دانلود مقاله سنسور

مقدمه:

امروز وابستگی علوم کامپیوتر، مکانیک و الکترونیک نسبت به هم زیاد شده‌اند و هر مهندس و با محقق نیاز به فراگیری آن‌ها دارد، و لذا چون فراگیری هر سه آنها شکل به نظر می‌رسد حداقل باید یکی از آن‌ها را کاملاً آموخت و از مابقی اطلاعاتی در حد توان فرا گرفت.

اینجانب که در رشته مهندسی مکانیک گرایش خودرو تحصیل می‌کنم، اهمیت فراگیری علوم مختلف را هر روز بیشتر حس می‌کنم و تصمیم گرفتم به غیر از رشته تحصیلی خود سایر علوم مرتبط با خودرو را محک بزنم.

می‌دانیم که سال‌هاست علوم کامپیوتر و الکترونیک با ظهور میکروچیپ‌ها پیشرفت قابل ملاحظه‌ای کرده‌اند و این پیشرفت دامنگیر صنعت خودرو نیز شده است، زیرا امروزه مردم نیاز به آسایش، ایمنی، عملکرد بالا از خودرو خود توقع دارند.

از نشانه‌های ظهور الکترونیک و کامپیوتر در خودرو پیدایش سنسورها در انواع مختلف، و سیستم‌های اداره موتور و سایرتجهیزات متعلقه می باشد.

این تجهیزات روز و به روز تعدادشان بیشتر و وابستگی علم مکانیک به آن ها بشتر می‌شود.

در ادامه سعی دارم نگاهی به تولید وسنسورهای موجود در بازار بیاندازیم و زمینه را برای ساخت یک سنسور پارک  مهیا کنم، تا از ابزارهای موجود حداکثر بهره‌ را برده وعملکرد مطلوب ارائه داد. 

   فصل اول

 سنسور چیست؟

امروزه بحث سنسور به اهمیت مفاهیمی از قبیل میکروپرسسور (پردارزش گر)، انواع مختلف حافظه وسایر عناصر الکترونیکی رسیده است، با این وجود سنسور هنوز هم فاقد یک تعریف دقیق است همچنانکه کلمات الکترونیکی از قبیل پروب، بعدسنج، پیک آپ یا ترنسدیوسر هنوز هم معانی لغوی ندارند.

جدا از این‌ها کلمه سنسور خود ریشه بعضی کلمات هم خانواده نظیر المان سنسور، سیستم سنسور، سنسور باهوش و تکنولوژی سنسور شده است کلمه سنسور یک عبارت تخصصی است که از کلمه لاتین Sensorium، به معنی توانایی حس کرد، یا Sensus به معنی حس برگرفته شده است.

پیش از آن که بحث را ادامه دهیم لازم است عبارت سنسور را در صنعت الکترونیک تعریف کنیم:

یک سنسور هم کمیت فیزیکی معین را که باید اندازه‌گیری شود به شکل یک کمیت الکتریکی تبدیل می‌کند، که می‌تواند پردازش شود یا به صورت الکترونیکی انتقال داده شود.

مثلاً یک سنسور رنگ می‌تواند تغییر در شدت نور را به یک پروسه تبدیل نوری الکترونی به صورت یک سیگنال الکتریکی تبدیل کند.

بنابراین سنسور را می‌توان به عنوان یک زیر گروه از تفکیک کننده‌ها که وظیفه‌ی آن گرفتن علائم ونشانه‌ها از محیط فیزیکی و فرستادن آن به واحد پردازش به صورت علائم الکتریکی است تعریف کرد.

البته سنسوری مبدلی نیز ساخته شده‌اند که خود به صورت IC  می‌باشند و به عنوان مثال (سنسورهای پیزوالکترونیکی، سنسورهای نوری).

وقتی ما از سنسوری مجتمع صحبت می‌کنیم منظور این است که تکیه پروسه آماده‌سازی شامل تقویت کردن سیگنال، فیلترسازی، تبدیل آنالوگ به دیجیتال و مدارات تصحیح‌ می‌باشند، در غیر این صورت سنسوری که تنها سیگنال تولید می‌کند به نا سیستم موسوم هستند.

در نوع پیشرفته به نام سنسور هوشمند یک واحد پردازش به سنسور اضافه شده است تا خورجی آن عاری از خطا باشد  منطقی‌تر شود.

واحد پردازش سنسور که به صورت یک مدار مجتمع عرضه می‌شود اسمارت (Smart) نامیده می‌شود.

یک سنسور باید خواص عمومی زیر را داشته باشد تا بتوان در سیستم به کار برد که عبارتند از:

حساسیت کافی، درجه بالای دقت و قابلیت تولید دوباره خوب، درجه بالای خطی بودن، عدم حساسیت به تداخل و تاثیرات محیطی، درجه بالای پایداری و قابلیت اطمینان، عمر بالای محصول و جایگزینی بدون مشکل.

امروزه با پیشرفت صنعت الکترونیک سنسوری مینیاتوری ساخته می‌شود که از جمله مشخصه‌ی آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

سیگنال خروجی بدون نویز، سیگنال خروجی سازگار با باس، احتیاج به توان پایین.

فصل 2

 تکنیک های تولید سنسور

تکنیک‌هایی در تولید سنسور:

تکنولوژی سنسور امروزه براساس تعداد نسبتاً زیادی از سنسورهای غیرمینیاتوری استوار شده است.

این امر با بررسی ابعاد هندسی سنسوریهایی برای اندازه‌گیری فاصله، توان، شتاب، سیال عبوری فشار و غیره مشاهده می‌شود.

برای اکثر سنسورها این ابعاد از cm10 تجاوز می‌کند.

اغلب ابعاد، سنسورها توسط خود سنسور تعیین نمی‌شود بلکه وسیله پوشش خارجی آن مشخص می‌گردد.

با این وجود، حتی در چنین مواردی خود سنسورها از نظر اندازه در حد چند سانتی‌متر هستند.

چنین سنسوریهایی که می‌تواند گاهی خیلی گرانبها باشند، برای مثال در زمینه اندازه‌گیری پروسه .

تکنولوژی تولید و ربات‌ها، تکنولوژی‌های میکروالکترونیک زیر اکثراً به کار برده می‌شوند:

تکنولوژی سیلیکان، تکنولوژی لایه نازک، تکنولوژی لایه ضخیم/هیبرید، سایر تکنولوژی‌های نیمه هادیپرسوه‌های دیگری نیز در تولید سنسور بکار برده می‌شود، از قبیل تکنولوژی‌های فویل  سینتر، تکنولوژی فیبرنوری، مکانیک دقیق، تکنولوژی لیزر نوری، تکنولوژی مایکروویو و تکنولوژی بیولوژی.

بعلاوه، تکنولوژی‌هایی از قبیل پلیمرها، آلیاژهای فلزی یا مواد پیزوالکتریکی نیز نقش حساسی را در تولید سنسور بازی می‌کنند.از آنجایی که سیلیکان و نیمه هادی‌های دیگر بطور خیلی گسترده در میکروالکترونیک بکار برده می شوند.

در ادامه به تشریح این پروسه تولید می‌پردازم.

فصل 3

  سنسور سیلیکانی

سنسورهای سیلیکانی:

استراتژی ترجیح داده شده در ساخت سنسوریها برمبنای سیلیکانی جدید بهره‌مند شدن از تکنیک‌ها و پردازش‌هایی هست که قبلاً در صنعت مدار مجتمع (IC) بر مبنای سیلیکان بنا نهاده شده است و به این طریق می‌توانذ از تجربیات و نتایج این بخش صنعتی سود جست

خواص سیلیکان واثرات آن بر سنسور:

سیلیکان یک ماده مناسب برای تکنولوژی سنسور است به ظرط آن که اثرات فیزیکی و شیمیایی کافی با قوت قابل قبول نشان دهد که می‌تواند در ساختارهای غیرپیچیده در طول گستره وسیعی از درجه حرارت‌ها بکار برده شود.

استفاده از سیلیکان دارای چندین پی آمد برای سنسورها می‌باشد.

نخست آن که، خواص فیزیکی سیلیکان می‌تواند مستقیماً برای اندازه‌گیری کمیت اندازه‌گیری شوند.

مطلوب به کار برده شود.

در جدیدترین تحولی که در سال 1980 جلوه‌گر شد، ارتباط تکنولوژی میکروالکترونیک با تکنیک‌های ایجاد شده بویژه برای تولید سنسور است، از قبل برداشتن نم غیریکسان، یا شیشه آندی در اتصال سیلیکانی.

به این طریق خواص مکانیکی بسیار خوب سیلیکان تک کریستال می‌تواند برای ساخت سنسورهای بدیع به کار برده شود.

ای تکنولوژی که به نام میکرومکانیک موسوم است منجر به تولید عناصر سیلیکانی مکانیکی یا مکانیکی/ الکترونیکی با ابعادی به اندازه مشابه الکترونیکی آنها می‌گردد، که از نظر اندازه چندین میکرومتر هستند.

سیلیکان تک کریستالی بویژه بخاطر خواص مکانیکی عالی خود با این تکنولوژی بخوبی سازگار است.

تک کریستالی تغییر ماهیت نمی‌دهد.

با این وجود، شکنندگی آن می‌تواند یک ایراد باشد.

همچون الماس، این کریستال می‌تواند در عرض ضخامت مختلف شکسته می‌شود.

نتیجه آن که بسیاری از سنسورهای ساخته شده بر مبنای سیلیکان تک کریستالی به کاربردهایی که در آن درجه حرارت به بالاتر از 150-120 درجه سانتی گرد افزایش پیدا نمی کند محدود می‌شوند.

مراحل تولید در تکنولوژی سیلیکان:

ساخت سنسورهای سیلیکانی بطور عمده براساس عملیات بکار برده شده در تکنولوژی نیمه هادی مدرن استوار است.

که برای تولید عناصر میکروالکترونیکی ابداع شده‌اند.

تکنولوژی صفحه‌ای سیلیکان نه فقط برتولیدات مدارات مجتمع غلبه می‌کند، بلکه یک عنصر تعیین کننده در تولید بسیاری از سنسورهای سیلیکانی نیز می‌باشد این امر منجر به مزایای زیر می‌شود:

ساخت کم هزینه سنسورها به تعداد زیاد، مینیاتورسازی سنسور تجمع یکپارچه و الکترونیک، ساخت سنسورهای چند گانه (سنسورهای چند گانه برروی یک چیپ‌ تنها)، استفاده از چیپ‌های بزرگ یا، در بعضی موارد، و وینرهای کمل  (مثلاً سلولهای خورشیدی، سنسوریهای نوری الکتریکی حساس به وضعیت)، امکان ساخت به بعدی که در آن تکنیک‌های خاص برای برش عمیق و غیر ایزوتروپیک و لایه‌های توقف برش خاص برای خلق شکل سه بعدی عناصر سیلیکاتی مینیاتور شده به کار برده می‌شود، استفاده از دیسک‌های خیلی نازک یا قسمت‌های خیلی نازک (سنسوریهای فشار یا شتاب)، نشست دادن لایه‌های سنسور نازک بر و روی زمینه سیلیکان که خواص سنسور محدود سیلیکانی را توسعه می‌دهد.

ویژگی‌های دیگر را می‌توانید در کتاب‌های میکرومکانیک مطالعه نمایید.

ولی قبل از خلاصه‌ای از میکرومکانیک را خدمت شما عرض می کنم:عبارت میکرومکانیک، یا تشابهات آن به یک شاخه علمی گفته می‌شود که در آن هدف ساخت میکروسیستم‌های پیچیده متشکل از سنسورهای بسیار مجتمع، یک طبقه پردازش سیگنال لا+ رنجش‌های مکانیکی قابل حرکت می‌باشد.

در این حرکت علمی به روش‌های علمی برای ساخت دست پیدا کرده‌اند که در روشهای مکانیکی معمول امکان ساخت آن غیرممکن است محدوده ساخت آن‌ها بین میلی متر و زیرمیکرومتر واقع می‌شود.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

سنسور های در بعد حرارت:

در بعد حرارت یکی از مهمترین کمیت‌های فیزیکی می‌باشد

سنسورهای حرارتی اینترفیس:

این نوع سنسور بطور عمده از وابستگ حرارتی انتقال عامل با استفاده از اتصالات p-n به پایای دیودها، ترانزیستورها یا ترکیبات ترانزیستوری بهره‌برداری می‌کند.

اثرات اصلاح وابستگی حرارتی پلاویته انیترفیس مخازن‌های Mos با تغذیه AC نیز می‌تواند توسط این نوع سنسور بکار برده شود.

هر دو اثر در مبدل‌های حرارتی- فرکانسی بکار برده می‌شوند.

مثال‌های تجارتی از این نوع سنسور حرارتی عبارت است از انواع AD 590 (دستگاه‌های آنالوگ) هستند.

آن‌ها می‌توانند در حد دقتی به اندازه تقریباً 1k برای درجه حرارت‌هایc0‌50- و c0‌150 به کار برده شوند.

اگر چه پیشرفت‌های دیگری در حال تجربه هستند، بیشتر آن‌ها هنوز در مرحله آزمایشگاهی قرار دارند، مبدل‌های حرارتی فرکانسی بدلیل توانائی آن ها برای ایجاد یک سیگنال خروجی فرکانسی- آنالوگ جهت غالب دیگری از تکامل را ارائه می‌دهند.

این مدار متشکل از تعدادی طبقات معکوس کننده با تراتزیستورهای جانبی (T1) .و عمودی (T2) می‌باشد ظرفیت اتصال طبقات معکوس‌کننده انفرادی سبب ایجاد یک تاخیر سوپینگ می‌شود که، با فرض یک جریان تزریقی معین، فرکانس عملیاتی نوسان‌ساز حلقه‌ای را تعیین می‌کند که با تعداد طبقات معکوس‌کننده بکار برده شده تغییر می‌نماید.

وابستگی حرارتی VBE مستقیماً فرکانس نوسان ساز را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

بنابراین برای درجه حرارت‌هایی بین 0‌20 و0‌80 درجه سانتی‌گراد یک وابستگی مغطی بین درجه حرارت و فرکانس با یک حساسیت نسبی،  به اندازه‌ی تقریباً k 3-10 وجود دارد.

اگر چه آینده چنین سنسورهایی خوب است، ولی آن‌ها هنوز در زمینه قیمت با رقیبان خود قادر به رقابت نیستند.

در این دستگاه‌ها درجه حرارت در نتیجه‌ی جذب تشعشع گرمایی توسط لایه‌های مقاومتی افزایش می‌یابد.

غالباً مقاومت‌های لایه ای سیاه فلزی ومقاومت‌های لایه‌ای ترکیب فلز- اکسید فلز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سیلیکون اغلب به عنوان زمینه به کار می‌رود.

ترموپیل‌های مجتمع علاوه بر کاربردهای حرارتی کاربردهای دیگری نیز دارند به عنوان مثال اندازه گیری دبی سیال، آشکار سازی تشعشع ماوراء قرمز و اندازه گیری فشار خلاء از آنجایی که سیلیکان یک هادی گرمایی خوب است، روش‌های حکاکی اغلب می‌تواند به منظور وفق دادن ضخامت و شکل ترموپیل‌ها در کاربردهای ویژه به کار روند.

آفست (offest) کم ترموپیل‌های مجتمع یک مزیت بزرگ است.

بالابردن سی یک سیلیون نیز یک مزین است زیرا سیلیکون دارای اثر سی بک (ضریب) بیشتری نسبت به فلزات است از این رو برای اندازه گیری دماهای جزئی مورد استفاده قرار میگیرد (در حد میکروکلوین).

سنسورهای فشار: سنسورهای سیلیکانی در اندازه‌گیری فشار، توان، و شتاب دارای اهمیت زیادی هستند تاکنون معمولی‌ترین سنسورهایی را که در این زمینه به کار برده می‌شد دارای اثر پیزوالکتریک بوده است.

با به کارگیری مقاومت‌هایی که سنسورهای سیلیکونی نصب یا پخش می‌شوند اثر اندازه‌گیری شده را نتیجه می‌دهد.

.

بعلاوه، سنسورهایی که از اثرا پیزو خازنی بهره می‌برند نقش بطور فزاینده مهمی را، بویژه هنگامی که نوسانگر یا تقویت‌گرها می‌توانند بطور یکپارچه برروی یک چیپ منفرد مجتمع شوند، بازی می‌کنند.

سنسورهای فشار پیزو خازنی نسبت به سنسورهای پیزو مقاومتی حساس‌تر و پایدارتر و کم متاثر نسبت به تغییرات درجه حرارت هستند.

با این وجود تولید روی ساده‌تر و ارزانتر است.

آنها در مقایسه با سنسورهای خازنی، یک مشخصه پاسخ تقریباً خطی ارائه می کنند.

همچنین آماده‌سازی سیگنال ساده‌تر است.

جدیدترین طرح si چند گانه یا MOSFETهای اصلاح شده می باشد.

اثر پیزو مقاومتی: اثر پیزومقاومتی بیانگر تغییر در مقاومت الکتریکی ماده‌ای است که در معرض یک نیروی مکانیکی همچون کشش یا فشار قرار می‌گیرد سنسورهای فشار پیزو مقاومتی: امروزه بسیاری از سازندگان سنسورهای پیزو مقاومتی را برای رنجی بین 1mbar تا 1000 bar می‌سازند، که برای اندازه‌گیری فشار مطلق و تفاضلی مناسب هستند، آن‌ها در مقابل بارهای زیاد حساس نیستند، با وجود این هنگامی که فشار از مقدار مجاز بالاتر روند به آسانی می‌شکند، همچنین باید آن‌ها را در مقابل گرد و غبار محافظت کرد.

به این منظور سنسور را در یک کپسول ضد هوا قرار داده وو داخل آن را با روغن پر می‌کنند، محدوده‌ای دمایی این سنسور بین 120 تا 125 درجه سانتی‌گراد است که اگر از این محدوده‌ی دمایی بالاتر رود اتصال یونی بین آن به سادگی می‌شکند.

اشکالاتی که این سنسور دارد در آماده‌سازی سیگنال برای مدار تقویت کننده می‌باشد که تا حدودی به وسیله‌ی پردازش‌گرهای جدید رفع شده است.

اخیراً یک سنسور فشار با سیگنال خروجی دیجیتالی با عنوان فلیپ- فلاپ NMOS آماری معرفی شده است.

ساختار این سنسور که براساس یک فلیپ فلاپ نامتعادل قرار دارد توسط دو مقاومت می‌تواند تحت تاثیر قرار گیرد و این منجر به تغییری در خروجی پالس سنسور قرار گیرد.

اصول سنسورهای فشار جدید تجمع بک MOSFETو یک الکترت منجر به ظهور انواع زیادی از سنسورهای جدید شده است که نمونه‌ای از آن سنسور فشار PRESSFET می‌باشد.

این سنسور که یک نمونه جدید از آرایش FET با یک لایه ساندویجی دی الکتریک بین گیت وسیلیکان در نظر گرفته می‌شود.

نمونه‌ای از سنسورهای جدید که براساس روش‌های میکرومکانیکی تولید می‌شوند که برای اندازه‌گیری فشار خلاء به کار می‌روند.

نمونه‌ای از کاربرد این سنسور را می‌توان در خودرو با نام سنسور MAP که برروی ما نیفرلد قرار دارد مشاهده کرد.

این سنسور برای فشارهای بین 10mpa و 10mpa مناسب می‌باشد.

این سنسور سیلیکونی پیزو مقاومتی که با استفاده از تکنولوژی سیلیکانی برروی یاقوت کبود (SOS) تولید می‌شود در دمای بالاتر از 100 درجه‌سانتی‌گراد می‌تواند بخوبی کار کند.

فصل 7 سنسورهای شیمیایی سنسورهای شیمیایی: سنسورهای شیمیایی غلظت ذرات مخصوص (اتمها، مولکول‌ها، و یا یونها را در مایعات و گازهای با استفاده از علامت الکتریکی ثبت می‌کنند.در مواردیکه با تشخیص مواد بیولوژیکی ویژه سروکار دارند، وسایل بکار برده شده بعنوان سنسورهای بیولوژیکی شناخته می‌شوند.

اینها اغلب یک طبقه جداگانه از سنسورهای شیمیایی تلقی می‌شوند.

سنسورهای شیمیایی بسیار متفاوت‌تر از سنسورهای فیزیکی هستند، در وحله اول، تعداد گونه‌های شیمیایی که روی سنسور عمل می‌کنند معمولاً‌ خیلی بالا هستند.

یاد آوری می‌شود که تقریباً 100 اندازه‌گیری فیزیکی می‌تواند با استفاده از سنسورهای فیزیکی ثبت می‌شود.

در مورد سنسورهای شیمیایی، این تعداد از نظر اهمّیت به چندین مرتبه بزرگتر است یک مثال از این تعداد ترکیباتی است که برای اندازه‌گیری در آزمایشگاهای پزشکی انجام می‌شود ثانیاً سنسور شیمیایی وسیله‌ای را که اندازه‌گیری می‌کند باید باز باشد و نمی‌تواند مثل مورد سنسورهای حرارتی بسته باشد، این بدان معنی است که آن در معرض عوامل نامطلوب از قبیل نور و خوردگی قرار دارد تشخیص ذرات ویژه همانطور که در بالا شرح داده شد در بیشتر موارد مسئله اصلی نیست،‌چون این ذرات می‌تواند با روش شیمی تجزیه‌ای به طور مثال با کمک طیف منبع‌های بصری، کروماتوگرانهای گازی، یا روش‌های نوری یا مغناطیسی، انجام شود.

در مقایسه با این روش‌ها، که معمولاً‌ نیاز به وسایل گرانقیمت و کار ناپیوسته دارد، نیاز مبرم به سنسورهای شیمیایی وجود دارد با خواصی از قبیل:‌ ساختمان کوچک، نیرومند قابل اعتماد .سازگاری میکرو الکترونیکی.قابلیت تجدید کردنپاسخ انتخابی و سریع بزرگترین غیر وابستگی ممکن از پارامترهای میحطی قابلیت ساخت با استفاده از روش‌‌ای میکروالکترونیکی قرار دادی.این احتیاجات بدین معنی است که یک رشته وسیعی از کاربردها بوجود دارد.

مثال‌ها اندازه‌گیری نثرها و حفاظت محیط زیست، اندازه‌گیری ایمیسیونها، جلوگیری از آتش و انفجار در حین اندازه‌گیری، تکنولوژی اتومبیل، وسایل خانگی، تهیه آب، و تجزیه فاضلاب و تجزیه سطح مواد می‌باشد.

میلیون‌ها سنسور شیمیایی ساخته شده‌اند.

متداولترین اینها سنسور Sno2 تاگوچی برای آشکار سازی گازهای احیاء شونده می‌باشد، سپس سنسورهای o2 که بر پایه سنسورهای انتقال یون Zro2 استوار می‌باشد.

در سال‌های اخیز نیاز به سنسورهای شیمیایی بطور زیادی افزایش یافته است.دلیل این امر را می‌توان در: افزایش پیچیدگی در فرآیند تولید،‌ اقتصادی کردن استفاده از انرژی و مواد خام و کاهش آلودگی محیط زیست می‌باشد.

خلاصه تمام این‌ها این است که خیلی از پژوهشگران اکنون انرژی را برای توسعه سنسور‌ای شیمیایی با خواص ویژه برای کاربردهای ویژه و با اصول کاری شناخته شده، فدا می‌کنند.

کار پژوهش و توسعه در دو مرحله پیشرفت می‌کند.

یکی نقطه شروع برای توسعه سنسورهای جدید است که بطور تجربی برای استفاده تحت شرایط کاربردی واقعی بهینه شده و به وسیله حساسیت آن‌ها، حساسیت جنبی، روش مدت- طویل و شرایط طولانی مشخص شده است.

بیوسنسورها: اصولی که تاکنون برای سنسورهای شیمیایی تشریح شد همچنین می‌تواند تقریباً در کلیات در مورد میوسنسورها به کار رود.

علی رغم، این، نیاز است که آنها بطور جداگانه مورد بررسی قرار گیرد که در مقاله ما نمی‌گنجد.

ولی با توضیح مختصری به شرح آن می‌پردازم.

یک بیوسنسور ساختمانی است که در آن عنصر حساس بیولوژیکی در ارتباط با یک مبدل فیزیکی و الکترونیکی است.

بجسم تولید یک علامت می‌کند که با بزرگی‌ یا با فرکانس غلظت ماده‌ای که اندازه‌گیری می‌شود متناسب است.

عنصر حساس بطور بیولوژیکی یک سنسور بیواکتیو است.

و بعنوان گیرنده شناخته می‌شود.

ماده‌ای که شناسایی می‌شود، آنالیت، به این گیرنده وصل می‌شود.

این پیش فرض‌ها که آنالیت‌ با گیرنده مقابل دارند که آن بطور شیمیایی تبدیل می‌شود، با تحت تأثیر بعضی راههای دیگر قرار می‌گیرند.

بدین ترتیب مرحله اول در طراحی یک بیوسنسور تأمین کردن آن است که گیرنده بطور اختصاصی با آنالیت اتصال یابد.

بیوسنسورها در تشخیص‌های طی، برای مثال آنالیزور آنزیم- شیمیایی ECA2o‌ برای تشخیص قند خون، در کنترل تخمیر یا در حفاظت محیط زیست مثال‌های موثری، از امکانهای بابرد وسیع است.

مزیت اصلی بیوسنسورها بر این حقیقت استوار است که آنها می‌تواند بطور مستقیم در محیط‌های مایع استفاده شوند و دارای درجه بالای از انتخاب گری است، که اندازه‌گیری سازنده‌های تنها را در مخلوط‌های پیچیده بدون جداسازی اولیه آنها ممکن می‌سازد.

برای امثال بیوسیدها را بررسی می‌کند.این کار بوسیله آنزیم‌های غیر متحرک شده یا آنتی بادیها روی کریستال‌های پیزوالکتریک بدست می‌آید.

اگر اتصال آنالیت موجب بالا رفتن وزن کریستال شود، این موجب تغییر در فرکانس فرسان می‌شود.

اولین تلاش برای استفاده از این روش برای تشخیص داروها و مواد منفجره موفقیت آمیز بود.

سنسورهای رطوبت: توانایی هوا در نگه داشتن آب تأثیر قابل ملاحظه‌ای روی تعداد زیادی از فرآیند‌ها که در اتمسفر عادی انجام می‌گیرند دارد، برحسب تعداد کاربردهایی که شامل می‌شود: آب ممکن است ماده خیلی مهمی در زندگی روزه‌مری ما باشد و آن در هوا، جامدات و سیالات اتفاق می‌افتد.

وقتی غلظت بخار آب در گازها، اصولاً هوا تعیین می‌شود، مهّم است که میان موارد زیر فرق گذاشت: رطوبت مطلق: که مقدار بخار آب موجود در واحد حجم گاز است و به وسیله گرم بر متر مکعب سنجیده می‌شود.رطوبت اشباح: مقدار ماکزیم آب در واحد حجم گاز است که گازها در دمای داده شده نگه می‌دارد.

رطوبت نسبی:‌ که نسبت رطوبت مطلق به رطوبت اشباع است و مقدار آن بین 5و1 است اندازه‌گیری مستقیم محتوای آب مایعات و جامدات خیلی مشکل است چون آن بندرت ممکن است که محتوای آب یک محصول بعنوان یک اندازه‌گیری جداگانه انجام می‌شود.

سیستمهای اندازه‌گیری مؤثق از زمان‌های طولانی برای تعیین مقدار رطوبت وجود داشته است.

این شامل روش‌های مکانیکی از قبیل رطوبت منبع مو، پسی کرومتر و شناگر رطوبت که در آن مقاومت سطح سنجیده شود.

نوعی از سنسورهای موجود به نام سنسور رطوبت ظرفیتی صفحه‌ای است، این سنسورها برد وسیعی از رطوبت‌ها را ثبت می‌کند و از سنسورهایی که بر پایه روش مقاومت قرار دارند بسیار صحیح‌تر هستند.

به خاطر سادگی، اگر از اثرات حاشیه‌ای صرفنظر شود این سنسورها طولانی دارند.

جنس صفحات این سنسور از استات سلولز و یاپلی استایرن است که با روش پوشش قالبی تولید شده‌اند.

این سنسور در رنج دمایی بین 80-تا 175 درجه سانتی گراد با دقتی در حدود تلرانس 1% کار می‌کنند.

نوع دیگری از سنسورهای رطوبت، سنسور نقطه تراکم می‌باشد.

طبق تعریف این نوع سنسور با سرد کردن مقداری هوای معین و اندازه‌گیری مقدار مایع معیّن می‌تواند رطوبت هوا را تعیین کند.

هیچ سنسور کوچک شده‌ای تاکنون برای اندازه‌گیری آب جامدات ساخته نشده‌اند.البته روش‌های اندازه‌گیری مدرن و گرانقیمت نیز مثل اندازه‌گیری هدایت الکتریکی همراه با جذب ماکرو ویوو مادون قرمز نیز وجود دارد.

فصل 9 سنسور ویگاند سنسور ویگاند سیستم‌های ویژه که از ماده‌ فرو مغناطیسی ساخته شده‌اند، اگر مقدار میدان مغناطیسی بیشتر شود یک تغییر ناگهانی در جهت میدان مغناطیسی نشان می‌دهند.

این اثر مدت زیادی است که به نام LBD شناخته شده است.

در هر حال این اثر تا اواسط سالهای 1970 که تکنولوژی تولید این سیم‌ها توسط ویگاند کشف شد.

یک سیک ویگاند از ویکالری که یک آلیاژ مرکب از کوبالت، آهن و وانادیم است ساخته شده که سختی مغناطیسی و مکانیکی آن با شکل دادن قابل افزایش است .

یک سیم مغناطیسی نرم با نظر تقریبی 25/.

میل متر با فرآیند پیچی متناوب بصورت سرد شکل می‌گیرد و سپس بطور جزئی کشیده و در یک فرآیند حرارتی، خواصی که فرآیند قبلی به سیم داده تثبیت می‌شود و در حین عمل تغییر شکل پوسته سیم از داخل آن بیشتر است و یک پیوسته سخت مغناطیسی و مکانیکی با یک هسته فرو مغناطیسی ایجاد می‌شود.

و نحوه تغییر شکل در امتداد سیم کاملاً مشخص است، در نتیجه بجهت مغناطیس شوندگی نواحی ویس (weiss) با محور سیم موازی است.

اکنون اثر واضحی سنسور را بیان می‌کنم؛ اگر فرض کنیم که هسته و پوسته در یک جهت با میدانی در حد A/cm 100 (این حالت عمل غیر متقارن سنسور نامیده می‌شود) تا حد اشباع مغناطیسی شونده، در این هنگام میدان معکوس نسبتاً ضعیفی در حد 15A/cm (شدت میدان مغناطیسی) باعث تغییر سریع جهت مغناطیسی هسته می‌شود.

این تغییر یک پالس الکتریکی را در یک سیم پیچ که دور هسته قرار دارد ایجاد می‌کند.

این پالس پالس برگشت نامیده می‌شود.

حال اگر یک میدان قوی در جهت اولیه اعمال شود، هسته در شدت میدان تحریک از جهت اولیه مغناطیسی می‌شود.

چون در این حالت اثر میدان میدان بیرونی با میدان پوسته‌ هماهنگ است، تغییر سریعتری از فلو بوجود می‌آید و پالس با دانه‌ چندین ولت در سیم پیچی آشکار می‌شود.

مزیت بزرگ سنسور و یگانه نسبت به سنسورهای مغناطیسی در این حقیقت است که دامنه پالیس خروجی آن تا حد زیادی مستقل از سرعت تغییر میدان مغناطیسی است.بعلاوه به هیچ منبع تغذیه‌ای نیاز نداشته و در رنج وسیعی از دما (بین 200- الی Co 200 سانتی گراد) عمل می‌کند این سنسورها با به کارگیری موادیی شکل اخیراً استفاده فزاینده‌ای یافته است.

این سنسور بسیار پایدار بوده و تداخل رادیویی، در آن بی‌اثر است.

سنسورهای و یگانه از اوایل سال 1980 بطور تجارتی در دسترس هستند.

آن‌ها دارای ساختار قسمت به قسمت بوده و از یک سیم، یک سیم پیچ سنسور یک مکانیزم تغییر میدان مغناطیسی می‌تواند بوسیله میدان متناوب یک آهنربای الکتریکی ایجاد شود.

امکان دیگر حرکت سیم ویکاند نسبت به یک آهنربای دائم است.

این نوع از سنسور برای اندازه‌گیری مسافت‌های افزایشی، سرعت‌های زاویه‌ای یا دورانی و همینطور حرکت خطی بسیار مناسب است.

این نوع از سنسور در ساخت وسایل نقلیه به کار می‌رود.

سیم‌های ویگاند در کارت‌های شناسایی رمزدار نیز کاربرد دارند.

برای مثال دو ردیف از سیم‌های ویگاند که بطور عمودی در یک خط قرار گرفته‌اند و در یک کارت پلاستیکی می‌توان تعبیه کرد.

با عبور این کارت از روی هد آشکار ساز رمز آن خوانده می‌شود.

هد آشکار ساز شامل سیم پیچ سنسور است که در معرض یک میدان مغناطیسی دائم قرار دارد.

سیم‌ای ویگاند از میان دو فاصله هوایی مجزا عبور کرده و در جهت مغناطیسی آنها در میدان مغناطیسی عوض می‌شود.

این باعث تولید یک رشته پالس در سیم پیچ سنسور می‌شود.

این پالس‌ها دارای قطب‌های مختلف هستند و می‌توانند به منظور شناسایی استفاده شوند.

فصل 10 سنسورهای تشدیدی سنسورهای تشدیدی: بسیاری از سنسورهایی که امروزه به کار می‌روند آنالوگ هستند.

تطبیق برای پردازش میکروالکترونیکی اطلاعات با تبدیل سیکنال‌های آنالوگ به دیجیتال بدست می‌آید.پردازش با پیچیدگی کم یا زیاد بستگی به تکنولوژی به کار رفته در سنسور دارد.

حالت ایده‌آل سنسوری است که با پردازش الکترونیکی جمع شده باشد و سیکنال آن قابل انطباق با عملیات زیر پردازنده بصورت یک درگاه خروجی باشد.

در اصول تمامی آشکار سازهای زاویه با طول را نیز می‌توان جزو آن بحساب آرود.اخیراً با مرور کدهای علامت زده شده روی دیسک‌های نوری توسط سنسورهای نوری سیگنال دیجیتالی در چهار کانال حاصل شده است، در ادامه سنسورهای فرکانسی- آنالوگ در ادامه بررسی می‌شوند.خروجی این سنسورها به آسانی قابل تبدیل به سینگال دیجیتالی با پردازش الکترونیکی است.

اکثر این سنسورها بسیار دقیق بوده و در نتیجه این برای کاربران جالب توجه هستند.

لازم است که دو نوع سنسورهای فرکانسی- آنالوگ را از هم تشخیص دهیم: سنسورهایی که برپایه به نوسان سازهای الکترونیکی قرار دارند که در آنها سنسور عنصر تعیین کنندهی فرکانس است.سنسورهایی که ساختار تشدیدی مکانیکی دارند.

دسته اول شامل نوسان سازهای حلقوی است برای مثال سنسور فشار.

دسته دوم شامل انواعی است که فرکانس تشدید یا فرکانس انتشار ساختار مکانیکی آنها اندازه‌گیری می‌شود.

مقادیری که باید تعیین بشوند از روی این اندازه‌گیری ما تعیین می‌شوند.

سنسورهای تشدیدی اهمیت‌ بسزایی دارند زیرا آن‌ها نه تنها به دلیل قابلیت ساخت میناتوری بلکه بدلیل اثر تشدیدی خود مهّم هستند.

برخی سنسورهای تشدیدی عبارتند از، سنسورهای تشدیدی کوارتز، سنسورهای SAW ، سنسورهای تشدیدی برای چگالی، سنسورهای سطح و جریان میانی.

سنسورهای تشدیدی کوارتز: کوارتز ماده‌ای متبلور با خواص ارتجاعی بینهایت ثابت و با قابلیت‌های پیزو الکترویک است و مقادیر وسیعی از آن برای سالیان بسیاری به عنوان تثبت کننده فرکانس در مدارات الکترونیکی بکار رفته است و بنابراین اطلاعات در مورد آن بسیار دقیق است با استفاده از کوارتز دقت مکانیکی بالا می‌رود و این مزیت بزرگ این سنسور است.

تشدید کننده‌های کوارتز ورقه‌های نازکی از کوارتز متبلور هستند که الکترودها روی آن نصب شده‌اند.

این ورقه‌ها از مونوکریستالهای کوارتز بریده شده‌اند.

بسته شکل کریستالی قطعه‌ برش یافته و ترکیب الکترودها، انواع مختلف تشدید کننده‌ها قابل دست‌یابی است.

عوامل موثر شامل برش مقطعی، برش سطحی، برش عرضی و نوسان سازهای پیچشی و + هستند هر کدام از انواع نوسان‌ها برای کاربردهای خاص سنسور مناسب است.

در اکثر نوسان سازها از برش‌های عرضی کوارتز استفاده می‌شود.

سنسورهای کوارتز امروزه با به کارگیری آی سی‌های مختلف برای خروجی آن تعریف‌های بسیاری نموده‌اند.

مثلاً سنسور‌ کوارتز اثرات نامطلوبی مثل تغییرات نقطه خنثی و حساسیت بین نمونه بردار، اثر دمای محیط و گرم شدن خود سنسور و در نتیجه انحراف دارد از اثر گرمای سنسور که عیب می‌باشد برای اندازه‌گیری حرارت استفاده شد و اولین سنسور کوارتز حرارتی در سال 1981 وارد بازار شد.

این سنسور توسط شخصی به نام هروس تولید شد.

2-11 سنسور موج صوتی سطحی (SAW) سنسورهای SAW مدت زیادی است که برای اجزاء خاص الکترونیکی همانند خطوط تأخیر فیلترهای آنالوگ و دیجیتال و تشدید کننده‌ها استفاده شده‌اند این نوع اجزاء بخوبی از اثرات محیطی محافظت شده‌اند.

موجهای صوتی سطحی، موجهای مکانیکی در سطح یک ماده جامد پیزو الکترونیک هستند.

مهمترین آن موجهای رایلی است.

این موجها دارای یک جزء‌ طولی هستند که در امتداد سطح صفحه پخش می‌شود و یک برش تقریباً 100000 برابر سرعت نور است.

این موجها با اضافه کردن در + الکترودهای فلزی شانه‌ای شکل روبروی هم در دو انتهای یک لایه پیزوالکترویک و با استفاده از روش‌های لیتوگرافی، تولید می‌شوند.

سیگنال الکترونیکی اعمال شده به یکی از این سطح شده و در نتیجه موجع در دو جهت عمود بردندانه‌های شانه‌ای شکل انتشار می‌یابد.برای مثال سنسورهای فشار که برای اندازه‌گیری فشار به کار می‌روند از پوسته کوارتز با ضمانت 100 الی 200 میکرون که به جلوی آنها تشدید کننده SAW همچنین می‌توان به عنوان آشکار ساز جا به جایی، جریان یا سنسورهای مشخص کننده وضعیت لایه نازک (تغییرات و نشست) و سنسورهای شیمیایی و بیولوژیکی استفاده می‌شود.

از کاربردهای دیگر که اخیراً‌ مورد توجه قرار گرفته سنسور رطوبت و چگالی می‌باشد.

اصلی که در اکثر سنسورها مورد توجه قرار گرفته با قرار دادن یک لایه حساس شیمیایی بروی زیر لایه پیزوالکترویک است و این لایه حساس بطور انتخابی جاذب مورد اندازه‌گیری است.

فصل 11 سنسور مافوق صوت سنسور مافوق صوت: اصطلاح مافوق صوت برای مرجعهای الاستیکی با فرکانس بالای 20 کیلوهرتز به کار می‌رود طبیعت روش‌های مختلفی برای ایجاد و دریافت امواج مافوق صوت فراهم کرده است توسعه تکنولوژی به انسان اجازه افزایش روش‌های جدیدی را بر روش‌های طبیعی داده است.

در این بین اثر پیزو الکترویک نقش قطعی را ایفا کرده است.

در تمامی فصول کتاب سعی شد تا سنسورهای گوناگونی را جهت استفاده در سنسور پارک یا به لاتین « Park Aid» به کار بریم.

امروزه در برخی خودروها از سنسورهایی جهت پارک استفاده می‌کنند که در آن از ساختار مافوق صوت برخوردار است.

این سنسورها در نوع ساده که تنها یک سیکنال جهت آگاهی راننده صادر می‌کند تا نوع پیشرفته که بر روی صفحه نمایش‌گر فاصله نزدیک شدن به مانع را که توسط چند سنسور برروی قسمت عقب خودرو که بر روی سپر نصب شده نمایش می‌دهد ساخته شده‌اند در تمامی اینها اصول کار براساس امواج الکتروسونیک استوار است و فقط تجهیزات اضافی بروری آن نصب شده است تا به فرم و زیبایی آن افزوده شود.

اخیراً از سنسور الترواسونک بر روی برخی خودرو در ترافیک بررگراه‌ها استفاده شده است این سنسورها با اتصّال به سیستم مدیریت موتور ترکیب جالبی را از فن آوری الکترونیک و مکانیک به نمایش می‌گذارد.

قبل از آن که به جزئیات ساخت و تمای فنّی آن بپردازیم لازم است تا طرز کار این سنسور را بروی مدار شرح دهم.اگر برخی کریستال‌های خاص در معرض فشار مکانیکی قرار گیرند، بارهای الکتریکی تولید می‌شوند.

و این پدیده بعنوان اثر مستقیم پیزوالکترونیک شاخته شده است.کریستال‌ها با حضور یک محور قطبی یا با عدم وجود یک مرکز تقارن مشخص می‌شوند.

کوارتز بهترین نمونه ساخته شده این طبقه است.

اثر مستقیم پیزوالکتریک قابل برگشت است و بنابراین در تولید صدا به کار می‌رود.اگر یک میدان الکترویک متناوب به کوارتز اعمال شود، نوسانات مکانیکی متناظر تولید می‌شود و به صورت امواج صوتی منتشرمی‌شوند.

در قبال کوارتز خواص پیزوالکتریک در برخی مواد پیزو سرامیک از قبیل Barium titante یا Zirconium titant یا موادی از قبیل سولنات لیتم وجود دارد.بکار بردن عناصر مبدلی که از این مواد ساخته شده در مایعات گازها و بجامدات ممکن است.

در هر حال تفاوت ملاحظه‌ای در رفتاراین مواد وجود دارد.اگر این مبدل توسط پالسی تحریک شود با فرکانس معینی نوسان می‌کند که به سرعت صدا و چگالی قطعه بستگی دارد.

تنها قسمتی از انرژی صوتی از محیط قطعه عبور کرده و وارد محیط مرزی می‌شود.

مبدل‌های پیزوالکتریک ضریب کیفیت بالایی دارند.اگر کریستال پیزو الکتریک تحریک شود زمان میرایی طولانی خواهد داشت.اگر نوسان کننده میرا گردد تنها ایجاد پالس‌های خیلی کوتاه صوتی امکان پذیر خواهد بود.اگر مبدل میرا نشدهای در فرکانس تشدید تحریک شود، ضریب کیفیت بالای آن باعث پخش امواج مافوق صوت با شدت بالا می‌گردد.

این مزیت نوسان سازهای پیزو سرامیک در مبدل گیرنده باند نیز بکارمی‌رود.

یک ماده جدید و بسیار جالب برای سنسورهای مانون صوت P VDE است، که از یک لایه نازک فیلم پلیمر پلاریزه با ضخامت چند ده میکرو میلیمتر تشکیل شده است.

از این ماده برای تولید کردن انواع مبدل انرژی باند وسیع می‌توان استفاده کرد.

که امیدانس صوتی آن از مولد پیزوسرامیک کوچکتر است.

گرچه این ضریب کمتر بودن تبدیل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی نسبت به مواد پیزوسرامیک را توصیف می‌کند اما فیلم پلیمر بعنوان گیرنده در هر محیط مایع و گاز بطور فزاینده‌ای بکار می‌رود دلیل اصلی این امر مزایایی است که از پهنای باند وسیع حاصل شده است.