Lumea senzorilor

Structurile și materialele au evoluat de la micro la nano

Senzorii sunt prezenți, practic, în toate domeniile care sunt gestionate prin activitatea umană. Oamenii au cinci simțuri principale: văz, auz, miros, atingere și gust. Senzorii noștri includ ochii, urechile, nasul, pielea și limba. Senzorii suplimentari includ senzori de temperatură, senzori de poziție a corpului, senzori de echilibru și senzori de aciditate sanguină. Senzorii realizați prin știință și inginerie pot extinde capabilitățile unora din senzorii umani, fiind folosiți pentru a obține siguranța, securitatea, supravegherea, monitorizarea și conștientizarea în general. Senzorii sunt esențiali pentru aplicațiile industriale de control, monitorizare și siguranță a proceselor tehnologice. Viața oamenilor depinde de senzori pentru diagnosticare, monitorizare, utilizarea medicamentelor, îngrijire critică și sănătate publică. Vom întâlni tehnologia senzorilor în fiecare aspect al vieții noastre.

Evoluția tehnologiei senzorilor

O pădure de nanofire din siliciu (culoare falsă).

Cercetarea și dezvoltarea senzorilor sunt orientate către inovații și invenții. Există multe inovații semnificative la senzorii consacrați, legate de sensibilitate și precizie mai mari, de miniaturizare, reducerea consumului energetic și fiabilitate în condiții grele de mediu. Invențiile fac să apară rapid noi tehnologii de aplicare a principiilor fizice-chimice cunoscute. Micro și nanotehnologia, materialele noi și sistemele electronice mai mici, mai inteligente și mai eficiente joacă un rol important în viitorul senzorilor. Pentru a realiza sisteme omniprezente de senzori, care să ofere conștientizare situațională la un cost redus, trebuie să existe beneficii clare, ce pot fi obținute doar prin miniaturizare, lucrul în rețea IoT și consum redus de putere. Astfel, au apărut sistemele micro electromecanice (MEMS) și sistemele nano electromecanice (NEMS).

Schema unui tranzistor nanofir (stânga) și a punctului cuantic (dreapta)

Fabricarea MEMS a evoluat din tehnologia de fabricație a dispozitivelor semiconductoare. Materialele folosite sunt: siliciu, polimeri, metale, ceramice.

Noile materiale pe bază de nanofire (nanowire) care au proprietăți de detectare unice, pot oferi ultra sensibilitate, o selectivitate mai mare și, chiar o stabilitate îmbunătățită, toate la un cost mai mic. Un nanofir este o nanostructură, cu diametrul de ordinul unui nanometru (10^-9 metri). De asemenea, poate fi definit ca raportul dintre lungime și lățime fiind mai mare de 1000. Nanofirele de siliciu, fabricate prin oxidarea termică a siliciului, prezintă un interes suplimentar în domeniul conversiei și stocării electrochimice, inclusiv în cazul bateriilor cu nanofire și al sistemelor fotovoltaice. În funcție de fabricație, un nanofir poate avea proprietăți de izolator, de semiconductor sau de metal conductiv. Aranjând nanofire semiconductoare în configurația adecvată, inginerii pot crea tranzistoare, care acționează fie ca un comutator, fie ca un amplificator.

Tranzistor nanofir fără joncțiuni. Tranzistoarele pot fi realizate cu stive de nanofire orizontale. Materialul porții se înfășoară în jurul fiecărui canal pentru a oferi un control mai bun. Stivuirea nanofirelor mărește densitatea curentului.

Tehnologia senzorilor se inspiră din lumea naturală

Senzorii sunt omniprezenți și pot dezvolta lumea noastră prin performanțe îmbunătățite a surselor de energie, cum ar fi bateriile electrice și captarea de energie solară și eoliană; îmbunătățirea sănătății, siguranței și securității pentru oameni; monitorizare și predicții mai precise asupra mediului; aplicații spațiale; procese tehnologice de producție eficiente energetic și puțin poluante; robotizare industrială și militară, mijloace de transport autonome. Bineînțeles, se produc variante de senzori pentru domeniile de aplicații comerciale, industriale, militare.

TDK InvenSense TCE-11101 – Platformă MEMS miniaturizată de putere ultra-mică pentru detectarea directă și precisă a CO2. Gamă foarte largă de detectare (400 ppm până la 50.000 ppm). Capsulă LGA cu 28-pini, 5 × 5 × 1 mm.

Tehnologiile se inspiră din lumea naturală și sunt dezvoltate pentru o viziune pe termen lung, care include sisteme inteligente ce se auto-monitorizează, se auto-corectează și se auto-adaptează sau se transformă, similar cu ființele care au organe de simț. Capacitatea unui sistem de a ‚vedea’ (senzori fotosensibili), de a ‚simți’ (senzori de presiune, poziție, accelerație), de a ‚mirosi’ (analizoare de gaze), de a ‚auzi’ (microfoane), de a ‚gândi’ / comunica (electronică inteligentă și fără fir) și de a se ‚mișca’ (senzori integrați cu elemente de execuție), progresează rapid și sugerează un viitor sigur pentru senzori.

Crește cererea de senzori inteligenți

Nevoia de informații noi și în volum mai mare este în creștere pentru a oferi mai multe opțiuni în luarea deciziilor. Reacționarea mai rapidă permite aplicațiilor să devină mai capabile și mai eficiente.

Anterior, tehnologiile erau axate pe economii de costuri. Acum este posibilă tranziția de la o lume cu principii de măsurare relativ simple, majoritatea pe principii mecanice și la scară vizibilă, la o lume digitală cu tehnologii noi și ultra miniaturizate specifice domeniului semiconductoarelor.

Digitalizarea a avut un impact pozitiv, printre altele, asupra costurilor, calității și timpului de producție. Vrem să producem mai mult, mai repede. Acest lucru ne oferă mai mult timp pentru a ne angaja în alte activități. Iată motive pentru care cererea de senzori inteligenți este în creștere.

Obiective importante de dezvoltare a senzorilor

Dezvoltatorii de noi tehnologii pentru senzori, furnizorii și clienții au toți interese diferite care trebuie luate în considerare. De exemplu, calitate, costuri și timp de livrare. Acestea influențează decizia de a accepta o calitate mai mică, deoarece unele produse sunt mai ieftine și pot fi livrate imediat.

Ventilația controlată la cerere (DCV), permite TCE-11101 controlul granular al unui sistem HVAC prin măsurarea exactă a nivelurilor de CO2 care indică exact nivelul de ocupare într-o cameră sau spațiu dat, pentru a optimiza consumul de energie pentru HVAC în clădiri inteligente sau case inteligente.

Notă. Inovarea înseamnă crearea de valoare
Mult timp s-a acționat după vechea zicală: „necesitatea este mama invenției”. Mai ales când viața ta depindea de o necesitate, acționai ca aceasta să se îndeplinească. Dar, gândind predictiv, de ce să aștepți inevitabilul să apară, atunci când poți să te adaptezi din mers … de fapt, să intuiești tendința și să adaptezi afacerea, produsele și serviciile.
Inovarea înseamnă crearea de valoare din idei noi. Pentru a inova, e nevoie de o strategie – o foaie de parcurs – pentru planificarea creării de valoare comercială. Calea de a scurta timpul este colaborarea în rețea cu oameni din interiorul și din afara organizației. Este vital să ascultați utilizatorii, piața și chiar să colaborați cu concurenții.
Un exemplu. Lumea din jurul nostru se schimbă constant. Pentru a reflecta mai bine valorile și ambițiile, începând cu 28 mai 2021, Philips Innovation Services și-a schimbat numele în Philips Engineering Solutions. Scopul este de oferi expertiză, a realiza noi inovații semnificative și dezvoltare de noi produse, care aduc avantaje clienților.

TDK TCE-11101 – Placă fiică pentru DK-11101, conține senzorul TCE-11101. Include un ASIC pentru calibrare automată, raportare și o interfață serială pentru ieșirea și configurarea datelor. Incredibil de ușor de integrat în orice aplicație, consum redus de putere pentru utilizarea pe dispozitive alimentate de la baterii.

Progresul înseamnă a traduce idei într-un produs care creează valoare, explorând variantele posibile, deschise pentru inovație. Îmbunătățind produsele se inovează și procesele de fabricație în același timp.
Inovația nu înseamnă întotdeauna un produs nou sau un serviciu nou. Uneori, este doar revizuirea și îmbunătățirea proceselor interne actuale. Prin simplificarea proceselor, vă inovați afacerea. Reducând birocrația, inovați. Găsind modalități de a face lucrurile mai ușor, inovați. Nu vedeți întotdeauna inovația ca fiind ideea unui nou produs sau serviciu.

Eficiență și durabilitate

Echilibrul dintre durabilitate și câștig economic este întotdeauna prezent într-un proces de inovare. Paradoxal, o mașină care este foarte durabilă face imposibilă sau inutilă inovarea pe termen lung.

Considerația menționată mai sus implică întotdeauna relația dintre costuri și beneficii. Deci, durabilitatea este întotdeauna un avantaj, atunci când dezvoltăm un nou dispozitiv sau o mașină cu senzori inteligenți. Durabilitatea este deja un obiectiv important în dezvoltarea și inovarea senzorilor. În viitor, va fi o necesitate de 100%. Înlocuirea unui produs încă funcțional se face pentru noi avantaje: funcții în plus care includ și inteligență artificială, gabarit ultra mic, consum de putere extrem de redus.

Expertiza revine expertului

Toată lumea știe sau va ști despre existența senzorilor, pornind de la dispozitivele purtabile. Dar, interesul pentru înțelegerea principiilor de măsurare se diminuează constant. Oamenii vor rezultatele folosirii senzorilor, nu sunt preocupați de principiile de funcționare.

TDK DK-11101 – Kit de evaluare cu software de sprijin, astfel încât dezvoltatorii să poată testa rapid TCE-11101 și să-l integreze în următorul lor proiect. Aplicații: casă, industrial, auto, sănătate, IoT, robotică, HVAC.

Clientul trebuie asistat în alegerea tehnologiei de senzori potrivite pentru nevoile sale și în modul de integrare corespunzător. Efortul de a îmbunătăți dispozitivul unui client este baza pentru dezvoltarea de noi aplicații pentru senzori. Ce este important pentru client? De ce anume are nevoie pentru a-l ajuta în continuare? Vede clientul implicațiile sau trebuie un expert în senzori să ofere valoarea adăugată? Acest lucru face crucială învățarea continuă și inovarea cu noile tehnologii. Câți sunt deja la curent cu tendințele senzorilor din următorii ani? Numărul experților este mic. Expertiza va lipsi în curând și mai mult, ceea ce va crea situații ciudate, cum ar fi, de exemplu, o persoană care încearcă să măsoare o lungime folosind un senzor de presiune.

Expertiza mai profundă e greu de găsit sau lipsește cu adevărat și acest lucru schimbă valoarea adăugată a unui expert în senzori.

https://www.pewresearch.org/internet/2021/02/18/experts-say-the-new-normal-in-2025-will-be-far-more-tech-driven-presenting-more-big-challenges/

Fuziunea senzorilor. Baza noilor aplicații

TDK InvenSense – Noul microfon T5838 SmartSound MEMS oferă un mod de consum redus, de 130µA și un mod de înaltă calitate, de 330µA. Interval dinamic de 68dN SNR și 133dB AOP la lățimea de bandă de 20kHz. Optimizat pentru telefoane inteligente, tablouri de microfoane, difuzoare inteligente și căști, T5838 acceptă activarea prin sunet, configurabilă la niveluri de putere de maxim 20 µA.

Inovația apare din ce în ce mai repede, parțial și datorită apariției „fuziunii de senzori”. Senzori diferiți sunt integrați într-o singură piesă, realizând un multi-senzor compact. O combinație de cel puțin două tehnologii de senzori oferă informații noi pentru a face aplicațiile mai inteligente și mai eficiente. Aceasta este „fuziunea datelor senzorului” și face ca predicțiile bazate pe datele senzorilor și a algoritmilor să ajute oamenii la luarea deciziilor corecte.

Folosirea senzorilor pentru a face disponibile cantități mari de date, analizarea rapidă a datelor și apoi descoperirea relațiilor (între domeniile de aplicare) este puterea aplicațiilor moderne.

Dacă senzorii pot funcționa împreună ca un sistem nervos periferic, locurile de muncă vor fi adaptate în viitor în multe procese de producție. Se realizează eficiență și economii de costuri.

Notă. Fuziunea senzorilor la un om
Cel mai bun exemplu de fuziune a datelor senzorilor ești tu însuți, ca persoană. Colectezi împreună simțuri de diferite magnitudini și poți înțelege și anticipa, apoi, într-un mod eficient. Ai nevoie de toate simțurile corpului tău pentru a face acest lucru. În viitor, senzorii vor putea să funcționeze în echipă în același mod. Astfel, o mașină va evolua prin auto-învățare. Deci, viitorul înseamnă inteligență artificială prin algoritmi de învățare continuă.

Câștigul prin inovare crește rapid
Vedeți cum senzorii oferă o combinație de avantaje care se concentrează pe domeniul de aplicare. Conceptul „acest câștig” va fi mai mare pentru toată lumea și va impulsiona inovarea și dezvoltarea de noi utilități ale produselor și serviciilor.
Noi dispozitive bazate pe progresele tehnologice vor avea costurile asociate mai mici și termenele de livrare mai scurte. Mai mult, senzorii vor amplifica propriile noastre simțuri.

Tendințe ale senzorilor în aplicațiile viitoare

Mai inteligent, mai precis, mai rapid, fără fir, consum foarte mic de putere, mai sigur, auto-învățat, mai mic, standardizat etc. Sunt în curs de dezvoltare mulți senzori care implică toate aceste calități. Va fi mai dificil ca un proiectant (R&D) să fie la curent cu toate evoluțiile și posibilitățile, oferite de senzori în următorii ani.

Notă. Există ezitare la împărtășit date
Punerea la dispoziție a unor cantități mari de date este cheia dezvoltării viitoare a senzorilor. Dar, aceste date nu pot fi doar pentru voi.
Cel mai mare prag îl reprezintă publicarea imediată a datelor despre fuziunea senzorilor. De fapt, datele sunt putere, banii tăi, secretul tău comercial. Împărtășirea datelor cu un partener dă valoare. Deci, întrebarea voastră naturală este: ce veți primi în schimb? Inovația în domeniul senzorilor și datele pe care le furnizează creează noi oportunități, colaborări sau achiziții a firmelor mici specializate de către marile companiile.
Exemplu: TDK Corporation a achiziționat firme care fabrică senzori: Epcos, un producător de dispozitive electronice cu sediul în Germania (2008), InvenSense, Inc., un specialist în senzori cu sediul în Statele Unite (2017), Chirp Microsystems, un dezvoltator de soluții ultrasonice de detectare 3D cu putere redusă, cu sediul în Statele Unite (2018). Tronics Microsystems, un lider tehnologic recunoscut în sectorul nano- și microsistemelor, e o divizie a grupului de afaceri pentru senzori de temperatură și presiune TDK Electronics AG (fosta Epcos AG) ce deține 74 % din acțiunile Tronics (2017).

Vedeți mai jos o listă cu posibile aplicații inteligente cu senzori, pentru a vă ajuta în dezvoltarea proiectelor dumneavoastră.

Inovațiile în tehnologia senzorilor duc la dezvoltarea mai rapidă a aplicațiilor

Întreținerea predictivă pentru dispozitive și mașini devine mai eficientă, mai ușoară, mai ieftină și mărește durata de utilizare. Mentenanța se bazează pe senzori în loc să fie efectuată conform unei planificări.
Senzorii autonomi, având o sursă de alimentare integrată, lucrează împreună prin conexiuni wireless pe arii mari. Senzorii vor auto-adapta sistemul pe întreaga durată de utilizare, fără întreținere, modificări sau calibrare. Tehnologiile diverse se completează reciproc prin comunicație fără fir între senzori inteligenți.
Tehnologia roboților evoluează spre roboții autonomi, care să lucreze în medii grele și în condiții imposibile pentru oameni. Sistemele integrate de senzori sunt utilizate în mod obișnuit în dezvoltarea dispozitivelor robotizate și mecatronice.
Fuziunea senzorilor – (multi-senzor) – prin procesul de combinare a datelor senzoriale sau a datelor provenite din surse disparate, face ca informațiile rezultate să aibă o incertitudine mai mică, decât ar fi posibilă atunci când aceste surse au fost utilizate individual. Senzori diferiți, partea de calcul și comunicația sunt integrate într-o capsulă mică. Principii inginerești verificate în timp se transpun prin tehnologii noi, la nivel de cip.
Senzorii ajută la o mai bună înțelegere a necesităților și comportamentului uman. Se stabilesc cerințe noi legate de calitatea mediului, a transportului, de funcții în automobile, stilul personal de viață, consumul de energie etc.
În creșterea animalelor și agricultură sunt progrese vizibile: gestionarea de la distanță a animalelor domestice, randamente mai bune în cultura plantelor. Senzorii pot monitoriza calitatea mediului (umezeală, temperatură) și apariția dăunătorilor. Costurile de producție agricolă scad, iar condițiile de muncă se îmbunătățesc.
Noile sisteme LiDAR dotează vehiculele autonome cu o „viziune” reală. Tehnologia LiDAR (Light Detection and Ranging) folosește lasere pentru a da pulsuri de iluminare a obiectelor și măsoară distanța prin cronometrarea călătoriei dus – întors a pulsului luminos. Acestea sunt deja folosite pentru a crea modele 3D și hărți de obiecte și medii. https://geoslam.com/what-is-lidar/
Materialele sportive (de exemplu, mingile de fotbal) încep să fie echipate cu senzori.
Orașele vor deveni mai inteligente și vom putea „gestiona” ecosistemul. De exemplu, gestionarea poluării aerului, a apelor reziduale, parcări, parcuri sigure. Vom folosi mai mulți senzori pentru a controla mediul nu numai să-l observăm, pentru a îmbunătăți gestionarea energiei și poluarea și pentru a construi clădiri de birouri ecologice.
Senzorii se pot substitui și pot amplifica simțurilor umane. Datele vor deveni mai obiective și vor fi colectate continuu, apoi vor fi convertite în informații utile folosind algoritmi.
Senzorii cu adevărat senzori inteligenți ce conțin unități de măsurare și de calcul intern, se auto-monitorizează, transmit doar date esențiale (atunci când apare un eveniment) către un sistem de operare și se creează o rețea fiabilă de date de măsurare și control.
Se extinde folosirea de senzori sintetici. Senzorii sintetici caută să reproducă funcțiunile senzorilor naturali. Senzorul sintetic este un super senzor format dintr-un grup de senzori diverși ce urmărește datele ambientale pentru a monitoriza o cameră întreagă. Dispare necesitatea de a atașa hardware suplimentar la fiecare aparat de uz casnic. Scopul este de a reproduce structura și funcția sistemelor senzoriale umane pentru a oferi feedback de control. Funcționarea: mai întâi se antrenează manual sistemul către evenimente recunoscute în Cloud pe baza datelor senzorilor și, după un timp, funcționează practic cu pilot automat detectând evenimente foarte specifice.