U najširej definiciji, senzor je uređaj, modul, mašina ili podsustav čija je svrha otkrivanje događaja ili promjena u svom okruženju i slanje informacija drugoj elektronici, često računarskom procesoru. Senzor se uvijek koristi s drugom elektronikom.
Senzori se koriste u svakodnevnim predmetima kao što su tipke dizala osjetljivih na dodir (taktilni senzor) i svjetiljke koje prigušuju ili posvjetljuju dodirom baze, osim bezbrojnih primjena kojih većina ljudi nikad nije svjesna. Sa napretkom u mikrorađilištu i platformama mikrokontrolera kojima se jednostavno koristi, upotreba senzora se proširila izvan tradicionalnih polja mjerenja temperature, tlaka ili protoka, na primjer, na MARG senzore. Štaviše, analogni senzori poput potenciometra i otpornika na snagu i dalje se široko koriste. Aplikacije uključuju proizvodnju i strojeve, zrakoplove, automobile, lijekove, robotiku i mnoge druge aspekte našeg svakodnevnog života.
Osjetljivost senzora ukazuje koliko se izlaza senzora mijenja kada se promijeni ulazna količina koja se mjeri. Na primjer, ako se živa u termometru kreće za 1 cm kada se temperatura promijeni za 1 ° C, osjetljivost je 1 cm / ° C (u osnovi je dy / dx nagiba pretpostavljajući linearnu karakteristiku). Neki senzori takođe mogu uticati na ono što mjere; na primjer, termometar sobne temperature umetnut u vruću šalicu tekućine hladi tekućinu dok tekućina zagrijava termometar. Senzori su obično dizajnirani tako da imaju mali utjecaj na mjerenje; smanjivanje senzora često to poboljšava i može uvesti druge prednosti.
Tehnološki napredak omogućava da se sve više i više senzora proizvodi na mikroskopskom nivou kao mikrosenzori pomoću MEMS tehnologije. U većini slučajeva mikrosenzor postiže značajno brže vrijeme mjerenja i veću osjetljivost u usporedbi s makroskopskim pristupima. Zbog sve veće potražnje za brzim, pristupačnim i pouzdanim informacijama u današnjem svijetu, senzori za jednokratnu upotrebu – jeftini i jednostavni uređaji za kratkotrajno praćenje ili jednostruka mjerenja – nedavno su dobili sve veći značaj. Pomoću ove klase senzora, kritične analitičke informacije može dobiti bilo tko, bilo gdje i bilo kada, bez potrebe za ponovnim kalibracijom i zabrinutošću o kontaminaciji.
Klasifikacija grešaka u mjerenjima
Dobar senzor poštuje sljedeća pravila:
osetljiv je na izmjereno svojstvo
neosjetljiv je na bilo koju drugu imovinu koja će se vjerojatno susresti pri njenoj primjeni i ne utiče na izmjereno svojstvo.
Većina senzora ima funkciju linearnog prenosa. Osjetljivost se zatim definira kao odnos između izlaznog signala i izmjerenog svojstva. Na primjer, ako senzor mjeri temperaturu i ima naponski izlaz, osjetljivost je konstantna s jedinicama [V / K]. Osjetljivost je nagib funkcije prijenosa. Pretvaranje električnog izlaza senzora (na primjer V) u izmjerene jedinice (na primjer K) zahtijeva dijeljenje električnog iznosa s nagibom. Pored toga, ofset se često dodaje ili oduzima. Na primjer, −40 se mora dodati na izlaz ako 0 V izlaz odgovara ulazu od -40 C.
Da bi signal analognog senzora bio obrađen ili korišten u digitalnoj opremi, on se mora pretvoriti u digitalni signal, koristeći analogno-digitalni pretvarač.
Odstupanja senzora
Budući da senzori ne mogu ponoviti idealnu funkciju prenosa, može se pojaviti nekoliko vrsta odstupanja koja ograničavaju tačnost senzora:
<Budući da je raspon izlaznog signala uvijek ograničen, izlazni signal će s vremenom dostići minimum ili maksimum kada izmjereno svojstvo premaši granice. Raspon pune skale definira maksimalne i minimalne vrijednosti izmjerenih svojstava.
Osjetljivost se u praksi može razlikovati od navedene vrijednosti. To se naziva greškom osetljivosti. Ovo je greška u nagibu funkcije linearnog prijenosa.
Ako se izlazni signal razlikuje od pravilne vrijednosti konstantom, senzor ima grešku ili odstupanje. Ovo je greška u y-presretanju funkcije linearnog prijenosa.
Nelinearnost je odstupanje funkcije prenosa senzora od funkcije prenosa ravno. Obično se to definira količinom koja se izlaz razlikuje od idealnog ponašanja u cijelom rasponu senzora, često zabilježenog kao postotak cijelog raspona.
Odstupanje uzrokovano brzim promjenama mjerenog svojstva tokom vremena dinamična je greška. Često se ovo ponašanje opisuje grafom bode koja prikazuje grešku osjetljivosti i pomak faze kao funkciju frekvencije periodičnog ulaznog signala.
Ako se izlazni signal polako mijenja neovisno o izmjerenom svojstvu, to se definira kao pomicanje. Dugotrajno pomicanje tokom mjeseci ili godina uzrokovano je fizičkim promjenama senzora.
Buka je slučajno odstupanje signala koje varira u vremenu.
Pogreška histereze uzrokuje da se izlazna vrijednost mijenja ovisno o prethodnim ulaznim vrijednostima. Ako se izlaz senzora razlikuje ovisno o tome je li postignuta određena ulazna vrijednost povećanjem u odnosu na smanjenje ulaza, tada senzor ima grešku histereze.
Ako senzor ima digitalni izlaz, izlaz je u osnovi aproksimacija mjerenog svojstva. Ova se greška naziva i greškom kvantizacije.
Ako se signal prati digitalno, frekvencija uzorkovanja može izazvati dinamičku grešku ili ako se ulazna varijabla ili dodani šum povremeno mijenjaju na frekvenciji koja je blizu višestruke brzine uzorkovanja, mogu se pojaviti pogreške prikupljanja.
Senzor može u određenoj mjeri biti osjetljiv na svojstva koja nisu svojstva koja se mjere. Na primjer, na većinu senzora utječe temperatura njihove okoline.
Sva ta odstupanja mogu se klasificirati kao sistematske greške ili slučajne greške. Sistematske greške se ponekad mogu nadoknaditi nekom vrstom kalibracione strategije. Buka je slučajna greška koja se može smanjiti obradom signala, poput filtriranja, obično na štetu dinamičkog ponašanja senzora.
Rezolucija
Rezolucija senzora je najmanja promjena koju može otkriti u količini koju mjeri. Rezolucija senzora s digitalnim izlazom obično je rezolucija digitalnog izlaza. Rezolucija je povezana s preciznošću s kojom se vrši mjerenje, ali nisu iste stvari. Točnost senzora može biti znatno lošija od rezolucije.
Senzor može u određenoj mjeri biti osjetljiv na svojstva koja nisu svojstva koja se mjere. Na primjer, na većinu senzora utječe temperatura njihove okoline.
U prirodi
Svi živi organizmi sadrže biološke senzore sa funkcijama sličnim funkcijama opisanih mehaničkih uređaja. Većina su to specijalizovane ćelije koje su osetljive na:
Svetlost, kretanje, temperatura, magnetna polja, gravitacija, vlaga, vibracije, pritisak, električna polja, zvuk i drugi fizički aspekti spoljnog okruženja.
Fizički aspekti unutrašnjeg okruženja, poput istezanja, kretanja organizma i položaja dodataka (propriocepcija)
Molekuli okoline, uključujući toksine, hranjive materije i feromone
Procjena interakcije biomolekula i nekih kinetičkih parametara
Unutarnji metabolički pokazatelji, kao što su nivo glukoze, nivo kisika ili osmolalnost
Molekuli unutarnjeg signala, poput hormona, neurotransmitera i citokina
Hemijski senzor
Hemijski senzor je samostalni analitički uređaj koji može pružiti informacije o kemijskom sastavu njegove okoline, odnosno tekućoj ili plinskoj fazi. Podaci se pružaju u obliku mjerljivog fizičkog signala koji je u korelaciji s koncentracijom određene kemijske vrste (nazvane kao analit). Dva su glavna koraka uključena u funkcioniranje kemijskog senzora, naime prepoznavanje i pretvorba. U koraku prepoznavanja, molekuli analita selektivno djeluju s receptorskim molekulama ili mjestima koja su uključena u strukturu prepoznatljivog elementa. Slijedom toga, karakteristični fizički parametar varira, a o toj se varijaciji izvještava pomoću integriranog pretvarača koji generira izlazni signal. Hemijski senzor zasnovan na materijalu za prepoznavanje biološke prirode je biosenzor. Međutim, kako će sintetički biomimetički materijali zameniti u određenoj meri biomaterijala za prepoznavanje, oštra razlika između biosenzora i standardnog hemijskog senzora je suvišna. Tipični biomimetički materijali koji se koriste u razvoju senzora su polimeri i aptameri koji su molekulski utisnuti.
Biosenzor
U biomedicini i biotehnologiji, senzori koji otkrivaju analite zahvaljujući biološkoj komponenti, poput ćelija, proteina, nukleinske kiseline ili biomimetičkih polimera, nazivaju se biosenzorima. Dok se nebiološki senzor, čak i organski (ugljena hemija), za biološke analite naziva senzor ili nanosensor. Ova se terminologija primjenjuje i za in vitro i za in vivo aplikacije. Inkapsulacija biološke komponente u biosenzore predstavlja malo drugačiji problem od običnih senzora; to se može učiniti polupropusnom barijerom, poput dijalizne membrane ili hidrogelom, ili 3D polimernom matricom, koja fizički ograničava osjetljivu makromolekulu ili hemijski ograničava makromolekulu ograničavanjem na skelu.
MOS senzori
Tehnologija metal-oksid-poluvodiča (MOS) potječe od MOSFET-a (MOS-tranzistor s efektom polja, ili MOS-tranzistor) koji su 1959. izumili Mohamed M. Atalla i Dawon Kahng, a demonstrirana 1960. godine. MOSFET senzori su kasnije razvijeni i otada su široko korišteni za mjerenje fizičkih, hemijskih, bioloških i okolišnih parametara.
Biohemijski senzori
Razvijen je niz MOSFET senzora za mjerenje fizičkih, hemijskih, bioloških i okolišnih parametara. Najraniji MOSFET senzori uključuju tranzistor s poljskim efektom otvorenih vrata (OGFET) koji je uveo Johannessen 1970. godine, tranzistor s efektom polja (ISFET) koji je izumio Piet Bergveld 1970. godine, adsorpcijski FET ( ADFET) koji je patentirao PF Cox 1974. godine, i MOSFET osjetljiv na vodonik demonstrirao I. Lundstrom, M.S. Shivaraman, C. S. Svenson i L. Lundkvist 1975. ISFET je posebna vrsta MOSFET-a s kapijom na određenoj udaljenosti, i gdje je metalna kapija zamijenjena membranom, otopinom elektrolita i referentnom elektrodom osjetljivom na ione. ISFET se široko koristi u biomedicinskim aplikacijama, poput detekcije hibridizacije DNK, detekcije biomarkera iz krvi, detekcije antitijela, mjerenja glukoze, pH osjetila i genetske tehnologije.
Do sredine 1980-ih razvijeni su brojni drugi MOSFET senzori, uključujući plinski senzor FET (GASFET), površinski dostupan FET (SAFET), tranzistor protoka naboja (CFT), senzor pritiska FET (PRESSFET), tranzistor s hemijskim poljem (efekat polja) ( ChemFET), referentni ISFET (REFET), biosenzor FET (BioFET), FET (modificirani enzimom) FET (ENFET) i imunološki modificirani FET (IMFET). [7] Do ranih 2000-ih razvijeni su tipovi BioFET, kao što je DNK tranzistor s efektom polja (DNAFET), FEN (GenFET) i stanični bioFET (CPFET).
Senzori slike
MOS tehnologija je osnova za moderne senzore slike, uključujući uređaj povezan s napunjenjem (CCD) i CMOS senzor aktivnih piksela (CMOS senzor), koji se koriste u digitalnom snimanju i digitalnim fotoaparatima. Willard Boyle i George E. Smith razvili su CCD uređaj 1969. Tokom istraživanja MOS procesa shvatili su da je električni naboj analogija magnetskom mjehuriću i da se on može pohraniti na maleni MOS kondenzator. Kako je bilo prilično lako proizvesti niz MOS kondenzatora zaredom, na njih su priključili odgovarajući napon tako da se naboj može prelaziti s jednog na drugi. [10] CCD je poluvodički krug koji se kasnije koristio u prvim digitalnim video kamerama za televizijsko emitovanje.
MOS senzor aktivnih piksela (APS) razvio je Tsutomu Nakamura na Olympusu 1985. godine. Senzor aktivnih piksela CMOS kasnije su razvili Eric Fossum i njegov tim početkom devedesetih.
MOS senzori slike naširoko se koriste u optičkoj tehnologiji miša. Prvi optički miš, koji je 1980. izumio Richard F. Lyon na Xeroxu, koristio je 5 µ NMOS senzorski čip. Od prvog komercijalnog optičkog miša, IntelliMouse predstavljenog 1999. godine, većina optičkih uređaja za miš koristi CMOS senzore.
