Capitolo 1 : Sensore
Nel contesto del rilevamento di un fenomeno fisico, un sensore è un dispositivo che genera un segnale di uscita allo scopo del suo rilevamento.
Un dispositivo, un modulo, una macchina o un sottosistema che rileva eventi o cambiamenti nell'ambiente circostante e trasmette le informazioni ad altri dispositivi elettronici, più comunemente un processore di computer, è indicato come sensore. Questa descrizione conferisce al sensore il significato più ampio possibile.
Esistono innumerevoli applicazioni per i sensori, la maggior parte delle quali non viene mai portata all'attenzione della persona media. Alcuni esempi di sensori utilizzati nei prodotti quotidiani includono pulsanti dell'ascensore sensibili al tocco (sensore tattile) e lampade che si attenuano o si illuminano quando si tocca la base. Come risultato degli sviluppi nelle micromacchine e nelle piattaforme per microcontrollori semplici da utilizzare, le applicazioni dei sensori si sono spostate oltre le discipline tradizionali della misurazione di temperatura, pressione e portata. Un esempio di ciò è lo sviluppo dei misuratori MAREG.
I potenziometri e i resistori di rilevamento della forza sono due esempi di sensori analogici che sono ancora ampiamente utilizzati oggi. La produzione e i macchinari, gli aeromobili e l'aerospaziale, le automobili, la medicina, la robotica e molti altri aspetti della nostra vita quotidiana sono tutti esempi di aree di applicazione di questi materiali. Esiste un'ampia varietà di sensori aggiuntivi in grado di misurare le proprietà chimiche e fisiche dei materiali. Alcuni esempi di questi sensori includono sensori ottici, che misurano l'indice di rifrazione, sensori vibrazionali, che misurano la viscosità dei fluidi, e sensori elettrochimici, che monitorano il pH dei fluidi.
La sensibilità di un sensore è uguale al grado in cui la sua uscita si sposta in risposta alle variazioni della quantità che misura come input. Ad esempio, se il mercurio in un termometro viaggia di un centimetro ogni volta che la temperatura si sposta di un grado Celsius, allora la sensibilità del termometro è di un centimetro per grado Celsius (è essenzialmente la pendenza dy/dx assumendo una caratteristica lineare). Alcuni sensori possono anche avere un effetto sui dati che raccolgono; Ad esempio, se un termometro impostato a temperatura ambiente viene posizionato all'interno di una tazza di liquido caldo, il termometro raffredderà il liquido mentre il liquido riscalderà il termometro. La maggior parte delle volte, i sensori hanno lo scopo di avere un impatto minimo sulla cosa che viene monitorata; La riduzione delle dimensioni del sensore in genere migliora questo aspetto e può anche apportare ulteriori vantaggi.
Con l'avanzare della tecnologia, diventa possibile realizzare un numero crescente di sensori su scala minuscola come microsensori utilizzando la tecnologia MEMS. Un microsensore, rispetto ai metodi macroscopici, è in grado di ottenere un tempo di misurazione sostanzialmente più rapido e un livello di sensibilità più elevato nella maggior parte delle situazioni. I sensori monouso, che sono dispositivi a basso costo e facili da usare per il monitoraggio a breve termine o le misurazioni a colpo singolo, hanno recentemente acquisito una notevole rilevanza. Ciò è dovuto principalmente alla crescente domanda di informazioni rapide ed economiche nell'ambiente odierno. Con l'aiuto di questa categoria di sensori, le informazioni analitiche vitali possono essere ricevute da chiunque, in qualsiasi momento, in qualsiasi luogo e senza la necessità di ricalibrazione o la preoccupazione di contaminazione.
Le regole che un buon sensore deve rispettare sono le seguenti:
La maggior parte dei sensori ha una funzione di trasferimento lineare. Successivamente, la sensibilità viene valutata determinando il rapporto tra il segnale di uscita e la proprietà che è stata misurata. Ad esempio, se un sensore è in grado di rilevare la temperatura e produrre contemporaneamente un'uscita di tensione, la sensibilità rimane la stessa indipendentemente dalle unità [V/K]. La pendenza della funzione di trasferimento è ciò che chiamiamo sensibilità. Pertanto, per convertire la potenza elettrica del sensore (ad esempio, V) nelle unità di misura (ad esempio, K), è necessario dividere la potenza elettrica per la pendenza (o moltiplicarla per la sua funzione reciproca). Inoltre, un offset viene in genere aggiunto o sottratto nell'equazione. A titolo illustrativo, se l'uscita è 0 V e l'ingresso è -40 C, è necessario aggiungere il valore extra di -40 all'uscita.
Utilizzando un convertitore analogico-digitale, il segnale di un sensore analogico deve essere trasformato in un segnale digitale prima di poter essere elaborato o utilizzato in apparecchiature digitali. Ciò è necessario per utilizzare il segnale.
A causa del fatto che i sensori non sono in grado di ricreare una funzione di trasferimento ideale, la loro precisione può essere limitata da una serie di diversi tipi di deviazioni, tra cui:
Gli errori casuali e gli errori sistematici sono due categorie che possono essere utilizzate per descrivere tutte queste discrepanze. Quando si tratta di compensare gli errori sistematici, ci sono casi in cui può rendersi necessaria una tecnica di calibrazione di qualche tipo. Le tecniche di elaborazione del segnale, come il filtraggio, possono essere utilizzate per ridurre il rumore, che è un tipo di errore casuale. Tuttavia, ciò si ottiene in genere al prezzo del comportamento dinamico del sensore.
La risoluzione del sensore, nota anche come risoluzione di misurazione, si riferisce alla più piccola variazione che può essere notata nella quantità che viene misurata con precisione. Nella maggior parte dei casi, la risoluzione numerica dell'uscita digitale è quella che viene considerata la risoluzione di un sensore che ha una trasmissione digitale. D'altra parte, la risoluzione e la precisione con cui viene effettuata la misurazione non sono la stessa cosa. La risoluzione è correlata alla precisione. È possibile che la precisione di un sensore sia di gran lunga inferiore alla sua risoluzione.
Il termine "sensore chimico" si riferisce a un'apparecchiatura analitica autonoma e in grado di offrire informazioni sulla composizione chimica dell'ambiente circostante, che può essere un ambiente liquido o gassoso. Queste informazioni sono presentate sotto forma di un segnale fisico rilevabile collegato alla concentrazione di una particolare specie chimica, che viene definita analita. Ci sono due processi principali che sono coinvolti nel funzionamento di un sensore chimico. Questi processi sono noti come riconoscimento e trasduzione. Durante il processo di riconoscimento, le molecole dell'analita si impegnano in interazioni selettive con molecole o siti recettoriali che sono incorporati nella struttura dell'elemento di riconoscimento del sensore. Di conseguenza, un parametro fisico caratteristico subisce una modifica, e questa variazione viene comunicata attraverso l'utilizzo di un trasduttore integrato che è responsabile della produzione del segnale di uscita.
Il termine "biosensore" si riferisce a un sensore chimico che si basa sul materiale di riconoscimento di origine biologica. Inoltre, poiché i materiali biomimetici sintetici sostituiranno in una certa misura i biomateriali di riconoscimento, non è necessario fare una chiara distinzione tra un biosensore e un sensore chimico convenzionale. Gli aptameri e i polimeri a impronta molecolare sono due esempi di materiali biomimetici tipicamente utilizzati nella produzione di sensori.
Nei campi della biomedicina e delle biotecnologie, il termine "biosensore" si riferisce a sensori in grado di rilevare analiti utilizzando un componente biologico. Esempi di tali componenti includono cellule, proteine, acido nucleico e polimeri biomimetici.
D'altra parte, un sensore o nanosensore viene utilizzato per riferirsi a un sensore non biologico, anche organico (chimica del carbonio), quando viene utilizzato per rilevare biomarcatori biologici. Sia le applicazioni in vitro che quelle in vivo utilizzano questa frase nei rispettivi contesti.
L'incapsulamento della componente biologica nei biosensori presenta una sfida leggermente diversa rispetto a quella dei sensori convenzionali. Ciò può essere ottenuto attraverso l'utilizzo di una barriera semipermeabile, come una membrana per dialisi o un idrogel, o attraverso l'utilizzo di una matrice polimerica tridimensionale, che vincola fisicamente la macromolecola sensibile o la vincola chimicamente legandola allo scaffold.
Questi sensori sono noti come sensori neuromorfici e sono in grado di imitare fisicamente le strutture e le funzioni delle unità cerebrali biologiche. Lo dimostra, ad esempio, la telecamera per eventi.
I sensori MOSFET, noti anche come sensori MOS, sono stati successivamente sviluppati dopo l'invenzione del MOSFET presso i Bell Labs tra gli anni 1955 e 1960. Da allora, i sensori MOSFET sono stati ampiamente utilizzati allo scopo di misurare varie caratteristiche fisiche, chimiche, biologiche e ambientali.
I sensori MOSFET sono stati progettati allo scopo di monitorare una varietà di fattori, inclusi quelli fisici, chimici, biologici e ambientali. I primi sensori MOSFET includono il transistor a effetto di campo a gate aperto (OGFET), introdotto per la prima volta da Johannessen nel 1970; il transistor ad effetto di campo sensibile agli ioni (ISFET), inventato da Piet Bergveld nel 1970; il transistor ad effetto di campo ad adsorbimento (ADFET), che è stato brevettato da P.F. Cox nel 1974; e un MOSFET sensibile all'idrogeno, che è stato dimostrato da I. Lundstrom, M.S. Shivaraman, C.S. Svenson e L. Lundkvist nel 1975. Una...
