Cảm biến

Bộ cảm biến là thiết bị điện tử có khả năng nhận diện các trạng thái hoặc quá trình vật lý, hóa học, hoặc sinh học trong môi trường cần kiểm tra, và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về những trạng thái hoặc quá trình đó.

Cảm biến, theo cách hiểu rộng, là thiết bị, mô-đun, máy móc, hoặc hệ thống có chức năng phát hiện các sự kiện hoặc thay đổi trong môi trường và chuyển chúng thành tín hiệu có thể được sử dụng để truyền thông tin tới các thiết bị điện tử khác, thường là một bộ xử lý máy tính.

Cảm biến hiện diện trong nhiều khía cạnh của cuộc sống hàng ngày, chẳng hạn như các nút cảm ứng trên thang máy (cảm biến tiếp xúc) và đèn tự động bật hoặc tắt khi có sự tiếp xúc, và chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực mà đa số mọi người không hề nhận ra. Nhờ vào sự tiến bộ trong cơ khí vi mạch và nền tảng vi điều khiển dễ sử dụng, cảm biến đã được áp dụng rộng rãi hơn ngoài các lĩnh vực truyền thống như đo nhiệt độ, áp suất và lưu lượng, ví dụ như cảm biến MARG trong hệ thống định vị và xác định tư thế.

Cảm biến biến trở và cảm biến trở lực vẫn được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chúng được sử dụng trong sản xuất và máy móc, hàng không và không gian, ô tô, y tế, robot, và nhiều khía cạnh khác của cuộc sống hàng ngày. Thêm vào đó, còn có rất nhiều loại cảm biến khác để đo lường các thuộc tính hóa học và vật lý của vật liệu, như cảm biến quang học đo chỉ số khúc xạ, cảm biến rung đo độ nhớt của chất lỏng, và cảm biến điện hóa giám sát độ pH của các dung dịch.

Độ nhạy của một cảm biến cho thấy sự thay đổi của tín hiệu đầu ra khi giá trị đầu vào thay đổi. Ví dụ, nếu một nhiệt kế chứa thủy ngân dịch chuyển 1 cm khi nhiệt độ thay đổi 1 °C, thì độ nhạy của nó là 1 cm/°C (tính theo đường cong đơn giản). Một số cảm biến có thể ảnh hưởng đến đối tượng mà chúng đo; ví dụ, một nhiệt kế đặt trong cốc nước nóng có thể làm lạnh chất lỏng trong khi chất lỏng làm nhiệt kế nóng lên. Thông thường, cảm biến được thiết kế để ít tác động đến đối tượng đo; việc giảm kích thước cảm biến thường cải thiện đặc tính này và có thể mang lại những lợi ích khác.

Công nghệ tiên tiến cho phép sản xuất cảm biến ngày càng nhiều trên diện tích nhỏ hơn nhờ công nghệ vi cơ điện tử vi mạch (MEMS). Thường thì cảm biến vi nhỏ có thời gian đo nhanh hơn nhiều và độ nhạy cao hơn so với cảm biến vi lớn hơn. Với nhu cầu ngày càng cao về thông tin nhanh chóng, chi phí thấp và độ tin cậy cao trong thế giới hiện đại, cảm biến tiếp xúc - các thiết bị giá rẻ và dễ sử dụng cho việc giám sát nhanh hoặc đo một lần - trở nên ngày càng quan trọng. Sử dụng loại cảm biến này, thông tin phân tích quan trọng có thể được thu thập bởi bất kỳ ai, ở bất kỳ đâu và bất kỳ lúc nào, mà không cần hiệu chỉnh và không lo về ô nhiễm.

Phân loại lỗi trong đo lường

Một cảm biến đạt tiêu chuẩn tốt cần đáp ứng những yêu cầu sau đây:

• Đối tượng đo lường của cảm biến phải là thuộc tính mà cảm biến nhạy cảm.
• Cảm biến không được nhạy cảm với bất kỳ thuộc tính nào khác có thể xuất hiện trong ứng dụng của nó.
• Cảm biến không được gây ảnh hưởng đến thuộc tính đang đo lường.

Hầu hết các cảm biến đều có hàm chuyển đổi tuyến tính. Độ nhạy được xác định là tỷ lệ giữa tín hiệu đầu ra và thuộc tính được đo lường. Ví dụ, nếu một cảm biến đo nhiệt độ và cho đầu ra là điện áp, thì độ nhạy là một hằng số với đơn vị [V/K]. Độ nhạy chính là độ dốc của hàm chuyển đổi. Để chuyển đổi đầu ra điện của cảm biến (ví dụ V) sang đơn vị đo lường (ví dụ K), ta cần chia đầu ra điện cho độ dốc (hoặc nhân với nghịch đảo của nó). Thêm vào đó, thường cần phải điều chỉnh thêm hoặc trừ một giá trị cụ thể. Ví dụ, nếu đầu ra 0 V tương ứng với nhiệt độ -40 °C, ta cần cộng thêm -40 vào đầu ra.

Để tín hiệu cảm biến tương tự có thể được xử lý hoặc sử dụng trong thiết bị kỹ thuật số, nó cần được chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi tương tự-số.

Độ lệch của cảm biến

Vì cảm biến không thể hoàn toàn tái tạo một chức năng chuyển đổi lý tưởng, nên có một số dạng độ lệch có thể xảy ra, làm giảm độ chính xác của cảm biến:

• Phạm vi tín hiệu đầu ra luôn có giới hạn, do đó, tín hiệu đầu ra sẽ đạt đến giá trị cực đại hoặc cực tiểu khi thuộc tính đo vượt quá giới hạn. Phạm vi đầy đủ chỉ định các giá trị tối đa và tối thiểu của thuộc tính được đo.
• Độ nhạy thực tế của cảm biến có thể khác với giá trị lý thuyết, điều này được gọi là lỗi độ nhạy. Đây là sai lệch trong độ dốc của hàm chuyển đổi tuyến tính.
• Nếu tín hiệu đầu ra có sự khác biệt cố định so với giá trị chính xác, cảm biến gặp lỗi lệch hoặc bias. Đây là sai lệch trong điểm xuất phát của hàm chuyển đổi tuyến tính.
• Sự không tuyến tính là độ lệch của hàm chuyển đổi của cảm biến so với hàm chuyển đổi lý tưởng. Thường được đo bằng sự khác biệt giữa tín hiệu đầu ra và hành vi lý tưởng trên toàn bộ phạm vi cảm biến, thường được ghi nhận dưới dạng phần trăm của phạm vi đầy đủ.
• Độ lệch động học xảy ra khi thuộc tính đo thay đổi nhanh chóng theo thời gian. Hành vi này thường được mô tả bằng đồ thị Bode thể hiện lỗi độ nhạy và pha khi là hàm số của tần số tín hiệu đầu vào tuần hoàn.
• Nếu tín hiệu đầu ra thay đổi chậm và không liên quan đến thuộc tính đo, đây là hiện tượng trôi. Trôi dài hạn trong vài tháng hoặc năm thường do sự thay đổi vật lý trong cảm biến.
• Nhiễu là sự biến động ngẫu nhiên của tín hiệu theo thời gian.
• Lỗi hysteresis gây ra sự thay đổi giá trị đầu ra tùy thuộc vào các giá trị đầu vào trước đó. Nếu đầu ra của cảm biến khác nhau tùy thuộc vào việc đạt giá trị đầu vào cụ thể bằng cách tăng hay giảm đầu vào, cảm biến có lỗi hysteresis.
• Nếu cảm biến có đầu ra kỹ thuật số, đầu ra thực chất là sự xấp xỉ của thuộc tính đo. Lỗi này còn được gọi là lỗi quantization.
• Khi tín hiệu được giám sát kỹ thuật số, tần số lấy mẫu có thể gây ra lỗi động học, hoặc nếu biến đầu vào hoặc nhiễu thay đổi định kỳ ở tần số gần gấp đôi tần số lấy mẫu, có thể xảy ra lỗi aliasing.
• Cảm biến có thể nhạy cảm một phần với các thuộc tính khác ngoài thuộc tính đo. Ví dụ, hầu hết các cảm biến đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường xung quanh.

Tất cả các dạng độ lệch này có thể được phân loại thành lỗi hệ thống hoặc lỗi ngẫu nhiên. Các lỗi hệ thống có thể được điều chỉnh bằng các chiến lược hiệu chuẩn. Nhiễu là lỗi ngẫu nhiên có thể được giảm thiểu bằng xử lý tín hiệu, như lọc, thường đánh đổi với hành vi động của cảm biến.

Độ phân giải

Độ phân giải của cảm biến hay độ phân giải đo lường là sự thay đổi nhỏ nhất mà cảm biến có thể phát hiện trong đại lượng đang đo. Đối với cảm biến có đầu ra kỹ thuật số, độ phân giải thường tương ứng với độ phân giải số của đầu ra kỹ thuật số. Độ phân giải liên quan đến khả năng lặp lại của quá trình đo, nhưng không đồng nghĩa với độ chính xác. Độ chính xác của cảm biến có thể kém hơn nhiều so với độ phân giải của nó.

• Ví dụ, độ phân giải khoảng cách đề cập đến khoảng cách nhỏ nhất mà thiết bị đo có thể xác định chính xác. Trong một camera thời gian bay, độ phân giải khoảng cách thường tương ứng với độ lệch chuẩn (nhiễu tổng) của tín hiệu được đo bằng đơn vị độ dài.
• Cảm biến có thể nhạy cảm với các thuộc tính khác ngoài thuộc tính chính đang đo. Ví dụ, hầu hết các cảm biến bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường xung quanh.

Cảm biến hóa học

Cảm biến hóa học là thiết bị phân tích tự chứa có khả năng cung cấp thông tin về thành phần hóa học của môi trường xung quanh, chẳng hạn như chất lỏng hoặc pha khí. Thông tin được cung cấp dưới dạng tín hiệu vật lý có thể đo được, liên quan đến nồng độ của một chất hóa học cụ thể (gọi là chất phân tích). Quy trình hoạt động của một cảm biến hóa học bao gồm hai bước chính: nhận diện và chuyển đổi tín hiệu. Trong bước nhận diện, các phân tử chất phân tích tương tác chọn lọc với các phân tử receptor hoặc các vị trí trong cấu trúc của phần công nhận của cảm biến. Kết quả là, một tham số vật lý đặc trưng thay đổi và sự thay đổi này được báo cáo qua một bộ chuyển đổi tích hợp để tạo ra tín hiệu đầu ra. Nếu cảm biến hóa học sử dụng vật liệu nhận diện có tính chất sinh học, nó được gọi là cảm biến sinh học. Tuy nhiên, khi vật liệu biomimetik tổng hợp được sử dụng thay thế một phần vật liệu nhận diện sinh học, sự phân biệt giữa cảm biến sinh học và cảm biến hóa học tiêu chuẩn không còn cần thiết. Các vật liệu biomimetik điển hình được sử dụng trong phát triển cảm biến bao gồm polymer phân tổ chức phân tử và aptamer.

Cảm biến sinh học

Trong lĩnh vực y sinh học và công nghệ sinh học, cảm biến phát hiện chất phân tích dựa vào các thành phần sinh học như tế bào, protein, axit nucleic hoặc polymer biorônmô được gọi là cảm biến sinh học. Ngược lại, một cảm biến không sinh học, ngay cả khi dùng hợp chất hữu cơ cho chất phân tích sinh học, được gọi là cảm biến hoặc cảm biến vi nhỏ. Thuật ngữ này áp dụng cho cả ứng dụng in vitro và in vivo. Việc bao bọc thành phần sinh học trong cảm biến sinh học tạo ra một vấn đề khác biệt so với cảm biến thông thường; điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng rào cản bán thẩm thấu, như màng lọc thẩm thấu hoặc gel hydro, hoặc ma trận polymer 3D, hạn chế macromolecule cảm biến hoặc gắn macromolecule vào khung xương bằng cách hóa học.

Cảm biến tương tự não thần kinh

Vanarse, Anup; Osseiran, Adam; Rassau, Alexander (2016). “Tổng Quan Về Các Phương Pháp Tương Tự Não Hiện Tại Đối Với Cảm Biến Thị Giác, Thính Giác và Khứu Giác”. Frontiers in Neuroscience. 10: 115. doi:10.3389/fnins.2016.00115. PMC 4809886. PMID 27065784. Cảm biến tương tự não thần kinh là các cảm biến mô phỏng cấu trúc và chức năng của các tế bào thần kinh sinh học. Một ví dụ tiêu biểu là camera sự kiện.

Cảm biến MOS

Công nghệ kim-loại-oxit-bán dẫn (MOS) bắt nguồn từ MOSFET (transistor hiệu ứng trường MOS, hoặc transistor MOS), được phát minh bởi Mohamed M. Atalla và Dawon Kahng vào năm 1959 và được thử nghiệm vào năm 1960. Cảm biến MOSFET (cảm biến MOS) đã được phát triển sau đó và hiện đang được sử dụng rộng rãi để đo lường các thông số vật lý, hóa học, sinh học và môi trường.

Gần đây, đã có những nghiên cứu quan trọng về cảm biến khí MOS (Chất bán dẫn oxit kim loại), đặc biệt là các cảm biến có kích thước từ 1 đến 90 nanomet. Các cảm biến này thể hiện các đặc tính phụ thuộc vào kích thước, với tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích gia tăng đáng kể khi kích thước vật liệu giảm. Kích thước và tính chất hình học của vật liệu cũng ảnh hưởng đến chuyển động của các electron và lỗ trống trong vật liệu nano.

Đã có sự phát triển đa dạng về các loại cảm biến khí, bao gồm cảm biến xúc tác, cảm biến điện hóa và cảm biến MOS, mỗi loại sử dụng cơ chế và vật liệu khác nhau. Trong số đó, cảm biến MOS nổi bật với cấu trúc và tính chất vật lý, hóa học đặc biệt. Chúng có khả năng phát hiện khí ở mức độ phần nghìn tỷ (ppt), trong khi các loại cảm biến khác thường chỉ hoạt động hiệu quả ở mức phần tỷ (ppb) hoặc phần triệu (ppm).

Các vật liệu phổ biến được sử dụng trong cảm biến MOS bao gồm ZnO, SnO2, MoO3, TiO2, WO3, NiO và Cu2O. Cảm biến MOS có độ ổn định và thời gian phản hồi tốt hơn trong điều kiện môi trường khắc nghiệt hoặc nhiệt độ cao, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng thực tế. Thêm vào đó, chúng cũng được ưa chuộng vì chi phí sản xuất thấp và quy trình chế tạo đơn giản.

Cảm biến sinh hóa

Một số cảm biến MOSFET đã được phát triển để đo lường các thông số vật lý, hóa học, sinh học và môi trường. Các cảm biến MOSFET sớm bao gồm transistor hiệu ứng trường cổ mở (OGFET) do Johannessen giới thiệu vào năm 1970, ISFET (transistor hiệu ứng trường nhạy ion) do Piet Bergveld phát minh năm 1970, ADFET (transistor hiệu ứng trường hấp phụ) được cấp bằng sáng chế bởi P.F. Cox năm 1974 và transistor MOSFET nhạy với hydro do I. Lundstrom, M.S. Shivaraman, C.S. Svenson và L. Lundkvist chứng minh vào năm 1975. ISFET là một biến thể đặc biệt của MOSFET với cổ kim thay thế bằng màng nhạy ion, dung dịch điện giải và điện cực tham chiếu, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực y sinh học như phát hiện ghép ADN, chất chỉ định từ máu, kháng thể, đo glucose, pH và công nghệ di truyền.

Vào giữa những năm 1980, nhiều cảm biến MOSFET mới đã được phát triển, bao gồm cảm biến khí FET (GASFET), cảm biến truy cập bề mặt FET (SAFET), transistor dòng điện (CFT), cảm biến áp suất FET (PRESSFET), transistor hiệu ứng trường hóa học (ChemFET), ISFET tham chiếu (REFET), cảm biến FET sinh học (BioFET), cảm biến FET sửa đổi bằng enzym (ENFET) và cảm biến FET sửa đổi miễn dịch (IMFET). Đầu những năm 2000, các loại BioFET như transistor hiệu ứng trường gen (DNAFET), transistor FET sửa đổi gen (GenFET) và BioFET tiềm thức tế bào (CPFET) đã được phát triển.

Cảm biến hình ảnh

Công nghệ MOS là nền tảng cho các cảm biến hình ảnh hiện đại, bao gồm cả CCD (thiết bị sạc nối tiếp) và cảm biến CMOS active-pixel sensor (cảm biến CMOS). Những cảm biến này đóng vai trò quan trọng trong công nghệ hình ảnh số và máy ảnh số. Willard Boyle và George E. Smith phát minh ra CCD vào năm 1969. Trong quá trình nghiên cứu về MOS, họ nhận ra rằng điện tích có thể được lưu trữ trên một tụ điện MOS nhỏ, giống như bong bóng từ tính. Họ đã thiết kế một chuỗi tụ điện MOS liên tiếp và kết nối chúng với một điện áp thích hợp để điện tích di chuyển từ tụ điện này sang tụ điện khác. CCD sau đó đã trở thành mạch bán dẫn đầu tiên được ứng dụng trong các máy ảnh video số cho truyền hình.

Cảm biến hình ảnh MOS active-pixel sensor (APS) được Tsutomu Nakamura phát triển tại Olympus vào năm 1985. Sau đó, Eric Fossum và nhóm của ông đã phát triển cảm biến CMOS active-pixel sensor vào đầu những năm 1990.

Cảm biến hình ảnh MOS đã được áp dụng rộng rãi trong công nghệ chuột quang. Chuột quang đầu tiên, do Richard F. Lyon phát minh tại Xerox vào năm 1980, sử dụng một chip cảm biến NMOS với quy trình 5 µm. Kể từ khi ra mắt chuột quang thương mại đầu tiên, IntelliMouse vào năm 1999, hầu hết các chuột quang hiện tại đều sử dụng cảm biến CMOS.

Các cảm biến giám sát

Các cảm biến giám sát MOS được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như giám sát nhà ở, văn phòng, nông nghiệp, giao thông (bao gồm kiểm tra tốc độ, tình trạng tắc nghẽn, và tai nạn), thời tiết (như mưa, gió, sét, bão), quốc phòng, cũng như theo dõi các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, ô nhiễm không khí, cháy, sức khỏe, an ninh, và điều khiển ánh sáng. Các cảm biến MOS cũng có khả năng phát hiện các khí như carbon monoxide (CO), sulfur dioxide (SO2), hydrogen sulfide (H2S), ammonia (NH3), và nhiều chất khí khác. Thêm vào đó, cảm biến MOS còn bao gồm cảm biến thông minh, cảm biến đo mức, và công nghệ mạng cảm biến không dây (WSN).

Tìm hiểu thêm

• M. Kretschmar và S. Welsby (2005), Cảm biến Dịch chuyển Điện dung và Cảm ứng, trong Sách Hướng dẫn Công nghệ Cảm biến, biên tập bởi J. Wilson, Newnes: Burlington, MA.
• C. A. Grimes, E. C. Dickey, và M. V. Pishko (2006), Bách khoa toàn thư về Cảm biến (Bộ 10 tập), Nhà xuất bản Khoa học Mỹ. ISBN 1-58883-056-X
• Blaauw, F.J., Schenk, H.M., Jeronimus, B.F., van der Krieke, L., de Jonge, P., Aiello, M., Emerencia, A.C. (2016). Phương pháp Physiqual – Phương pháp trực quan và tổng quát để kết hợp công nghệ cảm biến với đánh giá theo thời điểm sinh thái. Tạp chí Thông tin Sinh học Y học, vol. 63, trang 141–149.

Các liên kết bên ngoài

• Tài liệu liên quan đến Cảm biến trên Wikimedia Commons
• Thông tin về cảm biến (điện tử) trên Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)