De laatste decennia hebben dramatische veranderingen plaatsgevonden in de wereld van computers, software, en computertechnologie. Als ingenieur is het fascinerend om deel uit te maken van een tijdperk dat enorme hoeveelheden computerkracht herbergt. De meest populaire zijn personal computers, laptops, hand-held apparaten zoals smartphones en smart-watches.

Het is onmogelijk geworden om je een leven voor te stellen en te leiden zonder de hulp van computerkracht. En het beste deel is, we zijn nog steeds het oppervlak van de enorme computer potentieel liggen slapende binnen dergelijke schijnbaar intelligente machines.

Met de komst van Internet-of-Things (of IoT) dat de computertechnologie heeft genomen naar het nieuwe niveau en opnieuw gedefinieerd het woord “smart” (Hoe Smart Cities kan helpen bouwen aan een betere Post-Pandemische Wereld), is het eerlijk om te stellen dat de opwinding is nog maar begonnen.

Dit artikel wil een antwoord geven op de vraag: “Hoe voelt een sensor aan?” en richt zich op de fysica van de werking van een sensor.

Wat is Internet-of-Things (IoT)?

Onkundigen en wetenschappers hebben de neiging om te nomenclateren (een naam voor iets kiezen) zodat de nieuw bedachte term zelfverklarend is. De term IoT is niet anders.

Zoals de naam al doet vermoeden, is IoT een paraplu die alle soorten apparaten omvat. Ze zijn ofwel ingebed in een systeem of bestaan als een afzonderlijke entiteit. Hoe dan ook, het belangrijkste is dat ze met elkaar communiceren (of praten) via het internet. Elk van deze apparaten heeft een zender en een ontvanger die het communicatieproces via het internet tot stand brengen.

Elk IoT-systeem is echter niet hetzelfde en is niet noodzakelijk geschikt voor alle toepassingen. In feite zijn ze vergelijkbaar met ons mensen. Ieder individu is ergens goed in. Je kunt van een acteur niet verwachten dat hij een vliegtuig bestuurt en van een piloot niet dat hij in een film acteert. Op dezelfde manier kun je niet verwachten dat een enkel IoT-systeem (en apparaat) alles kan. Daarom ontwerpen ingenieurs verschillende systemen om verschillende taken uit te voeren om de best mogelijke resultaten te leveren.

In het moderne bedrijfsleven is de klant koning en dit geldt voor alle industrieën. Vandaar dat de systeemontwerpers altijd IoT-systemen ontwerpen, produceren en verzenden om een naadloze gebruikerservaring te bieden. IoT Hardware Product Ontwikkeling: How-To door Vera Kozyr, herhaalt de tijd en inspanningen die door alle belanghebbenden worden geïnvesteerd in het creëren van een end-to-end, plug-and-play-stijl systeem vanuit het perspectief van een hardwareproduct.

Voordat de ingewanden van een IoT-apparaat worden verkend, is het belangrijk om onderscheid te maken tussen een apparaat en een systeem.

Een apparaat is als een individueel lid, terwijl het systeem als een team is waarbij het individu betrokken is. Een apparaat is dus een onderdeel van een systeem, terwijl het omgekeerde niet waar is.

Componenten van het IoT-systeem

Elk systeem bestaat uit meerdere individuele componenten (en subcomponenten) die gezamenlijk werken aan het bereiken van een gemeenschappelijk doel. Bovendien zorgt het deel uitmaken van een systeem (team) voor een hogere productiviteit en het bereiken van betere resultaten. De belangrijkste componenten van een IoT-systeem zijn:

• De Sensoren om fysieke grootheden waar te nemen
• Centrale microcontroller op locatie die alle acties van de sensoren en andere componenten aanstuurt
• Cloud, Gegevensanalyse en -verwerking om de ontvangen gegevens te analyseren en te verwerken
• Zender en ontvanger om een communicatie tot stand te brengen tussen verschillende sensoren, sensoren en microcontroller en de centrale cloudserver via internet
• Gebruikersinterface om te communiceren met en taken uit te voeren die door de gebruiker zijn geïnstrueerd

IoT Sensors: The Bridge to Real World

Een goed voorbeeld van een IoT-systeem is een smartphone die meestal bestaat uit:

• Een Global Positioning System (GPS)-module om de locatie te bepalen
• Een temperatuursensor om de omgevingstemperatuur te voelen
• Een microfoon om de stem van de gebruiker te voelen en,
• Een nabijheidssensor om de afstand van de gebruiker tot de telefoon te voelen en deze te vergrendelen tijdens een gesprek.

Verschillende toepassingen op de smartphone gebruiken verschillende sensoren. Bijvoorbeeld, Google Maps heeft een gebruikersinterface (een app) om te communiceren met de GPS-module en locatie coördinaten te verzamelen. Het verwerkt de gegevens via een internetverbinding om de gebruiker te helpen bij de route naar zijn bestemming.

Batterijbeheersysteem (BMS) is een ander voorbeeld van een IoT-systeem dat gebruik maakt van meerdere sensoren. Een BMS is een elektronisch systeem dat de werking van de batterij beschermt en beheert. Kortom, het is de persoonlijke verzorger van de batterij. Ik heb de werking van een smartphone BMS uitgelegd in mijn artikel – Battery Management System in Smartphones – in energyio.tech.

Een sensor fungeert als een poort tussen de computerwereld en de echte wereld. Bijgevolg moet de sensor alles wat hij in de echte wereld waarneemt, omzetten in een speciaal iets dat een computermachine begrijpt.

Gelukkig is de gemeenschappelijke link tussen de twee werelden elektrische energie!

Hiermee komen we bij de technische definitie van de sensor – een sensor in een IoT-systeem voelt de gewenste fysieke grootheid en zet deze om in een elektrisch signaal dat rechtstreeks of via een micro-controller op locatie naar de centrale cloudgebaseerde server wordt verzonden.

Een IoT-sensor is, nou ja, een sensor die wordt gebruikt in een IoT-systeem.

Micro-elektromechanische systemen (MEMS) en het detectiemechanisme van IoT-sensoren

Micro-elektromechanische systemen (of MEMS) is een microsysteemtechnologie (MST) die bestaat uit minuscule componenten die zijn opgebouwd uit halfgeleidermateriaal zoals silicium met een grootte die in het micrometerbereik ligt.

Zo niet alle, dan toch maken de meeste sensoren die mechanische energie detecteren op de een of andere manier gebruik van MEMS-technologie. Een versnellingsmeter is een uiterst populair voorbeeld. Dit komt vooral door de snelle groei en de grote afhankelijkheid van computers.

Omdat het fabricagemateriaal van MEMS-technologie een halfgeleider is, is het voornaamste voordeel dat deze in een geïntegreerde schakeling (IC) kan worden ingebouwd. Een IC bevat andere computercomponenten (ook gemaakt van halfgeleidermateriaal) die reageren op de gegevens die van de sensoren worden ontvangen.

In feite drukken de kleine afmetingen en de chipintegratie de kosten dramatisch. Je kunt letterlijk een versnellingsmeter op MEMS-basis kopen voor minder dan ₹250 ($3,34). Ook hebben MEMS-gebaseerde sensoren een hoge gevoeligheid en detecteren ze minieme veranderingen, die met voorgangers ondenkbaar waren.

Typen sensormechanismen en werkingsprincipe

Afhankelijk van de toepassing kan een systeem een of meer sensoren omvatten, die een verschillende fysische grootheid detecteren, en daardoor een uniek sensormechanisme hebben. De twee meest populaire detectiemechanismen in MEMS-technologie die een fysische verandering omzetten in een elektrisch signaal zijn:

1. Resistieve detectie
2. Capacitieve detectie

Het detectiemechanisme in beide typen maakt gebruik van een eenvoudig principe – elke verandering in de fysische grootheid wordt opgevangen door een verandering in de elektrische weerstand of capaciteit van het materiaal dat in de sensor wordt gebruikt. Dus, een grotere verandering in de fysische grootheid toont een grotere verandering in de weerstand of capaciteit van het materiaal en vice-versa.

Het grote verschil tussen de twee typen is de werking van de twee mechanismen. Een resistief sensorsysteem gebruikt, nou ja, een weerstand terwijl een capacitief sensorsysteem een condensator gebruikt.

Maak je geen zorgen als je vóór dit artikel nog niet van een weerstand en een condensator hebt gehoord. U kunt het verschil tussen hen lezen. Denk aan de twee componenten als twee mensen met hun eigen unieke set eigenschappen.

Resistive Based Sensing Mechanism (Using MEMS Technology)

We gebruiken al meer dan een eeuw resistieve weerstanden om verschillende fysische grootheden te meten, te analyseren, te controleren en te observeren. Zoals eerder vermeld, wanneer een fysische hoeveelheid (zoals druk) verandert, bepaalt de hoeveelheid verandering in de elektrische weerstand hoeveel de hoeveelheid is veranderd.

De verandering in de elektrische weerstand wordt beheerst door natuurkundige principes zoals Photoconductive Effect, Thermoresistive Effect van Halfgeleiders en Piezoresistive Effect .

1. Sensing via Veranderingen in Fysieke Geometrie – De elektrische weerstand van een materiaal hangt af van de geometrie van het materiaal, de lengte, en de dwarsdoorsnede. Elke verandering in de lengte en/of de dwarsdoorsnede zal de weerstand van het materiaal rechtstreeks beïnvloeden.
2. Piëzoresistief effect – Een piëzoresistief materiaal is een speciaal materiaal waarvan de elektrische weerstand verandert wanneer het materiaal een mechanische vervorming ondergaat zoals een duw, trek of knijpbeweging. Vandaar dat druk-, trillings- en versnellingsmetende IoT-sensoren gewoonlijk piëzoresistieve materialen gebruiken.

Andere op weerstand gebaseerde detectiemechanismen die worden gebruikt in IoT-sensoren

Hoewel op MEMS gebaseerde IoT-sensoren uiterst effectief zijn voor mechanische, fysische grootheden, is de werking van resistieve sensoren voor het detecteren van niet-mechanische grootheden zoals licht en temperatuur niet hetzelfde. Het detectiemechanisme verandert dus.

1. Lichtsensoren – Om licht te detecteren, is een speciaal lichtgevoelig materiaal nodig. Planten detecteren licht met behulp van speciale moleculen, fotoreceptoren genaamd. Evenzo maakt elke lichtgevoelige sensor gebruik van fotoresistoren – een materiaal waarvan de elektrische weerstand afneemt naarmate de lichtintensiteit toeneemt. Een lichtafhankelijke weerstand of algemeen bekend als LDR is een zeer populaire IoT-sensor die wordt gebruikt om licht te detecteren.
2. Temperatuursensoren – Vergelijkbaar met lichtsensoren, zijn voor temperatuursensoren ook materialen nodig die ontvankelijk zijn voor veranderingen in de omgevingstemperatuur. De meeste temperatuursensoren bestaan uit een thermistor – een materiaal waarvan de elektrische weerstand afneemt bij toenemende temperatuur. Een van de parameters die worden gebruikt om overladen van moderne lithium-ion-batterijen te voorkomen, is bijvoorbeeld het detecteren van de batterijtemperatuur met behulp van thermistors.
3. Chemische sensoren – Deze sensoren worden gebruikt om een bepaalde chemische stof te detecteren. De sensor bevat een detectielaag die bestaat uit een materiaal waarvan de weerstand verandert wanneer het reageert met de chemische stof. Veel IoT-systemen maken bijvoorbeeld gebruik van de gassensor uit de MQ-serie (MQ9, MQ2, MQ7, enz.). Deze detecteert de aanwezigheid van verschillende soorten gassen zoals koolmonoxide, LPG en methaan.

Omzetting naar elektrische signalen

Ongetwijfeld de op een na populairste wetenschappelijke vergelijking, de wet van Ohm (V = IR), legt een directe relatie tussen elektrische stroom, spanning en weerstand. Het mooie van deze wet is dat elke kleine verandering in de weerstand in een handomdraai kan worden omgezet in een elektrisch signaal (spanning of stroom).

Daarom maakt elke op resistieve sensing gebaseerde IoT-sensor (inclusief MEMS-technologie) direct of indirect gebruik van de wet van Ohm.

Capacitief gebaseerd sensormechanisme in IoT-sensoren

Een capacitief gebaseerd sensormechanisme registreert de verandering in fysieke grootheid door de capaciteit van het materiaal te veranderen en is, net als weerstand, afhankelijk van de fysieke geometrie van het materiaal.

Nagenoeg alle op capacitieve basis gebaseerde detectiesystemen vertrouwen echter voornamelijk op veranderingen in de fysieke geometrie – oppervlakte, afstand, en het capacitieve vermogen van het materiaal, beschreven door de hoeveelheid lading die het kan opslaan.

Een aanraaksensor is een van de meest voorkomende op capacitieve basis gebaseerde sensoren in een IoT-systeem. Een smartphone maakt gebruik van een aanraakscherm dat bestaat uit talrijke aanraaksensoren. In wezen is het een druksensor die de druk/kracht van fysieke aanraking detecteert.

Wanneer het scherm wordt gestimuleerd door fysieke aanraking, verandert de uitgeoefende druk de oppervlakte of/en afstand, die een verandering in de waarde van de capaciteit onder het scherm teweegbrengt.

Deze verandering in capaciteit werkt als een elektrische schakelaar die een elektrisch signaal naar de volgende fase drijft. Fig. 3 laat de werking van een aanraaksensor zien.

Gelijk aan de op resistiviteit gebaseerde sensorsystemen die de wet van Ohm gebruiken, hebben capacitieve systemen hun eigen unieke relatie die een verandering in de elektrische capaciteit koppelt aan spanning en stroom. Helaas valt de wiskundige vergelijking buiten het bestek van dit artikel.

Capacitieve vs. Resistieve Sensing

In resistieve-sensing, sommige fysische grootheden zoals licht en temperatuur, vereisen een speciaal type materiaal. Dit is een zegen en een vloek! Aan de ene kant is de weerstandsvariatie uniek voor de te meten grootheid. Maar aan de andere kant vereist deze uniciteit een geheel andere meet/meetprocedure.

In plaats daarvan houden de meeste op capacitieve sensoren gebaseerde systemen een uniforme meetprocedure aan, aangezien de verandering hoofdzakelijk het gevolg is van variaties in de fysische geometrie. Bovendien zijn ze relatief nieuw in vergelijking met zijn resistieve tegenhanger en zijn ze momenteel beperkt tot de detectie van mechanische systemen met behulp van MEMS-technologie.

Conclusie

Ik hoop dat ik in staat was om de werking van enkele van de veelgebruikte sensoren in IoT-systemen uit te leggen. Bovendien is de fabricage van sensorontwerpen slechts één onderdeel van een IoT. Het systeem moet de ontvangen gegevens effectief verwerken en toepassingsgerichte resultaten leveren door te voldoen aan de eisen van de gebruiker.

Zoals het er nu voor staat, zijn IoT-sensoren doorgedrongen tot de productie-industrie en hebben ze de meeste handmatige bewerkingen geautomatiseerd, wat heeft geleid tot een geheel nieuwe tak genaamd Het Industriële IoT (IIOT).

In tegenstelling tot personal computers en smartphones moet de IoT-technologie nog een dramatische transformatie in ons leven afdwingen. Tot die tijd moet het hele IoT-ecosysteem zich blijven ontwikkelen.

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

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

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

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

Wikimedia Common Contributors, “R tegen T voor een thermistor.png,” Wikimedia Commons, The Free Media Repository, juli 2020

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

Indiamart, “Standard MQ 9 Combustible Gas Sensor”

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