V posledních několika desetiletích došlo ve světě počítačů, softwaru a výpočetní techniky k dramatickým změnám. Pro mě jako inženýra je fascinující být součástí éry, která se může pochlubit obrovským množstvím výpočetního výkonu. Mezi ty nejoblíbenější patří osobní počítače, notebooky a kapesní zařízení, jako jsou chytré telefony a chytré hodinky.

Stalo se nemožné představit si a vést život bez pomoci počítačové zdatnosti. A nejlepší na tom je, že stále jen kloužeme po povrchu obrovského výpočetního potenciálu, který v těchto zdánlivě inteligentních strojích dřímá.

S příchodem internetu věcí (Internet-of-Things, IoT), který posunul výpočetní technologie na novou úroveň a nově definoval slovo “chytrý” (How Smart Cities Can Help Build a Better Post-Pandemic World), lze konstatovat, že vzrušení teprve začíná.

Tento článek si klade za cíl odpovědět na otázku: “Jak senzor snímá?” a zaměřuje se na fyziku fungování senzoru.

Co je to Internet věcí (IoT)?

Inženýři a vědci mají sklon k nomenklatuře (výběru názvu pro něco), aby byl nově zavedený termín srozumitelný. Nejinak je tomu i u termínu IoT.

Jak název napovídá, IoT je souhrnný pojem zahrnující všechny typy zařízení. Ta jsou buď začleněna do systému, nebo existují jako samostatná jednotka. Ať tak či onak, klíčové je, že spolu komunikují (nebo komunikují) prostřednictvím internetu. Každé takové zařízení má zabudovaný vysílač a přijímač, který uskutečňuje komunikační proces pomocí internetu.

Každý systém internetu věcí však není stejný a nemusí být nutně vhodný pro všechny aplikace. Ve skutečnosti jsou podobné nám lidem. Každý jedinec je v něčem skvělý. Nemůžete očekávat, že herec bude řídit letadlo a pilot hrát ve filmu. Stejně tak nemůžete očekávat, že jeden systém (a zařízení) internetu věcí bude umět všechno. Proto inženýři navrhují různé systémy pro plnění různých úkolů, aby poskytovaly co nejlepší výsledky.

V moderním podnikání je zákazník králem, a to platí ve všech odvětvích. Proto konstruktéři systémů vždy navrhují, vyrábějí a dodávají systémy internetu věcí tak, aby poskytovaly bezproblémový uživatelský zážitek. Vývoj hardwarových produktů internetu věcí:

Před zkoumáním vnitřností zařízení IoT je důležité rozlišovat mezi zařízením a systémem.

Zařízení je jako individuální člen, zatímco systém je jako tým zahrnující jednotlivce. Zařízení je tedy součástí systému, zatímco naopak to neplatí.

Komponenty systému IoT

Každý systém se skládá z více jednotlivých komponent (a dílčích komponent), které společně pracují na dosažení společného cíle. Být součástí systému (týmu) navíc zajišťuje vyšší produktivitu a dosahuje lepších výsledků. Hlavními složkami systému internetu věcí jsou:

• Senzory pro snímání fyzikálních veličin
• Centrální mikrokontrolér na místě, který řídí všechny činnosti prováděné senzory a dalšími komponentami
• Cloud, Analýza a zpracování dat k analýze a zpracování přijatých dat
• Vysílač a přijímač k navázání komunikace mezi různými senzory, čidly a mikrokontrolérem a centrálním cloudovým serverem prostřednictvím internetu
• Uživatelské rozhraní ke komunikaci a provádění úloh zadaných uživatelem

Senzory IoT: Dobrým příkladem systému IoT je chytrý telefon, který se obvykle skládá z:

• Modulu GPS (Global Positioning System) pro určení polohy
• Teplotního senzoru pro snímání okolní teploty
• Mikrofonu pro snímání hlasu uživatele a,
• Senzoru blízkosti pro snímání vzdálenosti uživatele od telefonu a jeho uzamčení během hovoru.

Různé aplikace ve smartphonu používají různé senzory. Například Google Maps mají uživatelské rozhraní (aplikaci) pro interakci s modulem GPS a shromažďování souřadnic polohy. Data zpracovává prostřednictvím internetového připojení, aby uživateli pomohl s cestou do cíle.

Systém správy baterií (BMS) je dalším příkladem systému IoT, který využívá více senzorů. BMS je elektronický systém, který chrání a řídí provoz baterie. Stručně řečeno, je to osobní správce baterie. Fungování systému BMS v chytrém telefonu jsem vysvětlil ve svém článku – Systém správy baterie v chytrých telefonech – v energyio.tech.

Senzor funguje jako brána mezi světem počítačů a reálným světem. V důsledku toho musí senzor převést cokoli, co snímá v reálném světě, na něco speciálního, čemu rozumí výpočetní stroj.

Společným pojítkem mezi oběma světy je naštěstí elektrická energie!”

Tím se dostáváme k technické definici senzoru – senzor v systému internetu věcí snímá požadovanou fyzikální veličinu a převádí ji na elektrický signál přenášený na centrální server v cloudu přímo nebo prostřednictvím mikrokontroléru na místě.

Snímač IoT je, no, snímač použitý v systému IoT.

Mikroelektromechanické systémy (MEMS) a mechanismus snímání snímačů IoT

Mikroelektromechanické systémy (neboli MEMS) jsou mikrosystémové technologie (MST) sestávající z drobných součástek tvořených polovodičovým materiálem, jako je křemík, jejichž velikost leží v řádu mikrometrů.

Pokud ne všechny, tak většina snímačů detekujících mechanickou energii využívá tak či onak technologii MEMS. Mimořádně oblíbeným příkladem je akcelerometr. Důvodem je především rychlý růst a obrovská závislost na počítačích.

Protože výrobním materiálem technologie MEMS je polovodič, hlavní výhodou je, že ji lze zabudovat do integrovaného obvodu (IC). Integrovaný obvod obsahuje další výpočetní komponenty (rovněž tvořené polovodičovým materiálem), které působí na data získaná ze snímačů.

Malé rozměry a integrace do čipu totiž výrazně snižují náklady. Akcelerometr na bázi MEMS lze doslova koupit za méně než ₹250 (3,34 USD). Také snímače na bázi MEMS se mohou pochlubit vysokou citlivostí a zaznamenávají nepatrné změny, které byly u předchůdců nepředstavitelné.

Typy snímacích mechanismů a princip činnosti

V závislosti na aplikaci může systém obsahovat jeden nebo více snímačů, které snímají různé fyzikální veličiny, a mají tak jedinečný snímací mechanismus. Dva nejoblíbenější snímací mechanismy v technologii MEMS, které převádějí fyzikální změnu na elektrický signál, jsou:

1. Snímání na bázi odporu
2. Snímání na bázi kapacity

Snímací mechanismus u obou typů využívá jednoduchý princip – jakákoli změna fyzikální veličiny je zachycena změnou elektrického odporu nebo kapacity materiálu použitého v senzoru. Větší změna fyzikální veličiny se tedy projeví větší změnou odporu nebo kapacity materiálu a naopak.

Hlavním rozdílem mezi oběma typy je fungování obou mechanismů. Snímací systém založený na odporu používá, no, odpor, zatímco snímací systém založený na kapacitě používá kondenzátor.

Nebojte se, pokud jste před tímto článkem neslyšeli o odporu a kondenzátoru. Můžete si přečíst, jaký je mezi nimi rozdíl. Představte si tyto dvě součástky jako dva lidi s vlastním jedinečným souborem vlastností.

Snímací mechanismus na bázi rezistivity (s využitím technologie MEMS)

Rezistivní rezistory používáme k měření, analýze, kontrole a pozorování různých fyzikálních veličin již více než sto let. Jak již bylo zmíněno, kdykoli se fyzikální veličina (například tlak) změní, velikost změny elektrického odporu určuje, jak moc se veličina změnila.

Změna elektrického odporu se řídí fyzikálními principy, jako je fotovodivý jev, termorezistivní jev polovodičů a piezorezistivní jev .

1. Snímání prostřednictvím změn fyzikální geometrie – Elektrický odpor materiálu závisí na jeho geometrii, délce a ploše průřezu. Jakákoli změna délky a/nebo plochy průřezu přímo ovlivní odpor materiálu.
2. Piezorezistivní jev – Piezorezistivní materiál je speciální materiál, jehož elektrický odpor se změní, když dojde k mechanické deformaci materiálu, například tlakem, tahem nebo stlačením. Proto senzory IoT měřící tlak, vibrace a zrychlení běžně používají piezorezistivní materiály.

Další snímací mechanismy na bázi odporu používané v senzorech IoT

Ačkoli jsou senzory IoT na bázi MEMS mimořádně účinné pro mechanické, fyzikální veličiny, fungování odporových senzorů detekujících nemechanické veličiny, jako je světlo a teplota, není stejné. Mění se tedy mechanismus snímání.

1. Snímání světla – K detekci světla je zapotřebí speciální materiál citlivý na světlo. Rostliny detekují světlo pomocí speciálních molekul zvaných fotoreceptory. Podobně jakýkoli senzor snímající světlo používá fotorezistory – materiál, jehož elektrický odpor klesá s rostoucí intenzitou světla. Světelně závislý rezistor nebo obecně známý jako LDR je velmi populární senzor IoT používaný k detekci světla.
2. Snímání teploty – Podobně jako snímání světla vyžaduje i snímání teploty materiály, které jsou citlivé na změny okolní teploty. Většina snímačů teploty se skládá z termistoru – materiálu, jehož elektrický odpor klesá s rostoucí teplotou. Například jedním z parametrů používaných k prevenci přebíjení moderních lithium-iontových baterií je detekce teploty baterie pomocí termistorů.
3. Chemické senzory – Tyto senzory se používají k detekci určité chemické látky. Senzor obsahuje snímací vrstvu tvořenou materiálem, jehož odpor se mění, kdykoli reaguje s danou chemickou látkou. Například mnoho systémů internetu věcí používá plynové senzory řady MQ (MQ9, MQ2, MQ7 atd.). Detekuje přítomnost různých typů plynů, jako je oxid uhelnatý, LPG a metan.

Převod na elektrické signály

Podle všeho druhá nejpopulárnější vědecká rovnice, Ohmův zákon (V = IR), stanovuje přímý vztah mezi elektrickým proudem, napětím a odporem. Krása tohoto zákona spočívá v tom, že jakoukoli malou změnu odporu lze během okamžiku převést na elektrický signál (napětí nebo proud).

Proto každý senzor IoT založený na odporovém snímání (včetně technologie MEMS) přímo nebo nepřímo využívá Ohmův zákon.

Snímací mechanismus na kapacitní bázi ve snímačích IoT

Snímací mechanismus na kapacitní bázi zachycuje změnu fyzikální veličiny změnou kapacity materiálu a stejně jako odpor závisí na fyzikální geometrii materiálu.

Téměř všechny snímací systémy založené na kapacitním principu se však převážně spoléhají na změny fyzické geometrie – plochy, vzdálenosti a kapacitní schopnosti materiálu popsané množstvím náboje, které dokáže uchovat.

Dotykový senzor je jedním z nejběžnějších kapacitních senzorů v systému internetu věcí. Chytrý telefon používá dotykovou obrazovku, která se skládá z mnoha dotykových snímačů. V podstatě se jedná o tlakový snímač, který detekuje tlak/sílu fyzického dotyku.

Když je obrazovka stimulována fyzickým dotykem, vyvíjený tlak mění plochu a/nebo vzdálenost, což vyvolá změnu hodnoty kapacity pod obrazovkou.

Tato změna kapacity funguje jako elektrický spínač, který řídí elektrický signál do další fáze. Obr. 3 znázorňuje fungování dotykového snímače.

Podobně jako odporové snímací systémy, které využívají Ohmův zákon, mají kapacitní systémy vlastní jedinečný vztah, který mapuje změnu elektrické kapacity na napětí a proud. Matematická rovnice bohužel přesahuje rámec tohoto článku.

Kapacitní vs. odporové snímání

U odporového snímání vyžadují některé fyzikální veličiny, jako je světlo a teplota, speciální typ materiálu. To je výhoda i zhouba! Na jedné straně je změna odporu jedinečná pro měřenou veličinu. Na druhé straně však tato jedinečnost vyžaduje zcela odlišný postup měření/snímání.

Naopak většina snímacích systémů založených na kapacitním principu zachovává jednotný postup snímání, protože změna je primárně způsobena změnami fyzikální geometrie. Navíc jsou ve srovnání se svým odporovým protějškem relativně nové a v současné době se omezují na snímání mechanických systémů pomocí technologie MEMS.

Závěr

Doufám, že se mi podařilo vysvětlit fungování některých běžně používaných senzorů v systémech internetu věcí. Navíc výroba konstrukce snímačů je pouze jednou částí IoT. Systém musí efektivně zpracovávat přijatá data a poskytovat aplikačně orientované výsledky tím, že vyhoví požadavkům uživatele.

V současné době senzory IoT pronikly do výrobního průmyslu a automatizovaly většinu manuálních operací, což vedlo ke vzniku zcela nového odvětví nazvaného Průmyslový IoT (IIOT).

Na rozdíl od osobních počítačů a chytrých telefonů si technologie IoT teprve vynutí dramatickou proměnu našich životů. Do té doby se musí celý ekosystém IoT dále vyvíjet.

W. Y. Du, S. W. Yelich, “Resistive and Capacitive Based Sensing Technologies”, Sensors and Transducers Journal, duben, 2008

P&S Technologies, “P&S OPC271 Opto-Potentiometer”, TNT Audio, červen, 2009

Wikimedia Common Contributors, “Photoresistor 2″.jpg”, Wikimedia Commons, The Free Media Repository, listopad, 2018

“NTC Thermistor.jpg”, Wikimedia Commons, The Free Media Repository, září 2019

Wikimedia Common Contributors, “R against T for a thermistor.png”, Wikimedia Commons, The Free Media Repository, červenec 2020

Wikimedia Common Contributors, “PeizoAccelThoery.gif,” Wikimedia Commons, The Free Media Repository, červenec 2008

Indiamart, “Standard MQ 9 Combustible Gas Sensor”

D. Fischer, “Capacitive Touch Sensors,” Fujitsu Microelectronics Europe GmbH, leden 2021