Capítulo 1 : Sensor
En el contexto de la detección de un fenómeno físico, un sensor es un dispositivo que genera una señal de salida con el fin de su detección.
Un dispositivo, módulo, máquina o subsistema que detecta eventos o cambios en su entorno y transmite la información a otros dispositivos electrónicos, más comúnmente un procesador de computadora, se conoce como sensor. Esta descripción le da al sensor el significado más amplio posible.
Hay innumerables aplicaciones para los sensores, la mayoría de las cuales nunca se llaman la atención de la persona promedio. Algunos ejemplos de sensores que se utilizan en los productos diarios incluyen botones de ascensor sensibles al tacto (sensor táctil) y lámparas que se atenúan o se iluminan cuando se toca la base. Como resultado de los desarrollos en micromaquinaria y plataformas para microcontroladores que son fáciles de operar, las aplicaciones de los sensores han ido más allá de las disciplinas tradicionales de medición de temperatura, presión y flujo. Un ejemplo de ello es el desarrollo de los medidores MARG.
Los potenciómetros y las resistencias de detección de fuerza son dos ejemplos de sensores analógicos que todavía se utilizan ampliamente en la actualidad. La fabricación y la maquinaria, la aeronáutica y la industria aeroespacial, los automóviles, la medicina, la robótica y muchas otras partes de nuestra vida cotidiana son ejemplos de áreas de aplicación de estos materiales. Existe una amplia variedad de sensores adicionales que pueden medir las propiedades químicas y físicas de los materiales. Algunos ejemplos de estos sensores incluyen sensores ópticos, que miden el índice de refracción, sensores vibratorios, que miden la viscosidad de los fluidos, y sensores electroquímicos, que monitorean el pH de los fluidos.
La sensibilidad de un sensor es igual al grado en que su salida cambia en respuesta a los cambios en la cantidad que mide como entrada. A modo de ilustración, si el mercurio de un termómetro viaja un centímetro cada vez que la temperatura cambia un grado centígrado, entonces la sensibilidad del termómetro es de un centímetro por grado centígrado (es esencialmente la pendiente dy/dx asumiendo una característica lineal). Algunos sensores también pueden tener un efecto en los datos que recopilan; Por ejemplo, si un termómetro que está configurado a temperatura ambiente se coloca dentro de una taza de líquido caliente, el termómetro enfriará el líquido mientras que el líquido calentará el termómetro. La mayoría de las veces, los sensores están destinados a tener un impacto mínimo en lo que se está monitoreando; La reducción del tamaño del sensor suele mejorar esto y también puede aportar beneficios adicionales.
A medida que avanza la tecnología, es posible fabricar un número cada vez mayor de sensores a una escala minúscula como microsensores mediante la utilización de la tecnología MEMS. Un microsensor, en comparación con los métodos macroscópicos, es capaz de lograr un tiempo de medición sustancialmente más rápido y un mayor nivel de sensibilidad en la mayoría de las situaciones. Los sensores desechables, que son dispositivos de bajo costo y fáciles de usar para el monitoreo a corto plazo o las mediciones de disparo único, han ganado recientemente una relevancia considerable. Esto se debe principalmente a la creciente demanda de información que sea rápida y económica en el entorno actual. Con la ayuda de esta categoría de sensores, cualquier persona puede recibir información analítica vital, en cualquier momento, en cualquier lugar, y sin necesidad de recalibración ni de contaminación.
Las reglas que debe cumplir un buen sensor son las siguientes:
La mayoría de los sensores tienen una función de transferencia lineal. Después de eso, la sensibilidad se evalúa determinando la relación entre la señal de salida y la propiedad que se midió. Por ejemplo, si un sensor es capaz de detectar la temperatura y producir simultáneamente una salida de voltaje, entonces la sensibilidad sigue siendo la misma independientemente de las unidades [V/K]. La pendiente de la función de transferencia es a lo que nos referimos como la sensibilidad. Por lo tanto, para convertir la salida eléctrica del sensor (por ejemplo, V) a las unidades que se están midiendo (por ejemplo, K), es necesario dividir la salida eléctrica por la pendiente (o multiplicarla por su función recíproca). Además, normalmente se añade o resta un desplazamiento a la ecuación. A modo de ilustración, si la salida es 0 V y la entrada es -40 C, se debe agregar el valor adicional de -40 a la salida.
Con un convertidor de analógico a digital, una señal de sensor analógico debe transformarse en una señal digital antes de que pueda procesarse o utilizarse en equipos digitales. Esto es necesario para utilizar la señal.
Debido al hecho de que los sensores no pueden recrear una función de transferencia ideal, su precisión puede verse limitada por una serie de diferentes tipos de desviaciones, incluidas las siguientes:
Los errores aleatorios y los errores sistemáticos son dos categorías que se pueden utilizar para describir todas estas discrepancias. Cuando se trata de compensar errores sistemáticos, hay casos en los que puede ser necesaria una técnica de calibración de algún tipo. Las técnicas de procesamiento de señales, como el filtrado, se pueden utilizar para reducir el ruido, que es un tipo de error aleatorio. Sin embargo, esto generalmente se logra a costa del comportamiento dinámico del sensor.
La resolución del sensor, también conocida como resolución de medición, se refiere al cambio más pequeño que se puede notar en la cantidad que se está midiendo con precisión. En la mayoría de los casos, la resolución numérica de la salida digital es lo que se considera la resolución de un sensor que tiene una transmisión digital. Por otro lado, la resolución y la precisión con la que se realiza la medición no son lo mismo. La resolución está relacionada con la precisión. Es posible que la precisión de un sensor sea mucho menor que su resolución.
El término "sensor químico" se refiere a un equipo analítico que es autónomo y tiene la capacidad de ofrecer información sobre la composición química de su entorno, que puede ser un entorno líquido o gaseoso. Esta información se presenta en forma de una señal física detectable que está conectada con la concentración de una especie química en particular, que se conoce como analito. Hay dos procesos principales que están involucrados en el funcionamiento de un sensor químico. Estos procesos se conocen como reconocimiento y transducción. Durante el proceso de reconocimiento, las moléculas de analito participan en interacciones selectivas con moléculas o sitios receptores que se incorporan a la estructura del elemento de reconocimiento del sensor. Como consecuencia de esto, un parámetro físico característico sufre un cambio, y este cambio se comunica a través de la utilización de un transductor integrado que es responsable de producir la señal de salida.
El término "biosensor" se refiere a un sensor químico que se basa en el material de reconocimiento de origen biológico. Además, debido a que los materiales biomiméticos sintéticos van a reemplazar a los biomateriales de reconocimiento hasta cierto punto, no es necesario hacer una distinción clara entre un biosensor y un sensor químico convencional. Los aptámeros y los polímeros impresos molecularmente son dos ejemplos de materiales biomiméticos que se utilizan normalmente en la fabricación de sensores.
En los campos de la biomedicina y la biotecnología, el término "biosensor" se refiere a los sensores que son capaces de detectar analitos utilizando un componente biológico. Algunos ejemplos de estos componentes son las células, las proteínas, los ácidos nucleicos y los polímeros biomiméticos.
Por otro lado, un sensor o nanosensor se utiliza para referirse a un sensor no biológico, incluso uno orgánico (química de carbono), cuando se utiliza para detectar biomarcadores biológicos. Tanto las aplicaciones in vitro como las in-vivo emplean esta frase en sus respectivos contextos.
La encapsulación del componente biológico en biosensores presenta un desafío ligeramente diferente al de los sensores convencionales. Esto se puede lograr mediante la utilización de una barrera semipermeable, como una membrana de diálisis o un hidrogel, o mediante la utilización de una matriz polimérica tridimensional, que restringe físicamente la macromolécula sensible o químicamente la macromolécula al unirla al andamio.
Estos sensores se conocen como sensores neuromórficos, y son capaces de imitar físicamente las estructuras y funciones de las unidades cerebrales biológicas. Así lo demuestra, por ejemplo, la cámara de eventos.
Los sensores MOSFET, también conocidos como sensores MOS, se desarrollaron más tarde después de que se inventara el MOSFET en Bell Labs entre los años 1955 y 1960. Desde entonces, los sensores MOSFET se han utilizado ampliamente con el fin de medir diversas características físicas, químicas, biológicas y ambientales.
Los sensores MOSFET han sido diseñados con el propósito de monitorear una variedad de factores, incluidos aquellos que son físicos, químicos, biológicos y ambientales. Los primeros sensores MOSFET incluyen el transistor de efecto de campo de puerta abierta (OGFET), que fue introducido por primera vez por Johannessen en 1970; el transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET), que fue inventado por Piet Bergveld en 1970; el transistor de efecto de campo de adsorción (ADFET), que fue patentado...
