式下運作、提供額外功率，故須以混合充電拓樸解決。在此結構下，電池可以升壓模式向系統提供額外的功率達到最高功率的傳輸。
●窄電壓直流 (NVDC) 拓樸：上述兩種充電拓樸結構都需要系統軌來處理與輸入源相同的高電壓，但有些應用的系統軌需要採用較低額定值的零組件以降低成本。在這種情況下，可考慮含有 NVDC 拓樸結構的產品，透過控制電池 FET，使系統電壓與電池電壓非常接近。

在設計充電系統時，必須平衡性能、功能和解決方案成本，選擇正確的拓樸結構和裝置可在維持最低成本的同時實現更高的效率。此外，用於消費性電子與工業設備的可攜式裝置越來越多，但其實兩者的電池配置和充電需求存在顯著差異：無人機和機器人等工業應用中，使用多節電池組配置 (超過兩節串聯電池) 即能實現更高的功率，為達到更高的充電效率，轉接頭通常需要具備較高的輸入電壓；而在消費性電子裝置中，則多半使用 5V USB 電源來為單電池充電。

延伸閱讀：
《了解電池充電裝置功能與充電拓樸結構》
http://www.compotechasia.com/a/ji___yo…/2017/0401/35078.html
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#量測 #數位儲存示波器 #串列匯流排除錯

【數位儲存示波器，晉身多能工】

為縮減電子產品體積、功率和成本，越來越多的設計在嵌入式裝置中採用串列匯流排。儘管串列匯流排可減少資料傳輸所需的腳位數、功耗和空間，但設計也更複雜，需要更快速的方法進行除錯和驗證；許多串列標準具有「非同步」本質，為擷取和解碼增添挑戰。在尋找串列匯流排上的功能和時序問題時，協定分析儀雖是很好的工具，但其實利用「示波器」此一基礎量測儀器，也可協助找出雜訊來源、擷取暫態波形、執行實體層相符性測試以及量測功耗。

當示波器內建串列觸發和解碼功能時，即可變身功能強大的多合一工具，非常適合嵌入式硬體工程師使用。然而，早期問市的示波器並未內建串列解碼器，工程師必須以手動方式對串列訊框解碼，相當費時，且該訊號甚至可能不是我們想要的訊框；故須對多個串列訊框進行解碼，需花費的時間亦更加可觀！此時，內建串列解碼和觸發功能的示波器，將發揮最大的效益，還能利用分段式記憶體擷取偶發串列事件。

假設有一個設計含有多顆IC、透過 I2C 與微控制器進行通訊，當我們想要查看寫入一顆特定 IC 的所有資料時，只需在 IC 的寫入位址上設定一個觸發點就能輕鬆完成；示波器會設定成任何時候只要看到該位址就進行觸發，但還是很難從示波器預設顯示的單一波形畫面，綜觀傳送的所有資料。此時，分段式記憶體可讓示波器持續等待直到符合觸發條件，再將波形存到記憶體中並記錄時間標籤，重新準備觸發並等待下一次的觸發。

如此，就可清楚看到哪些資料寫入 IC？寫入頻率多高？還能檢視每個訊框的實際訊號；若訊框異常，工程師就可在條列清單中選擇該訊框，然後檢查實際訊號完整性。一旦確認存在暫態訊號，觸控螢幕示波器的「區域觸發」功能，可輕鬆捕捉。此外，若串列匯流排未出現隨機暫態訊號，而是持續出現耦合雜訊、無法觸發時，就須藉助示波器的 FFT (快速傅立葉轉換) 數學運算功能找出雜訊來源。FFT 會將時域訊號轉換成「頻域」呈現，以確認耦合雜訊的頻率成份。

延伸閱讀：
《利用示波器進行嵌入式串列匯流排除錯》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2016/0418/31700.html
(點擊內文標題即可閱讀全文)

#是德科技Keysight

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