همه چیز درباره سنسورها

 مقدمه :
سنسورها رابط بین سیستم کنترل الکترونیکی از یک طرف و محیط، رشته کارها یا ماشین از طرف دیگر هستند. در اواخر دهه ۱۹۷۰ و اوایل دهه ۱۹۸۰ تکامل سنسور در سطح بین المللی بین سه و پنچ سال عقب تر از تکامل علم میکروالکترونیک در نظر گرفته می شد. این حقیقت که ساخت عناصر میکروالکترونیک غالباً بسیار ارزانتر از عناصر اندازه گیری کننده ای
( سنسور هایی ) بود که آنها احتیاج داشتند ، یک مانع جدی در ازدیاد و متنوع نمودن کاربرد میکرو الکترونیک پردازشگر اطلاعات در گستره وسیعی از عملیات و رشته کارها بود. چنین اختلافی بین علم میکروالکترو نیک مدرن و تکنولوژی اندازه گیری کننده کلاسیکی تنها توانست به واسطه ظهور تکنولوژی سنسورهای مدرن بر طرف شود.
اگر چه سنسورها به همراه علم میکروالکترونیک پردازشگر اطلاعات ، یک گام مهم را به جلو عرضه دارد لیکن این ، تنها اولین قدم است . در این مرحله سنسورها از تعدادی از عناصر میکروالکترونیک موجود ، برای مثال به شکل پردازشگرها ، حافظه ها ، مبدل های آنالوگ به دیجیتال یا تقویت کننده ها ، برای آماده نمودن سیگنال خروجی استفاده می کنند.در عین حال سنسورباید یک خروجی الکترونیکی تولیدکند که به آسانی پردازش شود . دومین گام عبارت از اتصال سنسور سیستم میکروالکترونیک –بخش مکانیکی می باشد . این زنجیره تنها در صورتی کار می کند که همه خطوط رابط باشند این امر منجر به توصیف یک معیار مهم تر به ویژه تا جائیکه سنسور مر بوط است می شود.

فصل اول

تعریف عبارت سنسور :
امروز کلمه سنسور به هیچوجه از مفاهیمی از قبیل میکرو پروسسور ، ترانسپیونز (یک میکرو چیپ کامپیوتری بسیار قدرتمند که می توان مقادیر فوق العاده زیاد اطلاعات را به طور خیلی سریع پردازش نماید) انواع مختلف حافظه و سایر عناصر الکترونیکی به عنوان یکی از لغات وا بسته به دنیای نو آوری های تکنولوژیکی اهمیت کمتری را ندارد . با وجود این سنسور هنوز هم فاقد یک تعریف دقیق است همچنانکه عباراتی از قبیل پروب، بعد سنج (gauge ) ، پیک –آپ یا ترنسدیوسر، مدتها چنین بوده اند . کوششهای زیادی به عمل آمده است تا کثرت تعاریف را محدود نماید . کلمه سنسور یک عبارت تخصصی است که از کلمه لاتین Sensorium به معنای توانایی حس کردن یا Sensus به معنای حس برگرفته شده است . پس از آشنایی با منشا مفهوم سنسور ، تاکید کردن بر تشابه بین سنسورهای تکنیکی و اندام های حس انسانی واضح به نظر می رسد. شکل زیر این تشابه را نشان می دهد:

ماشین  انسان

تکنیک های تولید سنسور:
تکنولوژی سنسور امروزی هنوز هم بر اساس تعداد نسبتاً زیادی از سنسورهای غیر مینیاتوری استوار شده است . این امر با بررسی ابعاد هندسی سنسور هایی برای اندازه گیری فاصله ، توان ، شتاب ، سرعت، سیال عبوری ، فشار و غیره مشاهده می شود. برای اکثر سنسورها این ابعاد از cm 10 تجاوز می کند . زیرا اغلب ابعادسنسور تعیین نمی شود بلکه بوسیله پوشش خارجی آن مشخص می گردد. با این وجود ، حتی در چنین مواردی خود سنسور ها از نظر اندازه در حد چند سانتی متر هستند . چنین سنسورهائی ، که می توانند گاهی خیلی گرانبها باشند، در آینده مهم باقی خواهند ماند.
برای مثال در زمینه اندازه گیری پروسه ، تکنولوژی تولید و نیز ربات ها کاربرد دارند. با این وجود  به طور موازی با این مسئله می توان تکامل دیگری را مشاهده کرد که بوسیله پیشرفت هائی در میکرو الکترونیک شروع شده است. تکنولوژی میکروالکترونیک ظهور و تکامل سنسورهائی را برانگیخته است که قابل مینیاتور سازی هستند و برای امکان تولید انبوه مناسب می باشد. این امر یقیناً به معنی آن نیست که تکنولوژی سنسور با همان آهنگ میکرو الکترونیک تکامل خواهد یافت.
هدف از میناتور سازی ارائه یک سری مزایا می باشد.برای مثال ، اثر سنسور مینیاتوری برروی پارامترهای اندازه گیری شده ضعیف است . این به معنی آنستکه چنین سنسوری درجه کمتری از تداخل را ایجاد
می کند و بنابراین درجه بالاتری از دقت اندازه گیری حاصل می شود . اینرسی سنسور کاهش می یابد و سنسور توان کمتری را نسبت به سنسورهای کلاسیکی مصرف می کند.
تکنولوژی های میکروالکترونیک زیر برای تولید سنسور ها به کار برده می شوند:
ـ تکنولوژی سیلیکان
ـ تکنولوژی لایه نازک
ـ تکنولوژی لایه ضخیم / هیبرید
ـ سایر تکنولوژیهای نیمه هادی ( نیمه هادی های  II-VI,III-V )
پروسه های دیگری نیز در تولیدسنسور به کار برده می شوند ، ازقبیل تکنولوژی های فویل ( با چکش کاری یا غلطاندن فلزی را به شکل یک صفحه در آوردن ) و سینتر ( با گرم کردن یک ماده پودر مانند را به شکل یک جسم سفت در آوردن) تکنولوژی فیبر نوری ، مکانیک دقیق ، تکنولوژی لیزر نوری ، تکنولوژی میکروویو تکنولوژیهای بیو لوژی . به علاوه تکنولوژی هائی از قبیل پلیمرها ، آلیاژهای فلزی یا مواد پیزو الکتریکی را در تولید سنسور بازی می کنند.

سنسورهادر تکنولوژی لایه نازک (Thin-film technology):                                                                    
بسیاری از تاثیرات خارجی که باید ثبت شوند ، بر یک لایه سطحی نازک سنسور اثر می کنند . نور مثالی از این نوع است . از طرف دیگر به منظور دستیابی به یک زمان پاسخ سریع ، در مورد حرارت، آنها احتیاج به یک احتیاج به یک حجم کوچک دارند. جنبه های عملیاتی معینی از قبیل نفوذ پذیری لایه های فلزی نازک نسبت به رطوبت ، می توا نند لایه های نازک را جالب توجه سازد.
عناصر کلیدی در یک سنسور لایه نازک زمینه و ماده لایه نازک هستند . مواد به کاربرده شده برای زمینه ، شیشه ، فلز ، پلاستیک ها و اخیراً سیلکان هستند استفاده از سیلیکان زمانی جالب توجه می شود که تجمع یک پارچه سنسور و مدارات الکترونیکی آشکار ساز مورد نیاز باشد.
با وجود این ، شیشه ، سرامیک و فلزات بیشتر از همه به عنوان زمینه به کار برده می شوند . بسته به نیاز ، می توان از شیشه پنجره ساده یا شیشه کوارتز گرانبها استفاده کرد . اخیراً توجه زیادی به   
( یاقوت کبود) کریستالی نشان داده شده است . انواع مواد، از لایه های فلزی ساده و لایه های اکسیدی تا لایه های نیمه هادی ، می تواند به عنوان لایه های سنسور به کار برده شود. انواع لایه های زیر به کار برده می شوند:
لایه های مقاومتی وابسته به درجه حرارت ( مثلاً NI  ,PT,AU آلیاژهای NI ،      ZNO ،NANO3 )
لایه های حساس به نور ( مثلاً PBSE ، HGCDTE ، Si  )
لایه های مقاومتی حساس به فشار ( مثلاً آلیاژهای NICR  -SI چند گانه)
لایه های پیزو الکتریکی ( مثلاً ZNO)
لایه های حساس به رطوبت ( مثلاً O3  AL2 ،پلی استیرن)
لایه های حساس به مواد شیمیایی ( مثلاً ZNO2  ، SNO2،  3Fe2o )
لایه های مقاومت مغناطیسی ( مثلاً فرو مغناطیس ها)
لایه های نازک نوعاً بین ۰۱ /۰ تا ۱۰۰mm ضخامت دارند بسته به کاری که از انواع مختلف مواد مورد نیاز است، می توان گسترده بهینه ای را برای آنها معین نمود.

سنسورهای سیلیکانی :
سیلیکان و نیمه هادی های دیگر به طور گسترده در میکرو الکترونیک به کار برده می شوند . از آنجائیکه پیشرفتهای زیادی در رشد کریستال های سیلیکانی اجرا شده است . لذا استفاده از سیلیکان تک کریستالی امروزه در کانون توجه کاربردهای سنسور قرار دارد .
 با وجود این ، هم سیلیکان چند کریستالی ( si- poly ) و هم سیلیکان ناموزون ( si -a ) مورد توجه زیاری قرار دارند و امکان مساعد بزرگی برای آینده به شمار می روند.

خواص سیلیکان و اثرات آنها بر سنسورها:
سیلیکان یک ماده مناسب برای تکنولوژی های سنسور است به شرط آنکه اثرات فیزیکی و شیمیایی کافی با قوت قابل قبولی نشان دهد که می تواند در ساختارهای غیر پیچیده در طول گستره وسیعی از درجه حرارت ها به کار برده شود. جدول زیر مهمترین اثرات و کاربردهای آنها را برای تکنو لوژی سنسور نشان می دهد.

کمیت های اندازه گیری شونده    اثر    کاربرد
تشعشع    اثر مقاومت نوری
اثر ارتباط نوری
اثر یونیزاسیون
اثر خازن نوری    مقاومت نوری
دیود نوری ، ترانزیستور نوری
سنسور تشعشع هسته ای
خازن نوری
کمیت حرراتی    مقاومت حرارتی
اثر اتصال گرمایی    سنسورهای درجه حرارت مقاومتی
سنسورهای درجه حرارتی
سیگنال های مغناطیسی    اثر مقاومت مغناطیسی
اثر هال
اثر ارتباط مغناطیسی    سنسورهای مقاومت مغناطیسی
مولد هال
دیود و ترانزیستور مغناطیسی
سیگنال های شیمیایی    اثر میدانی حساس به بار    IS FET

خواص فیزیکی سیلیکان می تواند مستقیماً برای اندازه گیری کمیت اندازه گیری شونده مطلوب به کار برده شود همانطور که در جدول فوق نشان داده شده است . با این وجود امکانات محدود است.
علاوه بر این، سیلیکان می تواند ، برای مثال ، هنگام استفاده به عنوان زمینه سنسورهای لایه نازک فوق العاده مهم باشد، حتی هنگامیکه مدارات الکترونیکی پردازش کننده اطلاعات مجتمع باشند . تحت شرایط معینی ، اصلاح قسمتهای سیلیکانی در الکترونیک نیمه هادی ساخت انواع مهم سنسورها را ممکن
می سازد . سنسور های نوری از قبیل دیود نوری ، یا سنسور های شیمیایی از قبیل ISFET ها مثالهایی از آن هستند.ساخت سنسورهای سیلیکانی به طور عمده بر اساس عملیات به کار رفته در تکنولوژی نیمه هادی مدرن استوار است که برای تولید عناصر میکروالکترونیکی ابداع شده اند . تکنولوژی صفحه ای سیلیکان نه فقط بر تولید مدارات مجتمع غلبه می کند بلکه یک عنصر تعیین کننده در تولید بسیاری از سنسورهای سیلیکانی نیز می باشد.

این امر منجر به مزایای زیر می شود:
۱-    ساخن کم هزینه سنسورها به تعداد زیاد
  2- مینیاتور سازی سنسور  و تجمع یک پارچه سنسور و الکترونیک
  3- ساخت سنسورهای چند گانه
ماده اصلی سیلیکان معمولاً توسط انتشار اتم های ناخالص یا تزریق یون تقویت می شود. و با استفاده از آن اتصالات P-N ، لایه های با هدایت مختلف و لایه های توقف حک شده  تولید می شود.
از   می توان برای لایه های عایق کننده استفاده نمود . و یک پروسه اپی تکسیال مانند رسوب دادن سیلیکان تک کریستالی با تقویت لازم بر روی زمینه تک کریستالی مثل سیلیکان یا یاقوت کبود را امکان پذیر می سازد که این لایه های اپی تکسیال اطلاعات مشخصه عناصر را بهبود می بخشد.

فصل دوم

 سنسورهای اکوستیکی ؛ سنسورهای صوتی و کاربردهای آن :
سنسوهای اکوستیکی ، سنسورهای صوتی روی کریستالهای پیزو الکتریک پایه گذاری شده اند.
مثالهایی از این وسایل عبارتند از سنسورهای صوتی با پایداری زیاد و شتاب سنج ها . برای کاهش هزینه در سنسورهای صوتی یک تکنولوژی یک پارچه مورد نیاز است که در آن عناصر سنسورها و مدار الکتریکی روی همان ماده اولیه تولید می شوند.وسیله های یکپارچه دارای مزیت حساسیت بالا هستند که برای طراحی و ساخت سنسورهای صوتی یکپارچه سازگار با تکنولوژی VLSI تنها به یک پیزو الکتر یک  نیازمند است.
مشخصات پیزو الکتریک معمولی به وسیله مفهوم پیزو الکتریک شرح داده می شود که بیان کننده توزیع قطبهای الکتریکی ( قطبیت ) وچگونگی واکنش های پیزو الکتریک به فشارهای الکتریکی که بوسیله امواج دپلاریزاسیون ( غیر قطبی) منتشر می شوند می باشد. کشش های مکانیکی روی طبقات ویژه کریستالها منجر به خطی شدن میدانهای قطبی می شوند. در موازنه نیروهای کرنش کریستالی بوسیله نیروهای قطبی درونی متعادل می شوند . وقتی که این موازنه بوسیله عملکرد میدان الکتریکی خارجی یا نیروهای مکانیکی خارجی توزیع می شوند،نشر میدان غیر قطبی ، یک میدان نا متعادل برای نگهداری موازنه اولیه بوجود خواهد آورد. اگر نیروی خارجی از یک میدان الکتریکی ناشی از ولتاژهای کاربردی باشد باز هم میدان متناسب برای موازنه بوجود خواهد آمد. فرایند ساخت لایه کریستال ساده پیزو الکتریک روی مواد نیمه هادی بسیار مشکل و در بعضی موارد غیر ممکن است خوشبختانه در اغلب موارد یک جهت مختصاتی ( محور ) در لایه پیزو الکتریک حذف می شود که برای تولید سنسورهای کاربردی مناسب است.
در دهه گذشته تعداد زیادی محقق مشخصه هایی از لایه پیزو را که منجربه  رشد و ترقی و ایجاد کار بردهای مختلف شد ارایه دادند که سه لایه کاربردی در صنعت سنسور سازی  Pzt,ALN,ZNO   می باشند .

منابع و ماخذ

۱) WWW.National   semiconductor’s  temperature   sensor 
Handbook
۲) http..// WWW. OMEGA . com / literature  /  strain
۳) http  // WWW. Tech . com – techincfo
۴) WWW. Ecs. Soton . ac . uk  / publications
۵) culshaw . b . : optical  fiber  sensing  & signal  processing
۶ ) سنسورهای نیمه هادی  S.M.S.ZE   semiconducto  sensors
۷) اصول و کاربرد سنسورها  :
 تالیف : پیتر هایتمن ترجمه مهندس نوید نقی زادگان و مهندس مهران صباحی و مهندس لادن اجلالی