جدیدترین سنسورها و مواد تشکیل دهنده آنها 

در این مطلب قصد داریم شما علاقه‌مندان به الکترونیک را با جدیدترین سنسور ها و مواد تشکیل‌دهنده‌ی آنها آشنا سازیم…

سنسور چیست؟

سنسور دستگاه یا ماژولی است که به ما کمک می‌کند تا وقایع یا تغییرات محیط آن را شناسایی کرده و اطلاعات را با سایر دستگاه‌های الکترونیکی متصل به اشتراک بگذاریم.

جدیدترین سنسورها، از جمله حسگرهای مورد استفاده در اینترنت اشیا و پوشیدنی‌ها، به زودی انقلابی در صنعت الکترونیک ایجاد می‌کنند. این یک آشکارساز سکته قلبی است که سطح پروتئین بیمار را تشخیص می‌دهد یا یک صندلی اصلاح کننده وضعیت، که به سرنشینی که در وضعیت بدی نشسته، هشدار می‌دهد. سنسورها نقشی حیاتی در دستگاه‌های الکترونیکی دارند. واقعیت این است که کاربرد سنسورها همراه با پیشرفت در علم و فناوری در حال گسترش است.

طبق گزارش صنعت، سنسورها در حال تبدیل شدن به بزرگ‌ترین و سریع‌ترین رشد بازارها هستند که قابل مقایسه با بازارهای رایانه و دستگاه‌های ارتباطی است. سنسورها را در تلفن‌های هوشمند، اتومبیل، سیستم‌های امنیتی و حتی اشیای روزمره مانند قهوه سازها پیدا می‌کنید! جدا از وسایل الکترونیکی مصرفی، اینها همچنین بخشی جدایی‌ناپذیر از اینترنت اشیا (IoT)، پزشکی، هسته‌ای، دفاعی، هواپیمایی، رباتیک و هوش مصنوعی، کشاورزی، نظارت بر محیط زیست و برنامه‌های کاربردی در اعماق دریا هستند. سنسورها می‌توانند خروجی مختلف الکتریکی داشته باشند ولتاژ مانند 5 ولت، 10 ولت -5 تا +5 ولت بستگی به کاربردها و انواع آن دارد.

سنسور الکتریکی

اصولاً سنسور دستگاهی ورودی است که سیگنال یا محرک را دریافت و به آن پاسخ می‌دهد. امروزه برخی از سنسورها با بسیاری از عناصر سنجش که در یک تراشه سیلیکون یکپارچه می‌شوند، دقت بالا و عملکردهای چندگانه را فراهم می‌کنند.

سنسورهای معمولی هنوز هم در بسیاری از برنامه‌ها استفاده می‌شوند. اما نوآوری و پیشرفت در میکروالکترونیک، فناوری مبتنی بر حسگر را به سطح کاملاً جدیدی می‌رساند. عملکرد سنسورهای معمولی از بسیاری جهات گسترش یافته است و آنها اکنون تعدادی از ویژگی‌های اضافی را نیز فراهم می‌کنند. جدیدترین سنسورها با داشتن دقت، انعطاف‌پذیری و ادغام آسان در سیستم‌های توزیع شده، روز به روز هوشمندتر می‌شوند.

سنسورهای هوشمند برای برقراری ارتباط با یکدیگر یا میکروکنترلرها (MCU) از رابط های استاندارد گذرگاه یا شبکه بی‌سیم استفاده می‌کنند. رابط شبکه، انتقال داده را آسان‌تر می کند و در عین حال سیستم را گسترش می‌دهد. تولیدکنندگان می‌توانند خطاهای سنسور را تشخیص دهند و کاربران را برای عیب‌یابی از راه دور از طریق شبکه رایانه راهنمایی کنند.

یک سنسور هوشمند ممکن است از یک زنجیره بلوک آنالوگ و دیجیتال تشکیل شده باشد که هر کدام عملکرد خاصی را ارائه می‌دهند. ویژگی‌های پردازش داده و تبدیل آنالوگ به دیجیتال (ADC) به بهبود قابلیت اطمینان سنسور و دقت اندازه‌گیری کمک می‌کند. ساختار معمول یک سنسور هوشمند در شکل 1 نشان داده شده است.

جدیدترین سنسورها

بسته به فناوری (آنالوگ / دیجیتال) و کاربردها، حسگرهای متنوعی وجود دارد. این مقاله برخی از جدیدترین سنسورها شامل سنسورهای IoT، سنسورهای آلودگی، سنسورهای RFID، سنسورهای تصویر، سنسورهای بیومتریک، سنسورهای چاپی و سنسورهای MEMS و NEMS را شامل می‌شود.

سنسورهای اینترنت اشیا

سنسورهای IoT شامل سنسورهای دما، سنسورهای مجاورت، سنسورهای فشار، سنسورهای RF، سنسورهای IR پیرو الکتریک، سنسورهای با کیفیت آب، سنسورهای شیمیایی، سنسورهای دود، سنسورهای گاز، سنسورهای سطح مایع، سنسورهای اتومبیل و سنسورهای پزشکی هستند.

این جدیدترین سنسورها برای نظارت و کنترل به شبکه رایانه‌ای متصل هستند. با استفاده از سنسورها و اینترنت، سیستم‌های اینترنت اشیا، با انعطاف‌پذیری منحصر به فرد خود در ارائه جمع آوری داده‌ها، اتوماسیون و عملکرد پیشرفته، کاربردهای گسترده‌ای در سراسر صنایع دارند.

بازار جهانی حسگرهای اینترنت اشیا در سال 2015 به 7.3 میلیارد دلار رسیده است. پیش‌بینی می‌شود در سال 2021 از تقریباً 10.6 میلیارد دلار در سال 2016 به 47.8 میلیارد دلار برسد و طی سال‌های 2016 تا 2021، 35 درصد رشد کند. انتظار می‌رود بازار حسگرهای اینترنت اشیا در آسیا و اقیانوسیه از 3 میلیارد دلار در سال 2016 به 14 میلیارد دلار افزایش پیدا کند.

حسگرهای آلودگی

از سنسورهای آلودگی هوا برای تشخیص و نظارت بر وجود آلودگی هوا در مناطق اطراف استفاده می‌شود. از این موارد می‌توان برای محیط‌های داخلی و خارجی استفاده کرد. اگرچه انواع مختلفی از سنسورهای آلودگی هوا وجود دارد، اما بیشتر این سنسورها بر روی پنج پارامتر تمرکز دارند: ذرات معلق، ازن، مونوکسیدکربن، دی‌اکسید گوگرد و اکسید نیتروژن. این سنسورها تا حدودی هزینه بر هستند اما برای استفاده‌های معمول مقرون به صرفه‌تر می‌شوند.

سنسورهایی با قابلیت تشخیص ذرات معلق با قطر بین 2.5 و 10 میکرومتر (PM10) و قطر کمتر از 2.5 میکرومتر (PM2.5) در بازار موجود هستند. شکل 2 یک سنسور PM معمول را در بین علاقه‌مندان و آزمایشگران نشان می‌دهد. شکل 3 یک سنسور جمع‌آوری آسان PM2.5 از شرکت Sharp را با زمان تشخیص ده ثانیه نشان می‌دهد.

سنسورهای RFID

تراشه‌های RFID (شکل 4) به اندازه دانه‌های برنج را می‌توان مستقیماً در زیر پوست قرار داد تا به عنوان کارت شناسایی استفاده شود. روشی برای استفاده از تراشه‌های RFID در بسیاری از محصولات از جمله کارت‌های بانکی بدون تماس و کارت‌های Oyster وجود دارد. همچنین مواردی وجود دارد که تراشه در حیوانات خانگی و گاو برای نظارت کاشته می‌شود.

سنسورهای پوشیدنی

این جدیدترین سنسورها شامل سنسورهای پزشکی، GPS، واحد اندازه‌گیری اینرسی (IMU) و حسگرهای نوری هستند. با استفاده از تکنیک‌های مدرن و مدارهای مینیاتوری، اکنون سنسورهای پوشیدنی می‌توانند در سیستم‌های نظارت بر سلامت دیجیتال مستقر شوند. سنسورها همچنین در لوازم جانبی مختلف مانند پارچه، مچ‌بندها، عینک، هدفون و گوشی‌های هوشمند ادغام شده‌اند. به گزارشی از IDTechEx سنسورهای نوری، IMU و GPS را برای تسلط بر بازار سنسورها از نظر درآمد تا سال 2022 پیش‌بینی کرده است (شکل 5).

انتظار می‌رود برنامه‌های سنسورهای پوشیدنی و اینترنت اشیا، رشدی دو رقمی در بازار جهانی حسگرها ایجاد کنند. به دلیل کاهش هزینه‌های ساخت و مصرف کم انرژی سنسورها، بیشتر اتصالات سیمی سنتی با حسگرهای بی‌سیم جایگزین می‌شوند و در آینده در شبکه‌های بی‌سیم جای می‌گیرند.

حسگرهای تصویر نوری

بهترین نمونه از این سنسور در دوربین گوشی‌های هوشمند شما وجود دارد. یک سنسور، تصویر اطلاعات تشکیل‌دهنده یک تصویر را شناسایی و انتقال می‌دهد. تصویربرداری دیجیتال به سرعت جایگزین تصویربرداری آنالوگ می‌شود. اکثر دوربین‌های دیجیتال از سنسورهای CMOS استفاده می‌کنند که سرعت کمتری را با مصرف کمتری فراهم می‌کنند.

از این نوع سنسورها در درب‌های اتوماتیک نیز استفاده می‌شود. یک سنسور تصویر از Renesas در شکل 6 نشان داده شده است.

سنسورهای بیومتریک

رایج‌ترین حسگر بیومتریک ماژول اثر انگشت شماست. ماژول اثر انگشت R30x در میان علاقه‌مندان و آزمایشگران بسیار محبوب است. جدیدترین سنسورهای اثر انگشت کوالکام متشکل از سنسورهایی برای نمایش، شیشه و فلز، تشخیص حرکات جهت‌دار و تطابق اثر انگشت زیر آب می‌باشد.

این سنسورها هم به عنوان یک راه‌حل یکپارچه با سیستم عامل‌های تلفن همراه Qualcomm Snapdragon طراحی شده‌اند و هم به عنوان سنسورهای مستقل که می‌توانند با سایر سیستم عامل‌های غیر Snapdragon استفاده شوند.

سنسورهای چاپی

سنسورهای چاپ شده روی لایه‌های انعطاف‌پذیر در حال محبوب شدن هستند. نسل بعدی حسگرهای چاپی برنامه‌های مختلفی از رابط های انسان و ماشین گرفته تا سنجش محیط را امکان‌پذیر می‌کند. گزارش IDTechEx پیش‌بینی می‌کند که بازار سنسورهای کاملاً چاپ شده تا سال 2027 به 7.6 میلیارد دلار برسد.

سنسورهای چاپی ممکن است فقط با چند الکترود ساختاری کاملاً ساده داشته باشند، در حالی که برخی دیگر نیاز به رسوب چند لایه دارند و بسیار پیچیده‌تر هستند. وجه مشترک آنها قابلیت تولید روی بسترهای پلاستیکی است که از نظر انعطاف‌پذیری مکانیکی، نازکی و کاهش وزن مزایایی بالایی دارند.

حسگر Ultrasonic (فراصوت)

این نوع سنسورها با انتشار امواج صوتی فراصوت، فاصله تا یک هدف را اندازه‌گیری می‌کنند و صدای بازتاب شده را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند. امواج اولتراسونیک سریع‌تر از سرعت صدای قابل شنیدن حرکت می‌کنند و نتایج را به بار می‌آورند.

سنسور مادون قرمز (Passive) منفعل

سنسورهای غیرفعال، نور مادون قرمز (IR) که از اشیا در میدان دید خود ساطع می‌شود را اندازه‌گیری می‌کنند.

سنسور رطوبت

سنسور رطوبت (یا رطوبت‌سنج) رطوبت و دمای هوا را اندازه‌گیری و گزارش می‌کند. نسبت رطوبت هوا به بیشترین میزان رطوبت در دمای خاص هوا را رطوبت نسبی می‌نامند.

MEMS

سیستم‌های ریز الکترومکانیکی (MEMS) دستگاه‌هایی هستند که هم از نظر اندازه کوچک و هم از روش ساخت آنها مشخص می‌شوند. آنها با اندازه اجزایی بین 1 تا 100 میکرومتر ساخته شده‌اند. قابل توجه‌ترین عناصر ریز حسگرها و ریز محرک‌ها هستند.

دستگاه‌های MEMS می‌توانند از ساختارهای ساده تا سیستم‌های الکترومکانیکی بسیار پیچیده با چندین عنصر متحرک تحت کنترل میکروالکترونیک یکپارچه متفاوت باشند. به عبارت دیگر، سنسور MEMS وسیله‌ای دقیق است که در آن حسگرهای مکانیکی و میکرو به همراه مدار تهویه سیگنال روی قطعه کوچکی از تراشه سیلیکون ساخته می‌شوند.

به طور کلی، MEMS از ریزساختارهای مکانیکی، میکرو محرک‌ها، ریز حسگرها و ریز الکترونیک در یک بسته تشکیل شده است. شکل 7 نمودار بلوک دستگاه MEMS را نشان می‌دهد.

ریز حسگرها با اندازه‌گیری اطلاعات حرارتی، شیمیایی، الکتریکی یا مکانیکی تغییرات در محیط سیستم را تشخیص می‌دهند. این متغیرها توسط میکروالکترونیک پردازش می‌شوند و سپس ریز محرک‌ها با توجه به تغییرات محیط عمل می‌کنند.

برخی از انواع متداول سنسورهای MEMS موجود در بازار عبارتند از:

1. شتاب‌سنج‌های MEMS که برای اندازه‌گیری نیروی استاتیکی یا دینامیکی شتاب استفاده می‌شوند. دسته‌های اصلی شتاب سنج‌های خازنی، مقاومتی پیزو و حرارتی سیلیکونی هستند. شتاب‌سنج‌های MEMS در تلفن‌های هوشمند برای کنترل‌های مختلف از جمله تغییر حالت افقی و عمودی، ضد تاری و عملکرد حالت جیبی استفاده می‌شوند.

2. ژیروسکوپ MEMS که سرعت زاویه‌ای یک جسم را تشخیص می‌دهند. از ژیروسکوپ‌های MEMS برای کنترل پایداری خودرو با سنسور فرمان و تشخیص چرخش استفاده می‌شود.

3. سنسورهای فشار MEMS. این سنسورها سه نوع فشار را اندازه می‌گیرند: فشارسنج، فشار مطلق و فشار دیفرانسیل. سنسور با دیافراگم و مجموعه‌ای از مقاومت‌ها روی تراشه‌های یکپارچه ادغام شده است تا فشار به عنوان تغییر مقاومت تشخیص داده شود. از این سنسورها در کاربردهای خودرو، هوا فضا، پزشکی، دفاعی و صنعتی استفاده می‌شود. در سیستم‌های اتومبیل از این موارد به طور گسترده‌ای در سنسور فشار روغن، تشخیص تصادف، نظارت بر فشار بخار مخزن سوخت، گردش مجدد گاز اگزوز، سیستم مدیریت موتور و غیره استفاده می‌شود.

4. سنسورهای میدان مغناطیسی MEMS. این سنسورها میدان‌های مغناطیسی را شناسایی و اندازه‌گیری می‌کنند و در سنجش موقعیت، تشخیص جریان، تشخیص سرعت، تشخیص وسیله نقلیه، اکتشاف فضا و غیره استفاده می‌شوند.

5. حسگرهای Fluxgate. سنسورهای Fluxgate برای اندازه‌گیری میدان مغناطیسی AC یا فرکانس پایین AC استفاده می‌شود. این سنسورها کاربردهای بسیاری مانند تحقیقات فضایی، ژئوفیزیک، کاوش مواد معدنی، اتوماسیون و کنترل فرآیندهای صنعتی را پیدا می‌کنند. سنسورهای fluxgate مبتنی بر MEMS به دلیل مصرف انرژی کمتر، اندازه کوچک و عملکرد بهتر نسبت به سایر سنسورهای fluxgate درجه‌بندی می‌شوند.

NEMS

سیستم‌های نانو الکترومکانیکی (NEMS) دسته‌ای از دستگاه‌ها مانند MEMS اما در مقیاس نانو هستند. این مرحله بعد از کوچک‌سازی از دستگاه‌های MEMS است. نانو حسگرها و نانو شتاب‌سنج‌ها نمونه‌هایی از NEMS هستند. معمولاً NEMS به مواد مبتنی بر کربن از جمله الماس، نانولوله‌های کربنی و گرافن متکی است. یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربردهای آنها، ترکیب زیست شناسی و فناوری نانو است. نانو حسگرها در فناوری‌های ارتباطات بی‌سیم کاربرد دارند، در حالی که از نانوموتورها ممکن است در پمپ‌های نانوسیال برای biochips یا حسگرها استفاده شود.

مواد تشکیل دهنده سنسورها

مواد دقیق حسگرها به نوع و کاربرد آنها بستگی دارد. به عنوان مثال، سنسورهای دیجیتال، آنالوگ، مجاورت و تصویر دارای مواد، ساختارها، تکنیک‌های ساخت و بسته‌بندی خاص خود هستند.

در اینجا ما مواد و تکنیک‌های ساخت را به طور عمده برای جدیدترین سنسورها مانند MEMS که معمولاً توسط اکثر سازندگان استفاده می‌شود، پوشش می‌دهیم. مواد به کار رفته در الکترونیک می‌توانند نقشی فعال یا منفعل داشته باشند. برخی از مواد هر دو نقش را بازی می‌کنند.

مواد غیر فعال (Passive)

این مواد برای تأمین ساختار مکانیکی یا اتصال الکتریکی استفاده می‌شوند. برخی از این مواد مانند سیلیکون و گالیم آرسنید همچنین می‌توانند به عنوان مواد فعال و منفعل استفاده شوند.

مواد فعال (Active)

این مواد برای فرآیند سنجش در میکروالکترونیک، فیلم‌های حساس به نور، پیزوالکتریک، مغناطیسی و شیمیایی بسیار ضروری هستند. مواد میکروحسگر به صورت فیلم‌های نازک یا ضخیم نقش فعالی در سیستم سنجش دارند. این دستگاه‌ها با استفاده از رسوب بخار شیمیایی (CVD) یا رسوب بخار شیمیایی فشار ضعیف (LPCVD) و تکنیک‌های خاص مانند رسوب الکتروشیمیایی ساخته می‌شوند.

سیلیکون

سیلیکون در طبیعت یافت نمی‌شود، اما در ترکیباتی مثل اکسیدها و سیلیکات رخ می‌دهد. سیلیکون فراوان است، نسبتا ارزان بوده و تعدادی از ویژگی‌های فیزیکی که برای کاربرد سنسور مفید هستند را نشان می‌دهد. رسوب لایه مواد با خواص مطلوب در بستر سیلیکون امکان‌پذیر است. سیلیسیم تک کریستالی پرکاربردترین ماده نیمه رسانا است.

پلاستیک

از پلاستیک به طور گسترده‌ای در قطعات و مجموعه‌های الکترونیکی و الکتریکی استفاده می‌شود. از آنجا که پلاستیک‌ها عایق هستند، در موارد مختلفی که به ویژگی‌های عایق نیاز است، از این موارد استفاده می‌شود. از پلیمرها به عنوان ردیاب تشعشع و حسگرهای شیمیایی نیز استفاده می‌شود.

سرامیک

سرامیک به طور گسترده‌ای در ساخت سنسور استفاده می‌شود. این ویژگی‌ها دارای ویژگی‌های مشترکی از جمله مقاومت ساختاری، وزن سبک، پایداری حرارتی، عایق الکتریکی و توانایی پیوند با مواد دیگر است. آنها با اکسیژن واکنش نشان نمی‌دهند و بنابراین اکسید ایجاد نمی‌کنند. بسیاری از تولیدکنندگان از سرامیک به عنوان لایه‌های حسگر استفاده می‌کنند.