Sensor - Sensor

Verschiedene Arten von Lichtsensoren

Im weitesten Sinne ist ein Sensor ein Gerät, ein Modul, eine Maschine oder ein Subsystem, dessen Zweck darin besteht, Ereignisse oder Veränderungen in seiner Umgebung zu erkennen und die Informationen an eine andere Elektronik, häufig einen Computerprozessor, zu senden . Ein Sensor wird immer mit anderer Elektronik verwendet.

Sensoren werden in Alltagsgegenständen wie berührungsempfindlichen Aufzugstasten ( Taktilsensor ) und Lampen verwendet, die durch Berühren des Sockels dimmen oder aufhellen, daneben unzählige Anwendungen, die den meisten Menschen nicht bewusst sind. Mit Fortschritten bei Mikromaschinen und einfach zu bedienenden Mikrocontroller- Plattformen hat sich der Einsatz von Sensoren über die traditionellen Bereiche der Temperatur-, Druck- oder Durchflussmessung hinaus ausgedehnt, beispielsweise auf MARG-Sensoren . Darüber hinaus sind analoge Sensoren wie Potentiometer und Kraftmesswiderstände immer noch weit verbreitet. Zu den Anwendungen gehören Fertigung und Maschinen, Flugzeuge und Luft- und Raumfahrt, Autos, Medizin, Robotik und viele andere Aspekte unseres täglichen Lebens. Es gibt eine breite Palette anderer Sensoren, die chemische und physikalische Eigenschaften von Materialien messen. Einige Beispiele sind optische Sensoren zur Messung des Brechungsindex, Vibrationssensoren zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten und elektrochemische Sensoren zur Überwachung des pH-Werts von Flüssigkeiten.

Die Empfindlichkeit eines Sensors gibt an, um wie viel sich die Ausgabe des Sensors ändert, wenn sich die gemessene Eingangsgröße ändert. Wenn sich beispielsweise das Quecksilber in einem Thermometer 1 cm bewegt, wenn sich die Temperatur um 1 °C ändert, beträgt die Empfindlichkeit 1 cm/°C (es ist im Grunde die Steigung dy/dx unter Annahme einer linearen Kennlinie). Einige Sensoren können auch beeinflussen, was sie messen; Beispielsweise kühlt ein Raumtemperaturthermometer, das in eine heiße Tasse mit Flüssigkeit eingesetzt wird, die Flüssigkeit, während die Flüssigkeit das Thermometer erwärmt. Sensoren sind normalerweise so konstruiert, dass sie einen geringen Einfluss auf das haben, was gemessen wird; das Verkleinern des Sensors verbessert dies oft und kann andere Vorteile mit sich bringen.

Der technologische Fortschritt ermöglicht es, immer mehr Sensoren im mikroskopischen Maßstab als Mikrosensoren in MEMS- Technologie herzustellen . In den meisten Fällen erreicht ein Mikrosensor eine deutlich schnellere Messzeit und höhere Empfindlichkeit gegenüber makroskopischen Ansätzen. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach schnellen, erschwinglichen und zuverlässigen Informationen in der heutigen Welt haben Einwegsensoren – kostengünstige und einfach zu bedienende Geräte für die Kurzzeitüberwachung oder Single-Shot-Messungen – in letzter Zeit zunehmend an Bedeutung gewonnen. Mit dieser Sensorklasse können kritische analytische Informationen von jedermann überall und zu jeder Zeit abgerufen werden, ohne dass eine Neukalibrierung erforderlich ist und sich keine Sorgen um eine Kontamination machen müssen.

Klassifizierung von Messfehlern

Ein guter Sensor befolgt folgende Regeln:

  • es ist empfindlich gegenüber der gemessenen Eigenschaft
  • es ist unempfindlich gegenüber anderen Eigenschaften, die bei seiner Anwendung wahrscheinlich anzutreffen sind, und
  • es hat keinen Einfluss auf die gemessene Eigenschaft.

Die meisten Sensoren haben eine lineare Übertragungsfunktion . Die Empfindlichkeit wird dann als das Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal und der gemessenen Eigenschaft definiert. Wenn beispielsweise ein Sensor die Temperatur misst und einen Spannungsausgang hat, ist die Empfindlichkeit eine Konstante mit der Einheit [V/K]. Die Empfindlichkeit ist die Steigung der Übertragungsfunktion. Um die elektrische Ausgabe des Sensors (zB V) in die gemessenen Einheiten (zB K) umzurechnen, muss die elektrische Ausgabe durch die Steigung geteilt (oder mit ihrem Kehrwert multipliziert werden). Außerdem wird häufig ein Offset addiert oder subtrahiert. Zum Beispiel muss -40 zum Ausgang addiert werden, wenn der 0-V-Ausgang einem -40-C-Eingang entspricht.

Damit ein analoges Sensorsignal verarbeitet oder in digitalen Geräten verwendet werden kann, muss es mit einem Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt werden .

Sensorabweichungen

Da Sensoren nicht eine ideale replizieren Übertragungsfunktion , verschiedene Arten von Abweichungen können , die Grenzsensor auftreten Genauigkeit :

  • Da der Bereich des Ausgangssignals immer begrenzt ist, erreicht das Ausgangssignal schließlich ein Minimum oder Maximum, wenn die gemessene Eigenschaft die Grenzen überschreitet. Der Skalenendwert definiert die Maximal- und Minimalwerte der gemessenen Eigenschaft.
  • Die Empfindlichkeit kann in der Praxis vom angegebenen Wert abweichen. Dies wird als Empfindlichkeitsfehler bezeichnet. Dies ist ein Fehler in der Steigung einer linearen Übertragungsfunktion.
  • Weicht das Ausgangssignal um eine Konstante vom korrekten Wert ab, weist der Sensor einen Offset-Fehler oder Bias auf . Dies ist ein Fehler im y-Achsenabschnitt einer linearen Übertragungsfunktion.
  • Nichtlinearität ist die Abweichung der Übertragungsfunktion eines Sensors von einer geradlinigen Übertragungsfunktion. Normalerweise wird dies durch den Betrag definiert, um den die Ausgabe vom idealen Verhalten über den gesamten Bereich des Sensors abweicht, oft als Prozentsatz des gesamten Bereichs angegeben.
  • Eine Abweichung, die durch schnelle Änderungen der gemessenen Eigenschaft im Laufe der Zeit verursacht wird, ist ein dynamischer Fehler. Dieses Verhalten wird häufig mit einem Bode-Diagramm beschrieben, das den Empfindlichkeitsfehler und die Phasenverschiebung als Funktion der Frequenz eines periodischen Eingangssignals zeigt.
  • Ändert sich das Ausgangssignal unabhängig von der gemessenen Eigenschaft langsam, wird dies als Drift bezeichnet . Eine Langzeitdrift über Monate oder Jahre wird durch physikalische Veränderungen des Sensors verursacht.
  • Rauschen ist eine zufällige Abweichung des Signals, die sich zeitlich ändert.
  • Ein Hysteresefehler führt dazu, dass der Ausgangswert in Abhängigkeit von den vorherigen Eingangswerten variiert. Wenn der Ausgang eines Sensors unterschiedlich ist, je nachdem, ob ein bestimmter Eingangswert durch Erhöhen oder Verringern des Eingangs erreicht wurde, weist der Sensor einen Hysteresefehler auf.
  • Wenn der Sensor einen digitalen Ausgang hat, ist der Ausgang im Wesentlichen eine Annäherung an die gemessene Eigenschaft. Dieser Fehler wird auch Quantisierungsfehler genannt .
  • Wenn das Signal digital überwacht wird, kann die Abtastfrequenz einen dynamischen Fehler verursachen, oder wenn sich die Eingangsgröße oder das hinzugefügte Rauschen periodisch mit einer Frequenz nahe einem Vielfachen der Abtastrate ändert, können Aliasing- Fehler auftreten.
  • Der Sensor kann bis zu einem gewissen Grad empfindlich auf andere Eigenschaften als die gemessene Eigenschaft reagieren. Die meisten Sensoren werden beispielsweise von der Temperatur ihrer Umgebung beeinflusst.

Alle diese Abweichungen können als systematische Fehler oder zufällige Fehler klassifiziert werden . Systematische Fehler können manchmal durch eine Art Kalibrierstrategie ausgeglichen werden . Rauschen ist ein zufälliger Fehler, der durch Signalverarbeitung , wie Filterung, meist auf Kosten des dynamischen Verhaltens des Sensors reduziert werden kann .

Auflösung

Die Sensorauflösung oder Messauflösung ist die kleinste erkennbare Änderung der Messgröße. Die Auflösung eines Sensors mit digitalem Ausgang ist in der Regel die numerische Auflösung des digitalen Ausgangs. Die Auflösung hängt mit der Genauigkeit zusammen, mit der die Messung durchgeführt wird, aber sie sind nicht dasselbe. Die Genauigkeit eines Sensors kann erheblich schlechter sein als seine Auflösung.

  • Die Entfernungsauflösung ist beispielsweise die minimale Entfernung, die von beliebigen Entfernungsmessgeräten genau gemessen werden kann . Bei einer Time-of-Flight-Kamera entspricht die Entfernungsauflösung normalerweise der Standardabweichung (Gesamtrauschen) des Signals, ausgedrückt in Längeneinheiten .
  • Der Sensor kann bis zu einem gewissen Grad empfindlich auf andere Eigenschaften als die gemessene Eigenschaft reagieren. Die meisten Sensoren werden beispielsweise von der Temperatur ihrer Umgebung beeinflusst.

Chemischer Sensor

Ein chemischer Sensor ist ein in sich geschlossenes Analysegerät, das Informationen über die chemische Zusammensetzung seiner Umgebung, also einer flüssigen oder einer gasförmigen Phase , liefern kann . Die Informationen werden in Form eines messbaren physikalischen Signals bereitgestellt, das mit der Konzentration einer bestimmten chemischen Spezies (als Analyt bezeichnet ) korreliert . Zwei Hauptschritte sind an der Funktion eines chemischen Sensors beteiligt, nämlich Erkennung und Transduktion . Im Erkennungsschritt interagieren Analytmoleküle selektiv mit Rezeptormolekülen oder Stellen, die in der Struktur des Erkennungselements des Sensors enthalten sind. Folglich ändert sich ein charakteristischer physikalischer Parameter und diese Änderung wird mittels eines integrierten Wandlers gemeldet , der das Ausgangssignal erzeugt. Ein chemischer Sensor basierend auf Erkennungsmaterial biologischer Natur ist ein Biosensor . Da jedoch synthetische biomimetische Materialien zu einem gewissen Grad Erkennungsbiomaterialien ersetzen werden, ist eine scharfe Unterscheidung zwischen einem Biosensor und einem chemischen Standardsensor überflüssig. Typische biomimetische Materialien, die in der Sensorentwicklung verwendet werden, sind molekular geprägte Polymere und Aptamere .

Biosensor

In der Biomedizin und Biotechnologie , Sensoren , die erfassen Analyten dank einer biologischen Komponente, wie beispielsweise Zellen, Protein, Nukleinsäure oder biomimetische Polymere , werden als Biosensoren . Während ein nicht biologischer Sensor, auch organischer (Kohlenstoffchemie), für biologische Analyten als Sensor oder Nanosensor bezeichnet wird . Diese Terminologie gilt sowohl für In-vitro- als auch für In-vivo-Anwendungen. Die Einkapselung der biologischen Komponente in Biosensoren stellt ein etwas anderes Problem dar als gewöhnliche Sensoren; dies kann entweder mittels einer semipermeablen Barriere , wie einer Dialysemembran oder einem Hydrogel , oder einer 3D-Polymermatrix erfolgen, die entweder das sensierende Makromolekül physikalisch oder das Makromolekül chemisch einschränkt, indem es es an das Gerüst bindet.

Neuromorphe Sensoren

Neuromorphe Sensoren sind Sensoren, die Strukturen und Funktionen biologischer neuronaler Einheiten physikalisch nachahmen. Ein Beispiel hierfür ist die Ereigniskamera.

MOS-Sensoren

Die Metall-Oxid-Halbleiter (MOS)-Technologie geht auf den MOSFET (MOS-Feldeffekttransistor oder MOS-Transistor) zurück, der 1959 von Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng erfunden und 1960 demonstriert wurde. Später wurden MOSFET-Sensoren (MOS-Sensoren) entwickelt , und sie werden seither weithin verwendet, um physikalische , chemische , biologische und Umweltparameter zu messen .

Biochemische Sensoren

Zur Messung von physikalischen , chemischen , biologischen und Umweltparametern wurde eine Reihe von MOSFET-Sensoren entwickelt . Zu den frühesten MOSFET-Sensoren gehören der 1970 von Johannessen eingeführte Open-Gate-Feldeffekttransistor (OGFET), der 1970 von Piet Bergveld erfundene ionensensitive Feldeffekttransistor (ISFET) , der von PF Cox patentierte Adsorptions- FET (ADFET). 1974, und ein wasserstoffempfindlicher MOSFET, der 1975 von I. Lundstrom, MS Shivaraman, CS Svenson und L. Lundkvist demonstriert wurde. Der ISFET ist eine spezielle Art von MOSFET mit einem Gate in einem bestimmten Abstand und bei dem das Metallgate ersetzt ist durch eine Ionen -sensitiven Membran , Elektrolytlösung und Referenzelektrode . Der ISFET wird häufig in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel beim Nachweis von DNA-Hybridisierung , Biomarker- Nachweis aus Blut , Antikörper- Nachweis, Glukosemessung , pH- Messung und Gentechnologie .

Bis Mitte der 1980er Jahre wurden zahlreiche andere MOSFET-Sensoren entwickelt, darunter der Gassensor- FET (GASFET), der oberflächenzugängliche FET (SAFET), der Ladungsflusstransistor (CFT), der Drucksensor- FET (PRESSFET), der chemische Feldeffekttransistor ( ChemFET), Referenz-ISFET (REFET), Biosensor-FET (BioFET), enzymmodifizierter FET (ENFET) und immunologisch modifizierter FET (IMFET). Bis Anfang der 2000er Jahre wurden BioFET-Typen wie der DNA-Feldeffekttransistor (DNAFET), der genmodifizierte FET (GenFET) und der Zellpotential - BioFET (CPFET) entwickelt.

Bildsensoren

Die MOS-Technologie ist die Grundlage für moderne Bildsensoren , einschließlich des Charge-Coupled-Device (CCD) und des CMOS -Aktivpixel-Sensors (CMOS-Sensor), die in der digitalen Bildgebung und in Digitalkameras verwendet werden . Willard Boyle und George E. Smith entwickelten das CCD 1969. Bei der Erforschung des MOS-Prozesses stellten sie fest, dass eine elektrische Ladung die Analogie der magnetischen Blase ist und auf einem winzigen MOS-Kondensator gespeichert werden kann. Da es relativ einfach war, eine Reihe von MOS-Kondensatoren hintereinander herzustellen, schlossen sie eine geeignete Spannung an diese an, damit die Ladung von einem zum nächsten weitergegeben werden konnte. Der CCD ist eine Halbleiterschaltung, die später in den ersten digitalen Videokameras für Fernsehübertragungen verwendet wurde .

Der MOS- Aktiv-Pixel-Sensor (APS) wurde 1985 von Tsutomu Nakamura bei Olympus entwickelt . Der CMOS-Aktiv-Pixel-Sensor wurde später von Eric Fossum und seinem Team Anfang der 1990er Jahre entwickelt.

MOS-Bildsensoren sind in der optischen Maustechnologie weit verbreitet . Die erste optische Maus, die 1980 von Richard F. Lyon bei Xerox erfunden wurde , verwendete einen 5  µm NMOS- Sensorchip. Seit der ersten kommerziellen optischen Maus, der 1999 eingeführten IntelliMouse , verwenden die meisten optischen Mausgeräte CMOS-Sensoren.

Überwachungssensoren

Lidar- Sensor auf dem iPad Pro

MOS-Überwachungssensoren werden für die Hausüberwachung , Büro- und Landwirtschaftsüberwachung , Verkehrsüberwachung (einschließlich Autogeschwindigkeit , Staus und Verkehrsunfälle ), Wetterüberwachung (wie Regen , Wind , Blitz und Sturm ), Verteidigungsüberwachung und Temperaturüberwachung verwendet , Feuchtigkeit , Luftverschmutzung , Feuer , Gesundheit , Sicherheit und Beleuchtung . MOS Gasdetektorsensoren verwendet werden , um nachzuweisen Kohlenmonoxid , Schwefeldioxid , Schwefelwasserstoff , Ammoniak und andere gas Substanzen. Andere MOS-Sensoren umfassen intelligente Sensoren und WSN-Technologie ( Wireless Sensor Network ).

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen