Las últimas décadas han experimentado cambios dramáticos en el mundo de los ordenadores, el software y la tecnología informática. Como ingeniero, es fascinante formar parte de una era que cuenta con enormes cantidades de potencia informática. Los más populares son los ordenadores personales, los portátiles, los dispositivos de mano como los teléfonos inteligentes y los relojes inteligentes.

Se ha vuelto imposible imaginar y llevar una vida sin la ayuda de la destreza informática. Y lo mejor es que todavía estamos rozando la superficie del enorme potencial informático que yace latente en esas máquinas aparentemente inteligentes.

Con la llegada del Internet de las Cosas (o IoT), que ha llevado la tecnología informática a un nuevo nivel y ha redefinido la palabra “inteligente” (Cómo las ciudades inteligentes pueden ayudar a construir un mundo mejor tras la pandemia), es justo afirmar que la emoción no ha hecho más que empezar.

Este artículo pretende responder a la pregunta “¿cómo detecta un sensor?” y se centra en la física del funcionamiento de un sensor.

¿Qué es el Internet de las Cosas (IoT)?

Los ingenieros y científicos tienden a nomenclatura (elegir un nombre para algo) para que el término recién acuñado se explique por sí mismo. El término IoT no es diferente.

Como su nombre indica, IoT es un paraguas que engloba todo tipo de dispositivos. Pueden estar integrados en un sistema o existir como una entidad individual. En cualquier caso, la clave es que se comunican (o hablan) entre sí a través de Internet. Cada dispositivo de este tipo tiene un transmisor y un receptor integrados que efectúan el proceso de comunicación utilizando Internet.

Sin embargo, todos los sistemas de IoT no son iguales y no son necesariamente aptos para todas las aplicaciones. De hecho, son parecidos a nosotros los humanos. Cada individuo es bueno en algo. No se puede esperar que un actor pilote un avión y un piloto actúe en una película. Del mismo modo, no se puede esperar que un único sistema (y dispositivo) de IoT lo haga todo. Por lo tanto, los ingenieros diseñan diferentes sistemas para que realicen diferentes tareas y proporcionen los mejores resultados posibles.

En los negocios actuales, el cliente es el rey y esto es cierto en todas las industrias. De ahí que los diseñadores de sistemas siempre diseñen, produzcan y envíen los sistemas de IoT para proporcionar una experiencia de usuario sin fisuras. Desarrollo de productos de hardware IoT: How-To de Vera Kozyr, reitera el tiempo y los esfuerzos invertidos por todas las partes interesadas en la creación de un sistema de extremo a extremo, de estilo plug-and-play, desde la perspectiva de un producto de hardware.

Antes de explorar las entrañas de un dispositivo IoT, es importante diferenciar entre un dispositivo y un sistema.

Un dispositivo es como un miembro individual, mientras que el sistema es como un equipo que involucra al individuo. Por lo tanto, un dispositivo es una parte de un sistema, mientras que lo contrario no es cierto.

Componentes del sistema IoT

Cualquier sistema comprende múltiples componentes individuales (y subcomponentes) que trabajan colectivamente para lograr un objetivo común. Además, formar parte de un sistema (equipo) es asegurar una mayor productividad y conseguir mejores resultados. Los principales componentes de un sistema IoT son:

• Los Sensores para percibir las cantidades físicas
• Microcontrolador central in situ que controla todas las acciones realizadas por los sensores y otros componentes
• Nube, Análisis y Procesamiento de Datos para analizar y procesar los datos recibidos
• Transmisor y Receptor para establecer una comunicación entre los diferentes sensores, sensores y microcontrolador y el servidor central en la nube a través de internet
• Interfaz de Usuario para comunicarse y realizar las tareas instruidas por el usuario

Sensores IoT: El puente hacia el mundo real

Un buen ejemplo de sistema IoT es un smartphone que suele estar compuesto por:

• Un módulo de Sistema de Posicionamiento Global (GPS) para determinar la ubicación
• Un sensor de temperatura para percibir la temperatura ambiente
• Un micrófono para percibir la voz del usuario y,
• Un sensor de proximidad para percibir la distancia del usuario al teléfono y bloquearlo durante una llamada.

Diferentes aplicaciones en el smartphone utilizan diferentes sensores. Por ejemplo, Google Maps tiene una interfaz de usuario (una app) para interactuar con el módulo GPS y recoger las coordenadas de localización. Procesa los datos a través de una conexión a Internet para ayudar al usuario a llegar a su destino.

El Sistema de Gestión de la Batería (BMS) es otro ejemplo de sistema IoT que utiliza múltiples sensores. Un BMS es un sistema electrónico que protege y gestiona las operaciones de la batería. En resumen, es el cuidador personal de la batería. He explicado el funcionamiento de un BMS de un smartphone en mi artículo – Sistema de gestión de la batería en los smartphones – en energyio.tech.

Un sensor actúa como una puerta de enlace entre el mundo informático y el mundo real. En consecuencia, el sensor necesita convertir lo que percibe en el mundo real en algo especial que una máquina de computación entienda.

¡Afortunadamente, el vínculo común entre los dos mundos es la energía eléctrica!

Así llegamos a la definición técnica del sensor: un sensor en un sistema IoT percibe la cantidad física deseada y la convierte en una señal eléctrica transmitida al servidor central basado en la nube directamente o a través de un microcontrolador in situ.

Un sensor de IoT es, bueno, un sensor utilizado en un sistema de IoT.

Sistemas microelectromecánicos (MEMS) y el mecanismo de detección de los sensores de IoT

Los sistemas microelectromecánicos (o MEMS) son una tecnología de microsistemas (MST) que consiste en componentes diminutos hechos de material semiconductor como el silicio con un tamaño que se encuentra en el rango de los micrómetros.

Si no todos, la mayoría de los sensores que detectan energía mecánica utilizan la tecnología MEMS de un modo u otro. Un acelerómetro es un ejemplo extremadamente popular. Esto se debe principalmente al rápido crecimiento y a la gran dependencia de los ordenadores.

Dado que el material de fabricación de la tecnología MEMS es un semiconductor, la principal ventaja es que puede incrustarse en un circuito integrado (CI). Un CI incluye otros componentes informáticos (también formados por material semiconductor) que actúan sobre los datos recibidos de los sensores.

De hecho, el pequeño tamaño y la integración del chip reducen drásticamente el coste. Literalmente, se puede comprar un acelerómetro basado en MEMS por menos de ₹250 (3,34 dólares). Además, los sensores basados en MEMS tienen una gran sensibilidad y detectan cambios minúsculos, que eran inimaginables con los predecesores.

Tipos de mecanismos de detección y principio de funcionamiento

Dependiendo de la aplicación, un sistema puede comprender uno o más sensores, que detectan una cantidad física diferente, por lo que tienen un mecanismo de detección único. Los dos mecanismos de detección más populares en la tecnología MEMS que convierten un cambio físico en una señal eléctrica son:

1. Sensores basados en la resistividad
2. Sensores basados en la capacidad

El mecanismo de detección en ambos tipos utiliza un principio simple: cualquier cambio en la cantidad física es capturado por un cambio en la resistencia eléctrica o la capacitancia del material utilizado en el sensor. Así, un cambio mayor en la cantidad física muestra un cambio mayor en la resistencia o capacitancia del material y viceversa.

La principal diferencia entre los dos tipos es el funcionamiento de los dos mecanismos. Un sistema de detección basado en la resistencia utiliza, bueno, una resistencia, mientras que un sistema de detección basado en la capacidad utiliza un condensador.

No te preocupes si no has oído hablar de una resistencia y un condensador antes de este artículo. Puedes leer la diferencia entre ellos. Piense en los dos componentes como dos personas con su propio conjunto de rasgos únicos.

Mecanismo de detección basado en la resistividad (utilizando la tecnología MEMS)

Hemos estado utilizando resistencias resistivas para medir, analizar, controlar y observar diversas cantidades físicas durante más de un siglo. Como se ha mencionado anteriormente, cada vez que una magnitud física (como la presión) cambia, la cantidad de cambio en la resistencia eléctrica determina cuánto ha cambiado la magnitud.

El cambio en la resistencia eléctrica se rige por principios físicos como el efecto fotoconductor, el efecto termoresistivo de los semiconductores y el efecto piezoresistivo.

1. Detección a través de cambios en la geometría física – La resistencia eléctrica de un material depende de la geometría, la longitud y el área de la sección transversal del material. Cualquier cambio en la longitud o/y el área de la sección transversal afectará directamente a la resistencia del material.
2. Efecto piezoresistivo – Un material piezoresistivo es un material especial cuya resistencia eléctrica cambia cuando el material experimenta una deformación mecánica como un empuje, un tirón o un apretón. Por lo tanto, los sensores IoT que miden la presión, la vibración y la aceleración suelen utilizar materiales piezoresistivos.

Otros mecanismos de detección basados en la resistencia que se utilizan en los sensores IoT

Aunque los sensores IoT basados en MEMS son extremadamente eficaces para las magnitudes mecánicas y físicas, el funcionamiento de los sensores resistivos que detectan magnitudes no mecánicas como la luz y la temperatura no es el mismo. Por lo tanto, el mecanismo de detección cambia.

1. Sensores de luz – Para detectar la luz, se requiere un material especial sensible a la luz. Las plantas detectan la luz con la ayuda de unas moléculas especiales llamadas fotorreceptores. Del mismo modo, cualquier sensor sensible a la luz utiliza fotorresistencias, un material cuya resistencia eléctrica disminuye al aumentar la intensidad de la luz. Una resistencia dependiente de la luz o comúnmente conocida como LDR es un sensor IoT muy popular utilizado para detectar la luz.
2. Sensores de temperatura – Al igual que la detección de la luz, la detección de la temperatura también requiere materiales que sean receptivos a los cambios en la temperatura ambiente. La mayoría de los sensores de temperatura consisten en un termistor, un material cuya resistencia eléctrica disminuye al aumentar la temperatura. Por ejemplo, uno de los parámetros utilizados para evitar la sobrecarga de las baterías de iones de litio actuales consiste en detectar la temperatura de la batería con la ayuda de termistores.
3. Sensores químicos – Estos sensores se utilizan para detectar una sustancia química concreta. El sensor contiene una capa de detección formada por un material cuya resistencia cambia cuando reacciona con la sustancia química. Por ejemplo, muchos sistemas IoT utilizan el sensor de gas de la serie MQ (MQ9, MQ2, MQ7, etc.). Detecta la presencia de varios tipos de gases como el monóxido de carbono, el GLP y el metano.

Conversión a señales eléctricas

Discutiblemente, la segunda ecuación científica más popular, la Ley de Ohm (V = IR), establece una relación directa entre la corriente eléctrica, el voltaje y la resistencia. La belleza de esta ley es que cualquier pequeño cambio en la resistencia puede convertirse en una señal eléctrica (tensión o corriente) en un santiamén.

Por lo tanto, todos los sensores IoT basados en la resistencia (incluida la tecnología MEMS) utilizan la Ley de Ohm directa o indirectamente.

Mecanismo de detección basado en la capacidad en los sensores IoT

Un mecanismo de detección basado en la capacidad capta el cambio en la cantidad física al cambiar la capacitancia del material y, al igual que la resistencia, depende de la geometría física del material.

Sin embargo, casi todos los sistemas de detección basados en la capacidad se basan principalmente en los cambios en la geometría física – el área, la distancia, y la capacidad del material descrito por la cantidad de carga que puede almacenar.

Un sensor táctil es uno de los sensores basados en la capacidad más comunes en un sistema IoT. Un smartphone utiliza una pantalla táctil compuesta por numerosos sensores táctiles. Esencialmente, es un sensor de presión que detecta la presión/fuerza del tacto físico.

Cuando la pantalla es estimulada por el tacto físico, la presión ejercida cambia el área o/y la distancia, lo que desencadena un cambio en el valor de la capacitancia debajo de la pantalla.

Este cambio en la capacitancia actúa como un interruptor eléctrico que conduce una señal eléctrica a la siguiente etapa. La Fig. 3 ilustra el funcionamiento de un sensor táctil.

A semejanza de los sistemas de detección basados en la resistencia que utilizan la Ley de Ohm, los sistemas basados en la capacidad tienen su propia relación que asigna un cambio en la capacidad eléctrica a la tensión y la corriente. Lamentablemente, la ecuación matemática está fuera del alcance de este artículo.

Sensores capacitivos frente a resistivos

En los sensores resistivos, algunas magnitudes físicas como la luz y la temperatura, requieren un tipo especial de material. Esto es una ventaja y una desventaja. Por un lado, la variación de la resistencia es única para la cantidad que se mide. Pero por otro lado, esta singularidad requiere un procedimiento de medición/detección totalmente diferente.

En cambio, la mayoría de los sistemas de detección basados en la capacidad mantienen un procedimiento de detección uniforme, ya que el cambio se debe principalmente a las variaciones en la geometría física. Además, son relativamente nuevos en comparación con su contraparte resistiva y actualmente se limitan a la detección de sistemas mecánicos que utilizan la tecnología MEMS.

Conclusión

Espero haber podido explicar el funcionamiento de algunos de los sensores comúnmente utilizados en los sistemas IoT. Además, la fabricación del diseño de los sensores es sólo una parte de un IoT. El sistema tiene que procesar eficazmente los datos recibidos y proporcionar resultados centrados en la aplicación atendiendo a los requisitos del usuario.

En la actualidad, los sensores de IoT han penetrado en la industria manufacturera y han automatizado la mayoría de las operaciones manuales, lo que ha dado lugar a una rama completamente nueva denominada IoT industrial (IIOT).

A diferencia de los ordenadores personales y los teléfonos inteligentes, la tecnología de IoT todavía tiene que imponer una transformación drástica en nuestras vidas. Hasta entonces, todo el ecosistema del IoT debe seguir evolucionando.

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