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五感傳感器令電子設備更接近人類（續二）
作者：伊藤元昭、野澤哲生
來源：日經BP社
日期：2009-10-10 09:23:23
摘要：五感傳感器令電子設備更接近人類（三）：開發狀況；（四）：目標是具有人類皮膚的觸覺；（五）：模仿可讀盲文的手指；（六）：利用氣味信息；
本文中文翻譯由《電子設計應用》特別提供
具有并超越人類感覺的五感傳感器
各類五感傳感器處于完全不同的開發階段(見圖4)，從技術高度化、實用化的觀點來看，可以分為以下幾大階段：開發新的傳感器元件的階段；進行小型化、集成化的階段；發展信息處理及識別技術的階段。
處于較領先地位的是聽覺傳感器與視覺傳感器，此類傳感器在信息處理、識別技術上的發展驚人。不久，應該就可以從超高速動態影像中提取出各種信息，并擴大人類視野，可以看到以前人類看不到的地方。
上述五感傳感器開發的共通之處就是技術發展都充分參考了生物體的結構。不光是開發仿真人類感覺的傳感器，而且還在致力于開發大大超越人的感覺及能力的傳感器。
下文將從傳感器元件的初級開發階段開始，按觸覺、嗅覺、味覺、聽覺、視覺的順序，對各傳感器的最前沿技術進行介紹。
觸覺 目標是具有人類皮膚的觸覺
接觸是人類最基本的交流手段之一。觸覺傳感器技術的提高，將有利于開發更具易用性的電子產品。但是，從目前所有集成了觸覺傳感器的系統來看，大部分還處于傳感器元件開發的初級階段。
在觸覺傳感器中，觸摸式傳感器技術從以前就被當作用戶界面使用，PC的鼠標也可說是觸覺傳感器的一種，而筆記本電腦等的觸摸板早在上世紀90 年代初就已上市。
上述傳感器中采用了各種各樣的技術(見表2)。例如，用間隔層隔開X、Y軸的布線，檢測X、Y軸上通過光線的過濾情況；使用聲波或超聲波檢測靜電容量的變化等技術。雖然各類技術有各自的特征及研究課題，但大部分技術都只是輸出觸摸板上的二維位置信息，而且只能同時檢測1 點的信息。 通過這1 點的位置信息所進行的操作，在使用上是難以大幅超越鼠標的。
觸覺傳感器技術最近已真正開始實用化，而且具有非常高的性能。具體來說，業界正在進行以下三大方面的新技術開發(見圖5)：大面積化、使用場所及應用的多樣化；目標是具有人類皮膚的感覺，不僅檢測位置，還將檢測力度、壓力、溫度、表面凹凸、有無摩擦等；利用CMOS 工藝等進行集成。
人日常所接觸到的家電將來也會向該方面發展，設備外表面將布滿觸摸傳感器。
早稻田大學的研究小組開發的看護機器人TWENDYONE 內嵌入了多種觸覺傳感器。胸與腕等處共計嵌入了164個8位分布式動力傳感器FSR(Force Sensing Register)，頭與手指上安裝的是6軸傳感器，可測量3軸的力與3軸的力矩。在手掌的硅橡膠人工皮膚下，還安裝了美國PPS(Pressure Profile Systems)公司的觸覺傳感膜，可檢測微小的壓力，并且可以抓住柔軟的物體。每只手掌上有241個感應點。
與人的手指相比，這種密度自然不算高。不過如果從機器人的整體性能來看，目前還無需更高的密度。以往的觸覺傳感器僅僅用來檢測位置，但實際上人觸摸機器人時，觸摸的方式不同，所包含的情感信息也不同，十分復雜。早稻田大學的菅野教授表示，此次的機器人TWENDYONE 里就安裝了可以控制這類復雜信息的傳感器。
根據脈搏測出血管年齡
PPS 公司觸覺傳感器的布線在X、Y軸上用間隔層隔開，并設置了柔軟的壓膜，通過該壓膜可以掃描檢查加壓時X、Y軸上布線寄生電容的變化。目前的分辨率間距為2.0mm～2.5mm。由于可以隨時間變化進行檢測，所以可以將壓力變化通過PC 等進行圖形化。
PPS公司的日本代理表示，上述觸覺傳感膜已經被業界各廠商們廣泛使用。現在的主要應用包括：汽車輪胎的抓地力、假牙的咬合力與舌壓、燃料電池各單元之間的壓力測量等，最近在美國已開始用于臨場乳癌觸診及血壓測量。一般來說，乳癌觸診必須要有一定經驗，但通過用傳感器將經驗數值化之后，就可以將診斷水平標準化。當做為血壓計使用時，傳感器可通過脈搏波形的細微變化判斷出血管年齡。
追求易用性
在觸覺傳感器的應用方面，最近備受關注的應該是手機。日本鳥取三洋電機與三洋電機集團領先其他公司一步，率先在手機上安裝了觸摸傳感器，而且并不是用于液晶屏，而是用在撥號鍵盤上。該功能被稱為Smooth Touch，只需要用手指觸劃就可以輸入文字或進行拍照等操作。最初是在于2006年10月上市的W42SA 手機上集成了該功能，之后的W54SA、W61SA上也集成了同樣的功能，以帶給用戶更人性化的操作體驗。
三洋電機在收集了手機用戶的反饋意見后發現，如果是在液晶屏上安裝觸摸傳感器，大多數用戶會不太習慣用兩只手使用手機的方式，而且還有人覺得用手指觸摸很容易弄臟屏幕。因此，該公司就不再讓人適應設備，而是采取了新的方式，讓設備迎合人的習慣。Smooth Touch 功能據說可以單手操作。
不接觸外殼也可以操作
三洋電機并未公布開發觸摸傳感器的具體公司。但像這種嵌入在設備外殼上的觸摸傳感器大多是靜電容量型產品，如意法半導體、日本阿爾卑斯電氣等公司開發的產品。靜電容量型產品的特征是可以通過塑料外殼檢測到手指。只要人的手指接近，就可檢測出電場的變化。因此，無需直接接觸傳感器就可以對人的手指做出反應。
在CEATEC JAPAN 2007展會上，以日本阿爾卑斯電氣公司為首，多家公司都進行了靜電容量型觸摸傳感器的現場演示，演示中手即使離機殼15cm~20cm，也可以操控游戲。雖然傳感器元件自身也進行了一定的完善，但最主要的是利用了錯誤校正電路，目前已經可以檢測出100aF左右的微小靜電容量的變化。
類似人類感官的高靈敏度
也有企業在開發類似人體感官的傳感器觸覺結構。CMC技術開發公司就利用被稱為CMC 的線圈狀碳纖維制作了多款觸覺傳感器(見圖6)。所謂CMC就是將2 根直徑約1μm 的碳素纖維繞合成線圈狀，線圈直徑大約5μm～10μm，長度約300μm。
使用CMC 的優點就是其體積很小，僅有0.1mm2，但靈敏度非常高。其最小感知壓力為1Pa，最小感知位移為 0.1μm。并且與靜電容量型傳感器一樣，無需直接接觸，只要把手靠近，就可檢測到手的接近。而且，當刺激不同時，也會顯示不同的波形，所以可以分辨刺壓、摩擦的細微區別。如果能使傳感器元件表面像人的指紋一樣凹凸不平，那么靈敏度將更高。
還有一種在橡膠里加入碳素粉末的觸覺傳感器，被稱為感壓導電橡膠，根本無需使用CMC。不過，感壓導電橡膠的傳感方式不同，是根據應力檢測電流的變化。因此如果要保證靈敏度，傳感器大小就需要幾mm。
CMC技術開發公司已經開發了多款產品，準備用于各種設想的應用，現正處于樣品出貨階段。例如，可裝在電梯門或機械臂上，用來檢測人手的接近，以防止夾傷手；或者裝在醫用導管上，用來檢測血管壁與導管的接觸情況。
模仿可讀盲文的手指
另外，科學家們還在嘗試模仿其他人類觸覺的研究。例如，人指的觸覺功能不光是接觸與壓力，還包括可以檢測溫度的溫覺，而且具有很強的空間分辨能力，可以區分1mm~2mm 的凹凸。
日本豐橋技術科學大學電氣電子專業準教授高尾英邦所領導的研究小組，已實現了人指的溫覺及空間分析能力，接下來的目標是開發具有時間分析能力的超越人類感覺的觸覺傳感器。
目前該小組已經制作了多個可感覺溫度并分辨細微空間差別的觸覺圖形傳感器。該傳感器有幾mm2，其中排列了36 個像素，每個像素的大小約為150μm2~420μm2。每個像素里集成了應力傳感器與溫度傳感器(見圖7a)。在該傳感器中，傳感器元件呈陣列狀排在感應面，當元件內部形成空氣壓時，感應面會凸出。設計的原理就是通過凸出的感應面壓向接觸面，從而測量凹凸及溫度等。
應力傳感器采用了硅壓阻元件。當硅壓阻元件的硅受到應力時，電阻就會發生變化。應力傳感器就是利用這一原理進行檢測的。溫度傳感器所采用的熱電偶使用了PIN硅。整個芯片采用Post CMOS 工藝制造。
高尾英邦表示，目前該芯片已具有足夠的分辨率，可以嵌入IC 卡用于指紋識別、或用于讀取點字。目前每個像素的小型化目標是100μm2，將來還可以更小。高尾英邦還表示：“MEMS的高度一般只有幾μm，如果可以用來分辨如此細微的凹凸，那么現在由于原子力顯微鏡(AFM)過大而無法使用的場合，或者無法測量非常狹小部位的問題，全部都將得以解決。”
另一方面，其時間分析能力大約為2kHz 左右， 已經超過人指約1kHz 的時間分析能力(見圖7b)。不過，該傳感器現在對于音壓的靈敏度仍然較低，如果能進一步提高靈敏度，將來應該可以取代硅麥克風。
增大面積時布線大幅增加
目前業界也正在研究如何增大面積，也就是將上述觸覺傳感器遍布到電子設備的外殼、顯示器、墻壁等，以及如何通過小型化、高集成化來達到可與人指媲美的感應能力。但是，大面積化與集成化實際上是有沖突的，這就是安裝傳感器時布線數過多的問題。克服這一問題雖然有多種方法，但尚未有最終結論。
日本電氣通信大學智能機械專業教授下條誠認為，人指觸覺小體的密度大約是1500 個/cm3，再加上其他感覺器官及負責感應痛覺的游離神經末梢，人手上大約有1.7萬根神經纖維。這種結構很難通過傳感器實現。
目前一種方法是采用動態矩陣。動態矩陣與采用X、Y布線連接各傳感器的圖像傳感器一樣，都使用了TFT(薄膜晶體管)。但此方法有一個缺點，當增加傳感器數量時，掃描時間會變長，因此會降低應答速度。據說一般機器人的應答速度都大于1ms。
另一種方法就是利用無線技術。東京大學大學院信息理工系研究科系統信息學專業準教授筱田裕之開發了直接使用RF 信號的二維通信膜，雖然是有線的，但傳感單元之間無需布線。不過，無線主要是面向廣播或多播通信，所以怎樣區分每個傳感單元，以及怎樣避免通信堵塞都是需要解決的課題。
此外還有一種方法是：當需要特別高的空間分析能力時，采用陣列式傳感器；而無需高空間分析能力時，就干脆減少傳感器的密度。人體本身其實也采用了這種方式。日本豐橋技術科學大學的高尾教授也采取了這種方法，但當應用面積大大超過人體面積時，還是有局限性。
電氣通信大學下條教授的研究小組與日本藤倉公司開發了新的傳感器元件，不管在多大的面積上，都只需4根布線，并且不會影響應答性與分辨率。該技術將電流的面積積分改寫成一元積分，然后根據流過觸覺傳感膜周圍的電流，計算出人與物體所接觸的位置。其重點在于計算出電流動量重心。下條教授的研究小組正在開發應用此技術的系統，在走廊下全部鋪上觸覺傳感膜，并根據走路方式的不同來識別人。
但這種方式仍然有缺點，它無法同時檢測多個接觸點的位置。不過，如果將布線數增加到7根，就可以克服此缺點，該技術據說已經成熟，并且成功制作了樣品。
嗅覺 活用氣味中的信息
人們開始漸漸了解生物嗅覺的真諦及隱藏在各種氣味里的信息。模擬嗅覺功能的傳感器發展也與此步調一致，應用于各領域的機會進一步擴大。
人類并不能有意識地發出特定氣味。因此，嗅覺傳感器應用于電子設備的用戶界面時，與集成視覺、聽覺、觸覺傳感器時的方法不同。人類利用設備的視覺、聽覺、觸覺，可以有意識地通過表情、聲音、動作來控制設備。但是，以氣味為媒介的用戶界面，卻可用來將人本身的狀態通知給設備。設備通過人類發出的氣味得到相應信息，從而做出判斷要執行什么樣的動作。比如，集成嗅覺傳感器后，設備就可以診斷疾病。
兩大應用
用傳感器檢測氣味的方法主要分為兩種(見圖8)。其中一種是氣體傳感器，其采用多個對特定氣體濃度可做出反應的傳感器，來檢測發出氣味的味源物質濃度。另一種方法就是模擬人類嗅覺功能的生物傳感器。前者已經開始實用化，后者尚處于研發階段。
此外，還需要使用被稱為主成分分析的統計方法以及神經網絡等，用于識別味源物質的結構與氣味的對應關系。此類應用大多是工業用大規模分析設備或者特定應用范圍的小型設備。
另一方面，如果使用生物傳感器，那就可通過檢測結果與氣味的對應關系再現人的感覺。不過，現在的氣體傳感器尚未達到那種高度逼真的程度，將來是否能實現也尚未明確。對于嗅覺結構來說，目前仍處于初級研究階段，還沒有辦法完全模擬。
通過分析技術提高選擇性
以氣體傳感器為基礎的工業用嗅覺傳感器已經上市，在實際應用中主要用來開發食品等。
氣體傳感器技術開發的關鍵在于提高靈敏度與選擇性。隨著分析結果與氣味之間對應關系的建立、以及主成分分析等模式識別技術的進步，性能方面已經大幅增強。
氣體傳感器有半導體式、電氣化學式、接觸燃燒式等多種類型(見圖9)，各類傳感器可檢測的氣體濃度范圍及使用性各不相同。其中嗅覺傳感器大多采用了半導體氣體傳感器。
半導體氣體傳感器不光靈敏度高，而且應答速度快，穩定性也好，而且容易維護。日產汽車開發了新的系統，通過檢測酒精濃度來防止酒后駕駛。
不過，半導體氣體傳感器的選擇性較差，也就是說，在區別不同種類的氣體時，其檢測能力較差。但是，最近信息處理技術的發展已經可以彌補這一缺陷。例如通過比較多個不同特性的傳感器所輸出的結果，并進行主成分分析等，然后換算成所檢測氣體的濃度。雖然傳感器元件仍是原來的產品，但識別氣體的能力得到了提高。
使用了上述半導體氣體傳感器的嗅覺傳感器已經上市，目前主要用于食品的開發及品質管理。在日本，市場占有率最高的是島津制作所的FF-2A(見圖 10)，該裝置可以通過咖啡的香味來區分是摩卡咖啡還是乞力馬扎羅咖啡。FF-2A 內安裝了10 個半導體氣體傳感器，可以檢測硫化氫類、硫黃類、氨類、胺類、有機酸類、醛類、酯類、芳香族類、碳化氫類等9種類型的氣味，并能將分析結果用雷達圖表示出來。
最近嗅覺傳感器在醫療領域的應用引起人們關注，其原理就是當人類生病時會發出各種氣味，不同疾病的氣味不同。
幽門桿菌是引起胃炎與胃潰瘍的主要原因。目前已有半導體氣體傳感器可以檢測CO2(二氧化碳)的濃度，從而判斷此病菌是否存在。而且此類氣體傳感器已經應用到設備上，在日本已認定為醫療設備。在美國等國家也在進行各種疾病與氣味關系的研究，并在討論是否適用于實際診斷(見表2)。
發出氣味的電視
在嗅覺傳感器應用方面，氣味顯示屏也備受人們關注。通過此類傳感器可將氣味數值化，并可以進行保存、傳輸等。它可用來將多種氣味混合制作出好聞的氣味，或者使電視可以根據播放的圖像釋放出相應的氣味。以大學為首，已有多家研究機構加入相關技術的開發行列。
東京工業大學準教授中本高道所領導的研究小組就研發了再現氣味的技術，可將發送方嗅覺傳感器所檢測到的氣味數值化，然后在此基礎上對32種主要氣味成分進行調配，從而人工再現氣味。雖然味源物質少于實際水果所含的物質，但已經可以基本仿真原物的氣味。（未完待續）
具有并超越人類感覺的五感傳感器
各類五感傳感器處于完全不同的開發階段(見圖4)，從技術高度化、實用化的觀點來看，可以分為以下幾大階段：開發新的傳感器元件的階段；進行小型化、集成化的階段；發展信息處理及識別技術的階段。
處于較領先地位的是聽覺傳感器與視覺傳感器，此類傳感器在信息處理、識別技術上的發展驚人。不久，應該就可以從超高速動態影像中提取出各種信息，并擴大人類視野，可以看到以前人類看不到的地方。
上述五感傳感器開發的共通之處就是技術發展都充分參考了生物體的結構。不光是開發仿真人類感覺的傳感器，而且還在致力于開發大大超越人的感覺及能力的傳感器。
下文將從傳感器元件的初級開發階段開始，按觸覺、嗅覺、味覺、聽覺、視覺的順序，對各傳感器的最前沿技術進行介紹。
觸覺 目標是具有人類皮膚的觸覺
接觸是人類最基本的交流手段之一。觸覺傳感器技術的提高，將有利于開發更具易用性的電子產品。但是，從目前所有集成了觸覺傳感器的系統來看，大部分還處于傳感器元件開發的初級階段。
在觸覺傳感器中，觸摸式傳感器技術從以前就被當作用戶界面使用，PC的鼠標也可說是觸覺傳感器的一種，而筆記本電腦等的觸摸板早在上世紀90 年代初就已上市。
上述傳感器中采用了各種各樣的技術(見表2)。例如，用間隔層隔開X、Y軸的布線，檢測X、Y軸上通過光線的過濾情況；使用聲波或超聲波檢測靜電容量的變化等技術。雖然各類技術有各自的特征及研究課題，但大部分技術都只是輸出觸摸板上的二維位置信息，而且只能同時檢測1 點的信息。 通過這1 點的位置信息所進行的操作，在使用上是難以大幅超越鼠標的。
觸覺傳感器技術最近已真正開始實用化，而且具有非常高的性能。具體來說，業界正在進行以下三大方面的新技術開發(見圖5)：大面積化、使用場所及應用的多樣化；目標是具有人類皮膚的感覺，不僅檢測位置，還將檢測力度、壓力、溫度、表面凹凸、有無摩擦等；利用CMOS 工藝等進行集成。
人日常所接觸到的家電將來也會向該方面發展，設備外表面將布滿觸摸傳感器。
早稻田大學的研究小組開發的看護機器人TWENDYONE 內嵌入了多種觸覺傳感器。胸與腕等處共計嵌入了164個8位分布式動力傳感器FSR(Force Sensing Register)，頭與手指上安裝的是6軸傳感器，可測量3軸的力與3軸的力矩。在手掌的硅橡膠人工皮膚下，還安裝了美國PPS(Pressure Profile Systems)公司的觸覺傳感膜，可檢測微小的壓力，并且可以抓住柔軟的物體。每只手掌上有241個感應點。
與人的手指相比，這種密度自然不算高。不過如果從機器人的整體性能來看，目前還無需更高的密度。以往的觸覺傳感器僅僅用來檢測位置，但實際上人觸摸機器人時，觸摸的方式不同，所包含的情感信息也不同，十分復雜。早稻田大學的菅野教授表示，此次的機器人TWENDYONE 里就安裝了可以控制這類復雜信息的傳感器。
根據脈搏測出血管年齡
PPS 公司觸覺傳感器的布線在X、Y軸上用間隔層隔開，并設置了柔軟的壓膜，通過該壓膜可以掃描檢查加壓時X、Y軸上布線寄生電容的變化。目前的分辨率間距為2.0mm～2.5mm。由于可以隨時間變化進行檢測，所以可以將壓力變化通過PC 等進行圖形化。
PPS公司的日本代理表示，上述觸覺傳感膜已經被業界各廠商們廣泛使用。現在的主要應用包括：汽車輪胎的抓地力、假牙的咬合力與舌壓、燃料電池各單元之間的壓力測量等，最近在美國已開始用于臨場乳癌觸診及血壓測量。一般來說，乳癌觸診必須要有一定經驗，但通過用傳感器將經驗數值化之后，就可以將診斷水平標準化。當做為血壓計使用時，傳感器可通過脈搏波形的細微變化判斷出血管年齡。
追求易用性
在觸覺傳感器的應用方面，最近備受關注的應該是手機。日本鳥取三洋電機與三洋電機集團領先其他公司一步，率先在手機上安裝了觸摸傳感器，而且并不是用于液晶屏，而是用在撥號鍵盤上。該功能被稱為Smooth Touch，只需要用手指觸劃就可以輸入文字或進行拍照等操作。最初是在于2006年10月上市的W42SA 手機上集成了該功能，之后的W54SA、W61SA上也集成了同樣的功能，以帶給用戶更人性化的操作體驗。
三洋電機在收集了手機用戶的反饋意見后發現，如果是在液晶屏上安裝觸摸傳感器，大多數用戶會不太習慣用兩只手使用手機的方式，而且還有人覺得用手指觸摸很容易弄臟屏幕。因此，該公司就不再讓人適應設備，而是采取了新的方式，讓設備迎合人的習慣。Smooth Touch 功能據說可以單手操作。
不接觸外殼也可以操作
三洋電機并未公布開發觸摸傳感器的具體公司。但像這種嵌入在設備外殼上的觸摸傳感器大多是靜電容量型產品，如意法半導體、日本阿爾卑斯電氣等公司開發的產品。靜電容量型產品的特征是可以通過塑料外殼檢測到手指。只要人的手指接近，就可檢測出電場的變化。因此，無需直接接觸傳感器就可以對人的手指做出反應。
在CEATEC JAPAN 2007展會上，以日本阿爾卑斯電氣公司為首，多家公司都進行了靜電容量型觸摸傳感器的現場演示，演示中手即使離機殼15cm~20cm，也可以操控游戲。雖然傳感器元件自身也進行了一定的完善，但最主要的是利用了錯誤校正電路，目前已經可以檢測出100aF左右的微小靜電容量的變化。
類似人類感官的高靈敏度
也有企業在開發類似人體感官的傳感器觸覺結構。CMC技術開發公司就利用被稱為CMC 的線圈狀碳纖維制作了多款觸覺傳感器(見圖6)。所謂CMC就是將2 根直徑約1μm 的碳素纖維繞合成線圈狀，線圈直徑大約5μm～10μm，長度約300μm。
使用CMC 的優點就是其體積很小，僅有0.1mm2，但靈敏度非常高。其最小感知壓力為1Pa，最小感知位移為 0.1μm。并且與靜電容量型傳感器一樣，無需直接接觸，只要把手靠近，就可檢測到手的接近。而且，當刺激不同時，也會顯示不同的波形，所以可以分辨刺壓、摩擦的細微區別。如果能使傳感器元件表面像人的指紋一樣凹凸不平，那么靈敏度將更高。
還有一種在橡膠里加入碳素粉末的觸覺傳感器，被稱為感壓導電橡膠，根本無需使用CMC。不過，感壓導電橡膠的傳感方式不同，是根據應力檢測電流的變化。因此如果要保證靈敏度，傳感器大小就需要幾mm。
CMC技術開發公司已經開發了多款產品，準備用于各種設想的應用，現正處于樣品出貨階段。例如，可裝在電梯門或機械臂上，用來檢測人手的接近，以防止夾傷手；或者裝在醫用導管上，用來檢測血管壁與導管的接觸情況。
模仿可讀盲文的手指
另外，科學家們還在嘗試模仿其他人類觸覺的研究。例如，人指的觸覺功能不光是接觸與壓力，還包括可以檢測溫度的溫覺，而且具有很強的空間分辨能力，可以區分1mm~2mm 的凹凸。
日本豐橋技術科學大學電氣電子專業準教授高尾英邦所領導的研究小組，已實現了人指的溫覺及空間分析能力，接下來的目標是開發具有時間分析能力的超越人類感覺的觸覺傳感器。
目前該小組已經制作了多個可感覺溫度并分辨細微空間差別的觸覺圖形傳感器。該傳感器有幾mm2，其中排列了36 個像素，每個像素的大小約為150μm2~420μm2。每個像素里集成了應力傳感器與溫度傳感器(見圖7a)。在該傳感器中，傳感器元件呈陣列狀排在感應面，當元件內部形成空氣壓時，感應面會凸出。設計的原理就是通過凸出的感應面壓向接觸面，從而測量凹凸及溫度等。
應力傳感器采用了硅壓阻元件。當硅壓阻元件的硅受到應力時，電阻就會發生變化。應力傳感器就是利用這一原理進行檢測的。溫度傳感器所采用的熱電偶使用了PIN硅。整個芯片采用Post CMOS 工藝制造。
高尾英邦表示，目前該芯片已具有足夠的分辨率，可以嵌入IC 卡用于指紋識別、或用于讀取點字。目前每個像素的小型化目標是100μm2，將來還可以更小。高尾英邦還表示：“MEMS的高度一般只有幾μm，如果可以用來分辨如此細微的凹凸，那么現在由于原子力顯微鏡(AFM)過大而無法使用的場合，或者無法測量非常狹小部位的問題，全部都將得以解決。”
另一方面，其時間分析能力大約為2kHz 左右， 已經超過人指約1kHz 的時間分析能力(見圖7b)。不過，該傳感器現在對于音壓的靈敏度仍然較低，如果能進一步提高靈敏度，將來應該可以取代硅麥克風。
增大面積時布線大幅增加
目前業界也正在研究如何增大面積，也就是將上述觸覺傳感器遍布到電子設備的外殼、顯示器、墻壁等，以及如何通過小型化、高集成化來達到可與人指媲美的感應能力。但是，大面積化與集成化實際上是有沖突的，這就是安裝傳感器時布線數過多的問題。克服這一問題雖然有多種方法，但尚未有最終結論。
日本電氣通信大學智能機械專業教授下條誠認為，人指觸覺小體的密度大約是1500 個/cm3，再加上其他感覺器官及負責感應痛覺的游離神經末梢，人手上大約有1.7萬根神經纖維。這種結構很難通過傳感器實現。
目前一種方法是采用動態矩陣。動態矩陣與采用X、Y布線連接各傳感器的圖像傳感器一樣，都使用了TFT(薄膜晶體管)。但此方法有一個缺點，當增加傳感器數量時，掃描時間會變長，因此會降低應答速度。據說一般機器人的應答速度都大于1ms。
另一種方法就是利用無線技術。東京大學大學院信息理工系研究科系統信息學專業準教授筱田裕之開發了直接使用RF 信號的二維通信膜，雖然是有線的，但傳感單元之間無需布線。不過，無線主要是面向廣播或多播通信，所以怎樣區分每個傳感單元，以及怎樣避免通信堵塞都是需要解決的課題。
此外還有一種方法是：當需要特別高的空間分析能力時，采用陣列式傳感器；而無需高空間分析能力時，就干脆減少傳感器的密度。人體本身其實也采用了這種方式。日本豐橋技術科學大學的高尾教授也采取了這種方法，但當應用面積大大超過人體面積時，還是有局限性。
電氣通信大學下條教授的研究小組與日本藤倉公司開發了新的傳感器元件，不管在多大的面積上，都只需4根布線，并且不會影響應答性與分辨率。該技術將電流的面積積分改寫成一元積分，然后根據流過觸覺傳感膜周圍的電流，計算出人與物體所接觸的位置。其重點在于計算出電流動量重心。下條教授的研究小組正在開發應用此技術的系統，在走廊下全部鋪上觸覺傳感膜，并根據走路方式的不同來識別人。
但這種方式仍然有缺點，它無法同時檢測多個接觸點的位置。不過，如果將布線數增加到7根，就可以克服此缺點，該技術據說已經成熟，并且成功制作了樣品。
嗅覺 活用氣味中的信息
人們開始漸漸了解生物嗅覺的真諦及隱藏在各種氣味里的信息。模擬嗅覺功能的傳感器發展也與此步調一致，應用于各領域的機會進一步擴大。
人類并不能有意識地發出特定氣味。因此，嗅覺傳感器應用于電子設備的用戶界面時，與集成視覺、聽覺、觸覺傳感器時的方法不同。人類利用設備的視覺、聽覺、觸覺，可以有意識地通過表情、聲音、動作來控制設備。但是，以氣味為媒介的用戶界面，卻可用來將人本身的狀態通知給設備。設備通過人類發出的氣味得到相應信息，從而做出判斷要執行什么樣的動作。比如，集成嗅覺傳感器后，設備就可以診斷疾病。
兩大應用
用傳感器檢測氣味的方法主要分為兩種(見圖8)。其中一種是氣體傳感器，其采用多個對特定氣體濃度可做出反應的傳感器，來檢測發出氣味的味源物質濃度。另一種方法就是模擬人類嗅覺功能的生物傳感器。前者已經開始實用化，后者尚處于研發階段。
此外，還需要使用被稱為主成分分析的統計方法以及神經網絡等，用于識別味源物質的結構與氣味的對應關系。此類應用大多是工業用大規模分析設備或者特定應用范圍的小型設備。
另一方面，如果使用生物傳感器，那就可通過檢測結果與氣味的對應關系再現人的感覺。不過，現在的氣體傳感器尚未達到那種高度逼真的程度，將來是否能實現也尚未明確。對于嗅覺結構來說，目前仍處于初級研究階段，還沒有辦法完全模擬。
通過分析技術提高選擇性
以氣體傳感器為基礎的工業用嗅覺傳感器已經上市，在實際應用中主要用來開發食品等。
氣體傳感器技術開發的關鍵在于提高靈敏度與選擇性。隨著分析結果與氣味之間對應關系的建立、以及主成分分析等模式識別技術的進步，性能方面已經大幅增強。
氣體傳感器有半導體式、電氣化學式、接觸燃燒式等多種類型(見圖9)，各類傳感器可檢測的氣體濃度范圍及使用性各不相同。其中嗅覺傳感器大多采用了半導體氣體傳感器。
半導體氣體傳感器不光靈敏度高，而且應答速度快，穩定性也好，而且容易維護。日產汽車開發了新的系統，通過檢測酒精濃度來防止酒后駕駛。
不過，半導體氣體傳感器的選擇性較差，也就是說，在區別不同種類的氣體時，其檢測能力較差。但是，最近信息處理技術的發展已經可以彌補這一缺陷。例如通過比較多個不同特性的傳感器所輸出的結果，并進行主成分分析等，然后換算成所檢測氣體的濃度。雖然傳感器元件仍是原來的產品，但識別氣體的能力得到了提高。
使用了上述半導體氣體傳感器的嗅覺傳感器已經上市，目前主要用于食品的開發及品質管理。在日本，市場占有率最高的是島津制作所的FF-2A(見圖 10)，該裝置可以通過咖啡的香味來區分是摩卡咖啡還是乞力馬扎羅咖啡。FF-2A 內安裝了10 個半導體氣體傳感器，可以檢測硫化氫類、硫黃類、氨類、胺類、有機酸類、醛類、酯類、芳香族類、碳化氫類等9種類型的氣味，并能將分析結果用雷達圖表示出來。
最近嗅覺傳感器在醫療領域的應用引起人們關注，其原理就是當人類生病時會發出各種氣味，不同疾病的氣味不同。
幽門桿菌是引起胃炎與胃潰瘍的主要原因。目前已有半導體氣體傳感器可以檢測CO2(二氧化碳)的濃度，從而判斷此病菌是否存在。而且此類氣體傳感器已經應用到設備上，在日本已認定為醫療設備。在美國等國家也在進行各種疾病與氣味關系的研究，并在討論是否適用于實際診斷(見表2)。
發出氣味的電視
在嗅覺傳感器應用方面，氣味顯示屏也備受人們關注。通過此類傳感器可將氣味數值化，并可以進行保存、傳輸等。它可用來將多種氣味混合制作出好聞的氣味，或者使電視可以根據播放的圖像釋放出相應的氣味。以大學為首，已有多家研究機構加入相關技術的開發行列。
東京工業大學準教授中本高道所領導的研究小組就研發了再現氣味的技術，可將發送方嗅覺傳感器所檢測到的氣味數值化，然后在此基礎上對32種主要氣味成分進行調配，從而人工再現氣味。雖然味源物質少于實際水果所含的物質，但已經可以基本仿真原物的氣味。（未完待續）
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