Датчик — это устройство , которое генерирует выходной сигнал с целью обнаружения физического явления.
В самом широком определении датчик — это устройство, модуль, машина или подсистема, которая обнаруживает события или изменения в окружающей среде и отправляет информацию на другое электронное оборудование, часто на компьютерный процессор.
Датчики используются в предметах повседневного использования, таких как сенсорные кнопки лифта ( тактильный датчик ) и лампы, которые тускнеют или становятся ярче при прикосновении к основанию, а также в бесчисленных приложениях, о которых большинство людей даже не подозревает. Благодаря достижениям в области микромашин и простых в использовании платформ микроконтроллеров использование датчиков вышло за рамки традиционных областей измерения температуры, давления и расхода [1] , например, в датчики MARG .
Аналоговые датчики, такие как потенциометры и резисторы, чувствительные к силе, по-прежнему широко используются. Их области применения включают производство и машиностроение, самолеты и аэрокосмическую промышленность, автомобили, медицину, робототехнику и многие другие аспекты нашей повседневной жизни. Существует широкий спектр других датчиков, измеряющих химические и физические свойства материалов, включая оптические датчики для измерения показателя преломления, вибрационные датчики для измерения вязкости жидкости и электрохимические датчики для мониторинга pH жидкостей.
Чувствительность датчика показывает, насколько изменяется его выходной сигнал при изменении измеряемой им входной величины. Например, если ртуть в термометре переместится на 1 см при изменении температуры на 1 °C, его чувствительность составит 1 см/°C (по сути, это наклон dy/dx, предполагающий линейную характеристику). Некоторые датчики также могут влиять на то, что они измеряют; например, термометр комнатной температуры, вставленный в горячую чашку с жидкостью, охлаждает жидкость, в то время как жидкость нагревает термометр. Датчики обычно проектируются таким образом, чтобы оказывать небольшое влияние на измеряемые параметры; уменьшение размера датчика часто улучшает эту ситуацию и может дать другие преимущества. [2]
Технологический прогресс позволяет производить все больше и больше датчиков микроскопического масштаба в виде микросенсоров с использованием технологии MEMS . В большинстве случаев микросенсор обеспечивает значительно более быстрое время измерения и более высокую чувствительность по сравнению с макроскопическими подходами. [2] [3] В связи с растущим спросом на быструю, доступную и надежную информацию в современном мире одноразовые датчики — недорогие и простые в использовании устройства для кратковременного мониторинга или однократных измерений — в последнее время получили все большее распространение. важность. Используя этот класс датчиков, критически важную аналитическую информацию может получить кто угодно, где угодно и в любое время, без необходимости повторной калибровки и беспокойства о загрязнении. [4]
Хороший датчик подчиняется следующим правилам: [4]
Большинство датчиков имеют линейную передаточную функцию . Чувствительность затем определяется как соотношение между выходным сигналом и измеряемым свойством . Например, если датчик измеряет температуру и имеет выходное напряжение, чувствительность постоянна и измеряется в единицах [В/К]. Чувствительность – это наклон передаточной функции. Преобразование электрического выхода датчика (например, В) в измеряемые единицы (например, К) требует деления электрического выхода на наклон (или умножения на обратную величину). Кроме того, часто добавляется или вычитается смещение. Например, к выходу необходимо добавить -40, если выход 0 В соответствует входу -40 C.
Чтобы аналоговый сигнал датчика мог быть обработан или использован в цифровом оборудовании, его необходимо преобразовать в цифровой сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя .
Поскольку датчики не могут воспроизвести идеальную передаточную функцию , могут возникнуть несколько типов отклонений, которые ограничивают точность датчика :
Все эти отклонения можно классифицировать как систематические ошибки или случайные ошибки . Систематические ошибки иногда можно компенсировать с помощью какой-либо стратегии калибровки . Шум — это случайная ошибка, которую можно уменьшить с помощью обработки сигнала , например фильтрации, обычно за счет динамического поведения датчика.
Разрешение датчика или разрешение измерения — это наименьшее изменение, которое можно обнаружить в измеряемой величине. Разрешение датчика с цифровым выходом обычно равно численному разрешению цифрового выхода. Разрешение связано с точностью , с которой производится измерение, но это не одно и то же. Точность датчика может быть значительно хуже его разрешения.
Химический датчик — это автономное аналитическое устройство, которое может предоставлять информацию о химическом составе окружающей среды, то есть жидкой или газовой фазы . [5] [6] Информация предоставляется в виде измеримого физического сигнала, который коррелирует с концентрацией определенного химического вещества (называемого аналитом ). В функционировании химического сенсора участвуют два основных этапа, а именно распознавание и трансдукция . На этапе распознавания молекулы аналита избирательно взаимодействуют с рецепторными молекулами или сайтами, входящими в структуру распознающего элемента сенсора. Следовательно, характерный физический параметр изменяется, и об этом изменении сообщается с помощью встроенного преобразователя , который генерирует выходной сигнал. Химический сенсор, основанный на распознающем материале биологической природы, является биосенсором . Однако, поскольку синтетические биомиметические материалы в некоторой степени заменят распознающие биоматериалы, резкое различие между биосенсором и стандартным химическим сенсором является излишним. Типичными биомиметическими материалами, используемыми при разработке сенсоров, являются полимеры с молекулярными отпечатками и аптамеры . [7]
В биомедицине и биотехнологии датчики, которые обнаруживают аналиты благодаря биологическому компоненту, такому как клетки, белки, нуклеиновые кислоты или биомиметические полимеры , называются биосенсорами . Тогда как небиологический сенсор, даже органический (углеродная химия), для биологических аналитов называется сенсором или наносенсором . Эта терминология применима как для применений in vitro , так и in vivo. Инкапсуляция биологического компонента в биосенсорах представляет собой несколько иную проблему, чем обычные сенсоры; это можно сделать либо с помощью полупроницаемого барьера , такого как диализная мембрана или гидрогель , либо трехмерной полимерной матрицы, которая либо физически сдерживает чувствительную макромолекулу , либо химически сдерживает макромолекулу, связывая ее с каркасом.
Нейроморфные сенсоры — это сенсоры, которые физически имитируют структуры и функции биологических нейронных объектов. [8] Одним из примеров является камера событий .
Технология металл-оксид-полупроводник (МОП) берет свое начало от МОП-транзистора (МОП-полевого транзистора или МОП-транзистора), изобретенного Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в 1959 году и продемонстрированного в 1960 году. [9] МОП-транзисторы (МОП-сенсоры). были позже разработаны и с тех пор широко используются для измерения физических , химических , биологических параметров и параметров окружающей среды . [10]
Был разработан ряд датчиков MOSFET для измерения физических , химических , биологических параметров и параметров окружающей среды . [10] Самые ранние датчики MOSFET включают полевой транзистор с открытым затвором (OGFET), представленный Йоханнессеном в 1970 году, [10] ионно -чувствительный полевой транзистор (ISFET), изобретенный Питом Бергвельдом в 1970 году, [11 ] адсорбционный полевой транзистор (ADFET), запатентованный П. Ф. Коксом в 1974 году, и чувствительный к водороду МОП-транзистор, продемонстрированный И. Лундстремом, М. С. Шивараманом, К. С. Свенсоном и Л. Лундквистом в 1975 году. [10] ISFET представляет собой особый тип MOSFET с затвором. на определенном расстоянии [10] и где металлический затвор заменен ионочувствительной мембраной , раствором электролита и электродом сравнения . [12] ISFET широко используется в биомедицинских приложениях, таких как обнаружение гибридизации ДНК , обнаружение биомаркеров в крови , обнаружение антител , измерение уровня глюкозы , измерение pH и генетические технологии . [12]
К середине 1980-х годов было разработано множество других датчиков MOSFET, в том числе полевой транзистор с датчиком газа (GASFET), полевой транзистор с поверхностным доступом (SAFET), транзистор потока заряда (CFT), полевой транзистор с датчиком давления (PRESSFET), химический полевой транзистор ( ChemFET), эталонный ISFET (REFET), биосенсорный полевой транзистор (BioFET), ферментно-модифицированный полевой транзистор (ENFET) и иммунологически модифицированный полевой транзистор (IMFET). [10] К началу 2000-х годов были разработаны такие типы BioFET, как полевой транзистор ДНК (DNAFET), генно-модифицированный полевой транзистор (GenFET) и BioFET с клеточным потенциалом (CPFET). [12]
Технология MOS лежит в основе современных датчиков изображения , включая устройства с зарядовой связью (CCD) и датчик CMOS с активными пикселями (датчик CMOS), используемые в цифровых изображениях и цифровых камерах . [13] Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит разработали ПЗС-матрицу в 1969 году. Исследуя процесс МОП, они поняли, что электрический заряд аналогичен магнитному пузырю и что он может храниться на крошечном МОП-конденсаторе. Поскольку изготовить серию МОП-конденсаторов подряд было довольно просто, к ним подавали подходящее напряжение, чтобы можно было поэтапно перемещать заряд от одного к другому. [13] ПЗС — это полупроводниковая схема, которая позже использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевизионного вещания . [14]
МОП -сенсор с активными пикселями (APS) был разработан Цутому Накамурой в компании Olympus в 1985 году . [15] КМОП-сенсор с активными пикселями был позже разработан Эриком Фоссумом и его командой в начале 1990-х годов. [16]
МОП-датчики изображения широко используются в технологии оптических мышей . Первая оптическая мышь, изобретенная Ричардом Ф. Лайоном из Xerox в 1980 году, использовала сенсорный чип NMOS размером 5 мкм . [17] [18] Начиная с первой коммерческой оптической мыши IntelliMouse , представленной в 1999 году, в большинстве оптических мышей используются датчики CMOS. [19]
Датчики мониторинга MOS используются для мониторинга дома , офиса и сельского хозяйства , мониторинга дорожного движения (включая скорость автомобиля , пробки и дорожно-транспортные происшествия ), мониторинга погоды (например , дождя , ветра , молнии и штормов ), мониторинга защиты и мониторинга температуры . , влажность , загрязнение воздуха , пожар , здоровье , безопасность и освещение . [21] МОП -детекторы газа используются для обнаружения угарного газа , диоксида серы , сероводорода , аммиака и других газовых веществ. [22] Другие МОП-сенсоры включают интеллектуальные датчики [23] и технологию беспроводной сенсорной сети (WSN). [24]
{{cite book}}
: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )