حسگر معمولاً به عنوان وسیله ای طراحی شده برای دریافت و واکنش به یک سیگنال یا محرک مشخص می شود. این محرک کمیت، ویژگی یا شرایط فیزیکی را نشان میدهد که شناسایی میشود و متعاقباً به سیگنال الکتریکی تبدیل میشود.
به طور کلی، حسگر یک دستگاه، ماژول، ماشین یا زیرسیستم را تشکیل میدهد که میتواند رویدادها یا تغییرات محیطی را تشخیص دهد و این اطلاعات را به سایر اجزای الکترونیکی، اغلب پردازندههای کامپیوتری، مانند پردازندههای کامپیوتری، حسگرهای لمسی، پاسیو، fra، منتقل کند.
در اشیاء معمولی مانند دکمههای آسانسور حساس به لمس (حسگرهای لمسی) و لامپهایی که روشنایی را از طریق تماس پایه تنظیم میکنند، در کنار برنامههای بیشماری دیگر که اغلب توسط عموم مردم متوجه نمیشوند، یکپارچه شده است. پیشرفت در ریزماشینها و پلتفرمهای میکروکنترلر قابل دسترس، کاربردهای حسگر را فراتر از اندازهگیریهای معمولی دما، فشار و جریان گسترش داده است، بهعنوان مثال، به سنسورهای MARG گسترش یافته است.
حسگرهای آنالوگ، از جمله پتانسیومترها و مقاومتهای سنجش نیرو، همچنان بهطور گسترده مورد استفاده قرار میگیرند. کاربرد آنها شامل تولید، ماشین آلات، هوانوردی، هوافضا، سیستم های خودرو، پزشکی، روباتیک و بسیاری از جنبه های زندگی روزمره می شود. مجموعه متنوعی از حسگرهای اضافی برای تعیین کمیت ویژگیهای شیمیایی و فیزیکی مواد، شامل حسگرهای نوری برای ضریب شکست، حسگرهای ارتعاشی برای ویسکوزیته سیال، و سنسورهای الکتروشیمیایی برای نظارت بر pH مایعات وجود دارد.
حساسیت یک سنسور تغییر در خروجی آن را نسبت به تغییر کمیت اندازهگیری میکند. به عنوان مثال، اگر ستون جیوه دماسنج برای تغییر دمای 1 درجه سانتیگراد، 1 سانتیمتر جابهجا شود، حساسیت آن 1 سانتیمتر در درجه سانتیگراد است (به طور اساسی نشاندهنده شیب dy/dx تحت یک فرض مشخصه خطی است). برخی حسگرها نیز ممکن است بر خاصیتی که اندازهگیری میکنند تأثیر بگذارند. به عنوان مثال، وارد کردن دماسنج با دمای اتاق در یک مایع داغ، مایع را خنک می کند و در عین حال دماسنج را گرم می کند. سنسورها معمولاً طوری طراحی می شوند که کمترین تأثیر را بر ویژگی اندازه گیری شده داشته باشند. کاهش اندازه حسگر اغلب این ویژگی را افزایش میدهد و میتواند مزایای بیشتری به همراه داشته باشد.
پیشرفتها در فناوری، تولید انبوه حسگرها را در مقیاس میکروسکوپی، که به عنوان میکروسنسورها شناخته میشوند، با استفاده از فناوری MEMS تسهیل میکند. به طور معمول، ریزحسگرها در مقایسه با همتایان ماکروسکوپی خود، زمان اندازهگیری سریعتر و حساسیت بیشتری را به دست میآورند. تقاضای فزاینده ای برای سنسورهای یکبار مصرف برای نظارت کوتاه مدت یا اندازه گیری های تک شات وجود دارد که به دلیل مقرون به صرفه بودن و سادگی عملیاتی آنها است. این دسته از حسگرها جمعآوری دادهها را بدون نیاز به کالیبراسیون مجدد یا خطر آلودگی احتمالی ممکن میسازد.
دسته بندی خطاهای اندازه گیری
یک حسگر موثر به اصول بعدی پایبند است:
- حساسیت به خاصیت اندازه گیری شده نشان می دهد.
- بیحساسیت را نسبت به سایر ویژگیهای موجود در محیط عملیاتی آن نشان میدهد.
- بر ویژگی اندازهگیری شده تأثیری ندارد.
اکثر سنسورها تابع انتقال خطی را نشان میدهند، که در آن حساسیت به عنوان نسبت سیگنال خروجی به ویژگی اندازهگیری شده تعریف میشود. به عنوان مثال، اگر یک سنسور دما را کمیت کند و یک ولتاژ خروجی تولید کند، حساسیت آن ثابت میماند که بر حسب واحد [V/K] بیان میشود. این حساسیت با شیب تابع انتقال مطابقت دارد. برای تبدیل خروجی الکتریکی سنسور (به عنوان مثال V) به واحدهای اندازه گیری شده مربوطه (به عنوان مثال، K)، خروجی الکتریکی باید بر شیب تقسیم شود (یا در متقابل آن ضرب شود). علاوه بر این، یک افست اغلب اعمال می شود، یا اضافه یا کم می شود. برای مثال، اگر خروجی 0 ولت به معنای ورودی 40- درجه سانتی گراد باشد، باید 40- به مقدار خروجی اضافه شود.
برای فعال کردن پردازش یا استفاده در تجهیزات دیجیتال، سیگنال حسگر آنالوگ نیاز به تبدیل به سیگنال دیجیتال از طریق مبدل آنالوگ به دیجیتال دارد.
انحرافات عملکرد سنسور
از آنجایی که حسگرها قادر به تکثیر کامل یک تابع انتقال ایده آل نیستند، انواع مختلفی از انحرافات ممکن است رخ دهد که در نتیجه دقت سنسور را محدود می کند:
- با توجه به محدوده ذاتاً محدود سیگنال خروجی، زمانی که ویژگی اندازه گیری شده از مرزهای تعریف شده خود فراتر رود، در نهایت به یک مقدار حداقل یا حداکثر می رسد. محدوده مقیاس کامل این مقادیر حداکثر و حداقل مجاز را برای ویژگی اندازهگیری شده مشخص میکند.
- در کاربردهای عملی، حساسیت واقعی ممکن است از مقدار مشخص شده خود متفاوت باشد، پدیده ای که خطای حساسیت نامیده می شود. این نشان دهنده عدم دقت در شیب تابع انتقال خطی است.
- اگر سیگنال خروجی به مقدار ثابت از مقدار دقیق منحرف شود، سنسور خطای افست یا بایاس را نشان می دهد. این یک خطا در تقاطع y یک تابع انتقال خطی است.
- غیرخطی بودن نشان دهنده واگرایی تابع انتقال سنسور از یک رابطه خطی ایده آل است. این انحراف معمولاً بهعنوان تفاوت بین خروجی واقعی و رفتار ایدهآل نظری در کل محدوده عملیاتی سنسور تعیین میشود که اغلب به صورت درصدی از آن محدوده کامل بیان میشود.
- یک خطای دینامیکی از انحرافات ناشی از تغییرات زمانی سریع در ویژگی اندازه گیری شده ناشی می شود. این رفتار مشخصه اغلب با استفاده از نمودار Bode نشان داده می شود، که خطای حساسیت و تغییر فاز را به عنوان توابعی از فرکانس سیگنال ورودی دوره ای نشان می دهد.
- دریفت به عنوان یک تغییر تدریجی در سیگنال خروجی مشخص می شود که مستقل از ویژگی اندازه گیری شده رخ می دهد. رانش طولانی مدت، ماهها یا سالها، معمولاً از دگرگونیهای فیزیکی درون خود حسگر ناشی میشود.
- نویز یک انحراف تصادفی و متغیر با زمان در سیگنال ایجاد می کند.
- یک خطای پسماند زمانی ظاهر می شود که مقدار خروجی مشروط به مقادیر ورودی قبلی باشد. به طور خاص، اگر هنگام نزدیک شدن به یک مقدار ورودی خاص با افزایش ورودی در مقابل کاهش آن، خروجی سنسور متفاوت باشد، در این صورت یک خطای پسماند وجود دارد.
- برای حسگرهایی با خروجی دیجیتال، خروجی ذاتاً تقریبی از ویژگی اندازه گیری شده را نشان می دهد. این نوع خاص از خطا، خطای کوانتیزاسیون نامیده می شود.
- وقتی یک سیگنال به صورت دیجیتالی نظارت می شود، فرکانس نمونه برداری می تواند یک خطای دینامیکی ایجاد کند. علاوه بر این، اگر متغیر ورودی یا هر نویز اضافه شده تغییرات دورهای را با فرکانس تقریبی مضرب نرخ نمونهگیری نشان دهد، ممکن است خطاهای نامگذاری ایجاد شود.
- حسگرها میتوانند درجهای از حساسیت را نسبت به ویژگیهای متمایز از مشخصه اصلی اندازهگیری شده از خود نشان دهند. به عنوان مثال، اکثر سنسورها تحت تأثیر دمای محیط محیط عملیاتی خود قرار دارند.
همه این انحرافات ذکر شده به عنوان خطاهای سیستماتیک یا تصادفی قابل دسته بندی هستند. خطاهای سیستماتیک گهگاه قابل جبران از طریق روش های مختلف کالیبراسیون هستند. نویز که نوعی خطای تصادفی است، میتواند از طریق تکنیکهای پردازش سیگنال مانند فیلتر کردن کاهش یابد، اگرچه این اغلب مستلزم کاهش عملکرد دینامیکی حسگر است.
رزولوشن
رزولوشن حسگر، همچنین به عنوان رزولوشن اندازه گیری شناخته می شود، نشان دهنده حداقل تغییر قابل تشخیص در کمیت تحت اندازه گیری است. برای سنسورهایی که یک خروجی دیجیتال تولید می کنند، وضوح معمولاً با وضوح عددی سیگنال دیجیتال مطابقت دارد. در حالی که وضوح به دقت اندازه گیری مربوط می شود، این مفاهیم متمایز هستند. دقت سنسور می تواند به طور قابل ملاحظه ای کمتر از وضوح آن باشد.
- به عنوان مثال، رزولوشن فاصله به کوچکترین فاصله قابل اندازه گیری دقیق توسط هر ابزار اندازه گیری فاصله اشاره دارد. در زمینه دوربین زمان پرواز، وضوح فاصله معمولاً معادل انحراف استاندارد (نویز کل) سیگنال است که در واحد طول بیان میشود.
- یک حسگر ممکن است به ویژگیهایی فراتر از هدف اندازهگیری اولیه خود حساسیت نشان دهد. برای مثال، دمای محیط اغلب بر عملکرد بسیاری از انواع سنسور تأثیر میگذارد.
حسگر شیمیایی
یک حسگر شیمیایی بهعنوان یک ابزار تحلیلی مستقل عمل میکند که قادر به ارائه دادههای مربوط به ترکیب شیمیایی محیط اطراف خود، خواه مایع یا گاز است. این اطلاعات به عنوان یک سیگنال فیزیکی قابل اندازهگیری منتقل میشود که با غلظت یک گونه شیمیایی خاص که به عنوان آنالیت شناخته میشود، ارتباط دارد. عملکرد یک حسگر شیمیایی شامل دو مرحله اصلی است: شناسایی و انتقال. در طول مرحله تشخیص، مولکول های آنالیت به طور انتخابی با مولکول های گیرنده یا مکان های تعبیه شده در عنصر تشخیص حسگر درگیر می شوند. این تعامل متعاقباً یک پارامتر فیزیکی مشخصه را تغییر میدهد و این تغییر سپس توسط یک مبدل یکپارچه که سیگنال خروجی را تولید میکند گزارش میشود. بیوسنسور نوعی حسگر شیمیایی است که از مواد شناسایی با منشاء بیولوژیکی استفاده می کند. با این وجود، با افزایش پذیرش مواد بیومیمتیک مصنوعی به عنوان جایگزینی برای عناصر تشخیص بیولوژیکی، تمایز سخت بین حسگرهای زیستی و حسگرهای شیمیایی معمولی کمتر مرتبط میشود. مواد بیومیمتیک رایج مورد استفاده در توسعه حسگرها شامل پلیمرهای مولکولی و آپتامرها هستند.
آرایه سنسور شیمیایی
بیوسنسور
در زیستپزشکی و بیوتکنولوژی، حسگرهای زیستی به عنوان حسگرهایی تعریف میشوند که آنالیتها را از طریق یک جزء بیولوژیکی، مانند سلولها، پروتئینها، اسیدهای نوکلئیک یا پلیمرهای بیومیمتیک شناسایی میکنند. برعکس، یک حسگر غیر بیولوژیکی، حتی اگر آلی (براساس شیمی کربن) باشد، که برای آنالیت های بیولوژیکی طراحی شده است، به سادگی حسگر یا نانوحسگر نامیده می شود. این نامگذاری برای برنامه های کاربردی in vitro و in vivo اعمال می شود. محصور کردن جزء بیولوژیکی در حسگرهای زیستی یک چالش متمایز در مقایسه با حسگرهای معمولی است. این امر می تواند از طریق یک مانع نیمه تراوا، مانند غشای دیالیز یا هیدروژل، یا با استفاده از یک ماتریس پلیمری سه بعدی که از نظر فیزیکی یا شیمیایی، ماکرومولکول حسگر را با اتصال آن به داربست محدود می کند، به دست آید.
حسگرهای نورومورفیک
حسگرهای نورومورفیک برای تقلید فیزیکی ساختارها و عملکرد موجودات عصبی بیولوژیکی مهندسی شده اند. نمونه بارز این فناوری دوربین رویداد است.
حسگرهای MOS
به دنبال اختراع ماسفت در آزمایشگاههای بل بین سالهای 1955 تا 1960، سنسورهای ماسفت (همچنین به عنوان سنسورهای MOS شناخته میشوند) متعاقبا توسعه یافتند. از آن زمان این حسگرها برای اندازه گیری پارامترهای مختلف فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و محیطی استفاده گسترده ای پیدا کرده اند.
حسگرهای بیوشیمیایی
آرایه متنوعی از حسگرهای ماسفت برای اندازه گیری پارامترهای فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و محیطی ایجاد شده است. نوآوری های اولیه حسگر ماسفت شامل ترانزیستور اثر میدانی دروازه باز (OGFET) است که توسط Johannessen در سال 1970 معرفی شد. ترانزیستور اثر میدانی حساس به یون (ISFET) که توسط پیت برگولد در سال 1970 اختراع شد. FET جذب (ADFET)، ثبت شده توسط P.F. کاکس در سال 1974; و یک MOSFET حساس به هیدروژن، نشان داده شده توسط I. Lundstrom، M.S. Shivaraman، C.S. Svenson و L. Lundkvist در سال 1975. ISFET یک نوع MOSFET تخصصی است که با یک دروازه در یک فاصله خاص مشخص می شود، جایی که دروازه فلزی سنتی با یک غشای حساس به یون، یک محلول الکترولیت و یک الکترود مرجع جایگزین می شود. ISFET به طور گسترده در کاربردهای زیست پزشکی، از جمله تشخیص هیبریداسیون DNA، تشخیص نشانگر زیستی از خون، تشخیص آنتی بادی، اندازهگیری گلوکز، سنجش pH و فناوری ژنتیک استفاده میشود.
در اواسط دهه 1980، تعداد زیادی سنسور MOSFET قابل دسترسی، مانند FASFET، حسگر سطحی شارژ (FASFET) ظهور کردند. ترانزیستور (CFT)، FET حسگر فشار (PRESSFET)، ترانزیستور اثر میدان شیمیایی (ChemFET)، ISFET مرجع (REFET)، FET حسگر زیستی (BioFET)، FET اصلاح شده با آنزیم (ENFET) و FET اصلاح شده از نظر ایمنی (IMFET). اوایل دهه 2000 شاهد پیشرفتهای بیشتری در انواع BioFET، از جمله ترانزیستور اثر میدانی DNA (DNAFET)، FET اصلاحشده با ژن (GenFET) و BioFET با پتانسیل سلولی (CPFET) بودیم.
حسگرهای تصویر
فناوری MOS اساس اساسی برای حسگرهای تصویر امروزی را تشکیل میدهد، که هم دستگاه متصل به شارژ (CCD) و هم سنسور پیکسل فعال CMOS (حسگر CMOS) را در بر میگیرد که برای تصویربرداری دیجیتال و دوربینهای دیجیتال یکپارچه هستند. ویلارد بویل و جورج ای. اسمیت CCD را در سال 1969 توسعه دادند. تحقیقات آنها در مورد فرآیند MOS نشان داد که یک بار الکتریکی می تواند شبیه به یک حباب مغناطیسی باشد و در یک خازن MOS دقیقه ای ذخیره شود. آنها با تشخیص سهولت نسبی ساخت یک سری خازن MOS به ترتیب، ولتاژ مناسبی را اعمال کردند تا انتقال متوالی بار از یک خازن به خازن دیگر را امکان پذیر کند. CCD یک مدار نیمه هادی است که متعاقباً در دوربین های ویدیویی دیجیتال افتتاحیه برای پخش تلویزیونی استفاده شد.
سنسور پیکسل فعال MOS (APS) توسط Tsutomu Nakamura در Olympus در سال 1985 توسعه یافت. متعاقباً، سنسور پیکسل فعال CMOS توسط تیم تحقیقاتی اولیه او در Eric Fossum توسعه یافت. دهه 1990.
سنسورهای تصویر MOS به طور گسترده در فناوری ماوس نوری استفاده میشوند. موس نوری اولیه که توسط ریچارد اف. از زمان معرفی اولین ماوس نوری تجاری، IntelliMouse، در سال 1999، اکثر دستگاه های موس نوری از سنسورهای CMOS استفاده می کنند.
حسگرهای نظارت
سنسورهای مانیتورینگ MOS در طیف وسیعی از کاربردها، از جمله نظارت بر مسکونی، اداری، و کشاورزی مستقر هستند. نظارت بر ترافیک (شامل سرعت وسیله نقلیه، ازدحام و تصادفات)؛ نظارت بر آب و هوا (مانند بارش، باد، رعد و برق و طوفان)؛ و نظارت دفاعی آنها همچنین نظارت بر دما، رطوبت، آلودگی هوا، آتش سوزی، بهداشت، امنیت و شرایط روشنایی را تسهیل می کنند. حسگرهای آشکارساز گاز MOS به طور خاص برای شناسایی موادی مانند مونوکسید کربن، دی اکسید گوگرد، سولفید هیدروژن و آمونیاک طراحی شده اند. کاربردهای اضافی حسگر MOS شامل حسگرهای هوشمند و فناوری شبکه حسگر بیسیم (WSN) است.
حسگرهای الکترونیک
واحدهای پردازش مرکزی (CPU)، واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) و سیستمهای روی تراشه (SoC) معمولاً از حسگرهای الکترونیکی یکپارچه برای نظارت بر دما، ولتاژ و مصرف انرژی تراشه استفاده میکنند.
مراجع
مراجع
Kretschmar, M., and Welsby, S. (2005). حسگرهای جابجایی خازنی و القایی در J. Wilson (Ed.)، Sensor Technology Handbook. Newnes: برلینگتون، MA.
- م. کرچمار و اس. ولزبی (2005)، حسگرهای جابجایی خازنی و القایی، در کتابچه راهنمای فناوری حسگر، ویرایشگر جی. ویلسون، نیونز: برلینگتون، MA.
- Grimes, C. A., Dickey, E. C., and Pishko, M. V. (2006). دایره المعارف سنسورها (مجموعه 10 جلدی). ناشران علمی آمریکایی ISBN 1-58883-056-X.
- Blaauw, F. J., Schenk, H. M., Jeronimus, B. F., van der Krieke, L., de Jonge, P., Aiello, M., and Emerencia, A. C. (2016). بیایید Physiqual را دریافت کنیم - روشی بصری و عمومی برای ترکیب فناوری حسگر با ارزیابیهای لحظهای زیستمحیطی. مجله انفورماتیک زیست پزشکی، جلد. 63، صفحات 141-149.
- cbm-sweden.se/images/Seminarie/Class_Descriptions_IDA_MEMS.pdf (رجوع کنید به archive.org/web/20160304105724/cbm-sweden.se/images/Seminarie/Class_Descriptions_IDA_MEMS.ul>