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センサーは、物理現象を検出する目的で出力信号を生成する装置です。
最も広い定義では、センサーとは、環境内のイベントや変化を検出し、その情報を他の電子機器（多くの場合、コンピュータ プロセッサ）に送信するデバイス、モジュール、マシン、またはサブシステムです。
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暗くなったり明るくなったりするランプなど、日常のさまざまなものに使用されています。また、ほとんどの人が気付かないような無数のアプリケーションにも使用されています。マイクロマシンと使いやすいマイクロコントローラプラットフォームの進歩により、センサーの用途は従来の温度、圧力、流量測定の分野を超えて、[1]たとえばMARGセンサーにまで拡大しています。
ポテンショメータや力感知抵抗器などのアナログ センサーは、今でも広く使用されています。その用途には、製造業や機械、飛行機や航空宇宙、自動車、医療、ロボット工学など、日常生活のさまざまな側面が含まれます。材料の化学的および物理的特性を測定するセンサーは、屈折率測定用の光センサー、流体粘度測定用の振動センサー、流体の pH を監視する電気化学センサーなど、多岐にわたります。
センサーの感度は、測定する入力量が変化したときに出力がどれだけ変化するかを示します。たとえば、温度計内の水銀が温度が 1 °C 変化したときに 1 cm 移動すると、その感度は 1 cm/°C になります (基本的には、直線特性を仮定すると、傾きdy/dxになります)。センサーによっては、測定対象に影響を及ぼすものもあります。たとえば、室温の温度計を熱い液体の入ったカップに挿入すると、液体が温度計を温める一方で、液体は冷却されます。センサーは通常、測定対象への影響が小さくなるように設計されており、センサーを小型化すると、この影響が改善されることが多く、他の利点ももたらされる場合があります。[2]
技術の進歩により、 MEMS技術を使用したマイクロセンサーとして、ますます多くのセンサーが微視的スケールで製造されるようになっています。ほとんどの場合、マイクロセンサーは、マクロ的なアプローチと比較して、測定時間が大幅に短縮され、感度が高くなります。[2] [3]今日の世界では、迅速で手頃な価格で信頼性の高い情報に対する需要が高まっているため、使い捨てセンサー（短期間のモニタリングやシングルショット測定用の低コストで使いやすいデバイス）の重要性が最近高まっています。このクラスのセンサーを使用すると、再校正や汚染の心配をすることなく、誰でも、どこでも、いつでも重要な分析情報を取得できます。[4]
測定誤差の分類
優れたセンサーは以下のルールに従います: [4]
- 測定された特性に敏感である
- アプリケーションで遭遇する可能性のある他の特性には影響されず、
- 測定された特性には影響しません。
ほとんどのセンサーは線形 伝達関数を持っています。感度は、出力信号と測定された特性の比率として定義されます。たとえば、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 (たとえば V) を測定単位 (たとえば 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、オフセットが頻繁に加算または減算されます。たとえば、0 V 出力が -40 C 入力に対応する場合、出力に -40 を追加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-デジタルコンバーターを使用してデジタル信号に変換する必要があります。
センサー偏差
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。
- 出力信号の範囲は常に制限されているため、測定された特性が制限を超えると、出力信号は最終的に最小値または最大値に達します。フルスケール範囲は、測定された特性の最大値と最小値を定義します。[引用が必要]
- 感度は実際には指定された値と異なる場合があります。これを感度誤差と呼びます。これは線形伝達関数の傾きの誤差です。
- 出力信号が正しい値と一定量異なる場合、センサーにはオフセット誤差またはバイアスが生じます。これは線形伝達関数のy 切片における誤差です。
- 非線形性は、直線伝達関数からのセンサー伝達関数の偏差です。通常、これはセンサーの全範囲にわたって出力が理想的な動作と異なる量によって定義され、多くの場合、全範囲のパーセンテージとして表されます。
- 測定対象特性が時間とともに急激に変化することによって生じる偏差は、動的誤差です。多くの場合、この動作は、周期的な入力信号の周波数の関数として感度誤差と位相シフトを示すボード線図で説明されます。
- 出力信号が測定された特性とは無関係にゆっくりと変化する場合は、これをドリフトと定義します。数か月または数年にわたる長期ドリフトは、センサーの物理的変化によって発生します。
- ノイズは、時間の経過とともに変化する信号のランダムな偏差です。
- ヒステリシスエラーにより、出力値は以前の入力値に応じて変化します。特定の入力値に到達したのが入力の増加によるものか減少によるものかによってセンサーの出力が異なる場合、センサーにはヒステリシス エラーがあります。
- センサーがデジタル出力を持つ場合、その出力は基本的に測定された特性の近似値になります。この誤差は量子化誤差とも呼ばれます。
- 信号がデジタルで監視される場合、サンプリング周波数によって動的エラーが発生する可能性があります。また、入力変数または追加されたノイズがサンプリング レートの倍数に近い周波数で定期的に変化すると、エイリアシングエラーが発生する可能性があります。
- センサーは、測定対象の特性以外の特性に対しても、ある程度敏感である場合があります。たとえば、ほとんどのセンサーは、周囲の温度の影響を受けます。
これらの偏差はすべて、系統的誤差またはランダム誤差として分類できます。系統的誤差は、何らかのキャリブレーション戦略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、通常はセンサーの動的動作を犠牲にして、フィルタリングなどの 信号処理によって低減できます。
解決
センサー解像度または測定解像度は、測定される量で検出できる最小の変化です。デジタル出力を持つセンサーの解像度は、通常、デジタル出力の数値解像度です。解像度は測定が行われる精度に関係しますが、同じものではありません。センサーの精度は解像度よりもかなり劣る場合があります。
- たとえば、距離分解能は、あらゆる距離測定装置で正確に測定できる最小距離です。飛行時間型カメラでは、距離分解能は通常、長さの単位で表された信号の標準偏差（総ノイズ）に等しくなります。
- センサーは、測定対象の特性以外の特性に対しても、ある程度敏感である場合があります。たとえば、ほとんどのセンサーは、周囲の温度の影響を受けます。
化学センサー
化学センサーは、その環境、すなわち液体または気体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ある。[5] [6]情報は、特定の化学種（分析物と呼ばれる）の濃度と相関する測定可能な物理信号の形で提供される。化学センサーの機能には、認識と変換という2つの主なステップが関係している。認識ステップでは、分析物分子が、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する。その結果、特徴的な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トランスデューサーによって報告される。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ある。しかし、合成バイオミメティック材料が認識バイオマテリアルをある程度代替することになるため、バイオセンサーと標準的な化学センサーを明確に区別することは不必要である。センサー開発に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ある。[7]
化学センサーアレイ
化学センサーアレイ
は、複数のセンサーコンポーネントを備えたセンサーアーキテクチャであり、個々のセンサーコンポーネントの付加的な応答から分析対象物を検出するためのパターンを作成します。電子、光学、音波、電位差測定デバイスなど、いくつかの種類の化学センサーアレイが存在します。これらの化学センサーアレイは、交差反応性または特定の分析対象物を感知するように調整された複数のセンサータイプを使用できます。[8] [9] [10] [11]
バイオセンサー
バイオメディカルおよびバイオテクノロジーでは、細胞、タンパク質、核酸、または生体模倣ポリマーなどの生物学的成分を利用して分析対象物を検出するセンサーをバイオセンサーと呼びます。一方、生物学的分析対象物用の非生物学的センサーは、有機（炭素化学）であっても、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。バイオセンサーへの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もたらします。これは、透析膜やハイドロゲルなどの半透性バリア、または感知高分子を物理的に拘束するか、高分子をスキャフォールドに結合させて化学的に拘束する 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
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したセンサーです。[12]その一例がイベントカメラです。
MOSセンサー
MOSFETは1955年から1960年にかけてベル研究所で発明され、[13] [14] [15] [16] [17] [18]その後MOSFETセンサー（MOSセンサー）が開発され、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きました。[19]
生化学センサー
物理的、化学的、生物学的、環境的パラメータを測定するためのMOSFETセンサーが数多く開発されてきました。[19]最も初期のMOSFETセンサーには、1970年にJohannessenが発表したオープンゲート電界効果トランジスタ（OGFET）、[19] 1970年にPiet Bergveldが発明したイオン感応電界効果トランジスタ（ISFET） 、[20] PF Coxが1974年に特許を取得した吸着FET （ADFET） 、および1975年にI. Lundstrom、MS Shivaraman、CS Svenson、およびL. Lundkvistが実証した水素感応MOSFETがあります。 [19] ISFETは、ゲートが一定の距離にある特殊なタイプのMOSFETで、[19]金属ゲートがイオン感応膜、電解液、および参照電極に置き換えられています。[21] 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の検出、抗体の検出、グルコース測定、pHセンシング、遺伝子技術などのバイオメディカルアプリケーションで広く使用されています。[21]
1980年代半ばまでに、ガスセンサーFET（GASFET）、表面アクセス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） 、免疫学的修飾FET（IMFET）など、数多くのMOSFETセンサーが開発されました。 [19] 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）、細胞電位バイオFET（CPFET）などのバイオFETタイプが開発されました。[21]
画像センサー
MOS技術は、デジタル画像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）などの現代の画像センサーの基礎となっています。[22]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ときに、彼らは電荷が磁気バブルのアナロジーであり、小さなMOSコンデンサーに蓄えることができることに気づきました。一連のMOSコンデンサーを一列に製造するのはかなり簡単だったので、彼らは適切な電圧をそれらに接続し、電荷を1つから次のコンデンサーに段階的に移すことができました。[22] CCDは半導体回路であり、後にテレビ放送用の最初のデジタルビデオカメラに使用されました。[23]
MOSアクティブピクセルセンサー（APS）は、1985年にオリンパスの中村勉氏によって開発されました。 [24] CMOSアクティブピクセルセンサーは、その後、 1990年代初頭にエリック・フォッサム氏とそのチームによって開発されました。[25]
MOSイメージセンサーは光学式マウス技術で広く使用されています。1980年にゼロックス社のリチャード・F・ライオンが発明した最初の光学式マウスは、 5μmのNMOSセンサーチップを使用していました。[26] [27] 1999年に発売された最初の商用光学式マウスであるインテリマウス以来、ほとんどの光学式マウスデバイスはCMOSセンサーを使用しています。[28]
監視センサー
MOS監視センサーは、住宅監視、オフィスおよび農業監視、交通監視（車の速度、交通渋滞、交通事故を含む）、気象監視（雨、風、雷、嵐など）、防衛監視、温度、湿度、大気汚染、火災、健康、セキュリティ、照明の監視に使用されます。[30] 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、その他のガス物質の検知に使用されます。[31]その他のMOSセンサーには、インテリジェントセンサー[32]やワイヤレスセンサーネットワーク（WSN）技術などがあります。[33]
参照
参考文献
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さらに読む
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- Blaauw、FJ、Schenk、HM、Jeronimus、BF、van der Krieke、L.、de Jonge、P.、Aiello、M.、Emerencia、AC (2016)。 Physiqual を入手しましょう – センサー技術と生態学的瞬間評価を組み合わせる直感的で汎用的な方法です。ジャーナル・オブ・バイオメディカル・インフォマティクス、vol. 63、141-149ページ。
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- http://www.cbm-sweden.se/images/Seminarie/Class_Descriptions_IDA_MEMS.pdf (https://web.archive.org/web/20160304105724/http://www.cbm-sweden.se/images/Seminarie/Class_Descriptions_IDA_MEMS.pdf を参照)