De senaste decennierna har det skett dramatiska förändringar i världen av datorer, programvara och datorteknik. Som ingenjör är det fascinerande att vara en del av en era som stoltserar med enorma mängder datorkraft. De mest populära är persondatorer, bärbara datorer, handhållna enheter som smartphones och smartklockor.

Det har blivit omöjligt att föreställa sig och leva ett liv utan hjälp av datorkompetens. Och det bästa är att vi fortfarande skummar på ytan av den enorma datapotential som ligger i dvala i sådana till synes intelligenta maskiner.

Med tillkomsten av Internet-of-Things (eller IoT) som har tagit datatekniken till en ny nivå och omdefinierat ordet “smart” (How Smart Cities Can Help Build a Better Post-Pandemic World), är det rimligt att konstatera att spänningen bara har börjat.

Denna artikel syftar till att besvara frågan “hur känner en sensor?” och fokuserar på fysiken i en sensors funktionssätt.

Vad är Internet-of-Things (IoT)?

Ingenjörer och vetenskapsmän tenderar att nomenklera (välja ett namn för något) så att den nyss myntade termen är självförklarande. Termen IoT är inte annorlunda.

Som namnet antyder är IoT ett paraply som omfattar alla typer av enheter. De är antingen inbäddade i ett system eller existerar som en enskild enhet. Oavsett vilket är nyckeln att de kommunicerar (eller pratar) med varandra via internet. Varje sådan enhet har en inbyggd sändare och mottagare som utför kommunikationsprocessen med hjälp av internet.

Varje IoT-system är dock inte detsamma och lämpar sig inte nödvändigtvis för alla tillämpningar. Faktum är att de är likartade med oss människor. Varje individ är bra på något. Man kan inte förvänta sig att en skådespelare ska flyga ett flygplan och en pilot ska spela i en film. På samma sätt kan man inte förvänta sig att ett enda IoT-system (och en enda IoT-enhet) ska kunna göra allt. Därför utformar ingenjörer olika system för att utföra olika uppgifter för att ge bästa möjliga resultat.

I dagens affärsverksamhet är kunden kung och det gäller i alla branscher. Därför utformar, producerar och levererar systemkonstruktörerna alltid IoT-system för att ge en sömlös användarupplevelse. Utveckling av IoT-hårdvaruprodukter: How-To av Vera Kozyr, upprepar den tid och de ansträngningar som investeras av alla intressenter för att skapa ett system i plug-and-play-stil från början till slut, ur en hårdvaruprodukts perspektiv.

För att utforska en IoT-enhets inre är det viktigt att skilja mellan en enhet och ett system.

En enhet är som en enskild medlem, medan systemet är som ett team som involverar den enskilda individen. En enhet är alltså en del av ett system, medan det omvända inte är sant.

Det IoT-systemets komponenter

Varje system består av flera individuella komponenter (och underkomponenter) som tillsammans arbetar för att uppnå ett gemensamt mål. Att vara en del av ett system (team) garanterar dessutom högre produktivitet och ger bättre resultat. De viktigaste komponenterna i ett IoT-system är:

• Sensorerna för att känna av fysiska storheter
• Centrala mikrokontroller på plats som styr alla åtgärder som utförs av sensorer och andra komponenter
• Molnet, Dataanalys och databehandling för att analysera och bearbeta de mottagna uppgifterna
• Sändare och mottagare för att upprätta en kommunikation mellan olika sensorer, sensorer och mikrokontroller och den centrala molnservern via internet
• Användargränssnitt för att kommunicera med och utföra uppgifter som instrueras av användaren

IoT-sensorer: Ett bra exempel på ett IoT-system är en smartphone som vanligtvis består av:

• En GPS-modul (Global Positioning System) för att bestämma platsen
• En temperatursensor för att känna av omgivningstemperaturen
• En mikrofon för att känna av användarens röst och
• En närhetssensor för att känna av användarens avstånd från telefonen och låsa den under ett samtal.

Olika tillämpningar på smarttelefonen använder olika sensorer. Google Maps har till exempel ett användargränssnitt (en app) för att interagera med GPS-modulen och samla in positionskoordinater. Den bearbetar data via en internetanslutning för att hjälpa användaren att ta sig till sin destination.

Batterihanteringssystem (BMS) är ett annat exempel på ett IoT-system som använder flera sensorer. Ett BMS är ett elektroniskt system som skyddar och hanterar batteriets verksamhet. Kort sagt är det batteriets personliga vaktmästare. Jag har förklarat hur ett BMS för smartphones fungerar i min artikel – Battery Management System in Smartphones – i energyio.tech.

En sensor fungerar som en port mellan datorvärlden och den verkliga världen. Följaktligen måste sensorn omvandla det den känner av i den verkliga världen till något speciellt som en datamaskin förstår.

Tacksamt nog är den gemensamma länken mellan de två världarna elektrisk energi!

Därmed är vi framme vid sensorns tekniska definition – en sensor i ett sakernas internet-system känner av den önskade fysiska kvantiteten och omvandlar den till en elektrisk signal som överförs till den centrala molnbaserade servern direkt eller via en mikrokontroller på plats.

En IoT-sensor är, ja, en sensor som används i ett IoT-system.

Mikroelektromekaniska system (MEMS) och IoT-sensorers avkänningsmekanism

Mikroelektromekaniska system (eller MEMS) är en mikrosystemteknik (MST) som består av mycket små komponenter av halvledarmaterial, t.ex. kisel, med en storlek i mikrometerområdet.

Om inte alla, så använder de flesta sensorer som känner av mekanisk energi MEMS-teknik på ett eller annat sätt. En accelerometer är ett mycket populärt exempel. Detta beror främst på den snabba tillväxten och det stora beroendet av datorer.

Då MEMS-teknikens tillverkningsmaterial är en halvledare är den främsta fördelen att den kan bäddas in i en integrerad krets (IC). En krets innehåller andra datakomponenter (som också består av halvledarmaterial) som agerar på de data som tas emot från sensorerna.

I själva verket minskar den lilla storleken och chipintegrationen dramatiskt kostnaden. Du kan bokstavligen köpa en MEMS-baserad accelerometer för mindre än ₹250 (3,34 dollar). Dessutom kan MEMS-baserade sensorer skryta med hög känslighet och detektera små förändringar, vilket var otänkbart med föregångarna.

Typer av sensormekanismer och arbetsprincip

Avhängigt av applikationen kan ett system bestå av en eller flera sensorer som känner av en annan fysisk kvantitet, och därmed ha en unik sensormekanism. De två mest populära avkänningsmekanismerna inom MEMS-tekniken som omvandlar en fysisk förändring till en elektrisk signal är:

1. Resistivbaserad avkänning
2. Kapacitivbaserad avkänning

Den avkänningsmekanism som används i båda typerna använder sig av en enkel princip – varje förändring av den fysiska kvantiteten fångas upp av en förändring av det elektriska motståndet eller kapacitansen hos det material som används i sensorn. En större förändring i den fysiska kvantiteten visar alltså en större förändring i materialets motstånd eller kapacitans och vice versa.

Den stora skillnaden mellan de två typerna är hur de två mekanismerna fungerar. Ett resistivt baserat avkänningssystem använder, tja, ett motstånd medan ett kapacitivt baserat avkänningssystem använder en kondensator.

Oroa dig inte om du inte har hört talas om ett motstånd och en kondensator före den här artikeln. Du kan läsa om skillnaden mellan dem. Tänk på de två komponenterna som två personer med sina egna unika egenskaper.

Resistivbaserad avkänningsmekanism (med hjälp av MEMS-teknik)

Vi har använt resistiva motstånd för att mäta, analysera, styra och observera olika fysikaliska storheter i över ett sekel. Som tidigare nämnts, när en fysisk storhet (t.ex. tryck) förändras, avgör storleken på förändringen av det elektriska motståndet hur mycket storheten har förändrats.

Förändringen av det elektriska motståndet styrs av fysikaliska principer som fotokonduktiv effekt, halvledares termoresistiva effekt och piezoresistiv effekt .

1. Avkänning via förändringar i den fysiska geometrin – Det elektriska motståndet hos ett material beror på materialets geometri, längd och tvärsnittsarea. Varje förändring av längden och/eller tvärsnittsytan påverkar direkt materialets resistans.
2. Piezoresistiv effekt – Ett piezoresistivt material är ett speciellt material vars elektriska resistans förändras när materialet utsätts för en mekanisk deformation, t.ex. genom att man trycker, drar eller klämmer på det. Därför använder IoT-sensorer som mäter tryck, vibrationer och acceleration ofta piezoresistiva material.

Andra resistivbaserade avkänningsmekanismer som används i IoT-sensorer

Och även om MEMS-baserade IoT-sensorer är extremt effektiva för mekaniska, fysiska storheter är resistiva sensorers funktion vid detektering av icke-mekaniska storheter, som ljus och temperatur, inte densamma. Därför ändras avkänningsmekanismen.

1. Ljusavkänning – För att detektera ljus krävs ett särskilt ljuskänsligt material. Växter upptäcker ljus med hjälp av speciella molekyler som kallas fotoreceptorer. På samma sätt använder alla ljuskänsliga sensorer fotoresistorer – ett material vars elektriska motstånd minskar när ljusets intensitet ökar. En ljusberoende resistor eller allmänt känd som LDR är en mycket populär IoT-sensor som används för att detektera ljus.
2. Temperaturavkänning – På samma sätt som för ljusavkänning krävs det för temperaturavkänning material som är mottagliga för förändringar i den omgivande temperaturen. De flesta temperatursensorer består av en termistor – ett material vars elektriska motstånd minskar med stigande temperatur. En av de parametrar som används för att förhindra överladdning av moderna litiumjonbatterier är till exempel att batteritemperaturen upptäcks med hjälp av termistorer.
3. Kemiska sensorer – Dessa sensorer används för att upptäcka en viss kemikalie. Sensorn innehåller ett sensorskikt som består av ett material vars motstånd förändras när det reagerar med kemikalien. Många IoT-system använder till exempel gassensorerna i MQ-serien (MQ9, MQ2, MQ7 osv.). Den känner av närvaron av olika typer av gaser som kolmonoxid, LPG och metan.

Konvertering till elektriska signaler

Den näst populäraste vetenskapliga ekvationen, Ohm’s lag (V = IR), fastställer ett direkt samband mellan elektrisk ström, spänning och motstånd. Det fina med denna lag är att varje liten förändring i motståndet kan omvandlas till en elektrisk signal (spänning eller ström) på ett ögonblick.

Därmed använder varje resistivbaserad IoT-sensor (inklusive MEMS-teknik) direkt eller indirekt Ohm’s lag.

Kapacitiv baserad avkänningsmekanism i IoT-sensorer

En kapacitiv baserad avkänningsmekanism fångar upp förändringen av en fysisk kvantitet genom att förändra materialets kapacitans och är, liksom motstånd, beroende av materialets fysiska geometri.

Nästan alla kapacitivt baserade avkänningssystem förlitar sig dock främst på förändringar i den fysiska geometrin – yta, avstånd och materialets kapacitiva förmåga som beskrivs av den mängd laddning som det kan lagra.

En beröringssensor är en av de vanligaste kapacitivt baserade sensorerna i ett IoT-system. En smartphone använder en pekskärm som består av många peksensorer. I huvudsak är det en trycksensor som känner av trycket/styrkan från fysisk beröring.

När skärmen stimuleras av fysisk beröring ändrar det utövade trycket arean eller/och avståndet, vilket utlöser en förändring av värdet på kapacitansen under skärmen.

Denna förändring av kapacitansen fungerar som en elektrisk omkopplare som driver en elektrisk signal till nästa steg. Figur 3 illustrerar hur en beröringssensor fungerar.

Likt de resistivt baserade avkänningssystemen som använder sig av Ohm’s lag, har kapacitivt baserade system sin egen unika relation som kartlägger en förändring av den elektriska kapacitansen till spänning och ström. Tyvärr ligger den matematiska ekvationen utanför den här artikelns räckvidd.

Kapacitiv vs. resistiv avkänning

I resistiv avkänning kräver vissa fysikaliska storheter, som ljus och temperatur, en speciell typ av material. Detta är både en välsignelse och en förbannelse! Å ena sidan är motståndsvariationen unik för den mängd som mäts. Men å andra sidan kräver denna unikhet ett helt annat mät-/avkänningsförfarande.

I stället upprätthåller de flesta kapacitivt baserade avkänningssystem ett enhetligt avkänningsförfarande eftersom förändringen främst beror på variationer i den fysiska geometrin. Dessutom är de relativt nya jämfört med dess resistiva motsvarighet och är för närvarande begränsade till att känna av mekaniska system med hjälp av MEMS-teknik.

Slutsats

Jag hoppas att jag kunde förklara hur några av de vanligaste sensorerna i IoT-system fungerar. Dessutom är tillverkningen av sensordesign bara en del av ett IoT. Systemet måste effektivt bearbeta de mottagna uppgifterna och ge applikationscentrerade resultat genom att tillgodose användarens krav.

Som det ser ut nu har IoT-sensorer trängt in i tillverkningsindustrin och automatiserat de flesta manuella operationer, vilket har lett till en helt ny gren som kallas Industrial IoT (IIOT).

Till skillnad från persondatorer och smarttelefoner har IoT-tekniken ännu inte genomdrivit en dramatisk omvandling i våra liv. Tills dess måste hela IoT-ekosystemet fortsätta att utvecklas.

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 against T for a thermistor.png”, Wikimedia Commons, The Free Media Repository, juli 2020

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

Indiamart, “Standard MQ 9 Combustible Gas Sensor”

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