Chapitre 1 : Capteur
Dans le contexte de la détection d'un phénomène physique, un capteur est un dispositif qui génère un signal de sortie dans le but de sa détection.
Un dispositif, un module, une machine ou un sous-système qui détecte des événements ou des changements dans son environnement et transmet les informations à d'autres appareils électroniques, le plus souvent un processeur d'ordinateur, est appelé capteur. Cette description donne au capteur la signification la plus large possible.
Il existe d'innombrables applications pour les capteurs, dont la majorité ne sont jamais portées à l'attention de la personne moyenne. Parmi les exemples de capteurs utilisés dans les produits quotidiens, citons les boutons d'ascenseur tactiles (capteur tactile) et les lampes qui s'atténuent ou s'éclaircissent lorsque la base est touchée. Grâce à l'évolution des micromachines et des plates-formes simples à utiliser, les applications des capteurs ont dépassé les disciplines traditionnelles de la mesure de la température, de la pression et du débit. Le développement des compteurs MARG en est un exemple.
Les potentiomètres et les résistances à détection de force sont deux exemples de capteurs analogiques qui sont encore largement utilisés aujourd'hui. L'industrie manufacturière et les machines, l'aéronautique et l'aérospatiale, l'automobile, le médical, la robotique et bien d'autres aspects de notre vie quotidienne sont tous des exemples de domaines d'application de ces matériaux. Il existe une grande variété de capteurs supplémentaires qui peuvent mesurer les propriétés chimiques et physiques des matériaux. Parmi ces capteurs, citons les capteurs optiques, qui mesurent l'indice de réfraction, les capteurs vibrationnels, qui mesurent la viscosité des fluides, et les capteurs électrochimiques, qui surveillent le pH des fluides.
La sensibilité d'un capteur est égale au degré de décalage de sa sortie en réponse aux changements de la quantité qu'il mesure en entrée. À titre d'illustration, si le mercure d'un thermomètre se déplace d'un centimètre chaque fois que la température change d'un degré Celsius, alors la sensibilité du thermomètre est d'un centimètre par degré Celsius (il s'agit essentiellement de la pente dy/dx en supposant une caractéristique linéaire). Certains capteurs peuvent également avoir un effet sur les données qu'ils collectent ; Par exemple, si un thermomètre réglé à température ambiante est placé à l'intérieur d'une tasse de liquide chaud, le thermomètre refroidira le liquide tandis que le liquide chauffera le thermomètre. La plupart du temps, les capteurs sont destinés à avoir un impact minimal sur l'objet surveillé ; La réduction de la taille du capteur améliore généralement cet objectif et peut également apporter des avantages supplémentaires.
Au fur et à mesure que la technologie progresse, il devient possible de fabriquer un nombre croissant de capteurs à une échelle minuscule en tant que microcapteurs en utilisant la technologie MEMS. Un microcapteur, par rapport aux méthodes macroscopiques, est capable d'obtenir un temps de mesure nettement plus rapide et un niveau de sensibilité plus élevé dans la majorité des situations. Les capteurs jetables, qui sont des appareils peu coûteux et faciles à utiliser pour la surveillance à court terme ou les mesures uniques, ont récemment acquis une importance considérable. Cela est principalement dû à la demande croissante d'informations à la fois rapides et économiques dans le contexte actuel. Avec l'aide de cette catégorie de capteurs, des informations analytiques vitales peuvent être reçues par n'importe qui, à tout moment, en tout lieu, et sans qu'il soit nécessaire de les recalibrer ou de craindre une contamination.
Les règles qu'un bon capteur doit respecter sont les suivantes :
La majorité des capteurs ont une fonction de transfert linéaire. Ensuite, la sensibilité est évaluée en déterminant le rapport entre le signal de sortie et la propriété mesurée. Par exemple, si un capteur est capable de détecter la température et de produire simultanément une tension de sortie, la sensibilité reste la même quelle que soit l'unité [V/K]. La pente de la fonction de transfert est ce que nous appelons la sensibilité. Par conséquent, afin de convertir la sortie électrique du capteur (par exemple, V) en unités mesurées (par exemple, K), il est nécessaire de diviser la sortie électrique par la pente (ou de la multiplier par sa fonction réciproque). De plus, un décalage est généralement ajouté ou soustrait dans l'équation. À titre d'illustration, si la sortie est de 0 V et que l'entrée est de -40 C, alors la valeur supplémentaire de -40 doit être ajoutée à la sortie.
À l'aide d'un convertisseur analogique-numérique, le signal d'un capteur analogique doit être transformé en signal numérique avant de pouvoir être traité ou utilisé dans un équipement numérique. Ceci est nécessaire pour utiliser le signal.
En raison du fait que les capteurs ne sont pas en mesure de recréer une fonction de transfert idéale, leur précision peut être limitée par un certain nombre de différents types d'écarts, notamment les suivants :
Les erreurs aléatoires et les erreurs systématiques sont deux catégories qui peuvent être utilisées pour décrire tous ces écarts. Lorsqu'il s'agit de compenser des erreurs systématiques, il existe des cas où une technique d'étalonnage peut devenir nécessaire. Les techniques de traitement du signal, telles que le filtrage, peuvent être utilisées pour réduire le bruit, qui est un type d'erreur aléatoire. Cependant, cela se fait généralement au prix du comportement dynamique du capteur.
La résolution du capteur, également connue sous le nom de résolution de mesure, fait référence au plus petit changement qui peut être remarqué dans la quantité mesurée avec précision. Dans la plupart des cas, la résolution numérique de la sortie numérique est ce qui est considéré comme la résolution d'un capteur doté d'une transmission numérique. En revanche, la résolution et la précision avec lesquelles la mesure est effectuée ne sont pas la même chose. La résolution est liée à la précision. Il est possible que la précision d'un capteur soit bien inférieure à sa résolution.
Le terme « capteur chimique » fait référence à un équipement d'analyse autonome qui a la capacité de fournir des informations sur la composition chimique de son environnement, qui peut être un environnement liquide ou gazeux. Cette information est présentée sous la forme d'un signal physique détectable lié à la concentration d'une espèce chimique particulière, appelée analyte. Deux processus principaux sont impliqués dans le fonctionnement d'un capteur chimique. Ces processus sont connus sous le nom de reconnaissance et de transduction. Au cours du processus de reconnaissance, les molécules de l'analyte s'engagent dans des interactions sélectives avec des molécules ou des sites récepteurs qui sont incorporés dans la structure de l'élément de reconnaissance du capteur. En conséquence, un paramètre physique caractéristique subit un changement, et ce changement est communiqué par l'utilisation d'un transducteur intégré chargé de produire le signal de sortie.
Le terme « biocapteur » fait référence à un capteur chimique qui est fondé sur un matériau de reconnaissance d'origine biologique. De plus, étant donné que les matériaux biomimétiques synthétiques vont remplacer dans une certaine mesure les biomatériaux de reconnaissance, il n'est pas nécessaire de faire une distinction claire entre un biocapteur et un capteur chimique conventionnel. Les aptamères et les polymères à empreinte moléculaire sont deux exemples de matériaux biomimétiques qui sont généralement utilisés dans la fabrication de capteurs.
Dans les domaines de la biomédecine et de la biotechnologie, le terme « biocapteur » fait référence à des capteurs capables de détecter des analytes en utilisant un composant biologique. Des exemples de tels composants incluent les cellules, les protéines, l'acide nucléique et les polymères biomimétiques.
D'autre part, un capteur ou nanocapteur est utilisé pour désigner un capteur non biologique, même organique (chimie du carbone), lorsqu'il est utilisé pour détecter des biomarqueurs biologiques. Les applications in vitro et in-vivo emploient cette expression dans leurs contextes respectifs.
L'encapsulation du composant biologique dans les biocapteurs présente un défi légèrement différent de celui des capteurs conventionnels. Cela peut être accompli par l'utilisation d'une barrière semi-perméable, telle qu'une membrane de dialyse ou un hydrogel, ou par l'utilisation d'une matrice polymère tridimensionnelle, qui contraint physiquement la macromolécule de détection ou contraint chimiquement la macromolécule en la liant à l'échafaudage.
Ces capteurs sont connus sous le nom de capteurs neuromorphiques, et ils sont capables d'imiter physiquement les structures et les fonctions des unités cérébrales biologiques. C'est ce que démontre la caméra événementielle, par exemple.
Les capteurs MOSFET, également connus sous le nom de capteurs MOS, ont ensuite été développés après l'invention du MOSFET aux Bell Labs entre les années 1955 et 1960. Depuis lors, les capteurs MOSFET ont été largement utilisés dans le but de mesurer diverses caractéristiques physiques, chimiques, biologiques et environnementales.
Les capteurs MOSFET ont été conçus dans le but de surveiller une variété de facteurs, y compris ceux qui sont physiques,...
