Capteur

Un capteur est un appareil qui produit un signal de sortie dans le but de détecter un phénomène physique.

Dans sa définition la plus large, un capteur est un appareil, un module, une machine ou un sous-système qui détecte des événements ou des changements dans son environnement et envoie les informations à d'autres appareils électroniques, souvent à un processeur d'ordinateur.

Les capteurs sont utilisés dans des objets du quotidien tels que les boutons d'ascenseur tactiles ( capteur tactile ) et les lampes qui s'atténuent ou s'éclairent en touchant la base, et dans d'innombrables applications dont la plupart des gens ne sont pas conscients. Avec les progrès des micromachines et des plates-formes de microcontrôleurs faciles à utiliser , les utilisations des capteurs se sont étendues au-delà des domaines traditionnels de la mesure de température, de pression et de débit, par exemple dans les capteurs MARG .

Les capteurs analogiques tels que les potentiomètres et les résistances de détection de force sont encore largement utilisés. Leurs applications incluent la fabrication et les machines, l'aéronautique et l'aérospatiale, l'automobile, la médecine, la robotique et de nombreux autres aspects de notre vie quotidienne. Il existe une large gamme d'autres capteurs qui mesurent les propriétés chimiques et physiques des matériaux, notamment les capteurs optiques pour la mesure de l'indice de réfraction, les capteurs vibratoires pour la mesure de la viscosité des fluides et les capteurs électrochimiques pour la surveillance du pH des fluides.

La sensibilité d'un capteur indique dans quelle mesure sa sortie change lorsque la quantité d'entrée qu'il mesure change. Par exemple, si le mercure d'un thermomètre se déplace de 1 cm lorsque la température change de 1 °C, sa sensibilité est de 1 cm/°C (il s'agit essentiellement de la pente dy/dx en supposant une caractéristique linéaire). Certains capteurs peuvent également affecter ce qu'ils mesurent ; par exemple, un thermomètre à température ambiante inséré dans une tasse de liquide chaud refroidit le liquide tandis que le liquide chauffe le thermomètre. Les capteurs sont généralement conçus pour avoir un faible effet sur ce qui est mesuré ; rendre le capteur plus petit améliore souvent cela et peut introduire d'autres avantages.

Les progrès technologiques permettent de fabriquer de plus en plus de capteurs à l'échelle microscopique , comme les microcapteurs, à l'aide de la technologie MEMS . Dans la plupart des cas, un microcapteur atteint un temps de mesure nettement plus rapide et une sensibilité plus élevée par rapport aux approches macroscopiques . En raison de la demande croissante d'informations rapides, abordables et fiables dans le monde d'aujourd'hui, les capteurs jetables (des dispositifs peu coûteux et faciles à utiliser pour la surveillance à court terme ou les mesures ponctuelles) ont récemment gagné en importance. Grâce à cette classe de capteurs, des informations analytiques critiques peuvent être obtenues par n'importe qui, n'importe où et à tout moment, sans avoir besoin de réétalonnage et sans se soucier de la contamination.

Un bon capteur obéit aux règles suivantes :

• il est sensible à la propriété mesurée
• il est insensible à toute autre propriété susceptible d'être rencontrée dans son application, et
• cela n'influence pas la propriété mesurée.

La plupart des capteurs ont une fonction de transfert linéaire . La sensibilité est alors définie comme le rapport entre le signal de sortie et la propriété mesurée. Par exemple, si un capteur mesure la température et possède une sortie de tension, la sensibilité est constante avec les unités [V/K]. La sensibilité est la pente de la fonction de transfert. Pour convertir la sortie électrique du capteur (par exemple V) en unités mesurées (par exemple K), il faut diviser la sortie électrique par la pente (ou multiplier par son inverse). De plus, un décalage est fréquemment ajouté ou soustrait. Par exemple, −40 doit être ajouté à la sortie si une sortie de 0 V correspond à une entrée de −40 C.

Pour qu'un signal de capteur analogique soit traité ou utilisé dans un équipement numérique, il doit être converti en signal numérique à l'aide d'un convertisseur analogique-numérique .

Étant donné que les capteurs ne peuvent pas reproduire une fonction de transfert idéale , plusieurs types d’écarts peuvent se produire, ce qui limite la précision du capteur :

• Étant donné que la plage du signal de sortie est toujours limitée, le signal de sortie finira par atteindre un minimum ou un maximum lorsque la propriété mesurée dépasse les limites. La plage de pleine échelle définit les valeurs maximales et minimales de la propriété mesurée.
• En pratique, la sensibilité peut différer de la valeur spécifiée. On parle alors d'erreur de sensibilité. Il s'agit d'une erreur dans la pente d'une fonction de transfert linéaire.
• Si le signal de sortie diffère de la valeur correcte d'une valeur constante, le capteur présente une erreur de décalage ou de biais . Il s'agit d'une erreur dans l' ordonnée à l'origine d'une fonction de transfert linéaire.
• La non-linéarité est une déviation de la fonction de transfert d'un capteur par rapport à une fonction de transfert en ligne droite. En général, elle est définie par la différence entre la sortie et le comportement idéal sur toute la plage du capteur, souvent exprimée en pourcentage de la plage complète.
• L'écart causé par des changements rapides de la propriété mesurée au fil du temps est une erreur dynamique . Souvent, ce comportement est décrit à l'aide d'un diagramme de Bode montrant l'erreur de sensibilité et le déphasage en fonction de la fréquence d'un signal d'entrée périodique.
• Si le signal de sortie change lentement indépendamment de la propriété mesurée, on parle alors de dérive . Une dérive à long terme sur des mois ou des années est causée par des changements physiques dans le capteur.
• Le bruit est une déviation aléatoire du signal qui varie dans le temps.
• Une erreur d'hystérésis entraîne une variation de la valeur de sortie en fonction des valeurs d'entrée précédentes. Si la sortie d'un capteur est différente selon qu'une valeur d'entrée spécifique a été atteinte en augmentant ou en diminuant l'entrée, le capteur présente alors une erreur d'hystérésis.
• Si le capteur possède une sortie numérique, la sortie est essentiellement une approximation de la propriété mesurée. Cette erreur est également appelée erreur de quantification .
• Si le signal est surveillé numériquement, la fréquence d'échantillonnage peut provoquer une erreur dynamique, ou si la variable d'entrée ou le bruit ajouté change périodiquement à une fréquence proche d'un multiple de la fréquence d'échantillonnage, des erreurs d'aliasing peuvent se produire.
• Le capteur peut être, dans une certaine mesure, sensible à d'autres propriétés que la propriété mesurée. Par exemple, la plupart des capteurs sont influencés par la température de leur environnement.

Toutes ces déviations peuvent être classées comme des erreurs systématiques ou des erreurs aléatoires . Les erreurs systématiques peuvent parfois être compensées au moyen d'une stratégie d'étalonnage . Le bruit est une erreur aléatoire qui peut être réduite par un traitement du signal , tel que le filtrage, généralement au détriment du comportement dynamique du capteur.

La résolution du capteur ou résolution de mesure est la plus petite variation détectable dans la quantité mesurée. La résolution d'un capteur avec une sortie numérique est généralement la résolution numérique de la sortie numérique. La résolution est liée à la précision avec laquelle la mesure est effectuée, mais ce n'est pas la même chose. La précision d'un capteur peut être considérablement inférieure à sa résolution.

• Par exemple, la résolution de distance est la distance minimale qui peut être mesurée avec précision par n'importe quel appareil de mesure de distance . Dans une caméra à temps de vol , la résolution de distance est généralement égale à l' écart type (bruit total) du signal exprimé en unité de longueur .
• Le capteur peut être, dans une certaine mesure, sensible à d'autres propriétés que la propriété mesurée. Par exemple, la plupart des capteurs sont influencés par la température de leur environnement.

Un capteur chimique est un dispositif analytique autonome qui peut fournir des informations sur la composition chimique de son environnement, c'est-à-dire une phase liquide ou gazeuse . Les informations sont fournies sous la forme d'un signal physique mesurable qui est corrélé à la concentration d'une certaine espèce chimique (appelée analyte ). Deux étapes principales interviennent dans le fonctionnement d'un capteur chimique, à savoir la reconnaissance et la transduction . Dans l'étape de reconnaissance, les molécules d'analyte interagissent de manière sélective avec des molécules réceptrices ou des sites inclus dans la structure de l'élément de reconnaissance du capteur. Par conséquent, un paramètre physique caractéristique varie et cette variation est signalée au moyen d'un transducteur intégré qui génère le signal de sortie. Un capteur chimique basé sur un matériau de reconnaissance de nature biologique est un biocapteur . Cependant, comme les matériaux biomimétiques synthétiques vont remplacer dans une certaine mesure les biomatériaux de reconnaissance, une distinction nette entre un biocapteur et un capteur chimique standard est superflue. Les matériaux biomimétiques typiques utilisés dans le développement de capteurs sont les polymères à empreinte moléculaire et les aptamères .

En biomédecine et en biotechnologie , les capteurs qui détectent des analytes grâce à un composant biologique, tel que des cellules, des protéines, des acides nucléiques ou des polymères biomimétiques , sont appelés biocapteurs . Alors qu'un capteur non biologique, même organique (chimie du carbone), pour les analytes biologiques est appelé capteur ou nanocapteur . Cette terminologie s'applique aussi bien aux applications in vitro qu'in vivo. L'encapsulation du composant biologique dans les biocapteurs présente un problème légèrement différent de celui des capteurs ordinaires ; cela peut se faire soit au moyen d'une barrière semi-perméable , telle qu'une membrane de dialyse ou un hydrogel , soit d'une matrice polymère 3D, qui contraint physiquement la macromolécule de détection , soit chimiquement la macromolécule en la liant à l'échafaudage.

Les capteurs neuromorphiques sont des capteurs qui imitent physiquement les structures et les fonctions des entités neuronales biologiques. caméra événementielle en est un exemple .

Le MOSFET inventé aux Bell Labs entre 1955 et 1960, Les capteurs MOSFET (capteurs MOS) ont été développés plus tard et ont depuis été largement utilisés pour mesurer des paramètres physiques , chimiques , biologiques et environnementaux .

Un certain nombre de capteurs MOSFET ont été développés pour mesurer des paramètres physiques , chimiques , biologiques et environnementaux . Les premiers capteurs MOSFET comprennent le transistor à effet de champ à grille ouverte (OGFET) introduit par Johannessen en 1970, le transistor à effet de champ sensible aux ions (ISFET) inventé par Piet Bergveld en 1970, le FET à adsorption (ADFET) breveté par PF Cox en 1974 et un MOSFET sensible à l'hydrogène démontré par I. Lundstrom, MS Shivaraman, CS Svenson et L. Lundkvist en 1975. L'ISFET est un type spécial de MOSFET avec une grille à une certaine distance, et où la grille métallique est remplacée par une membrane sensible aux ions , une solution électrolytique et une électrode de référence . L'ISFET est largement utilisé dans les applications biomédicales , telles que la détection de l'hybridation de l'ADN , la détection de biomarqueurs dans le sang , la détection d'anticorps , la mesure du glucose , la détection du pH et la technologie génétique .

Au milieu des années 1980, de nombreux autres capteurs MOSFET ont été développés, notamment le FET à capteur de gaz (GASFET), le FET accessible en surface (SAFET), le transistor à flux de charge (CFT), le FET à capteur de pression (PRESSFET), le transistor à effet de champ chimique (ChemFET), l'ISFET de référence (REFET), le FET à biocapteur (BioFET), le FET modifié par enzyme (ENFET) et le FET modifié immunologiquement (IMFET). Au début des années 2000, des types de BioFET tels que le transistor à effet de champ à ADN (DNAFET), le FET modifié par gène (GenFET) et le BioFET à potentiel cellulaire (CPFET) ont été développés.

La technologie MOS est à la base des capteurs d'image modernes , notamment le dispositif à couplage de charge (CCD) et le capteur à pixels actifs CMOS (capteur CMOS), utilisés dans l'imagerie numérique et les appareils photo numériques . Willard Boyle et George E. Smith ont développé le CCD en 1969. En recherchant le processus MOS, ils ont réalisé qu'une charge électrique était l'analogie de la bulle magnétique et qu'elle pouvait être stockée sur un minuscule condensateur MOS. Comme il était assez simple de fabriquer une série de condensateurs MOS en ligne, ils leur ont connecté une tension appropriée pour que la charge puisse être échelonnée de l'un à l'autre. Le CCD est un circuit semi-conducteur qui a ensuite été utilisé dans les premières caméras vidéo numériques pour la diffusion télévisée .

Le capteur à pixels actifs MOS (APS) a été développé par Tsutomu Nakamura chez Olympus en 1985. Le capteur à pixels actifs CMOS a ensuite été développé par Eric Fossum et son équipe au début des années 1990.

Les capteurs d'image MOS sont largement utilisés dans la technologie des souris optiques . La première souris optique, inventée par Richard F. Lyon chez Xerox en 1980, utilisait une puce de capteur NMOS de 5 μm . Depuis la première souris optique commerciale, l' IntelliMouse introduite en 1999, la plupart des souris optiques utilisent des capteurs CMOS.

Les capteurs de surveillance MOS sont utilisés pour la surveillance des maisons , des bureaux et de l'agriculture , la surveillance du trafic (y compris la vitesse des voitures , les embouteillages et les accidents de la circulation ), la surveillance météorologique (comme la pluie , le vent , la foudre et les tempêtes ), la surveillance de la défense et la surveillance de la température , de l'humidité , de la pollution de l'air , des incendies , de la santé , de la sécurité et de l'éclairage . de détection de gaz MOS sont utilisés pour détecter le monoxyde de carbone , le dioxyde de soufre , le sulfure d'hydrogène , l'ammoniac et d'autres substances gazeuses . D'autres capteurs MOS comprennent des capteurs intelligents et la technologie de réseau de capteurs sans fil (WSN).