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センサーは、信号や刺激を受信して反応する装置として定義されることが多い。刺激とは、感知されて電気信号に変換される量、特性、または状態のことである。[ 1 ]
最も広義には、センサーとは、周囲の環境における事象や変化を検知し、その情報を他の電子機器（多くの場合、コンピュータのプロセッサ）に送信する装置、モジュール、機械、またはサブシステムのことである。
PIRセンサーやタッチセンサーなどのセンサーは、タッチセンサー式のエレベーターボタン（触覚センサー）や、ベースに触れることで明るさが変化するランプなど、日常生活の様々なものに使われており、ほとんどの人が気づかない無数の用途にも使われています。マイクロマシン技術の進歩と使いやすいマイクロコントローラープラットフォームの登場により、センサーの用途は温度、圧力、流量測定といった従来の分野を超えて、例えばMARGセンサーなどにも広がっています。[ 2 ]
ポテンショメータや感圧抵抗器などのアナログセンサーは、現在でも広く使用されています。その用途は、製造業や機械、航空機や宇宙航空、自動車、医療、ロボット工学など、私たちの日常生活のあらゆる側面に及びます。その他にも、材料の化学的・物理的特性を測定するセンサーは数多く存在し、屈折率測定用の光学センサー、流体粘度測定用の振動センサー、流体のpHモニタリング用の電気化学センサーなどが挙げられます。
センサーの感度は、測定対象の入力量が変化したときに、その出力がどれだけ変化するかを示します。たとえば、温度計の水銀が 温度が 1 °C 変化したときに 1 cm 移動する場合、その感度は 1 cm/°C です (これは基本的に線形特性を仮定した傾きdy/dxです)。センサーによっては、測定対象に影響を与えるものもあります。たとえば、室温の温度計を熱い液体の入ったカップに入れると、液体は冷え、液体は温度計を温めます。センサーは通常、測定対象への影響が小さいように設計されています。センサーを小さくすると、多くの場合、この特性が向上し、他の利点も生まれる可能性があります。[ 3 ]
技術の進歩により、 MEMS技術を用いたマイクロセンサーとして、センサーを微細なスケールで大量生産することが可能になった。ほとんどの場合、マイクロセンサーはマクロなアプローチと比較して、測定時間が大幅に短縮され、感度も向上する。[ 3 ] [ 4 ]低コストで使いやすいことから、短期モニタリングや単発測定用の使い捨てセンサーの需要が高まっている。この種のセンサーを使用すると、再校正の必要なく、汚染の可能性もなく情報を取得できる。[ 5 ]
優れたセンサーは次のルールに従います: [ 5 ]
ほとんどのセンサーは線形伝達関数を持ちます。感度は、出力信号と測定対象物との比として定義されます。例えば、センサーが温度を測定し、電圧出力を持つ場合、感度は一定で単位は[V/K]です。感度は伝達関数の傾きです。センサーの電気出力（例えばV）を測定単位（例えばK）に変換するには、電気出力を傾きで割る（またはその逆数を掛ける）必要があります。さらに、オフセットが加算または減算されることがよくあります。例えば、0Vの出力が-40℃の入力に対応する場合、出力に-40を加算する必要があります。
アナログセンサー信号をデジタル機器で処理または使用するには、アナログ-デジタル変換器を使用してデジタル信号に変換する必要があります。
センサーは理想的な伝達関数を再現できないため、センサーの精度を制限するいくつかの種類の偏差が発生する可能性があります。
これらの偏差はすべて、系統誤差またはランダム誤差に分類できます。系統誤差は、何らかの校正方法によって補正できる場合があります。ノイズはランダム誤差であり、フィルタリングなどの信号処理によって低減できますが、通常はセンサーの動的挙動が犠牲になります。
センサーの分解能、または測定分解能とは、測定対象量において検出可能な最小の変化量のことです。デジタル出力を持つセンサーの分解能は、通常、デジタル出力の数値分解能に相当します。分解能は測定精度と関連していますが、両者は同じものではありません。センサーの精度は、分解能よりもかなり低い場合もあります。
化学センサーは、環境、つまり液体または気相の化学組成に関する情報を提供できる自己完結型の分析装置です。[ 6 ] [ 7 ]この情報は、特定の化学種（分析対象物と呼ばれる）の濃度と相関する測定可能な物理信号の形で提供されます。化学センサーの機能には、認識と変換という 2 つの主要なステップが関係しています。認識ステップでは、分析対象物分子が、センサーの認識要素の構造に含まれる受容体分子または部位と選択的に相互作用します。その結果、特性物理パラメータが変化し、この変化は、出力信号を生成する統合型トランスデューサーによって報告されます。生物学的性質の認識材料に基づく化学センサーはバイオセンサーです。しかし、合成バイオミメティック材料が認識バイオ材料をある程度代替するようになるにつれて、バイオセンサーと標準的な化学センサーの明確な区別は不要になります。センサー開発で使用される典型的なバイオミメティック材料は、分子インプリントポリマーとアプタマーです。[ 8 ]
生物医学およびバイオテクノロジーにおいて、細胞、タンパク質、核酸、生体模倣ポリマーなどの生物学的成分によって分析対象物を検出するセンサーは、バイオセンサーと呼ばれます。一方、生物学的分析対象物に対する非生物学的センサー（有機化合物（炭素化学）を含む）は、センサーまたはナノセンサーと呼ばれます。この用語は、in vitroおよびin vivoの両方のアプリケーションに適用されます。バイオセンサーにおける生物学的成分のカプセル化は、通常のセンサーとは少し異なる問題を抱えています。これは、透析膜やハイドロゲルなどの半透膜バリア、または、センシング高分子を物理的に拘束するか、足場に結合させることで高分子を化学的に拘束する3Dポリマーマトリックスによって行うことができます。
ニューロモルフィックセンサーは、生物学的神経実体の構造と機能を物理的に模倣するセンサーです。[ 13 ]その一例がイベントカメラです。
1955年から1960年の間にベル研究所で発明されたMOSFET [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]は、後にMOSFETセンサー（MOSセンサー）として開発され、それ以来、物理的、化学的、生物学的、環境的パラメータの測定に広く使用されています。[ 20 ]
物理的、化学的、生物学的、および環境パラメータを測定するために、多くの MOSFET センサーが開発されてきました。 [ 20 ]最も初期の MOSFET センサーには、1970 年に Johannessen によって導入されたオープンゲート電界効果トランジスタ (OGFET)、[ 20 ] 1970 年にPiet Bergveldによって発明されたイオン感応型電界効果トランジスタ(ISFET) 、[ 21 ] 1974 年に PF Cox によって特許取得された吸着FET (ADFET)、および 1975 年に I. Lundstrom、MS Shivaraman、CS Svenson、および L. Lundkvist によって実証された水素感応型 MOSFET が含まれます。[ 20 ] ISFET は、一定の距離にゲートがある特殊なタイプの MOSFET であり、[ 20 ]金属ゲートがイオン感応型膜、電解質溶液、および参照電極に置き換えられています。[ 22 ] ISFETは、 DNAハイブリダイゼーションの検出、血液からのバイオマーカー検出、抗体検出、グルコース測定、pHセンシング、遺伝子技術など、生物医学アプリケーションで広く使用されています。[ 22 ]
1980年代半ばまでに、ガスセンサーFET（GASFET）、表面アクセス型FET（SAFET）、電荷フロートランジスタ（CFT）、圧力センサーFET（PRESSFET）、化学電界効果トランジスタ（ChemFET） 、リファレンスISFET（REFET ）、バイオセンサーFET（BioFET）、酵素修飾FET（ENFET）、免疫修飾FET（IMFET）など、数多くの他のMOSFETセンサーが開発されました。[ 20 ] 2000年代初頭までに、 DNA電界効果トランジスタ（DNAFET）、遺伝子修飾FET（GenFET）、細胞電位BioFET（CPFET）などのBioFETタイプが開発されました。[ 22 ]
MOS技術は、デジタルイメージングやデジタルカメラで使用される電荷結合素子（CCD）やCMOSアクティブピクセルセンサー（CMOSセンサー）などの現代のイメージセンサーの基盤となっています。[ 23 ]ウィラード・ボイルとジョージ・E・スミスは1969年にCCDを開発しました。MOSプロセスを研究している際に、電荷が磁気バブルのアナロジーであり、小さなMOSコンデンサに蓄積できることに気付きました。MOSコンデンサを一列に並べて製造するのは比較的簡単だったので、電荷が次のコンデンサに伝わるように適切な電圧を接続しました。[ 23 ] CCDは、後にテレビ放送用の最初のデジタルビデオカメラで使用された半導体回路です。[ 24 ]
MOSアクティブピクセルセンサー（APS）は、 1985年にオリンパスのTsutomu Nakamuraによって開発されました。[ 25 ] CMOSアクティブピクセルセンサーは、その後1990年代初頭にEric Fossumとそのチームによって開発されました。 [ 26 ]
MOSイメージセンサーは光学マウス技術で広く使用されています。 1980年にゼロックスのリチャード・F・ライオンによって発明された最初の光学マウスは、 5μm NMOSセンサーチップを使用していました。[ 27 ] [ 28 ] 1999年に発売された最初の商用光学マウスであるIntelliMouse以降、ほとんどの光学マウスデバイスはCMOSセンサーを使用しています。[ 29 ]
MOS モニタリングセンサーは、住宅、オフィス、農業のモニタリング、交通モニタリング(車の速度、交通渋滞、交通事故など)、気象モニタリング(雨、風、雷、嵐など)、防衛モニタリング、温度、湿度、大気汚染、火災、健康、セキュリティ、照明のモニタリングに使用されます。[ 31 ] MOSガス検知センサーは、一酸化炭素、二酸化硫黄、硫化水素、アンモニア、その他のガス状物質の検出に使用されます。[ 32 ]その他の MOS センサーには、インテリジェントセンサー[ 33 ]やワイヤレスセンサーネットワーク(WSN) 技術が含まれます。[ 34 ]
現代の一般的なCPU、GPU、SoCには、チップの温度、電圧、電力を検出するための統合型電気センサーが通常搭載されている。[ 35 ]
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