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Este artículo trata sobre un dispositivo de detección. No debe confundirse con Censura , Censura o Incensario .
Diferentes tipos de sensores de luz.

En la definición más amplia, un sensor es un dispositivo, módulo, máquina o subsistema cuyo propósito es detectar eventos o cambios en su entorno y enviar la información a otros componentes electrónicos, frecuentemente un procesador de computadora . Un sensor siempre se usa con otros componentes electrónicos.

Los sensores se utilizan en objetos cotidianos como botones de ascensor sensibles al tacto ( sensor táctil ) y lámparas que se atenúan o se iluminan al tocar la base, además de innumerables aplicaciones de las que la mayoría de las personas nunca son conscientes. Con los avances en micromaquina y plataformas de microcontroladores fáciles de usar , los usos de los sensores se han expandido más allá de los campos tradicionales de medición de temperatura, presión o flujo, [1] por ejemplo en sensores MARG . Además, sensores analógicos como potenciómetros y resistencias de detección de fuerzatodavía se utilizan ampliamente. Las aplicaciones incluyen fabricación y maquinaria, aviones y aeroespacial, automóviles, medicina, robótica y muchos otros aspectos de nuestra vida cotidiana. Existe una amplia gama de otros sensores que miden las propiedades químicas y físicas de los materiales. Algunos ejemplos incluyen sensores ópticos para la medición del índice de refracción, sensores vibratorios para la medición de la viscosidad de los fluidos y sensores electroquímicos para monitorear el pH de los fluidos.

La sensibilidad de un sensor indica cuánto cambia la salida del sensor cuando cambia la cantidad de entrada que se mide. Por ejemplo, si el mercurio en un termómetro se mueve 1 cm cuando la temperatura cambia en 1 ° C, la sensibilidad es 1 cm / ° C (es básicamente la pendiente dy / dx asumiendo una característica lineal). Algunos sensores también pueden afectar lo que miden; por ejemplo, un termómetro de temperatura ambiente insertado en una taza de líquido caliente enfría el líquido mientras que el líquido calienta el termómetro. Los sensores generalmente están diseñados para tener un pequeño efecto sobre lo que se mide; hacer que el sensor sea más pequeño a menudo mejora esto y puede introducir otras ventajas. [2]

El progreso tecnológico permite fabricar cada vez más sensores a escala microscópica como microsensores utilizando tecnología MEMS . En la mayoría de los casos, un microsensor alcanza un tiempo de medición significativamente más rápido y una mayor sensibilidad en comparación con los enfoques macroscópicos . [2] [3] Debido a la creciente demanda de información rápida, asequible y confiable en el mundo actual, los sensores desechables (dispositivos de bajo costo y fáciles de usar para monitoreo a corto plazo o mediciones de disparo único) han ganado recientemente un crecimiento importancia. Con esta clase de sensores, cualquier persona, en cualquier lugar y en cualquier momento, puede obtener información analítica crítica, sin necesidad de recalibración ni preocuparse por la contaminación. [4]

Clasificación de errores de medición [ editar ]

Un sensor de infrarrojos

Un buen sensor obedece las siguientes reglas: [4]

  • es sensible a la propiedad medida
  • es insensible a cualquier otra propiedad que pueda encontrarse en su aplicación, y
  • no influye en la propiedad medida.

La mayoría de los sensores tienen una función de transferencia lineal . La sensibilidad se define entonces como la relación entre la señal de salida y la propiedad medida. Por ejemplo, si un sensor mide la temperatura y tiene una salida de voltaje, la sensibilidad es una constante con las unidades [V / K]. La sensibilidad es la pendiente de la función de transferencia. Convertir la salida eléctrica del sensor (por ejemplo, V) a las unidades medidas (por ejemplo, K) requiere dividir la salida eléctrica por la pendiente (o multiplicar por su recíproco). Además, con frecuencia se suma o resta un desplazamiento. Por ejemplo, se debe agregar −40 a la salida si la salida de 0 V corresponde a la entrada de −40 C.

Para que la señal de un sensor analógico se procese o se utilice en un equipo digital, es necesario convertirla en una señal digital mediante un convertidor de analógico a digital .

Desviaciones del sensor [ editar ]

Dado que los sensores no pueden replicar una función de transferencia ideal , pueden ocurrir varios tipos de desviaciones que limitan la precisión del sensor :

  • Dado que el rango de la señal de salida siempre está limitado, la señal de salida eventualmente alcanzará un mínimo o un máximo cuando la propiedad medida exceda los límites. El rango de escala completa define los valores máximo y mínimo de la propiedad medida. [ cita requerida ]
  • En la práctica, la sensibilidad puede diferir del valor especificado. Esto se denomina error de sensibilidad. Este es un error en la pendiente de una función de transferencia lineal.
  • Si la señal de salida difiere del valor correcto por una constante, el sensor tiene un error de compensación o sesgo . Este es un error en la intersección con el eje y de una función de transferencia lineal.
  • La no linealidad es la desviación de la función de transferencia de un sensor de una función de transferencia en línea recta. Por lo general, esto se define por la diferencia entre la salida y el comportamiento ideal en todo el rango del sensor, a menudo expresado como un porcentaje del rango completo.
  • La desviación causada por cambios rápidos de la propiedad medida a lo largo del tiempo es un error dinámico . A menudo, este comportamiento se describe con un diagrama de Bode que muestra el error de sensibilidad y el desplazamiento de fase en función de la frecuencia de una señal de entrada periódica.
  • Si la señal de salida cambia lentamente independientemente de la propiedad medida, esto se define como desviación . La deriva a largo plazo durante meses o años es causada por cambios físicos en el sensor.
  • El ruido es una desviación aleatoria de la señal que varía en el tiempo.
  • Un error de histéresis hace que el valor de salida varíe dependiendo de los valores de entrada anteriores. Si la salida de un sensor es diferente dependiendo de si se alcanzó un valor de entrada específico aumentando o disminuyendo la entrada, entonces el sensor tiene un error de histéresis.
  • Si el sensor tiene una salida digital, la salida es esencialmente una aproximación de la propiedad medida. Este error también se denomina error de cuantificación .
  • Si la señal se monitorea digitalmente, la frecuencia de muestreo puede causar un error dinámico, o si la variable de entrada o el ruido agregado cambia periódicamente a una frecuencia cercana a un múltiplo de la frecuencia de muestreo, pueden ocurrir errores de aliasing .
  • El sensor puede, hasta cierto punto, ser sensible a propiedades distintas de la propiedad que se está midiendo. Por ejemplo, la mayoría de los sensores están influenciados por la temperatura de su entorno.

Todas estas desviaciones se pueden clasificar como errores sistemáticos o errores aleatorios . En ocasiones, los errores sistemáticos pueden compensarse mediante algún tipo de estrategia de calibración . El ruido es un error aleatorio que puede reducirse mediante el procesamiento de la señal , como el filtrado, generalmente a expensas del comportamiento dinámico del sensor.

Resolución [ editar ]

La resolución del sensor o la resolución de la medición es el cambio más pequeño que se puede detectar en la cantidad que se está midiendo. La resolución de un sensor con salida digital suele ser la resolución numérica de la salida digital. La resolución está relacionada con la precisión con la que se realiza la medición, pero no son lo mismo. La precisión de un sensor puede ser considerablemente peor que su resolución.

  • Por ejemplo, la resolución de distancia es la distancia mínima que se puede medir con precisión con cualquier dispositivo de medición de distancia . En una cámara de tiempo de vuelo , la resolución de la distancia suele ser igual a la desviación estándar (ruido total) de la señal expresada en unidad de longitud .
  • El sensor puede, hasta cierto punto, ser sensible a propiedades distintas de la propiedad que se está midiendo. Por ejemplo, la mayoría de los sensores están influenciados por la temperatura de su entorno.

Sensor químico [ editar ]

Un sensor químico es un dispositivo analítico autónomo que puede proporcionar información sobre la composición química de su entorno, es decir, una fase líquida o gaseosa . [5] La información se proporciona en forma de una señal física medible que se correlaciona con la concentración de una determinada especie química (denominada analito ). Dos pasos principales están involucrados en el funcionamiento de un sensor químico, a saber, el reconocimiento y la transducción . En el paso de reconocimiento, las moléculas de analito interactúan selectivamente con moléculas receptoras.o sitios incluidos en la estructura del elemento de reconocimiento del sensor. En consecuencia, un parámetro físico característico varía y esta variación se informa mediante un transductor integrado que genera la señal de salida. Un sensor químico basado en material de reconocimiento de naturaleza biológica es un biosensor . Sin embargo, dado que los materiales biomiméticos sintéticos van a sustituir en cierta medida a los biomateriales de reconocimiento, es superflua una clara distinción entre un biosensor y un sensor químico estándar. Los materiales biomiméticos típicos utilizados en el desarrollo de sensores son polímeros y aptámeros impresos molecularmente .

Biosensor [ editar ]

Artículo principal: Biosensor

En biomedicina y biotecnología , los sensores que detectan analitos gracias a un componente biológico, como células, proteínas, ácidos nucleicos o polímeros biomiméticos , se denominan biosensores . Mientras que un sensor no biológico, incluso orgánico (química del carbono), para analitos biológicos se denomina sensor o nanosensor . Esta terminología se aplica tanto a aplicaciones in vitro como in vivo. La encapsulación del componente biológico en biosensores, presenta un problema ligeramente diferente al de los sensores ordinarios; Esto puede hacerse mediante una barrera semipermeable , como una membrana de diálisis o unhidrogel , o una matriz polimérica 3D, que restringe físicamente la macromolécula de detección o restringe químicamente la macromolécula uniéndola al andamio.

Sensores MOS [ editar ]

La tecnología de semiconductores de óxido de metal (MOS) se origina en el MOSFET (transistor de efecto de campo MOS o transistor MOS) inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en 1959, y demostrado en 1960. [6] Sensores MOSFET (sensores MOS) posteriormente se desarrollaron y desde entonces se han utilizado ampliamente para medir parámetros físicos , químicos , biológicos y ambientales . [7]

Sensores bioquímicos [ editar ]

Se han desarrollado varios sensores MOSFET para medir parámetros físicos , químicos , biológicos y ambientales . [7] Los primeros sensores MOSFET incluyen el transistor de efecto de campo de puerta abierta (OGFET) introducido por Johannessen en 1970, [7] el transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) inventado por Piet Bergveld en 1970, [8] el FET de adsorción (ADFET) patentado por PF Cox en 1974, y un MOSFET sensible al hidrógeno demostrado por I. Lundstrom, MS Shivaraman, CS Svenson y L. Lundkvist en 1975. [7]El ISFET es un tipo especial de MOSFET con una puerta a una cierta distancia, [7] y donde la puerta de metal es reemplazada por una membrana sensible a iones , una solución electrolítica y un electrodo de referencia . [9] El ISFET se usa ampliamente en aplicaciones biomédicas , como la detección de hibridación de ADN , detección de biomarcadores de sangre , detección de anticuerpos , medición de glucosa , detección de pH y tecnología genética . [9]

A mediados de la década de 1980, se habían desarrollado muchos otros sensores MOSFET, incluido el sensor de gas FET (GASFET), el FET de superficie accesible (SAFET), el transistor de flujo de carga (CFT), el sensor de presión FET (PRESSFET), el transistor de efecto de campo químico ( ChemFET), referencia ISFET (REFET), biosensor FET (BioFET), FET modificado con enzima (ENFET) y FET modificado inmunológicamente (IMFET). [7] A principios de la década de 2000, se habían desarrollado tipos de BioFET como el transistor de efecto de campo de ADN (DNAFET), el FET modificado genéticamente (GenFET) y el BioFET de potencial celular (CPFET). [9]

Sensores de imagen [ editar ]

Artículos principales: sensor de imagen , dispositivo de carga acoplada y sensor de píxeles activos

La tecnología MOS es la base de los sensores de imagen modernos , incluido el dispositivo de carga acoplada (CCD) y el sensor de píxeles activos CMOS (sensor CMOS), que se utilizan en imágenes digitales y cámaras digitales . [10] Willard Boyle y George E. Smith desarrollaron el CCD en 1969. Mientras investigaban el proceso MOS, se dieron cuenta de que una carga eléctrica era la analogía de la burbuja magnética y que podía almacenarse en un minúsculo condensador MOS. Como era bastante sencillo fabricar una serie de condensadores MOS en una fila, les conectaron un voltaje adecuado para que la carga pudiera pasar de uno a otro. [10]El CCD es un circuito semiconductor que luego se utilizó en las primeras cámaras de video digitales para transmisión de televisión . [11]

El sensor de píxeles activos MOS (APS) fue desarrollado por Tsutomu Nakamura en Olympus en 1985. [12] El sensor de píxeles activos CMOS fue desarrollado más tarde por Eric Fossum y su equipo a principios de la década de 1990. [13]

Los sensores de imagen MOS se utilizan ampliamente en la tecnología de mouse óptico . El primer ratón óptico, inventado por Richard F. Lyon en Xerox en 1980, utilizó un chip sensor NMOS de 5  µm . [14] [15] Desde el primer mouse óptico comercial, el IntelliMouse introducido en 1999, la mayoría de los dispositivos de mouse óptico utilizan sensores CMOS. [dieciséis]

Monitoreo de sensores [ editar ]

Sensor Lidar en iPad Pro [17]

Los sensores de monitoreo MOS se utilizan para monitoreo de viviendas , monitoreo de oficinas y agricultura , monitoreo de tráfico (incluida la velocidad del automóvil , atascos y accidentes de tráfico ), monitoreo del clima (como lluvia , viento , rayos y tormentas ), monitoreo de defensa y monitoreo de temperatura. , humedad , contaminación del aire , incendios , salud , seguridad e iluminación .[18] Los sensores detectores de gas MOSse utilizan para detectar monóxido de carbono , dióxido de azufre , sulfuro de hidrógeno , amoníaco y otrassustancias gaseosas . [19] Otros sensores MOS incluyen sensores inteligentes [20] y tecnología de red de sensores inalámbricos (WSN). [21]

Ver también [ editar ]

  • Solenoide
  • Adquisición de datos
  • Registrador de datos
  • Sensor de imagen
  • MOSFET
    • BioFET
    • Transistor de efecto de campo químico
    • ISFET
  • Lista de sensores
  • Olfato de máquina
  • Nanoelectrónica
  • Nanosensor
  • Suelo de detección
  • Transductor
  • Red de sensores inalámbricos

Referencias [ editar ]

  1. ^ Bennett, S. (1993). Una historia de la ingeniería de control 1930-1955 . Londres: Peter Peregrinus Ltd. en nombre de la Institución de Ingenieros Eléctricos. ISBN 978-0-86341-280-6La fuente indica "controles" en lugar de "sensores", por lo que se asume su aplicabilidad. Muchas unidades se derivan de las medidas básicas a las que se refiere, como el nivel de un líquido medido por un sensor de presión diferencial.CS1 maint: posdata ( enlace )
  2. ↑ a b Jihong Yan (2015). Pronóstico de Maquinaria y Gestión de Mantenimiento Orientado al Pronóstico . Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd. p. 107. ISBN 9781118638729.
  3. ^ Ganesh Kumar (septiembre de 2010). Conocimiento general moderno . Upkar Prakashan. pag. 194. ISBN 978-81-7482-180-5.
  4. ^ a b Dincer, Can; Bruch, Richard; Costa ‐ Rama, Estefanía; Fernández ‐ Abedul, María Teresa; Merkoçi, Arben; Manz, Andreas; Urbano, Gerald Anton; Güder, Firat (15 de mayo de 2019). "Sensores desechables en diagnóstico, alimentación y monitoreo ambiental" . Materiales avanzados . 31 (30): 1806739. doi : 10.1002 / adma.201806739 . ISSN 0935-9648 . PMID 31094032 .  
  5. ↑ Bǎnicǎ, Florinel-Gabriel (2012). Sensores químicos y biosensores: fundamentos y aplicaciones . Chichester, Reino Unido: John Wiley & Sons. pag. 576. ISBN 978-1-118-35423-0.
  6. ^ "1960: Transistor de semiconductor de óxido de metal (MOS) demostrado" . Silicon Engine: una línea de tiempo de semiconductores en computadoras . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 31 de agosto de 2019 .
  7. ↑ a b c d e f Bergveld, Piet (octubre de 1985). "El impacto de los sensores basados ​​en MOSFET" (PDF) . Sensores y actuadores . 8 (2): 109-127. doi : 10.1016 / 0250-6874 (85) 87009-8 . ISSN 0250-6874 .  
  8. ^ Chris Toumazou; Pantelis Georgiou (diciembre de 2011). "40 años de tecnología ISFET: de la detección neuronal a la secuenciación del ADN" . Cartas de electrónica . Consultado el 13 de mayo de 2016 .
  9. ↑ a b c Schöning, Michael J .; Poghossian, Arshak (10 de septiembre de 2002). "Avances recientes en transistores de efecto de campo biológicamente sensibles (BioFET)" (PDF) . Analista . 127 (9): 1137-1151. doi : 10.1039 / B204444G . ISSN 1364-5528 . PMID 12375833 .   
  10. ↑ a b Williams, JB (2017). La revolución de la electrónica: inventando el futuro . Saltador. págs. 245 y 249. ISBN 9783319490885.
  11. ^ Boyle, William S; Smith, George E. (1970). "Dispositivos semiconductores acoplados por carga". Bell Syst. Tech. J . 49 (4): 587–593. doi : 10.1002 / j.1538-7305.1970.tb01790.x .
  12. ^ Matsumoto, Kazuya; et al. (1985). "Un nuevo fototransistor MOS que funciona en modo de lectura no destructiva". Revista japonesa de física aplicada . 24 (5A): L323. Código bibliográfico : 1985JaJAP..24L.323M . doi : 10.1143 / JJAP.24.L323 .
  13. ^ Eric R. Fossum (1993), "Sensores de píxeles activos: ¿Son dinosaurios de CCD?" Proc. SPIE Vol. 1900, pág. 2-14, Dispositivos de carga acoplada y sensores ópticos de estado sólido III , Morley M. Blouke; Ed.
  14. ^ Lyon, Richard F. (2014). "El ratón óptico: visión incrustada biomimética temprana" . Avances en Visión por Computadora Embebida . Saltador. págs. 3-22 (3). ISBN 9783319093871.
  15. ^ Lyon, Richard F. (agosto de 1981). "El ratón óptico y una metodología arquitectónica para sensores digitales inteligentes" (PDF) . En HT Kung; Robert F. Sproull; Guy L. Steele (eds.). Sistemas y cálculos VLSI . Prensa de Ciencias de la Computación. págs. 1–19. doi : 10.1007 / 978-3-642-68402-9_1 . ISBN  978-3-642-68404-3.
  16. ^ Cerebro, Marshall; Carmack, Carmen (24 de abril de 2000). "Cómo funcionan los ratones informáticos" . HowStuffWorks . Consultado el 9 de octubre de 2019 .
  17. ^ "LiDAR vs sensores 3D ToF - cómo Apple está mejorando la realidad aumentada para teléfonos inteligentes" . Consultado el 3 de abril de 2020 .
  18. ^ Omura, Yasuhisa; Mallik, Abhijit; Matsuo, Naoto (2017). Dispositivos MOS para aplicaciones de bajo voltaje y baja energía . John Wiley e hijos . págs. 3–4. ISBN 9781119107354.
  19. ^ Sol, Jianhai; Geng, Zhaoxin; Xue, Ning; Liu, Chunxiu; Ma, Tianjun (17 de agosto de 2018). "Un minisistema integrado con sensor semiconductor de óxido metálico y columna cromatográfica de gases microempaquetada" . Micromáquinas . 9 (8): 408. doi : 10.3390 / mi9080408 . ISSN 2072-666X . PMC 6187308 . PMID 30424341 .   
  20. ^ Mead, Carver A .; Ismail, Mohammed, eds. (8 de mayo de 1989). Implementación VLSI analógica de sistemas neuronales (PDF) . Serie internacional de Kluwer en ingeniería y ciencias de la computación. 80 . Norwell, MA: Kluwer Academic Publishers . doi : 10.1007 / 978-1-4613-1639-8 . ISBN  978-1-4613-1639-8.
  21. ^ Oliveira, Joao; Va, João (2012). Amplificación de señal analógica paramétrica aplicada a tecnologías CMOS a nanoescala . Springer Science & Business Media . pag. 7. ISBN 9781461416708.

Lectura adicional [ editar ]

  • M. Kretschmar y S. Welsby (2005), Sensores de desplazamiento capacitivos e inductivos, en Sensor Technology Handbook, editor de J. Wilson, Newnes: Burlington, MA.
  • CA Grimes, EC Dickey y MV Pishko (2006), Enciclopedia de sensores (conjunto de 10 volúmenes), American Scientific Publishers. ISBN 1-58883-056-X 
  • Blaauw, FJ, Schenk, HM, Jeronimus, BF, van der Krieke, L., de Jonge, P., Aiello, M., Emerencia, AC (2016). Consigamos Physiqual: un método intuitivo y genérico para combinar la tecnología de sensores con evaluaciones ecológicas momentáneas . Revista de informática biomédica, vol. 63, páginas 141-149.
  • http://www.cbm-sweden.se/images/Seminarie/Class_Descriptions_IDA_MEMS.pdf (consulte https://web.archive.org/web/20160304105724/http://www.cbm-sweden.se/images/Seminarie /Class_Descriptions_IDA_MEMS.pdf )