Sensor

Un sensor se define a menudo como un dispositivo que recibe y responde a una señal o estímulo . El estímulo es la cantidad, propiedad o condición que se detecta y se convierte en una señal eléctrica. ^{[ 1 ]}

En su definición más amplia, un sensor es un dispositivo, módulo, máquina o subsistema que detecta eventos o cambios en su entorno y envía la información a otros componentes electrónicos, frecuentemente a un procesador informático.

Los sensores como el sensor PIR o el sensor táctil se utilizan en objetos cotidianos como los botones de ascensor sensibles al tacto ( sensor táctil ) y las lámparas que se atenúan o se iluminan al tocar la base, y en innumerables aplicaciones de las que la mayoría de la gente nunca es consciente. Con los avances en micromáquinas 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 y flujo, ^{[ 2 ]} por ejemplo en sensores MARG .

Los sensores analógicos, como los potenciómetros y las resistencias sensibles a la fuerza, siguen utilizándose ampliamente. Sus aplicaciones abarcan la fabricación y la maquinaria, la aviación y la industria aeroespacial, la automoción, la medicina, la 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, incluyendo sensores ópticos para la medición del índice de refracción, sensores vibracionales para la medición de la viscosidad de fluidos y sensores electroquímicos para el control del pH de los fluidos.

La sensibilidad de un sensor indica cuánto cambia su salida cuando cambia la magnitud de entrada que mide. Por ejemplo, si el mercurio de un termómetro se mueve 1 cm cuando la temperatura cambia 1 °C, su sensibilidad es de 1 cm/°C (básicamente es la pendiente $dy/dx,$ suponiendo una característica lineal). Algunos sensores también pueden afectar lo que miden; por ejemplo, un termómetro de temperatura ambiente insertado en una taza con líquido caliente enfría el líquido mientras que el líquido calienta el termómetro. Los sensores suelen diseñarse para tener un efecto pequeño en lo que miden; reducir su tamaño a menudo mejora esto y puede introducir otras ventajas. ^{[ 3 ]}

Technological progress allows for sensors to be manufactured in bulk on a microscopic scale as microsensors using MEMS technology. In most cases, a microsensor reaches a significantly faster measurement time and higher sensitivity compared with macroscopic approaches.^[3]^[4] Demand has increased for disposable sensors for short‐term monitoring or single‐shot measurements, due to their low cost and simpiclity of use. Using this class of sensors, information can be obtained without the need for recalibration, and without potential contamination.^[5]

Classification of measurement errors

A good sensor obeys the following rules:^[5]

it is sensitive to the measured property
it is insensitive to any other property likely to be encountered in its application, and
it does not influence the measured property.

Most sensors have a linear transfer function. The sensitivity is then defined as the ratio between the output signal and measured property. For example, if a sensor measures temperature and has a voltage output, the sensitivity is constant with the units [V/K]. The sensitivity is the slope of the transfer function. Converting the sensor's electrical output (for example V) to the measured units (for example K) requires dividing the electrical output by the slope (or multiplying by its reciprocal). In addition, an offset is frequently added or subtracted. For example, −40 must be added to the output if 0 V output corresponds to −40 C input.

For an analog sensor signal to be processed or used in digital equipment, it needs to be converted to a digital signal, using an analog-to-digital converter.

Sensor deviations

Since sensors cannot replicate an ideal transfer function, several types of deviations can occur which limit sensor accuracy:

Since the range of the output signal is always limited, the output signal will eventually reach a minimum or maximum when the measured property exceeds the limits. The full scale range defines the maximum and minimum values of the measured property.
The sensitivity may in practice differ from the value specified. This is called a sensitivity error. This is an error in the slope of a linear transfer function.
If the output signal differs from the correct value by a constant, the sensor has an offset error or bias. This is an error in the y-intercept of a linear transfer function.
La no linealidad es la desviación de la función de transferencia de un sensor respecto a una función de transferencia lineal. Generalmente, se define por la magnitud de la diferencia entre la salida y el comportamiento ideal en todo el rango del sensor, y suele expresarse como un porcentaje de dicho rango.
La desviación causada por cambios rápidos en la propiedad medida a lo largo del tiempo constituye un error dinámico . A menudo, este comportamiento se describe mediante un diagrama de Bode que muestra el error de sensibilidad y el desfase 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 deriva . La deriva a largo plazo, que se produce durante meses o años, se debe a cambios físicos en el sensor.
El ruido es una desviación aleatoria de la señal que varía en el tiempo.
Un error de histéresis provoca que el valor de salida varíe en función de los valores de entrada previos. Si la salida de un sensor difiere según si se alcanzó un valor de entrada específico aumentando o disminuyendo dicha entrada, entonces el sensor presenta un error de histéresis.
Si el sensor tiene una salida digital, esta es esencialmente una aproximación de la propiedad medida. Este error también se denomina error de cuantificación .
Si la señal se monitoriza digitalmente, la frecuencia de muestreo puede provocar un error dinámico, o si la variable de entrada o el ruido añadido cambian periódicamente a una frecuencia cercana a un múltiplo de la frecuencia de muestreo, pueden producirse errores de aliasing .
El sensor puede ser sensible, en cierta medida, a propiedades distintas de la que se está midiendo. Por ejemplo, la mayoría de los sensores se ven afectados por la temperatura de su entorno.

Todas estas desviaciones pueden clasificarse como errores sistemáticos o errores aleatorios . Los errores sistemáticos a veces 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 costa del comportamiento dinámico del sensor.

Resolución

La resolución del sensor, o resolución de medición, es el cambio mínimo detectable en la magnitud medida. La resolución de un sensor con salida digital suele corresponder a la resolución numérica de dicha salida. Si bien la resolución está relacionada con la precisión de la medición, no son lo mismo. La exactitud de un sensor puede ser considerablemente inferior a su resolución.

Por ejemplo, la resolución de distancia es la distancia mínima que puede medirse con precisión mediante cualquier dispositivo de medición de distancia . En una cámara de tiempo de vuelo , la resolución de distancia suele ser igual a la desviación estándar (ruido total) de la señal expresada en unidades de longitud .
El sensor puede ser sensible, en cierta medida, a propiedades distintas de la que se está midiendo. Por ejemplo, la mayoría de los sensores se ven afectados por la temperatura de su entorno.

Sensor químico

Un sensor químico es un dispositivo analítico autónomo que proporciona información sobre la composición química de su entorno, ya sea una fase líquida o gaseosa . ^[⁶^]^[⁷^] La información se proporciona en forma de una señal física medible que se correlaciona con la concentración de una determinada especie química (denominada analito ). El funcionamiento de un sensor químico consta de dos pasos principales: reconocimiento y transducción . En el paso de reconocimiento, las moléculas del analito interactúan selectivamente con moléculas o sitios receptores incluidos en la estructura del elemento de reconocimiento del sensor. En consecuencia, un parámetro físico característico varía, y esta variación se registra mediante un transductor integrado que genera la señal de salida. Un sensor químico basado en un material de reconocimiento de naturaleza biológica es un biosensor . Sin embargo, dado que los materiales biomiméticos sintéticos sustituirán en cierta medida a los biomateriales de reconocimiento, una distinción tajante entre un biosensor y un sensor químico estándar resulta superflua. Los materiales biomiméticos típicos utilizados en el desarrollo de sensores son los polímeros de impronta molecular y los aptámeros . ^[⁸^]

Conjunto de sensores químicos

Un conjunto de sensores químicos es una arquitectura de sensores con múltiples componentes que crean un patrón para la detección de analitos a partir de las respuestas aditivas de los componentes individuales. Existen varios tipos de conjuntos de sensores químicos, incluyendo dispositivos electrónicos, ópticos, de ondas acústicas y potenciométricos. Estos conjuntos pueden emplear múltiples tipos de sensores que presentan reactividad cruzada o están optimizados para detectar analitos específicos. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

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 . En cambio, 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 los biosensores presenta un problema ligeramente diferente al de los sensores convencionales; esto puede realizarse mediante una barrera semipermeable , como una membrana de diálisis o un hidrogel , o una matriz polimérica 3D, que restringe físicamente la macromolécula sensora o la restringe químicamente uniéndola al soporte.

Sensores neuromórficos

Los sensores neuromórficos son sensores que imitan físicamente las estructuras y funciones de las entidades neuronales biológicas. ^{[ 13 ]} Un ejemplo de esto es la cámara de eventos .

sensores MOS

El MOSFET fue inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960, ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}^{[ 16 ]}^{[ 17 ]}^{[ 18 ]}^{[ 19 ]} posteriormente se desarrollaron sensores MOSFET (sensores MOS), y desde entonces se han utilizado ampliamente para medir parámetros físicos , químicos , biológicos y ambientales . ^{[ 20 ]}

sensores bioquímicos

Se han desarrollado varios sensores MOSFET para medir parámetros físicos , químicos , biológicos y ambientales . ^{[ 20 ]} Los primeros sensores MOSFET incluyen el transistor de efecto de campo de puerta abierta (OGFET) introducido por Johannessen en 1970, ^{[ 20 ]} el transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) inventado por Piet Bergveld en 1970, ^{[ 21 ]} 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. ^{[ 20 ]} El ISFET es un tipo especial de MOSFET con una puerta a cierta distancia, ^{[ 20 ]} y donde la puerta metálica se reemplaza por una membrana sensible a iones , una solución electrolítica y un electrodo de referencia . ^[²²^] El ISFET se utiliza ampliamente en aplicaciones biomédicas , como la detección de hibridación de ADN , la detección de biomarcadores en sangre , la detección de anticuerpos , la medición de glucosa , la detección de pH y la tecnología genética . ^[²²^]

A mediados de la década de 1980, se habían desarrollado numerosos otros sensores MOSFET, incluidos el FET sensor de gas (GASFET), el FET accesible en superficie (SAFET), el transistor de flujo de carga (CFT), el FET sensor de presión (PRESSFET), el transistor de efecto de campo químico (ChemFET), el ISFET de referencia (REFET), el FET biosensor (BioFET), el FET modificado enzimáticamente (ENFET) y el FET modificado inmunológicamente (IMFET). ^{[ 20 ]} 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). ^{[ 22 ]}

sensores de imagen

La tecnología MOS es la base de los sensores de imagen modernos , incluyendo el dispositivo de carga acoplada (CCD) y el sensor de píxeles activos CMOS (sensor CMOS), utilizados en imágenes digitales y cámaras digitales . ^[²³^] 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 una burbuja magnética y que podía almacenarse en un pequeño condensador MOS. Como era bastante sencillo fabricar una serie de condensadores MOS en fila, les conectaron un voltaje adecuado para que la carga pudiera transferirse de uno a otro. ^[²³^] El CCD es un circuito semiconductor que posteriormente se utilizó en las primeras cámaras de vídeo digitales para la transmisión de televisión . ^[²⁴^]

El sensor de píxeles activos MOS (APS) fue desarrollado por Tsutomu Nakamura en Olympus en 1985. ^{[ 25 ]} El sensor de píxeles activos CMOS fue desarrollado posteriormente por Eric Fossum y su equipo a principios de la década de 1990. ^{[ 26 ]}

Los sensores de imagen MOS se utilizan ampliamente en la tecnología de ratones ópticos . El primer ratón óptico, inventado por Richard F. Lyon en Xerox en 1980, utilizaba un chip sensor NMOS de 5 μm . ^[²⁷^]^[²⁸^] Desde el primer ratón óptico comercial, el IntelliMouse, presentado en 1999, la mayoría de los dispositivos de ratón óptico utilizan sensores CMOS. ^[²⁹^]

Sensores de monitorización

Los sensores de monitoreo MOS se utilizan para el monitoreo de casas , oficinas y agricultura , monitoreo de tráfico (incluyendo velocidad de automóviles , atascos y accidentes de tráfico ), monitoreo meteorológico (como lluvia , viento , rayos y tormentas ), monitoreo de defensa y monitoreo de temperatura , humedad , contaminación del aire , incendios , salud , seguridad e iluminación . ^{[ 31 ]} Los sensores detectores de gas MOS se utilizan para detectar monóxido de carbono , dióxido de azufre , sulfuro de hidrógeno , amoníaco y otras sustancias gaseosas . ^{[ 32 ]} Otros sensores MOS incluyen sensores inteligentes ^{[ 33 ]} y tecnología de redes de sensores inalámbricos (WSN). ^{[ 34 ]}

sensores electrónicos

Las CPU , GPU y SoC modernas típicas suelen integrar sensores eléctricos para detectar temperaturas, voltajes y potencias de los chips. ^{[ 35 ]}

Véase también

Referencias

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