Sensor

Un sensor es un dispositivo que produce una señal de salida con el fin de detectar un fenómeno físico.

En la 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 dispositivos electrónicos, frecuentemente un procesador de computadora.

Los sensores se utilizan en objetos cotidianos, como botones de ascensor sensibles al tacto ( sensor táctil ) y lámparas que se atenúan o iluminan al tocar la base, y en innumerables aplicaciones de las que la mayoría de las personas no son conscientes. Con los avances en micromaquinaria 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, ^[1] por ejemplo, en los sensores MARG .

Los sensores analógicos, como los potenciómetros y las resistencias de detección de fuerza, siguen utilizándose ampliamente. Sus aplicaciones incluyen la fabricación y la maquinaria, los aviones y la industria aeroespacial, los automóviles, 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, incluidos los sensores ópticos para la medición del índice de refracción, los sensores vibratorios para la medición de la viscosidad de los fluidos y los sensores electroquímicos para controlar el pH de los fluidos.

La sensibilidad de un sensor indica cuánto cambia su salida cuando cambia la cantidad de entrada que mide. Por ejemplo, si el mercurio de un termómetro se mueve 1 cm cuando la temperatura cambia en 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 a temperatura ambiente insertado en una taza caliente con líquido enfría el líquido mientras que el líquido calienta el termómetro. Los sensores suelen estar diseñados para tener un pequeño efecto en lo que se mide; hacer el sensor 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 métodos 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 un solo disparo) han ganado cada vez más importancia. Con esta clase de sensores, cualquier persona puede obtener información analítica crítica, en cualquier lugar y en cualquier momento, sin necesidad de recalibración ni de preocuparse por la contaminación. ^[4]

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 constante con las unidades [V/K]. La sensibilidad es la pendiente de la función de transferencia. Para convertir la salida eléctrica del sensor (por ejemplo, V) a las unidades medidas (por ejemplo, K) es necesario dividir la salida eléctrica por la pendiente (o multiplicar por su recíproco). Además, con frecuencia se suma o resta un desfase. Por ejemplo, se debe sumar −40 a la salida si la salida de 0 V corresponde a una entrada de −40 C.

Para que una señal de sensor analógico pueda procesarse o utilizarse en un equipo digital, es necesario convertirla en una señal digital mediante un convertidor analógico a digital .

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 es limitado, la señal de salida eventualmente alcanzará un mínimo o 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. Se trata de un error en la pendiente de una función de transferencia lineal.
• Si la señal de salida difiere del valor correcto en una constante, el sensor tiene un error de compensación o sesgo . Se trata de 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 con respecto a una función de transferencia lineal. Por lo general, esto se define por la cantidad en que la salida difiere del comportamiento ideal en todo el rango del sensor, a menudo indicado 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 cambio 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 deriva . 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 en función de los valores de entrada anteriores. Si la salida de un sensor es diferente en función 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 cambian periódicamente a una frecuencia cercana a un múltiplo de la frecuencia de muestreo, pueden ocurrir errores de alias .
• El sensor puede ser sensible hasta cierto punto a otras propiedades además de la que se mide. Por ejemplo, la mayoría de los sensores se ven afectados por la temperatura del 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 expensas del comportamiento dinámico del sensor.

La resolución del sensor o 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 una 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 puede medirse con precisión con 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 hasta cierto punto a otras propiedades además de la que se mide. Por ejemplo, la mayoría de los sensores se ven afectados por la temperatura del entorno.

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] [6]} La información se proporciona en forma de una señal física medible que se correlaciona con la concentración de una determinada especie química (denominada analito ). En el funcionamiento de un sensor químico intervienen dos pasos principales, 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, varía un parámetro físico característico y esta variación se informa por medio de 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, como los materiales biomiméticos sintéticos van a sustituir en cierta medida a los biomateriales de reconocimiento, una distinción clara entre un biosensor y un sensor químico estándar es superflua. Los materiales biomiméticos típicos utilizados en el desarrollo de sensores son polímeros y aptámeros impresos molecularmente . ^[7]

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 por medio de una barrera semipermeable , como una membrana de diálisis o un hidrogel , o una matriz de polímero 3D, que restringe físicamente la macromolécula de detección o restringe químicamente la macromolécula uniéndola al andamio.

Los sensores neuromórficos son sensores que imitan físicamente las estructuras y funciones de las entidades neuronales biológicas. ^[12] Un ejemplo de esto es la cámara de eventos .

El MOSFET inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960, ^{[13] [14] [15] [16] [17] [18]} Los sensores MOSFET (sensores MOS) se desarrollaron posteriormente y desde entonces se han utilizado ampliamente para medir parámetros físicos , químicos , biológicos y ambientales . ^[19]

Se han desarrollado varios sensores MOSFET para medir parámetros físicos , químicos , biológicos y ambientales . ^[19] Los primeros sensores MOSFET incluyen el transistor de efecto de campo de puerta abierta (OGFET) introducido por Johannessen en 1970, ^[19] el transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) inventado por Piet Bergveld en 1970, ^[20] 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. ^[19] El ISFET es un tipo especial de MOSFET con una compuerta a una cierta distancia, ^[19] y donde la compuerta de metal se reemplaza por una membrana sensible a iones , una solución electrolítica y un electrodo de referencia . ^[21] El ISFET se utiliza ampliamente en aplicaciones biomédicas , como la detección de hibridación de ADN , detección de biomarcadores en sangre , detección de anticuerpos , medición de glucosa , detección de pH y tecnología genética . ^[21]

A mediados de la década de 1980, se habían desarrollado muchos otros sensores MOSFET, incluido el FET de sensor de gas (GASFET), el FET accesible a la superficie (SAFET), el transistor de flujo de carga (CFT) , el FET de sensor de presión (PRESSFET), el transistor de efecto de campo químico (ChemFET), el ISFET de referencia (REFET), el FET biosensor (BioFET), el FET modificado con enzimas (ENFET) y el FET modificado inmunológicamente (IMFET). ^[19] 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). ^[21]

La tecnología MOS es la base de los sensores de imagen modernos , incluidos el dispositivo de carga acoplada (CCD) y el sensor de píxeles activos CMOS (sensor CMOS), que se utilizan en imágenes digitales y cámaras digitales . ^[22] 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 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 pasar de uno al siguiente. ^[22] El CCD es un circuito semiconductor que luego se utilizó en las primeras cámaras de video digitales para transmisión televisiva . ^[23]

El sensor de píxeles activos MOS (APS) fue desarrollado por Tsutomu Nakamura en Olympus en 1985. ^[24] El sensor de píxeles activos CMOS fue desarrollado posteriormente por Eric Fossum y su equipo a principios de los años 1990. ^[25]

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 . ^{[26] [27]} Desde el primer ratón óptico comercial, el IntelliMouse presentado en 1999, la mayoría de los dispositivos de ratón óptico utilizan sensores CMOS. ^[28]

Los sensores de monitoreo MOS se utilizan para monitoreo de casas , oficinas y agricultura , monitoreo de tráfico (incluyendo velocidad del auto , 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 , fuego , salud , seguridad e iluminación . ^{[30] Los sensores} detectores de gas MOS se utilizan para detectar monóxido de carbono , dióxido de azufre , sulfuro de hidrógeno , amoníaco y otras sustancias gaseosas . ^[31] Otros sensores MOS incluyen sensores inteligentes ^[32] y tecnología de red de sensores inalámbricos (WSN). ^[33]

• M. Kretschmar y S. Welsby (2005), Sensores de desplazamiento capacitivos e inductivos, en Sensor Technology Handbook, editor 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 tecnología de sensores con evaluaciones ecológicas momentáneas. Revista de Informática Biomédica, vol. 63, páginas 141-149.

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Busque sensor en Wikcionario, el diccionario libre.

• http://www.cbm-sweden.se/images/Seminarie/Class_Descriptions_IDA_MEMS.pdf (véase https://web.archive.org/web/20160304105724/http://www.cbm-sweden.se/images/Seminarie/Class_Descriptions_IDA_MEMS.pdf)