感測器電子電路安全設計

通常工廠的產線加工環境惡劣，若機器手臂(機器人)設備設置的感測器未能做好電路保護，將會造成加工工站容易因感測器故障停機問題。FANUC

高精密度感測器發展一日千里，不但可使機器人或自動化加工處理透過提高設備處理精度、進而增加加工工序的精密度，改善工作站的處理工序細緻度外，但實際設計整合卻不是單純在感測元件的性能提升，而需要自動化設備、控制軟體全面配合，才能達到全面性提升效用。

感測器製作越來越精良  簡化自動化設備整合困擾

以目前感測器常用的微機電(MEMS)製程技術來說，其實是在一般矽晶圓上，透過微製造技術整合機械元件、感測器與電子電路，雖然最終成品為IC元件形式，但其中的微機械元件為採用對應的微加工製程進行製作，製程中利用蝕刻矽晶圓產生機械或加工結構層形成，新一代技術甚至可以將感測微機電設計再與相關電路進行深度整合，讓不同製程的產品整合在同一塊矽晶片上，提高感測元件的功能整合度，即便新一代的元件已可達到高度整合與模組化設計，但實際上進行功能設計與感測器整合時，仍須考量不少關鍵設計。

以影像感測器為例，目前相當熱門的機器視覺自動化方案中，影響感測器是建構機器視覺相當關鍵的感測模組，在機器視覺整合方案中已可達到辨識顏色或特定形狀的物體，這在生產流水線上的工件辨識是相當實用的技術方案，不僅可用來判定生產品質外，也可讓機器手臂或自動化設備，擁有主動挑件或是再加工處理的機器視覺判斷能力。影像感測器用在機器人的視覺辨識用途上，可以判定待持取工件的大小、形狀，再利用機器手臂或夾具夾取工件，而進行關鍵的夾取動作也可使用影像感測器，進行位置定位夾取動作。

高整合度感測模組  可簡化智慧化工廠設計複雜度

影像感測器內部架構主要由CCD(Charge-coupled Device)或CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)感光元件，整合影像處理、影像分析等功能模組組合，感測器本身是由大量微小的感測單元陣列組成，影像處理為透過掃描電路把各個感測單元資訊擷取整合，而影像感測器CCD或CMOS為利用SoC(System on Chip)製程，把影像感測單元、影像擷取、放大電路、類比信號濾波、類比數位轉換器ADC(analog-to-digital converter)等整合，機器視覺模組則是將影像感測器與影像處理、分析等電子電路與元件進一步組成功能模組。

雖然機器視覺模組已經把大部分的電子電路都整合在單一模組中，但實際上在進行自動化或機器人機器視覺功能佈署時，不只關鍵模組的設置需求，也需要在對應的自動化控制防呆、運作安全、電子電路保護安全同時考量，同時利用自動化或人工智慧程式整合，讓機器視覺在發現加工異狀時，也能對應進行安全處置，避免自動化設備對工件甚至是操作者造成工安影響。

感測器傳輸訊號速度  影響設備安全與效能

尤其是當感測器整合在生產線的工業機器人上時，其實要注意的不只是感測器的信號完整性問題，感測速度不僅要快，資料回饋給運算平台的效能也需一併考量。

對於感測器的感測信號完整性而言，主要是為了確認保證感測器可以讀到正確的數值，而有了正確的數值後才能讓人工智能程式做出正確的判斷基礎，若最前線的感測數據失準，其後的分析與決策處理都會造成系統問題。

感測數據回傳的速度夠快，也可為感測數據正確性判斷，爭取到更多分析時間，例如，傳回的數據可以先與正常運行的參考值先進行比對，若數值差距過大，這表示不是感測器故障，就是傳送中出現問題，可以先產生防呆處置避免錯誤對產線工件進行錯誤加工，或避免造成昂貴的自動化機電損壞，而傳送數據夠快，也可讓自動化設備隨即對制動設備進行對應保護措施，防止自動化機械做出危害公共安全的運作問題。

環境感測數據為類比基礎  易受到干擾失準

當感測器的功能為偵測溫度、濕度、壓力等環境數值用途時，基本上這些環境數值的原始資料都是類比形式數據或參數，感測器取得的數據同時也會伴隨環境雜訊取回，對於環境數據的擷取設計則必須搭配濾波電路改善，透過濾波設計先將環境雜訊過濾去除，在保留相對準確的測試數據回傳系統，但濾波電路目前已經不是太大的問題，新一代的感測元件或是感測模組大多已將濾波模組整合在單一IC元件中，可以讓自動化系統整合者省下不少濾波電路設計與系統驗證負荷。

另外，在自動化產線、工廠應用環境中，環境雜訊與周遭大電力驅動的設備相當多，這些都會產生干擾源，而多數感測器的基礎電路均為類比電子迴路，而就電子電路來說，類比電路會較數位電路更易受到環境雜訊干擾，像是機器手臂中的驅動馬達致動產生的瞬間高電流干擾，若將感測電路與驅動自動化設備的致動器電路使用同一組電力來源，或是兩者電力現無有效隔離設計，就很容易因為驅動電流起起伏伏影響感測電路的正常運行。

感測器數據線路 需特別重視電路安全與傳輸效能

由於感測訊號需要快速傳輸，才能有效進行即時分析與進行處理判斷，對於重要的傳輸訊號線，若在控制模組的線路載板進行佈線時，有經驗的自動化工程師會把資料傳輸線路與高電流傳輸線進行區隔，或是無法避免在同一塊電路載板時，至少利用電路地線進行保護，作為隔離用的保護線路處置。

此外，進行感測器電路佈線時，也需加上保護電路的設計概念，如防呆設計、防短路設計、ESD保護電路、防瞬間突波電路設計，甚至搭配ESD(ElectroStatic Discharge)改善晶片與瞬態電壓抑制(Transient Voltage Suppressor；TVS)，透過完善的保護電路輔助，至少可讓感測器在相對惡劣的自動化設備環境中，也能確保功能模組運作安全性，避免因生產環境問題導致設備故障。

即便新一代感測器在功能整合越來越強、也越來越多元，雖然可以讓自動化工程師更容易透過模組化功能組合，開發自動化智慧生產所需的感測與控制功能，但實際上在提供生產設備環境感測能力的同時，佈署感測元件、功能模組也須確實搭配電子電路保護與防呆設計，避免關鍵的感測元件因為生產線環境高噪訊問題而導致感測數據失準或是感測器故障維修問題，因為設備故障不只會造成維修成本增加，若造成產線停擺、生產力下滑，造成的成本損失更加嚴重。