TWI641810B - 使用微柱的感測器組件及使用的方法 - Google Patents
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Abstract
一種感測器組件，包含一光源、一調變層、以及至少一偵測器。該調變層包含複數微柱，該複數微柱各自均具有一固定端與一自由端。固定端各自毗鄰光源。該至少一偵測器毗鄰該複數微柱之自由端。該偵測器被組構成用以偵測發射自該光源之光。
Description
本揭示之領域概括而言係有關於感測器組件，特別是關於使用微柱以供光調變(light modulation)之感測器組件。
至少一已知微柱感測器(micropillar sensor)利用總運動(gross motion)以感測力或作用力。然而，施加於至少一些已知感測器使用的相關的微柱上的力必須夠大，以引發微柱可被察覺之移動而使得一信號能夠被產生。另一種已知微柱感測器包含一液晶材料(liquid crystal material)環繞該微柱。一光源透過該液晶材料將光線導控於該微柱之間。當力施加於感測器上之時，該液晶材料被壓縮或擴張。液晶之壓縮或擴張改變通過液晶的光的總量。光的改變被偵測並被用以產生一信號。然而，取決於此等感測器之使用，該液晶材料可能易於受到汙染而此一感測器可能易受損壞。一旦受到汙染，此微柱感測器可能對微小的外部變化感覺遲鈍及/或不再健全。由是之故，此等感測器之使用可能受限。
在一特色之中，其提出一感測器組件，其包含一光源、一調變層(modulation layer)、以及至少一偵測器。該調變層包含複數微柱，該複數微柱各自均具有一固定端及一自由端。固定端各自均毗鄰上述之光源。
該至少一偵測器毗鄰該複數微柱之自由端。該偵測器被組構成用以偵測發射自該光源之光。
在另一特色之中，其提出一種決定一施加至一感測器組件之力的方法。該方法包含自一光源發射光至一調變層。該調變層包含複數微柱，該複數微柱各自均具有一固定端及一自由端。該方法亦包含在該微柱之固定端處接收發射之光，且自該微柱之自由端發出光。該方法另包含決定發射自該複數微柱之自由端的光能量的至少一參數之變化。
100‧‧‧感測器組件
102‧‧‧光源
104‧‧‧光調變層
106‧‧‧光偵測器
108‧‧‧控制器
110‧‧‧基座部分
112‧‧‧微柱
114‧‧‧固定端
116‧‧‧自由端
118‧‧‧視域(FOV)
120‧‧‧半透明區域
200‧‧‧第一狀態/中性狀態
202‧‧‧自由端之軸心
204‧‧‧FOV之中心
210‧‧‧局部激化狀態
220‧‧‧局部激化狀態
230‧‧‧完全激化狀態
300‧‧‧感測器組件
400‧‧‧感測器組件
500‧‧‧感測器組件
502‧‧‧塗層
600‧‧‧俯視圖
601‧‧‧物質
602‧‧‧外部樣本
603‧‧‧物質
604‧‧‧DNA鏈
605‧‧‧物質
607‧‧‧物質
圖1係一感測器組件之一實施方式之一示意圖。
圖2係一微柱在各種不同程度的激化下之平面圖。
圖3例示顯示於圖1之感測器組件之一替代性實施例。
圖4例示顯示於圖1之感測器組件之一第二替代性實施例。
圖5例示顯示於圖1之感測器組件之一第三替代性實施例。
圖6係正在利用顯示於圖5之感測器組件執行之DNA分析之一俯視圖。
以下參見圖式，特別是圖1，一感測器組件概括性地顯示於標號100。在示範性實施方式之中，感測器組件100包含一光源102、一光調變層104、以及至少一光偵測器106。在若干實施方式之中，一控制器108通連光源102及/或光偵測器106。
光源102被組構成用以供應光能量。更具體言之，光源102係發出一或多種波長之電磁輻射的來源。例如，光源102可以包含發光二
極體(LED)、有機LED、白熾燈泡、螢光燈泡、霓虹燈(neon bulb)、環境光線、太陽或者能夠發出電磁輻射的任何其他電子或化學裝置的其中一或多者。在若干實施方式之中，光源102發出白光、單一顏色(光波長)之光、二或多種色光之組合、紫外光、紅外光或類似之光。光源102亦可以發出該光的任何組合。此外，光源102可以定向式地或全向式地發出光。
光調變層104包含一基座部分110以及複數微柱112。微柱112各自均包含一固定端114及一自由端116。固定端114耦接至基座部分110，或者與基座部分110整合而形成為一體。微柱112係不透光的，使得發射自光源102之光以一第一強度進入固定端114並以一第二強度離開自由端116。在示範性實施方式之中，微柱112被定位成大致彼此平行，且平行於一個自光源102供應光能量的方向。在一實施方式之中，微柱112係由一壓電材料(piezo-electric material)製成，諸如鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate；PZT)。然而，其亦可以使用允許光調變層104的其他適當材料以如本文所述地運作。光調變層104可以包含複數微柱112配置成一陣列，諸如一個具有垂直行列之長方形網格型樣。在此等實施例之中，該複數微柱112可以各自間隔一距離D。介於相鄰微柱112之間的間隔可以在所有微柱112間均相同，或者可以不同，取決於想要之應用。在示範性實施方式之中，其藉由電力、磁力、及/或電磁力的其中至少一者激化微柱112。微柱112被組構成當被一施加至調變層104的外力激化之時彎曲或偏轉。
在例示於圖1的實施方式之中，感測器組件100同時亦包含至少一光偵測器106。光偵測器106被安置於毗鄰微柱112之自由端116處，使得當微柱112未被激化之時，由光源102發出之光行進穿越微柱112而被
光偵測器106偵測到，其中在光的強度上並無改變或者大致並無改變。光偵測器106可以是相關技術之中已知的任何類型光學感測器。在示範性實施方式之中，光偵測器106被組構成，在供應自光源102之光能量離開微柱112之自由端116且位於光偵測器106的視域(field-of-view；FOV)118之內時，用以偵測及量測其強度及/或強度之變化。當微柱112被激化而彎曲之時，至少一部分穿越微柱112的光被引導遠離光偵測器106。由於部分光線被引導遠離，故光偵測器106所量測到的光的強度隨時間改變。在若干實施方式之中，光偵測器106被組構成將量測的光強度及/或光強度的變化轉換成一電性信號，代表施加至感測器組件100之一外力。該信號可以被傳送至控制器108。雖然此處之說明係偵測光強度之形式，但光偵測器106並未受限於偵測此性質。在其他實施方式之中，光偵測器106偵測的性質包含，但不限於，相位、偏極性(polarization)、波長、以及光譜分佈。在圖1所示的實施方式之中，感測器組件100包含一光偵測器106，關聯每一各別之微柱112。然而，在一些實施方式之中，單一微柱112可以關聯二或多個光偵測器106。
以下參見圖2，其例示一微柱112之四種不同激化狀態之平面圖。在第一狀態200之中，微柱112係處於一中性狀態，或者說停止激化狀態。就此圖而言，在第一狀態200，一外部來源並未傳送充分激化能量至微柱112，以完全或局部地激化微柱112。在此狀態之中，微柱112之自由端116大致對齊光偵測器106之FOV 118。例如，微柱112之自由端116之一軸心202對齊FOV 118之中心204。在中性狀態200時，大致所有進入微柱112之固定端114之光均經由微柱112傳送並離開自由端116。光接著被
透過FOV 118傳送，光偵測器106於此處量測光的強度。
在局部激化狀態210，一外部來源傳送一足以造成微柱112局部激化的激化能量至微柱112。就此而言，在局部激化狀態210，自由端116已彎曲，或者撓曲，使得自由端116之軸心202並未對齊FOV 118之中心204。因此，離開微柱112之自由端116的光僅有一部分被傳送通過FOV 118(意即，來自位於FOV 118內部的自由端116的部分之光)。傳送自位於FOV 118外部的自由端116之光並未被傳送通過FOV 118，因而調變(意即，降低)了自FOV 118發出的光的強度。情況類似地，在局部激化狀態220下，上述之外部來源已傳送一足量的激化能量至微柱112以造成微柱112相較於狀態210而言的進一步激化。因此，比較少量的光透過半透明區域120被從自由端116傳送出來，進一步降低光的強度。
完全激化狀態概括地表示於230處。在完全激化狀態230之中，外力傳送足夠的能量以將自由端116完全彎曲至FOV 118的外部(例如，與其完全未交疊)。因此，離開處於完全激化狀態下的微柱112之自由端116的光完全未經由FOV 118傳送。
在一些實施例之中，光偵測器106被組構成傳送光強度計量資料至控制器108。控制器108根據在光偵測器106處接收之光強度的變化，決定一施加至感測器組件100之力。在決定該力之時，控制器108使用光源102的光強度的已知數值以及光強度變化與施加至其中一微柱112的力量之間的關係。
圖3例示顯示於圖1之感測器組件100之一替代性實施例300。感測器組件300之中的構件，與感測器組件100的構件完全相同，在
圖3之中使用圖1所用的相同參考編號標示之。
在示範性實施方式之中，感測器組件300包含複數微柱112配置於一具有垂直行列的長方形網格型樣之中。微柱112被配置成位於光源102周圍，朝向多個方向。感測器組件300同時亦包含至少一光偵測器106，毗鄰每一微柱112之自由端116。如前所述，光偵測器106量測當微柱112被一外部來源激化之時光源102發出之光能量強度之變化。光偵測器106將量測所得的強度上的變化轉換成電性信號並傳送該信號至控制器108。將微柱112及相關光偵測器106安置於圖3所示的陣列之中，使得感測器組件能夠判定來自一外部來源之力的強度及方向二者。當來自外部來源的干擾移動通過感測器組件300之時，由於所在位置的緣故，不同微柱112的移動之間有所延遲。配合每一微柱112之已知位置，此等延遲被控制器108用以判定該干擾的方向。當微柱112以及其配置方向的數目增加，感測器組件300將能夠更精確地定位出外部來源相對於感測陣列之方向。
圖4例示顯示於圖1之感測器組件100之一第二替代性實施例400。感測器組件400之中的構件，與感測器組件100的構件完全相同，在圖4之中使用圖1所用的相同參考編號標示之。在該示範性實施方式之中，感測器組件400包含具有不同長度L的複數微柱112。微柱112從光調變層104的基座部分110的固定端114延伸出來。
圖4所顯示的實施方式可以被實施成一種人造耳(artificial ear)。感測器組件400模擬生物耳中的纖毛。內耳是中空的，嵌入顳骨(temporal bone)之中，人體中最緻密的骨頭。內耳的中空通道有填充液體，並包含一密佈纖毛細胞的感覺上皮組織。此等細胞的細微"纖毛"係突出進入流體之中
的結構蛋白細絲。纖毛細胞係機械性感受器，其在受到刺激之時釋出一種化學神經傳導物質。通過流體的聲波推動該細絲。若細絲彎曲得夠遠，則纖毛細胞觸發。以此種方式，聲波被轉換成神經脈衝。
由於現代社會中的響亮聲音，例如，平民生活中的音樂或者兵役生涯中的爆炸聲，在過度刺激之後，此等纖毛將會死亡。取代失效耳朵的已知設計之解析度低到以64個元素回應一音頻輸入。感測器組件400中的微柱112被切割成不同長度，以各自回應一不同的頻率，並盡可能如同內耳纖毛般自然地彎曲。光偵測器106所量測的光的變化被轉譯成信號，饋入顱神經而導入大腦皮層之中專職聲音的部分。感測器組件400能夠使用盡可能與人耳中的纖毛一樣多或更多的微柱112，其估計在8,000左右。所包含的微柱112愈多，感測器組件400所能夠偵側的頻率範圍會變得愈大，使得人造耳的聲音品質愈佳。
圖5例示顯示於圖1之感測器組件100之一第三替代性實施例500。感測器組件500之中的構件，與感測器組件100的構件完全相同，在圖5之中使用圖1所用的相同參考編號標示之。圖6係正在利用感測器組件500執行之DNA分析之一俯視圖600。
在示範性實施方式之中，一塗層502被施加至微柱112。塗層502被組構成與施加至微柱112的外部樣本602發生反應。樣本602包含複數物質601、603、605、及607。不同的塗層502可以根據特定之應用被施加至不同的微柱112。在若干實施方式之中，反應可以由感應於樣本602與塗層502之間的一電場及/或一磁場誘發。例如，在一實施方式之中，物質601、603、605、及607具有正電荷或負電荷中的任一者，而塗層502具
有與物質601、603、605、及607相反之電荷。因此，樣本602與塗層502之場域輔助將微柱112吸引至物質601、603、605、及607，使得微柱112朝物質601、603、605、及607彎曲。塗層502與物質601、603、605、及607之間的吸引強度決定微柱112彎曲的程度。從光源102行進通過微柱112的光的至少一部分被引導遠離光偵測器106。由於部分光線被引導遠離，故光偵測器106所量測到的光的強度隨時間改變。在示範性實施方式之中，光偵測器106被組構成將量測的光強度及/或光強度的變化轉換成一電性信號，代表施加至感測器組件100之一外力。該信號可以傳送至控制器108。
以下參見圖6，一DNA鏈604包含樣本602，且使用感測器組件500加以分析。在示範性實施方式之中，DNA鏈604包含四個核酸鹼基(nucleobase)：胞嘧啶(cytosine)、鳥嘌呤(guanine)、腺嘌呤(adenine)、以及胸腺嘧啶(thymine)。一些微柱112被塗覆以腺嘌呤，而其他微柱112被塗覆以胞嘧啶。
運作之時，DNA鏈604朝著大致垂直基座110上之微柱112排列的方向移動通過微柱112。當塗層502與一特定核酸鹼基交互作用，微柱112被激化並以與塗層502與DNA鏈604之間的吸引/排斥程度成比例的方式彎曲。當微柱112之軸心202(顯示於圖2)相對於光偵測器106之視框118(顯示於圖2)之中心204移動之時，光偵測器106量測來自光源102之光能量之強度變化。
在本說明書之中，控制器一詞可以表示一電子控制器，其可以包含一電腦處理器或處理裝置(圖中未顯示)。處理器概括而言係能夠處理諸如，舉例而言，資料、電腦可讀取程式碼、指令或類似代碼(概括而言"
電腦程式"，例如，軟體、韌體，等等)、及/或其他適當電子資訊等資訊的任一件硬體。舉例而言，處理器可以被組構成用以執行電腦程式或指令，其可以是儲存於處理器所在的機板上或者以其他方式儲存於一相連記憶體之中(圖中未顯示)。在又另一實例之中，處理器可以被實施成(或者以其他方式包含)一或多個特定用途積體電路(ASIC)、現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA)、或類似元件。因此，雖然處理器也許能夠執行一電腦程式以執行一或多個功能，但各種不同實例之處理器亦可以在沒有電腦程式的協助下執行一或多個功能。在本說明書之中，電子或電腦記憶體概括而言係能夠儲存資訊的任一件硬體，諸如儲存資料、電腦程式、及/或其他適當之資訊，基於一個暫時性或是永久性的基礎。在一實例之中，記憶體可以被組構成將各種不同之資訊儲存於一或多個資料庫之中。記憶體可以包含揮發性及/或非揮發性記憶體，且可以是固定式或可移除式的。適當記憶體之實例包含隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、硬碟機、快閃記憶體、隨身碟(thumb drive)、可移除式電腦磁碟、光學碟片、磁帶、或者前述之若干組合。光學碟片可以包含唯讀光碟(compact disk read-only-memory；CD-ROM)、讀/寫光碟(compact disk read/write memory；CD-R/W)、數位視訊光碟(digital video disk memory；DVD)、或類似裝置。在各種不同的實例之中，記憶體可以被稱為電腦可讀取儲存媒體，其做為一種能夠儲存資訊的非暫態性裝置，不同於電腦可讀取傳輸媒體，諸如能夠從一位置攜載資訊到另一位置的電子暫態信號。在本說明書之中，電腦可讀取媒體概括而言可以表示電腦可讀取儲存媒體或者電腦可讀取傳輸媒體。
此書面說明使用實例以揭示實施方式，包含最佳模式，同時
亦使得任何相關技術的熟習人員能夠將該實施方式付諸實現，包括製造及使用任何裝置或系統以及執行任何包含的方法。本揭示的專利性範疇界定於申請專利範圍之中，且可以涵蓋熟習相關技術者所設想到的其他實例。若此等其他實例具有無法與申請專利範圍之文字用語區別的結構元件，或者若其包含與申請專利範圍之文字用語無實質差異的等效結構元件，則預計其應落入申請專利範圍的範疇之中。
此外，本揭示包含依據以下條文之實施例：
「條文1」一種感測器組件，包含：一光源；一調變層，包含複數微柱，該複數微柱各自均包含一固定端及一自由端，該固定端各自毗鄰該光源；以及至少一偵測器，毗鄰該複數自由端，該至少一偵測器被組構成用以偵測發射自該光源之光。
「條文2」依據條文1之感測器組件，其中該複數微柱之方位被配置成大致彼此平行。
「條文3」依據條文1或2之感測器組件，其中該複數微柱之方位被配置成大致平行於一個自該光源發出之光的方向。
「條文4」依據條文1至3中任一條文之感測器組件，其中該光源引導光能量通過該複數微柱中的每一者並朝向該至少一偵測器。
「條文5」依據條文1至4中任一條文之感測器組件，其中該複數微柱中的每一者均被組構成在一外力施加至該感測器組件之時彎曲。
「條文6」依據條文1至5中任一條文之感測器組件，其中該至少一偵測器被組構成用以偵測通過該複數微柱之該光能量之一性質。
「條文7」依據條文6之感測器組件，其中該至少一偵測器被組構成用以根據位於該偵測器處之光強度之一變化偵測該複數微柱之運動。
「條文8」依據條文7之感測器組件，其中該至少一偵測器被組構成用以產生一代表施加至該感測器組件之一外力的信號。
「條文9」依據條文7或8之感測器組件，其中一施加至該感測器組件之力被根據該偵測器所量測的光強度之變化而決定。
「條文10」依據條文1之感測器組件，其中該複數微柱之方位被配置成相對於彼此的複數不同方向。
「條文11」依據條文1至10中任一條文之感測器組件，其中該調變層包含一第一組微柱與一第二組微柱，該第一組微柱之方位被配置成大致垂直於該第二組微柱。
「條文12」依據條文11之感測器組件，其中該感測器組件被組構成用以決定施加至該複數微柱中的每一者之一外力之一強度與一方向。
「條文13」依據條文1至12中任一條文之感測器組件，其中該複數微柱中之至少一第一者具有不同於該複數微柱中之至少一第二者之一長度，被具有關聯該微柱之長度之一頻率的聲音能量激化。
「條文14」依據條文1至13任一條文之感測器組件，另包含一塗層，施加至該複數微柱，該塗層被組構成用以與施加至該感測器組件之一外部物質發生反應。
「條文15」依據條文14之感測器組件，其中該感測器組件
包含一去氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid；DNA)分析裝置。
「條文16」一種決定施加至一感測器組件之力的方法，該方法包含：自一光源發出光，使得光通過一調變層，該調變層包含複數微柱，該複數微柱各自均具有一固定端與一自由端；在該複數微柱之固定端處接收發出之光並自該複數微柱之自由端發出光；以及決定自該複數微柱自由端發出之光之至少一性質之一變化，
「條文17」依據條文16之方法，其中至少一偵測器被安置成毗鄰該複數微柱自由端，前述之決定動作另包含根據在偵測器處接收之光的強度決定一變化。
「條文18」依據條文16之方法，其中決定光之至少一性質之一變化包含決定發射自光源之光之一強度、一相位、一偏極性、一波長、以及一光譜分佈的其中至少一者之一變化。
「條文19」依據條文16之方法，另包含根據所決定的光的至少一性質之變化決定施加至該感測器組件之力之一強度與一方向。
「條文20」依據條文16之方法，其中一塗層被施加至該複數微柱，另包含使該塗層與一外部樣本發生反應以彎曲該複數微柱的其中至少一者。
Claims (7)
- 一種感測器組件，包含：一光源；一光調變層，包含複數微柱，該複數微柱各自均包含一固定端與一自由端，該固定端各自均毗鄰該光源；以及至少一光偵測器，毗鄰該複數自由端，該至少一光偵測器被組構成用以偵測發射自該光源之光，其中該光調變層包含一第一組微柱與一第二組微柱，該第一組微柱是以大致垂直於該第二組微柱來定向；其中該感測器組件包含毗鄰各自微柱的該自由端的至少一光偵測器；以及其中該感測器組件被組構成用以決定施加至該複數微柱中的每一者之一外力之一強度與一方向。
- 依據申請專利範圍第1項之感測器組件，其中該複數微柱是以大致平行於一個自該光源發出之光的方向來定向。
- 依據申請專利範圍第1或2項之感測器組件，其中該光源被組構成用以引導光能量通過該複數微柱中的每一者並朝向該至少一光偵測器。
- 依據申請專利範圍第1或2項之感測器組件，其中該至少一光偵測器被組構成用以偵測通過該複數微柱之該光能量之一性質。
- 依據申請專利範圍第4項之感測器組件，其中該至少一光偵測器被組構成用以根據位於該至少一光偵測器處之光強度之一變化偵測該複數微柱之運動。
- 依據申請專利範圍第5項之感測器組件，其中： 該至少一光偵測器被組構成用以產生一代表施加至該感測器組件之一外力的信號。
- 依據申請專利範圍第5項之感測器組件，其中一施加至該感測器組件之力是根據該至少一光偵測器所量測的光強度之變化而決定。
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