Un sensor es un dispositivo que produce una señal de salida con el fin de detectar un fenómeno físico.
En la definición más amplia, un sensor es un dispositivo, módulo, máquina o subsistema que detecta eventos o cambios en su entorno y envía la información a otros dispositivos electrónicos, frecuentemente un procesador de computadora.
Los sensores se utilizan en objetos cotidianos como botones de ascensor sensibles al tacto ( sensor táctil ) y lámparas que se atenúan o iluminan al tocar la base, y en innumerables aplicaciones de las que la mayoría de la gente nunca es consciente. Con los avances en micromaquinaria y plataformas de microcontroladores fáciles de usar , los usos de los sensores se han expandido más allá de los campos tradicionales de medición de temperatura, presión y flujo, [1] por ejemplo, a los sensores MARG .
Los sensores analógicos, como los potenciómetros y las resistencias de detección de fuerza , todavía se utilizan ampliamente. Sus aplicaciones incluyen fabricación y maquinaria, aviones y aeroespacial, automóviles, medicina, robótica y muchos otros aspectos de nuestra vida cotidiana. Existe una amplia gama de otros sensores que miden las propiedades químicas y físicas de los materiales, incluidos sensores ópticos para medir el índice de refracción, sensores de vibración para medir la viscosidad de los fluidos y sensores electroquímicos para monitorear el pH de los fluidos.
La sensibilidad de un sensor indica cuánto cambia su salida cuando cambia la cantidad de entrada que mide. Por ejemplo, si el mercurio en un termómetro se mueve 1 cm cuando la temperatura cambia 1 °C, su sensibilidad es 1 cm/°C (básicamente es la pendiente dy/dx suponiendo una característica lineal). Algunos sensores también pueden afectar lo que miden; por ejemplo, un termómetro a temperatura ambiente insertado en una taza de líquido caliente enfría el líquido mientras el líquido calienta el termómetro. Los sensores suelen estar diseñados para tener un pequeño efecto sobre lo que se mide; Hacer el sensor más pequeño a menudo mejora esto y puede introducir otras ventajas. [2]
El progreso tecnológico permite fabricar cada vez más sensores a escala microscópica como microsensores utilizando tecnología MEMS . En la mayoría de los casos, un microsensor alcanza un tiempo de medición significativamente más rápido y una mayor sensibilidad en comparación con los enfoques macroscópicos . [2] [3] Debido a la creciente demanda de información rápida, asequible y confiable en el mundo actual, los sensores desechables (dispositivos de bajo costo y fáciles de usar para monitoreo a corto plazo o mediciones de disparo único) recientemente han ganado cada vez más popularidad. importancia. Con esta clase de sensores, cualquier persona puede obtener información analítica crítica, en cualquier lugar y en cualquier momento, sin necesidad de recalibración ni de preocuparse por la contaminación. [4]
Un buen sensor obedece las siguientes reglas: [4]
La mayoría de los sensores tienen una función de transferencia lineal . Luego, la sensibilidad se define como la relación entre la señal de salida y la propiedad medida. Por ejemplo, si un sensor mide temperatura y tiene salida de voltaje, la sensibilidad es constante con las unidades [V/K]. La sensibilidad es la pendiente de la función de transferencia. Para convertir la salida eléctrica del sensor (por ejemplo, V) a las unidades medidas (por ejemplo, K), es necesario dividir la salida eléctrica por la pendiente (o multiplicarla por su recíproco). Además, con frecuencia se suma o resta una compensación. Por ejemplo, se debe agregar −40 a la salida si la salida de 0 V corresponde a la entrada de −40 C.
Para que la señal de un sensor analógico pueda procesarse o utilizarse en equipos digitales, es necesario convertirla en una señal digital mediante un convertidor de analógico a digital .
Dado que los sensores no pueden replicar una función de transferencia ideal , pueden ocurrir varios tipos de desviaciones que limitan la precisión del sensor :
Todas estas desviaciones se pueden clasificar como errores sistemáticos o errores aleatorios . En ocasiones, los errores sistemáticos pueden compensarse mediante algún tipo de estrategia de calibración . El ruido es un error aleatorio que puede reducirse mediante el procesamiento de señales , como el filtrado, normalmente a expensas del comportamiento dinámico del sensor.
La resolución del sensor o resolución de medición es el cambio más pequeño que se puede detectar en la cantidad que se está midiendo. La resolución de un sensor con salida digital suele ser la resolución numérica de la salida digital. La resolución está relacionada con la precisión con la que se realiza la medición, pero no son lo mismo. La precisión de un sensor puede ser considerablemente peor que su resolución.
Un sensor químico es un dispositivo analítico autónomo que puede proporcionar información sobre la composición química de su entorno, es decir, una fase líquida o gaseosa . [5] [6] La información se proporciona en forma de una señal física mensurable que se correlaciona con la concentración de una determinada especie química (denominada analito ). En el funcionamiento de un sensor químico intervienen dos pasos principales: reconocimiento y transducción . En la etapa de reconocimiento, las moléculas de analito interactúan selectivamente con moléculas receptoras o sitios incluidos en la estructura del elemento de reconocimiento del sensor. En consecuencia, varía un parámetro físico característico y esta variación se reporta mediante un transductor integrado que genera la señal de salida. Un sensor químico basado en material de reconocimiento de naturaleza biológica es un biosensor . Sin embargo, como los materiales biomiméticos sintéticos van a sustituir en cierta medida a los biomateriales de reconocimiento, resulta superflua una distinción tajante entre un biosensor y un sensor químico estándar. Los materiales biomiméticos típicos utilizados en el desarrollo de sensores son polímeros y aptámeros de impresión molecular . [7]
En biomedicina y biotecnología , se denominan biosensores a los sensores que detectan analitos gracias a un componente biológico, como células, proteínas, ácidos nucleicos o polímeros biomiméticos . Mientras que un sensor no biológico, incluso orgánico (química del carbono), para analitos biológicos se denomina sensor o nanosensor . Esta terminología se aplica tanto a aplicaciones in vitro como in vivo. La encapsulación del componente biológico en biosensores presenta un problema ligeramente diferente al de los sensores ordinarios; Esto se puede hacer por medio de una barrera semipermeable , como una membrana de diálisis o un hidrogel , o una matriz polimérica 3D, que restringe físicamente la macromolécula sensora o restringe químicamente la macromolécula uniéndola al andamio.
Los sensores neuromórficos son sensores que imitan físicamente estructuras y funciones de entidades neuronales biológicas. [8] Un ejemplo de esto es la cámara de eventos .
La tecnología de semiconductores de óxido metálico (MOS) tiene su origen en el MOSFET (transistor de efecto de campo MOS o transistor MOS) inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en 1959 y demostrado en 1960. [9] Sensores MOSFET (sensores MOS) Posteriormente se desarrollaron y desde entonces se han utilizado ampliamente para medir parámetros físicos , químicos , biológicos y ambientales . [10]
Se han desarrollado varios sensores MOSFET para medir parámetros físicos , químicos , biológicos y ambientales . [10] Los primeros sensores MOSFET incluyen el transistor de efecto de campo de puerta abierta (OGFET) introducido por Johannessen en 1970, [10] el transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) inventado por Piet Bergveld en 1970, [11] el FET de adsorción (ADFET) patentado por PF Cox en 1974, y un MOSFET sensible al hidrógeno demostrado por I. Lundstrom, MS Shivaraman, CS Svenson y L. Lundkvist en 1975. [10] El ISFET es un tipo especial de MOSFET con una puerta a cierta distancia, [10] y donde la puerta metálica es reemplazada por una membrana sensible a iones , una solución electrolítica y un electrodo de referencia . [12] El ISFET se utiliza ampliamente en aplicaciones biomédicas , como la detección de hibridación de ADN , detección de biomarcadores en sangre , detección de anticuerpos , medición de glucosa , detección de pH y tecnología genética . [12]
A mediados de la década de 1980, se habían desarrollado muchos otros sensores MOSFET, incluido el sensor de gas FET (GASFET), el FET de superficie accesible (SAFET), el transistor de flujo de carga (CFT), el sensor de presión FET (PRESSFET), el transistor de efecto de campo químico ( ChemFET), ISFET de referencia (REFET), FET con biosensor (BioFET), FET modificado con enzimas (ENFET) y FET modificado inmunológicamente (IMFET). [10] A principios de la década de 2000, se habían desarrollado tipos de BioFET, como el transistor de efecto de campo de ADN (DNAFET), el FET modificado genéticamente (GenFET) y el BioFET de potencial celular (CPFET). [12]
La tecnología MOS es la base de los sensores de imagen modernos , incluido el dispositivo de carga acoplada (CCD) y el sensor de píxeles activos CMOS (sensor CMOS), utilizados en imágenes digitales y cámaras digitales . [13] Willard Boyle y George E. Smith desarrollaron el CCD en 1969. Mientras investigaban el proceso MOS, se dieron cuenta de que una carga eléctrica era la analogía de la burbuja magnética y que podía almacenarse en un pequeño condensador MOS. Como era bastante sencillo fabricar una serie de condensadores MOS seguidos, les conectaron un voltaje adecuado para que la carga pudiera pasar de uno al siguiente. [13] El CCD es un circuito semiconductor que posteriormente se utilizó en las primeras cámaras de vídeo digitales para retransmisiones televisivas . [14]
El sensor de píxeles activos (APS) MOS fue desarrollado por Tsutomu Nakamura en Olympus en 1985. [15] El sensor de píxeles activos CMOS fue desarrollado posteriormente por Eric Fossum y su equipo a principios de los años 1990. [dieciséis]
Los sensores de imagen MOS se utilizan ampliamente en la tecnología de ratones ópticos . El primer ratón óptico, inventado por Richard F. Lyon en Xerox en 1980, utilizaba un chip sensor NMOS de 5 µm . [17] [18] Desde el primer ratón óptico comercial, el IntelliMouse introducido en 1999, la mayoría de los dispositivos de ratón óptico utilizan sensores CMOS. [19]
Los sensores de monitoreo MOS se utilizan para monitoreo de casas , oficinas y agricultura , monitoreo de tráfico (incluida la velocidad de los automóviles , atascos y accidentes de tránsito ), monitoreo del clima (como lluvia , viento , relámpagos y tormentas ), monitoreo de defensa y monitoreo de temperatura . , humedad , contaminación del aire , incendios , salud , seguridad e iluminación . [21] Los sensores detectores de gas MOS se utilizan para detectar monóxido de carbono , dióxido de azufre , sulfuro de hidrógeno , amoníaco y otras sustancias gaseosas . [22] Otros sensores MOS incluyen sensores inteligentes [23] y tecnología de red de sensores inalámbricos (WSN). [24]
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