Sensor

Ein Sensor wird im Allgemeinen als ein Gerät bezeichnet, das dazu dient, ein Signal oder einen Reiz zu empfangen und darauf zu reagieren. Dieser Reiz stellt die physikalische Größe, Eigenschaft oder den Zustand dar, der erkannt und anschließend in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.

Im weitesten Sinne stellt ein Sensor ein Gerät, Modul, eine Maschine oder ein Subsystem dar, das in der Lage ist, Ereignisse oder Veränderungen in der Umgebung zu erkennen und diese Informationen an andere elektronische Komponenten, häufig einen Computerprozessor, zu übertragen.

Sensoren wie Passiv-Infrarot (PIR) oder Berührungssensoren sind in gängige Objekte wie berührungsempfindliche Aufzugstasten (taktile Sensoren) und Lampen integriert, die die Helligkeit über Basiskontakt anpassen. neben unzähligen anderen Anwendungen, die von der breiten Öffentlichkeit oft unbemerkt bleiben. Fortschritte bei Mikromaschinen und zugänglichen Mikrocontroller-Plattformen haben die Sensoranwendungen über herkömmliche Temperatur-, Druck- und Durchflussmessungen hinaus erweitert und erstrecken sich beispielsweise auf MARG-Sensoren.

Analogsensoren, einschließlich Potentiometer und Kraftmesswiderstände, werden weiterhin häufig eingesetzt. Ihr Nutzen erstreckt sich über Fertigung, Maschinen, Luft- und Raumfahrt, Automobilsysteme, Medizin, Robotik und zahlreiche andere Aspekte des täglichen Lebens. Für die Quantifizierung der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Materialien gibt es eine Vielzahl zusätzlicher Sensoren, darunter optische Sensoren für den Brechungsindex, Vibrationssensoren für die Flüssigkeitsviskosität und elektrochemische Sensoren für die pH-Überwachung von Flüssigkeiten.

Die Empfindlichkeit eines Sensors quantifiziert die Änderung seiner Ausgabe im Verhältnis zu einer Änderung der gemessenen Eingabemenge. Wenn sich beispielsweise die Quecksilbersäule eines Thermometers bei einer Temperaturschwankung von 1 °C um 1 cm verschiebt, beträgt seine Empfindlichkeit 1 cm/°C (was im Wesentlichen die Steigung dy/dx unter der Annahme einer linearen Charakteristik darstellt). Bestimmte Sensoren können auch die von ihnen gemessene Eigenschaft beeinflussen. Wenn Sie beispielsweise ein Raumtemperaturthermometer in eine heiße Flüssigkeit einführen, wird diese abgekühlt und gleichzeitig das Thermometer erwärmt. Sensoren sind in der Regel so konstruiert, dass sie nur minimale Auswirkungen auf die gemessene Eigenschaft haben. Durch die Reduzierung der Sensorgröße wird diese Eigenschaft häufig verbessert und kann zusätzliche Vorteile mit sich bringen.

Fortschritte in der Technologie erleichtern die Massenproduktion von Sensoren im mikroskopischen Maßstab, sogenannten Mikrosensoren, unter Verwendung der MEMS-Technologie. Typischerweise erreichen Mikrosensoren im Vergleich zu ihren makroskopischen Gegenstücken wesentlich schnellere Messzeiten und eine höhere Empfindlichkeit. Aufgrund ihrer Erschwinglichkeit und einfachen Bedienung besteht eine wachsende Nachfrage nach Einwegsensoren für die Kurzzeitüberwachung oder Einzelmessungen. Diese Kategorie von Sensoren ermöglicht die Datenerfassung, ohne dass eine Neukalibrierung erforderlich ist oder das Risiko einer möglichen Kontamination besteht.

Kategorisierung von Messfehlern

Ein effektiver Sensor folgt den folgenden Prinzipien:

• Es reagiert empfindlich auf die zu messende Eigenschaft.
• Es zeigt Unempfindlichkeit gegenüber allen anderen Eigenschaften, die möglicherweise in seiner Betriebsumgebung vorhanden sind.
• Es hat keinen Einfluss auf die gemessene Eigenschaft.

Die meisten Sensoren weisen eine lineare Übertragungsfunktion auf, wobei die Empfindlichkeit als das Verhältnis des Ausgangssignals zur gemessenen Eigenschaft definiert ist. Wenn ein Sensor beispielsweise die Temperatur quantifiziert und einen Spannungsausgang erzeugt, bleibt seine Empfindlichkeit konstant, ausgedrückt in Einheiten von [V/K]. Diese Empfindlichkeit entspricht der Steigung der Übertragungsfunktion. Um die elektrische Ausgabe des Sensors (z. B. V) in die entsprechenden Messeinheiten (z. B. K) umzuwandeln, muss die elektrische Ausgabe durch die Steigung geteilt (oder mit ihrem Kehrwert multipliziert) werden. Darüber hinaus wird häufig ein Offset angewendet, entweder addiert oder subtrahiert. Wenn beispielsweise ein 0-V-Ausgang einen Eingang mit −40 °C bedeutet, müssen −40 zum Ausgangswert addiert werden.

Um die Verarbeitung oder Nutzung in digitalen Geräten zu ermöglichen, muss ein analoges Sensorsignal über einen Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt werden.

Sensorleistungsabweichungen

Da Sensoren nicht in der Lage sind, eine ideale Übertragungsfunktion perfekt nachzubilden, können verschiedene Arten von Abweichungen auftreten, die die Sensorgenauigkeit beeinträchtigen:

• Angesichts des inhärent begrenzten Bereichs eines Ausgangssignals wird es letztendlich einen minimalen oder maximalen Wert erreichen, wenn die gemessene Eigenschaft ihre definierten Grenzen überschreitet. Der Vollbereich beschreibt diese maximal und minimal zulässigen Werte für die gemessene Eigenschaft.
• In praktischen Anwendungen kann die tatsächliche Empfindlichkeit von ihrem angegebenen Wert abweichen, ein Phänomen, das als Empfindlichkeitsfehler bezeichnet wird. Dies stellt eine Ungenauigkeit in der Steigung einer linearen Übertragungsfunktion dar.
• Sollte das Ausgangssignal um einen konstanten Betrag vom genauen Wert abweichen, weist der Sensor einen Offsetfehler oder eine Vorspannung auf. Dies stellt einen Fehler im y-Achsenabschnitt einer linearen Übertragungsfunktion dar.
• Nichtlinearität stellt die Abweichung der Übertragungsfunktion eines Sensors von einer idealen linearen Beziehung dar. Diese Abweichung wird typischerweise als Differenz zwischen der tatsächlichen Ausgabe und dem theoretisch idealen Verhalten über den gesamten Betriebsbereich des Sensors quantifiziert, häufig ausgedrückt als Prozentsatz dieses gesamten Bereichs.
• Ein dynamischer Fehler entsteht durch Abweichungen, die durch schnelle zeitliche Schwankungen der gemessenen Eigenschaft verursacht werden. Dieses charakteristische Verhalten wird häufig mithilfe eines Bode-Diagramms veranschaulicht, das den Empfindlichkeitsfehler und die Phasenverschiebung als Funktionen der Frequenz des periodischen Eingangssignals darstellt.
• Drift ist eine allmähliche Änderung des Ausgangssignals, die unabhängig von der gemessenen Eigenschaft auftritt. Eine längere Drift, die sich über Monate oder Jahre erstreckt, ist typischerweise auf physikalische Veränderungen im Sensor selbst zurückzuführen.
• Rauschen stellt eine zufällige, zeitlich variierende Abweichung innerhalb des Signals dar.
• Ein Hysteresefehler tritt auf, wenn der Ausgabewert von den vorhergehenden Eingabewerten abhängt. Insbesondere wenn sich die Ausgabe eines Sensors unterscheidet, wenn man sich einem bestimmten Eingabewert nähert, indem man die Eingabe erhöht oder verringert, dann liegt ein Hysteresefehler vor.
• Bei Sensoren mit digitalem Ausgang stellt der Ausgang grundsätzlich eine Annäherung an die gemessene Eigenschaft dar. Diese besondere Art von Fehler wird als Quantisierungsfehler bezeichnet.
• Wenn ein Signal digital überwacht wird, kann die Abtastfrequenz zu einem dynamischen Fehler führen. Darüber hinaus können Aliasing-Fehler auftreten, wenn die Eingangsvariable oder ein überlagertes Rauschen periodische Änderungen mit einer Frequenz aufweist, die einem Vielfachen der Abtastrate entspricht.
• Sensoren können eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber Eigenschaften aufweisen, die sich von der gemessenen primären Eigenschaft unterscheiden. Beispielsweise werden die meisten Sensoren von der Umgebungstemperatur ihrer Betriebsumgebung beeinflusst.

Alle oben genannten Abweichungen können entweder als systematische oder zufällige Fehler kategorisiert werden. Systematische Fehler können gelegentlich durch verschiedene Kalibrierungsmethoden ausgeglichen werden. Rauschen, eine Form von Zufallsfehlern, kann durch Signalverarbeitungstechniken wie Filterung gemindert werden, obwohl dies oft einen Kompromiss bei der dynamischen Leistung des Sensors mit sich bringt.

Auflösung

Die Sensorauflösung, auch Messauflösung genannt, bezeichnet die minimal wahrnehmbare Änderung der Messgröße. Bei Sensoren, die einen digitalen Ausgang erzeugen, entspricht die Auflösung normalerweise der numerischen Auflösung dieses digitalen Signals. Während die Auflösung mit der Präzision einer Messung zusammenhängt, sind diese Konzepte unterschiedlich. Die Genauigkeit eines Sensors kann wesentlich geringer sein als seine Auflösung.

• Zum Beispiel bezieht sich die Entfernungsauflösung auf die kleinste Entfernung, die mit einem Entfernungsmessgerät genau gemessen werden kann. Im Zusammenhang mit einer Flugzeitkamera entspricht die Entfernungsauflösung üblicherweise der Standardabweichung (Gesamtrauschen) des Signals, ausgedrückt in Längeneinheiten.
• Ein Sensor kann gegenüber Merkmalen empfindlich sein, die über sein primäres Messziel hinausgehen. Beispielsweise wirkt sich die Umgebungstemperatur häufig auf die Leistung vieler Sensortypen aus.

Chemischer Sensor

Ein chemischer Sensor fungiert als eigenständiges Analyseinstrument, das Daten über die chemische Zusammensetzung des umgebenden Mediums, egal ob Flüssigkeit oder Gas, liefern kann. Diese Informationen werden als quantifizierbares physikalisches Signal übermittelt, das mit der Konzentration einer bestimmten chemischen Spezies, dem sogenannten Analyten, korreliert. Der Betrieb eines chemischen Sensors umfasst zwei Hauptschritte: Erkennung und Transduktion. Während der Erkennungsphase interagieren Analytmoleküle selektiv mit Rezeptormolekülen oder Stellen, die im Erkennungselement des Sensors eingebettet sind. Diese Wechselwirkung verändert anschließend einen charakteristischen physikalischen Parameter, und diese Änderung wird dann von einem integrierten Wandler gemeldet, der das Ausgangssignal erzeugt. Ein Biosensor ist eine Art chemischer Sensor, der Erkennungsmaterialien biologischen Ursprungs nutzt. Dennoch verliert mit der zunehmenden Verwendung synthetischer biomimetischer Materialien als Ersatz für biologische Erkennungselemente eine strenge Unterscheidung zwischen Biosensoren und herkömmlichen chemischen Sensoren an Bedeutung. Zu den gängigen biomimetischen Materialien, die bei der Sensorentwicklung eingesetzt werden, gehören molekular geprägte Polymere und Aptamere.

Chemisches Sensorarray

Biosensor

In der Biomedizin und Biotechnologie werden Biosensoren als Sensoren definiert, die Analyten über eine biologische Komponente wie Zellen, Proteine, Nukleinsäuren oder biomimetische Polymere erkennen. Umgekehrt wird ein nichtbiologischer Sensor, auch wenn er organisch ist (basierend auf der Kohlenstoffchemie), der für biologische Analyten entwickelt wurde, einfach als Sensor oder Nanosensor bezeichnet. Diese Nomenklatur gilt sowohl für In-vitro- als auch für In-vivo-Anwendungen. Die Einkapselung der biologischen Komponente in Biosensoren stellt im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren eine besondere Herausforderung dar. Dies kann entweder durch eine semipermeable Barriere wie eine Dialysemembran oder ein Hydrogel oder durch den Einsatz einer 3D-Polymermatrix erreicht werden, die das sensorische Makromolekül physikalisch oder chemisch einschränkt, indem sie es an das Gerüst bindet.

Neuromorphe Sensoren

Neuromorphe Sensoren sind so konstruiert, dass sie die Strukturen und Funktionen biologischer neuronaler Einheiten physikalisch nachahmen. Ein prominentes Beispiel dieser Technologie ist die Eventkamera.

MOS-Sensoren

Nach der Erfindung des MOSFET in den Bell Labs zwischen 1955 und 1960 wurden anschließend MOSFET-Sensoren (auch als MOS-Sensoren bekannt) entwickelt. Diese Sensoren werden seitdem weit verbreitet zur Messung verschiedener physikalischer, chemischer, biologischer und Umweltparameter eingesetzt.

Biochemische Sensoren

Eine vielfältige Reihe von MOSFET-Sensoren wurde entwickelt, um physikalische, chemische, biologische und Umweltparameter zu messen. Zu den ersten MOSFET-Sensorinnovationen gehören der 1970 von Johannessen eingeführte Open-Gate-Feldeffekttransistor (OGFET); der ionenempfindliche Feldeffekttransistor (ISFET), 1970 von Piet Bergveld erfunden; der Adsorptions-FET (ADFET), patentiert von P.F. Cox im Jahr 1974; und ein wasserstoffempfindlicher MOSFET, demonstriert von I. Lundstrom, M.S. Shivaraman, C.S. Svenson und L. Lundkvist im Jahr 1975. Der ISFET ist eine spezielle MOSFET-Variante, die durch ein in einem bestimmten Abstand positioniertes Gate gekennzeichnet ist, wobei das herkömmliche Metall-Gate durch eine ionenempfindliche Membran, eine Elektrolytlösung und eine Referenzelektrode ersetzt wird. Der ISFET wird umfassend in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt, darunter DNA-Hybridisierungserkennung, Biomarkererkennung aus Blut, Antikörpererkennung, Glukosemessung, pH-Sensorik und Gentechnik.

Mitte der 1980er Jahre entstanden zahlreiche andere MOSFET-Sensoren, wie der Gassensor-FET (GASFET), der oberflächenzugängliche FET (SAFET), der Ladungsflusstransistor (CFT), der Drucksensor-FET (PRESSFET), der chemische Feldeffekttransistor (ChemFET) und der Referenz-ISFET (REFET), Biosensor-FET (BioFET), enzymmodifizierter FET (ENFET) und immunologisch modifizierter FET (IMFET). In den frühen 2000er Jahren gab es weitere Fortschritte bei den BioFET-Typen, darunter der DNA-Feldeffekttransistor (DNAFET), der genmodifizierte FET (GenFET) und der Zellpotential-BioFET (CPFET).

Bildsensoren

Die MOS-Technologie bildet die grundlegende Grundlage für moderne Bildsensoren und umfasst sowohl das ladungsgekoppelte Gerät (CCD) als auch den CMOS-Aktivpixelsensor (CMOS-Sensor), die in digitale Bildgebung und Digitalkameras integriert sind. Willard Boyle und George E. Smith entwickelten 1969 den CCD. Ihre Forschungen zum MOS-Prozess ergaben, dass eine elektrische Ladung als Analogie zu einer Magnetblase dienen und auf einem winzigen MOS-Kondensator gespeichert werden könnte. Da sie erkannten, wie einfach es ist, eine Reihe von MOS-Kondensatoren nacheinander herzustellen, legten sie eine geeignete Spannung an, um die sequenzielle Ladungsübertragung von einem Kondensator zum nächsten zu ermöglichen. Der CCD ist eine Halbleiterschaltung, die später in den ersten digitalen Videokameras für Fernsehübertragungen eingesetzt wurde.

Der MOS-Aktivpixelsensor (APS) wurde 1985 von Tsutomu Nakamura bei Olympus entwickelt. Anschließend wurde der CMOS-Aktivpixelsensor Anfang der 1990er Jahre von Eric Fossum und seinem Forschungsteam entwickelt.

MOS-Bildsensoren werden häufig in der optischen Maustechnologie eingesetzt. Die erste optische Maus, die 1980 von Richard F. Lyon bei Xerox erfunden wurde, enthielt einen 5-μm-NMOS-Sensorchip. Seit der Einführung der ersten kommerziellen optischen Maus, der IntelliMouse, im Jahr 1999 verwenden die meisten optischen Mausgeräte CMOS-Sensoren.

Überwachungssensoren

MOS-Überwachungssensoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Wohn-, Büro- und Landwirtschaftsüberwachung; Verkehrsüberwachung (einschließlich Fahrzeuggeschwindigkeit, Staus und Unfälle); Wetterüberwachung (z. B. für Niederschlag, Wind, Blitz und Sturm); und Verteidigungsüberwachung. Sie erleichtern auch die Überwachung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftverschmutzung, Feuer, Gesundheit, Sicherheit und Lichtverhältnissen. MOS-Gasdetektorsensoren sind speziell für die Erkennung von Substanzen wie Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff und Ammoniak konzipiert. Zu den weiteren MOS-Sensoranwendungen gehören intelligente Sensoren und die Wireless Sensor Network (WSN)-Technologie.

Elektronische Sensoren

Moderne Zentraleinheiten (CPUs), Grafikprozessoren (GPUs) und Systems-on-a-Chip (SoCs) enthalten üblicherweise integrierte elektronische Sensoren zur Überwachung von Chiptemperaturen, Spannungen und Stromverbrauch.

Referenzen

Referenzen

Kretschmar, M. und Welsby, S. (2005). Kapazitive und induktive Wegsensoren. In J. Wilson (Hrsg.), Sensor Technology Handbook. Newnes: Burlington, MA.

• M. Kretschmar und S. Welsby (2005), Capacitive and Induction Displacement Sensors, in Sensor Technology Handbook, Herausgeber J. Wilson, Newnes: Burlington, MA.
• Grimes, C. A., Dickey, E. C. und Pishko, M. V. (2006). Enzyklopädie der Sensoren (10-bändiger Satz). Amerikanische wissenschaftliche Verlage. ISBN 1-58883-056-X.
• Blaauw, F. J., Schenk, H. M., Jeronimus, B. F., van der Krieke, L., de Jonge, P., Aiello, M. und Emerencia, A. C. (2016). Holen wir uns Physiqual – eine intuitive und generische Methode, um Sensorik mit ökologischen Momentanbewertungen zu kombinieren. Journal of Biomedical Informatics, vol. 63, Seiten 141–149.

• cbm-sweden.se/images/Seminarie/Class_Descriptions_IDA_MEMS.pdf (siehe archive.org/web/20160304105724/cbm-sweden.se/images/Seminarie/Class_Descriptions_IDA_MEMS.pdf)