مقدمه:
همه نیمه هادیها به نوعیعملکردی سنسور گونه دارند. تغییرات موبیلیتی حاملهای اقلیت با دما در نیمههادیها کاملا شناخته شده است. لذا می توان از این اصل کمک گرفت و یک سنسورحرارت ساخت و آنرا در رنج مشخصی کالیبره نمود. بنابراین با نگاهی دقیق بهعملکرد نیمه هادی و بکمک مواد جدید می توان سنسورهایی با قابلیت بمراتببهتر ساخت.
سنسورهای آکوستیک برای تعیین دامنه ، فاز، میزانپلاریزاسیون، طیف و سرعت امواج بکار می روند. از سنسورهای مغناطیسی والکتریکی میتوان برای کنترل موقعیت، تشخیص میدان مغناطیسی، بار ، جریان،پتانسیل ، شار ، رسانایی و نفوذ پذیری مغناطیسی کمک گرفت.
شکل یک: نمونه ای از طرز کار یک سنسور آکوستیک. موجصوتی دریافتی از منبع صوت توسط سنسور به المان ابزار دقیقی آکوستیک اعمالمیشود و سپس اندازه گیری ، ثبت ، تفسیر، و ارزیابی میگردد.
شکل دو: نمونه ای از کاربرد سنسورهای آکوستیک. اصطلاحاًبه سنسورهایی که برای ردیابی زیردریایی ها استفاده میشود سونارسنسور Sonar Sensor گفته میشود.
شکل سه: یک سنسور شار الکتریکی بر اساس تئوری معادلات مغناطیسی قادر به تشخیص میزان شار الکتریکی در ناحیه ی اندازه گیری است.
سنسورهای مکانیکی برای تشخیص موقعیت، سرعت ، شتاب(خطی و زاویه ای)، نیرو، کشش و تنش Strain and Stress، چگالی جرم، گشتاورپیچشی و چرخشی، سرعت سیال، شکل ، سختی، زبری، جهت، ویسکوزیتی Viscosity ،سفتی ، و ساختار مواد بکار میروند. ازسنسورهای نوری در سیستمهای دید در شبNight-Vision و در وسایلی نظیر دوربینهای فیلم برداری و عکاسی استفادهمیشود. همچنین این سنسورها کاربرد وسیعی در اندازه گیری های دقیق و تعیینموقعیت و فاصله دارند.
و بهمین ترتیب سایر سنسورها نظیر سنسورهای حرارتی وشیمیایی که دومی در سیستمهای تشخیص بیولوژیکی و بایومس Biomass کاربردزیادی دارد.
همچنین در حال حاضر سازندگان و محققان در حوزه سنسورتوجه بسیار زیادی را به قطعات حساس به گازهای موجود در محیط اطراف معطوفداشته اند. حساسیت به این حوزه از وجود گازهای سمی و خطرناک و نیز لزومکنترل و ایمنی آنها نشأت میگیرد. همچنین تقاضای زیادی از سوی سازندگانوسایل نقلیه برای بهینه سازی مصرف سوخت درون موتور ، یکی دیگر از علل اینتوجه شده است. این سنسورها بعلاوه قادر به تشخیص میزان و نوع گازهای تولیدشده در کوره ها بوده و در نتیجه می توانند در پروسه کنترل سوخت و جلوگیریاز خروج گازهای مضر نقشی فعال ایفا کنند.
سنسورهای گاز از نظر تکنولوژی ساخت و عملکردشان به سه دسته تقسیم می شوند:
از نظر کارکرد، سیستمهای اسپکتروسکوپیک آنالیز مستقیمی از جرم مولکولی و طیف ارتعاشیروی گاز هدف - گازی که باید تشخیص داده شود- صورت می دهند. این سیستمهاقادر به اندازه گیری کیفی و کمی ترکیبات گازهای مختلف با دقت بسیار خوبهستند. طیف سنج جرمی Mass Spectroscopy و کروماتوگرافی جرمی Mass Chromatography از مهمترین گونه های سیستمهای اسپکتروسکوپی هستند.
شکل چهار: یک سیستم طیف سنج جرمی ابتدا مولکولهای گازورودی را یونیزه کرده و به آنها شتاب یکسان می دهد. یونهای شتابدار بر حسبسبکی و سنگینی در حضور میدان مغناطیسی منحرف و جدا میشوند. یونهای سبکتربیشتر منحرف میشوند و اثر این انحراف بصورت نمودار میزان فراوانی جرم بر بار الکتریکی نمایش داده میشود.
شکل پنج: نمونه ای از گراف طیف سنج جرمی.
سنسورهای نوری، طیف جذبی (Absorption Spectrum) یاطول موج نور منبع را بعد از اینکه گاز هدف توسط نور تهییج شد را اندازهگیری می کنند. آنها نیاز به یک سیستم پیچیده اندازه گیری شامل یک منبع محرک نور تک رنگ و یک سنسور نوری برای آنالیز طول موج طیف جذب شده دارند.
تکنیکهای تحلیلی پرهزینه مثل اسپکتروسکوپی مادون قرمز، لامپهای فلورسنت ماورای بنفش، کروماتوگرافی و ... از جمله روشهایی هستند که بجای سنسورهای شیمیایی گاز مورد استفاده قرار می گیرند.
شکل شش: گاز هدف باعث تغییر در طول موج نور منبع می شود. این تغییرات موج متناسب با نوع و میزان گاز موجود در محیط است.
شکل هفت: سیستم کامل تشخیص آلاینده های موجود در احتراقموتور. دیودهای لیزری بعنوان منبع نور تک رنگ بکار گرفته شده اند. طولسیستم ۱۳۰ سانتیمتر است
همه این تکنیکها بسیار دقیق و خبره هستند و نیاز بهتکنسین های بسیار ماهر برای کار با دستگاه دارند. از طرف دیگر این سیستمهابسیار گرانقیمت بوده و بدلیل فضای بسیار زیادی که اشغال می کنند قابلاستفاده در سیستمهای کوچک نظیر موتور اتومبیلها نیستند.
از این رو تکنولوژی ارزان قیمت نیمه هادی با خصوصیات : قابلیت حمل آسان، کوچکی، توان مصرفی کم، ارزان قیمت، و با قابلیت کار آنلاین که می توانند درکنار سیستمهای دیگر بخدمت گرفته شوند؛ خود نمایی می کنند.
سنسورهای نیمه هادی گاز بر اساس تغییر در خواص فیزیکیو/یا شیمیایی مواد حسگرشان کار می کنند. این تغییرات در نتیجه حضور گازهایمختلف صورت می پذیرد. در مقایسه با دو سیستم اول تنها معایب این نوعسنسورها فقدان قابلیت تشخیص همزمان چند نوع گاز با هم و پایداری و تثبیت زمانی آنهاست.