Capítulo 1 : Sensor

No contexto da deteção de um fenómeno físico, um sensor é um dispositivo que gera um sinal de saída com a finalidade da sua deteção.

Um dispositivo, módulo, máquina ou subsistema que deteta eventos ou mudanças em seu entorno e transmite as informações para outros dispositivos eletrônicos, mais comumente um processador de computador, é referido como um sensor. Esta descrição dá ao sensor o significado mais amplo possível.

Existem inúmeras aplicações para sensores, a maioria dos quais nunca são trazidos à atenção de uma pessoa comum. Alguns exemplos de sensores que são utilizados em produtos diários incluem botões de elevador sensíveis ao toque (sensor tátil) e lâmpadas que escurecem ou iluminam quando a base é tocada. Como resultado dos desenvolvimentos em micromáquinas e plataformas para microcontroladores que são simples de operar, as aplicações de sensores foram além das disciplinas tradicionais de medição de temperatura, pressão e vazão. Um exemplo disso é o desenvolvimento de medidores MARG.

Potenciômetros e resistores de deteção de força são dois exemplos de sensores analógicos que ainda são amplamente vistos em uso hoje. Fabricação e máquinas, aeronaves e aeroespacial, automóveis, medicina, robótica e muitas outras partes do nosso dia-a-dia são exemplos de áreas de aplicação para esses materiais. Há uma grande variedade de sensores adicionais que podem medir as propriedades químicas e físicas dos materiais. Alguns exemplos desses sensores incluem sensores óticos, que medem o índice de refração, sensores vibracionais, que medem a viscosidade dos fluidos, e sensores eletroquímicos, que monitoram o pH dos fluidos.

A sensibilidade de um sensor é igual ao grau em que sua saída muda em resposta a mudanças na quantidade que ele mede como entrada. A título de ilustração, se o mercúrio num termómetro viaja um centímetro sempre que a temperatura muda um grau Celsius, então a sensibilidade do termómetro é de um centímetro por grau Celsius (é essencialmente a inclinação dy/dx assumindo uma característica linear). Alguns sensores também podem ter um efeito sobre os dados que coletam; Por exemplo, se um termómetro regulado para a temperatura ambiente for colocado dentro de um copo de líquido quente, o termómetro arrefecerá o líquido enquanto o líquido aquecerá o termómetro. Na maioria das vezes, os sensores destinam-se a ter um impacto mínimo no que está a ser monitorizado; Reduzir o tamanho do sensor normalmente melhora isso e também pode trazer benefícios adicionais.

À medida que a tecnologia avança, torna-se possível fazer um número crescente de sensores em uma escala minúscula como microssensores utilizando a tecnologia MEMS. Um microssensor, em comparação com métodos macroscópicos, é capaz de alcançar um tempo de medição substancialmente mais rápido e um nível mais alto de sensibilidade na maioria das situações. Os sensores descartáveis, que são dispositivos de baixo custo e fáceis de usar para monitoramento de curto prazo ou medições de tiro único, ganharam recentemente considerável relevância. Isso se deve principalmente à crescente demanda por informações que sejam rápidas e econômicas no ambiente atual. Com a ajuda desta categoria de sensores, informações analíticas vitais podem ser recebidas por qualquer pessoa, a qualquer momento, em qualquer local, e sem a necessidade de recalibração ou a preocupação de contaminação.

As regras que um bom sensor deve aderir são as seguintes:

A maioria dos sensores tem uma função de transferência que é linear. Depois disso, a sensibilidade é avaliada determinando a relação entre o sinal de saída e a propriedade que foi medida. Por exemplo, se um sensor é capaz de detetar a temperatura e, simultaneamente, produzir uma saída de tensão, então a sensibilidade permanece a mesma, independentemente das unidades [V / K]. A inclinação da função de transferência é o que chamamos de sensibilidade. Portanto, para converter a saída elétrica do sensor (por exemplo, V) para as unidades que estão sendo medidas (por exemplo, K), é necessário dividir a saída elétrica pela inclinação (ou multiplicá-la por sua função recíproca). Além disso, um deslocamento é normalmente adicionado ou subtraído na equação. Como ilustração, se a saída for 0 V e a entrada for -40 C, então o valor extra de -40 deve ser adicionado à saída.

Usando um conversor analógico-digital, um sinal de sensor analógico deve ser transformado em um sinal digital antes de poder ser processado ou utilizado em equipamentos digitais. Isto é necessário para utilizar o sinal.

Devido ao fato de que os sensores são incapazes de recriar uma função de transferência ideal, sua precisão pode ser limitada por um número de diferentes tipos de desvios, incluindo o seguinte:

Erros aleatórios e erros sistemáticos são duas categorias que podem ser usadas para descrever todas essas discrepâncias. Quando se trata de compensar erros sistemáticos, há casos em que uma técnica de calibração de algum tipo pode se tornar necessária. Técnicas de processamento de sinal, como filtragem, podem ser utilizadas para reduzir o ruído, que é um tipo de erro aleatório. No entanto, isso normalmente é realizado ao preço do comportamento dinâmico do sensor.

A resolução do sensor, também conhecida como resolução de medição, refere-se à menor alteração que pode ser notada na quantidade que está sendo medida com precisão. Na maioria dos casos, a resolução numérica da saída digital é o que é considerado a resolução de um sensor que tem uma transmissão digital. Por outro lado, a resolução e a precisão com que a medição é feita não são a mesma coisa. A resolução está relacionada com a precisão. É possível que a precisão de um sensor seja muito menor do que a sua resolução.

O termo "sensor químico" refere-se a um equipamento analítico que é autônomo e tem a capacidade de oferecer informações sobre a composição química de seu entorno, que pode ser um ambiente líquido ou gasoso. Esta informação é apresentada sob a forma de um sinal físico detetável que está relacionado com a concentração de uma determinada espécie química, que é referido como um analito. Existem dois processos principais que estão envolvidos na operação de um sensor químico. Estes processos são conhecidos como reconhecimento e transdução. Durante o processo de reconhecimento, as moléculas do analito envolvem-se em interações seletivas com moléculas ou locais recetores que são incorporados na estrutura do elemento de reconhecimento do sensor. Como consequência disso, um parâmetro físico característico sofre uma mudança, e essa mudança é comunicada através da utilização de um transdutor integrado que é responsável pela produção do sinal de saída.

O termo "biossensor" refere-se a um sensor químico que se baseia no material de reconhecimento de origem biológica. Além disso, uma vez que os materiais biomiméticos sintéticos irão substituir, em certa medida, os biomateriais de reconhecimento, é desnecessário fazer uma distinção clara entre um biossensor e um sensor químico convencional. Aptamers e polímeros impressos molecularmente são dois exemplos de materiais biomiméticos que são tipicamente utilizados na fabricação de sensores.

Nos campos da biomedicina e biotecnologia, o termo "biossensor" refere-se a sensores que são capazes de detetar analitos utilizando um componente biológico. Exemplos de tais componentes incluem células, proteínas, ácido nucleico e polímeros biomiméticos.

Por outro lado, um sensor ou nanosensor é usado para se referir a um sensor não biológico, mesmo orgânico (química do carbono), quando é usado para detetar biomarcadores biológicos. Tanto as aplicações in vitro como as in vivo empregam esta frase em seus respetivos contextos.

O encapsulamento do componente biológico em biossensores apresenta um desafio ligeiramente diferente do dos sensores convencionais. Isto pode ser conseguido através da utilização de uma barreira semipermeável, como uma membrana de diálise ou um hidrogel, ou através da utilização de uma matriz polimérica tridimensional, que restringe fisicamente a macromolécula de deteção ou restringe quimicamente a macromolécula ligando-a ao andaime.

Estes sensores são conhecidos como sensores neuromórficos, e são capazes de imitar fisicamente as estruturas e funções das unidades cerebrais biológicas. Isso é demonstrado pela câmera do evento, por exemplo.

Os sensores MOSFET, também conhecidos como sensores MOS, foram mais tarde desenvolvidos depois que o MOSFET foi inventado nos Bell Labs entre os anos de 1955 e 1960. Desde então, os sensores MOSFET têm sido amplamente utilizados com a finalidade de medir várias características físicas, químicas, biológicas e ambientais.

Os sensores MOSFET foram projetados com a finalidade de monitorar uma variedade de fatores, incluindo aqueles que são físicos, químicos, biológicos e ambientais. Os primeiros sensores MOSFET incluem o transistor de efeito de campo de porta aberta (OGFET), que foi introduzido pela primeira vez por Johannessen em 1970; o transistor de efeito de campo sensível a iões (ISFET), que foi inventado por Piet Bergveld em 1970; o transistor de efeito de campo de adsorção (ADFET), que foi patenteado por P.F. Cox em 1974; e um MOSFET sensível ao hidrogénio, que foi demonstrado por I. Lundstrom, M.S. Shivaraman, C.S. Svenson e L. Lundkvist em 1975. Uma membrana sensível a íons, uma solução eletrolítica e um eletrodo de referência são usados no...