Les dernières décennies ont connu des changements spectaculaires dans le monde des ordinateurs, des logiciels et de la technologie informatique. En tant qu’ingénieur, il est fascinant de faire partie d’une époque qui se targue de posséder d’énormes quantités de puissance informatique. Les plus populaires sont les ordinateurs personnels, les ordinateurs portables, les appareils portatifs comme les smartphones et les smart-watches.

Il est devenu impossible d’imaginer et de mener une vie sans l’aide des prouesses informatiques. Et le meilleur, c’est que nous ne faisons qu’effleurer la surface du vaste potentiel informatique qui sommeille dans ces machines apparemment intelligentes.

Avec l’avènement de l’Internet des objets (ou IoT) qui a porté la technologie informatique à un nouveau niveau et redéfini le mot “intelligent” (Comment les villes intelligentes peuvent aider à construire un monde meilleur post-pandémie), il est juste d’affirmer que l’excitation ne fait que commencer.

Cet article vise à répondre à la question “comment un capteur détecte-t-il ?” et se concentre sur la physique du fonctionnement d’un capteur.

Qu’est-ce que l’Internet des choses (IoT) ?

Les ingénieurs et les scientifiques ont tendance à nomenclaturer (choisir un nom pour quelque chose) afin que le terme nouvellement inventé soit auto-explicatif. Le terme IoT n’est pas différent.

Comme son nom l’indique, l’IoT est un parapluie qui englobe tous les types de dispositifs. Ils sont soit intégrés dans un système, soit existent en tant qu’entité individuelle. Dans les deux cas, l’essentiel est qu’ils communiquent (ou parlent) entre eux via l’internet. Chaque dispositif de ce type possède un émetteur et un récepteur intégrés qui effectuent le processus de communication en utilisant Internet.

Cependant, chaque système IoT n’est pas le même et n’est pas nécessairement adapté à toutes les applications. En fait, ils s’apparentent à nous, les humains. Chaque individu est doué pour quelque chose. Vous ne pouvez pas attendre d’un acteur qu’il pilote un avion et d’un pilote qu’il joue dans un film. De même, vous ne pouvez pas attendre d’un seul système (et appareil) IoT qu’il fasse tout. Par conséquent, les ingénieurs conçoivent différents systèmes pour effectuer différentes tâches afin de fournir les meilleurs résultats possibles.

Dans les entreprises modernes, le client est roi et cela est vrai dans toutes les industries. Par conséquent, les concepteurs de systèmes conçoivent, produisent et expédient toujours les systèmes IoT pour offrir une expérience utilisateur transparente. Développement de produits matériels IoT : How-To de Vera Kozyr, rappelle le temps et les efforts investis par toutes les parties prenantes dans la création d’un système de bout en bout, de style plug-and-play, du point de vue d’un produit matériel.

Avant d’explorer les entrailles d’un dispositif IoT, il est important de faire la différence entre un dispositif et un système.

Un dispositif est comme un membre individuel, tandis que le système est comme une équipe impliquant l’individu. Ainsi, un dispositif fait partie d’un système, alors que l’inverse n’est pas vrai.

Composants du système IoT

Tout système comprend de multiples composants (et sous-composants) individuels qui travaillent collectivement pour atteindre un objectif commun. De plus, faire partie d’un système (équipe) assure une plus grande productivité et permet d’obtenir de meilleurs résultats. Les principaux composants d’un système IoT sont :

• Les capteurs pour détecter les quantités physiques
• Microcontrôleur central sur site qui contrôle toutes les actions effectuées par les capteurs et les autres composants
• Cloud, Analyse et traitement des données pour analyser et traiter les données reçues
• Émetteur et récepteur pour établir une communication entre les différents capteurs, les capteurs et le microcontrôleur et le serveur cloud central via internet
• Interface utilisateur pour communiquer avec l’utilisateur et exécuter les tâches qui lui sont indiquées

Capteurs IoT : Le pont vers le monde réel

Un bon exemple de système IoT est un smartphone qui se compose généralement :

• D’un module de système de positionnement global (GPS) pour déterminer la localisation
• D’un capteur de température pour détecter la température ambiante
• D’un microphone pour détecter la voix de l’utilisateur et,
• D’un capteur de proximité pour détecter la distance entre l’utilisateur et le téléphone et le verrouiller pendant un appel.

Différentes applications sur smartphone utilisent différents capteurs. Par exemple, Google Maps possède une interface utilisateur (une application) pour interagir avec le module GPS et recueillir les coordonnées de localisation. Il traite les données via une connexion Internet pour aider l’utilisateur à se diriger vers sa destination.

Le système de gestion des batteries (BMS) est un autre exemple de système IoT qui utilise plusieurs capteurs. Un BMS est un système électronique qui protège et gère les opérations de la batterie. En bref, c’est le gardien personnel de la batterie. J’ai expliqué le fonctionnement d’un BMS de smartphone dans mon article – Battery Management System in Smartphones – dans energyio.tech.

Un capteur agit comme une passerelle entre le monde informatique et le monde réel. Par conséquent, le capteur doit convertir ce qu’il détecte dans le monde réel en quelque chose de spécial qu’une machine de calcul comprend.

Heureusement, le lien commun entre les deux mondes est l’énergie électrique !

C’est ainsi que nous arrivons à la définition technique du capteur – un capteur dans un système IoT détecte la quantité physique désirée et la convertit en un signal électrique transmis au serveur central basé sur le cloud directement ou via un microcontrôleur sur site.

Un capteur IoT est, eh bien, un capteur utilisé dans un système IoT.

Systèmes micro-électromécaniques (MEMS) et le mécanisme de détection des capteurs IoT

Les systèmes micro-électromécaniques (ou MEMS) sont une technologie de microsystèmes (MST) composée de composants minuscules constitués de matériaux semi-conducteurs comme le silicium, dont la taille se situe dans la gamme du micromètre.

Sinon tous, la plupart des capteurs détectant l’énergie mécanique utilisent la technologie MEMS d’une manière ou d’une autre. Un accéléromètre est un exemple extrêmement populaire. Cela est principalement dû à la croissance rapide et à la vaste dépendance des ordinateurs.

Puisque le matériau de fabrication de la technologie MEMS est un semi-conducteur, le principal avantage est qu’elle peut être intégrée dans un circuit intégré (CI). Un CI comprend d’autres composants informatiques (également constitués de matériau semi-conducteur) qui agissent sur les données reçues des capteurs.

En fait, la petite taille et l’intégration de la puce réduisent considérablement le coût. Vous pouvez littéralement acheter un accéléromètre à base de MEMS pour moins de ₹250 (3,34 $). De plus, les capteurs basés sur les MEMS se vantent d’une grande sensibilité et détectent des changements infimes, ce qui était inimaginable avec les prédécesseurs.

Types de mécanismes de détection et principe de fonctionnement

Selon l’application, un système peut comprendre un ou plusieurs capteurs, détectant une quantité physique différente, ayant ainsi un mécanisme de détection unique. Les deux mécanismes de détection les plus populaires dans la technologie MEMS qui convertissent un changement physique en un signal électrique sont :

1. Détection basée sur la résistance
2. Détection basée sur la capacité

Le mécanisme de détection dans les deux types utilise un principe simple – tout changement dans la quantité physique est capturé par un changement dans la résistance électrique ou la capacité du matériau utilisé dans le capteur. Ainsi, un changement plus important dans la quantité physique montre un changement plus important dans la résistance ou la capacité du matériau et vice-versa.

La différence majeure entre les deux types est le fonctionnement des deux mécanismes. Un système de détection basé sur la résistance utilise, eh bien, une résistance tandis qu’un système de détection basé sur la capacité utilise un condensateur.

Ne vous inquiétez pas si vous n’avez pas entendu parler d’une résistance et d’un condensateur avant cet article. Vous pouvez lire la différence entre eux. Pensez à ces deux composants comme deux personnes avec leur propre ensemble de traits uniques.

Mécanisme de détection basé sur la résistance (utilisant la technologie MEMS)

Nous utilisons des résistances résistives pour mesurer, analyser, contrôler et observer diverses quantités physiques depuis plus d’un siècle. Comme mentionné précédemment, chaque fois qu’une quantité physique (comme la pression) change, la quantité de changement de la résistance électrique détermine combien la quantité a changé.

Le changement de la résistance électrique est régi par des principes de physique comme l’effet photoconducteur, l’effet thermorésistif des semi-conducteurs et l’effet piézorésistif.

1. Détection via les changements de géométrie physique – La résistance électrique d’un matériau dépend de la géométrie, de la longueur et de la section transversale du matériau. Toute modification de la longueur ou/et de la surface de la section transversale affectera directement la résistance du matériau.
2. Effet piézorésistif – Un matériau piézorésistif est un matériau spécial dont la résistance électrique change lorsque le matériau subit une déformation mécanique comme une poussée, une traction ou une compression. Par conséquent, les capteurs IoT mesurant la pression, les vibrations et l’accélération utilisent couramment des matériaux piézorésistifs.

Autres mécanismes de détection basés sur la résistivité utilisés dans les capteurs IoT

Bien que les capteurs IoT basés sur les MEMS soient extrêmement efficaces pour les quantités mécaniques, physiques, le fonctionnement des capteurs résistifs détectant des quantités non mécaniques comme la lumière et la température n’est pas le même. Ainsi, le mécanisme de détection change.

1. Détection de la lumière – Pour détecter la lumière, un matériau photosensible spécial est nécessaire. Les plantes détectent la lumière à l’aide de molécules spéciales appelées photorécepteurs. De même, tout capteur de détection de la lumière utilise des photorésistances – un matériau dont la résistance électrique diminue lorsque l’intensité de la lumière augmente. Une résistance dépendant de la lumière ou communément appelée LDR est un capteur IoT très populaire utilisé pour détecter la lumière.
2. Détection de la température – Comme la détection de la lumière, la détection de la température nécessite également des matériaux qui sont réceptifs aux changements de la température ambiante. La plupart des capteurs de température sont constitués d’une thermistance – un matériau dont la résistance électrique diminue avec l’augmentation de la température. Par exemple, l’un des paramètres utilisés pour empêcher la surcharge des batteries lithium-ion modernes consiste à détecter la température de la batterie avec l’aide des thermistances.
3. Capteurs chimiques – Ces capteurs sont utilisés pour détecter un produit chimique particulier. Le capteur contient une couche de détection composée d’un matériau dont la résistance change chaque fois qu’il réagit avec le produit chimique. Par exemple, de nombreux systèmes IoT utilisent le capteur de gaz de la série MQ (MQ9, MQ2, MQ7, etc.). Il détecte la présence de différents types de gaz comme le monoxyde de carbone, le GPL et le méthane.

Conversion en signaux électriques

Arguablement, la deuxième équation scientifique la plus populaire, la loi d’Ohm (V = IR), établit une relation directe entre le courant électrique, la tension et la résistance. La beauté de cette loi est que tout petit changement dans la résistance peut être converti en un signal électrique (tension ou courant) en un clin d’œil.

Il en résulte que chaque capteur IoT basé sur la résistance (y compris la technologie MEMS) utilise la loi d’Ohm directement ou indirectement.

Mécanisme de détection à base capacitive dans les capteurs IoT

Un mécanisme de détection à base capacitive capture le changement de quantité physique en modifiant la capacité du matériau et, comme la résistance, dépend de la géométrie physique du matériau.

Cependant, presque tous les systèmes de détection à base capacitive reposent principalement sur les changements de la géométrie physique – surface, distance, et la capacité capacitive du matériau décrite par la quantité de charge qu’il peut stocker.

Un capteur tactile est l’un des capteurs à base capacitive les plus courants dans un système IoT. Un smartphone utilise un écran tactile composé de nombreux capteurs tactiles. Essentiellement, c’est un capteur de pression qui détecte la pression/force du toucher physique.

Lorsque l’écran est stimulé par le toucher physique, la pression exercée modifie la surface ou/et la distance, ce qui déclenche un changement de la valeur de la capacité sous l’écran.

Ce changement de capacité agit comme un interrupteur électrique qui conduit un signal électrique à l’étape suivante. La figure 3 illustre le fonctionnement d’un capteur tactile.

Similaires aux systèmes de détection basés sur la résistance qui utilisent la loi d’Ohm, les systèmes basés sur la capacité ont leur propre relation unique qui met en correspondance un changement de la capacité électrique avec la tension et le courant. Malheureusement, l’équation mathématique dépasse le cadre de cet article.

Capacitif vs. détection résistive

Dans la détection résistive, certaines quantités physiques comme la lumière et la température, nécessitent un type de matériau spécial. C’est à la fois un avantage et un inconvénient ! D’un côté, la variation de résistance est unique à la grandeur mesurée. Mais d’autre part, cette unicité nécessite une procédure de mesure/détection entièrement différente.

Au contraire, la plupart des systèmes de détection à base capacitive maintiennent une procédure de détection uniforme car la variation est principalement due aux variations de la géométrie physique. En outre, ils sont relativement nouveaux par rapport à son homologue résistif et sont actuellement limités à la détection de systèmes mécaniques utilisant la technologie MEMS.

Conclusion

J’espère que j’ai pu expliquer le fonctionnement de certains des capteurs couramment utilisés dans les systèmes IoT. De plus, la fabrication de la conception des capteurs n’est qu’une partie d’un IoT. Le système doit traiter efficacement les données reçues et fournir des résultats centrés sur l’application en répondant aux besoins de l’utilisateur.

En l’état actuel des choses, les capteurs de l’IdO ont pénétré l’industrie manufacturière et automatisé la plupart des opérations manuelles, conduisant à une toute nouvelle branche appelée l’IdO industriel (IIOT).

Contrairement aux ordinateurs personnels et aux smartphones, la technologie de l’IdO doit encore imposer une transformation spectaculaire dans nos vies. D’ici là, l’ensemble de l’écosystème IoT doit continuer à évoluer.

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