همه نیمه هادیها به نوعی عملکردی سنسور گونه دارند. تغییرات موبیلیتی حاملهای اقلیت با دما در نیمه هادیها کاملا شناخته شده است. لذا می توان از این اصل کمک گرفت و یک سنسور حرارت ساخت و آنرا در رنج مشخصی کالیبره نمود. بنابراین با نگاهی دقیق به عملکرد نیمه هادی و بکمک مواد جدید می توان سنسورهایی با قابلیت بمراتب بهتر ساخت. سنسورهای آکوستیک برای تعیین دامنه ، فاز، میزان پلاریزاسیون، طیف و سرعت امواج بکار می روند. از سنسورهای مغناطیسی و الکتریکی میتوان برای کنترل موقعیت، تشخیص میدان مغناطیسی، بار ، جریان، پتانسیل ، شار ، رسانایی و نفوذ پذیری مغناطیسی کمک گرفت.

شکل 1: نمونه ای از طرز کار یک سنسور آکوستیک

همنطور كه در شکل یک ملاحضه مي كنيد ، موج صوتی دریافتی از منبع صوت توسط سنسور به المان ابزار دقیقی آکوستیک اعمال میشود و سپس اندازه گیری ، ثبت ، تفسیر، و ارزیابی میگردد.

شکل دو: سونار سنسور Sonar Sensor

در شکل دو نمونه ای از کاربرد سنسورهای آکوستیک را ملاحضه مي كنيد. اصطلاحا به سنسورهایی که برای ردیابی زیردریایی ها استفاده میشود سونار سنسور Sonar Sensor گفته میشود. 

سنسورهای مکانیکی  برای تشخیص موقعیت، سرعت ، شتاب (خطی و زاویه ای)، نیرو، کشش و تنش Strain and Stress، چگالی جرم، گشتاور پیچشی و چرخشی، سرعت سیال، شکل ، سختی، زبری، جهت، ویسکوزیتی Viscosity ، سفتی ، و ساختار مواد بکار میروند. ازسنسورهای نوری در سیستمهای دید در شب Night-Vision و در وسایلی نظیر دوربینهای فیلم برداری و عکاسی استفاده میشود. همچنین این سنسورها کاربرد وسیعی در اندازه گیری های دقیق و تعیین موقعیت و فاصله دارند.

شکل سه: یک سنسور شار الکتریکی

شکل سه سنسور شار الکتریکی است كه بر اساس تئوری معادلات مغناطیسی قادر به تشخیص میزان شار الکتریکی در ناحیه ی اندازه گیری است.

و بهمین ترتیب سایر سنسورها نظیر سنسورهای حرارتی و شیمیایی که دومی در سیستمهای تشخیص بیولوژیکی و بایومس Biomass کاربرد زیادی دارد.
همچنین در حال حاضر سازندگان و محققان در حوزه سنسور توجه بسیار زیادی را به قطعات حساس به گازهای موجود در محیط اطراف معطوف داشته اند. حساسیت به این حوزه از وجود گازهای سمی و خطرناک و نیز لزوم کنترل و ایمنی آنها نشأت میگیرد. همچنین تقاضای زیادی از سوی سازندگان وسایل نقلیه برای بهینه سازی مصرف سوخت درون موتور ، یکی دیگر از علل این توجه شده است. این سنسورها بعلاوه قادر به تشخیص میزان و نوع گازهای تولید شده در کوره ها بوده و در نتیجه می توانند در پروسه کنترل سوخت و جلوگیری از خروج گازهای مضر نقشی فعال ایفا کنند.
 

سنسورهای گاز از نظر تکنولوژی ساخت و عملکردشان به سه دسته تقسیم می شوند:

• سنسورهای نیمه هادی (Solid State)
• سنسورهای طیف نگار (Spectroscopic)
• سنسورهای نوری (Optics)

از نظر کارکرد، سیستمهای اسپکتروسکوپیک آنالیز مستقیمی از جرم مولکولی و طیف ارتعاشی روی گاز هدف - گازی که باید تشخیص داده شود-  صورت می دهند. این سیستمها قادر به اندازه گیری کیفی و کمی ترکیبات گازهای مختلف با دقت بسیار خوب هستند. طیف سنج جرمی Mass Spectroscopy  و کروماتوگرافی جرمی Mass Chromatography از مهمترین گونه های سیستمهای اسپکتروسکوپی هستند.

شکل چهار: یک سیستم طیف سنج جرمی و شتاب مولکولهای گاز

یک سیستم طیف سنج جرمی ابتدا مولکولهای گاز ورودی را یونیزه کرده و به آنها شتاب یکسان می دهد (شكل چهار). یونهای شتابدار بر حسب سبکی و سنگینی در حضور میدان مغناطیسی منحرف و جدا میشوند. یونهای سبکتر بیشتر منحرف میشوند و اثر این انحراف بصورت نمودار میزان فراوانی جرم بر بار الکتریکی  نمایش داده میشود.

سنسورهای نوری، طیف جذبی (Absorption Spectrum) یا طول موج نور منبع را بعد از اینکه گاز هدف توسط نور تهییج شد را اندازه گیری 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

در 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 احتراق موتور

شکل هفت سیستم کامل تشخیص آلاینده های موجود در احتراق موتور را نشان مي دهد. دیودهای لیزری بعنوان منبع نور تک رنگ بکار گرفته شده اند. طول سیستم ۱۳۰ سانتیمتر است

همه این تکنیکها بسیار دقیق و خبره هستند و نیاز به تکنسین های بسیار ماهر برای کار با دستگاه دارند. از طرف دیگر این سیستمها بسیار گرانقیمت بوده و بدلیل فضای بسیار زیادی که اشغال می کنند قابل استفاده 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 فیزیکی و/یا شیمیایی مواد حسگرشان کار می کنند. این تغییرات در نتیجه حضور گازهای مختلف صورت می پذیرد. در مقایسه با دو سیستم اول تنها معایب این نوع سنسورها فقدان قابلیت تشخیص همزمان چند نوع گاز با هم و پایداری و تثبیت زمانی آنهاست.

در سال ۱۹۳۸ "واگنر" و "هاوف" Wagner, Hauffe کشف کردند که اتمها و مولکولها با سطح نیمه هادی واکنش نشان داده و باعث تاثیر خواص سطحی نظیر رسانایی و پتانسیل سطحی در آنها می شوند. بعدها در ۱۹۵۳ ، ۱۹۵۴ و ۱۹۵۵ بترتیب توسط "براتین" و "باردین" Brattain and Bardeen ، "هیلند" Heiland، و "موریسون" Morrison تاثیر اتمسفر محیط بر روی رسانایی الکتریکی نیمه هادی تشریح شد.

در ۱۹۶۲ توسط "سیاما" Seiyama و بعد در ۱۹۷۰ بوسیله "تاگوچی" Taguchi این کشفیات بصورت آشکارساز گاز با تولید اولین سنسورهای گاز نیمه هادی مقاومتی-شیمیایی Chemo-Resistive Semiconductor Gas Sensors کامل شد. و بدین ترتیب اولین نسل سنسورهای گاز حالت جامد متولد شدند.

مناسبترین ماده برای این نوع سنسورها اکسید فلز است. بر خلاف سایر نیمه هادیها که در زمان طولانی یا گرم شدن در هوای معمولی تبدیل شیمیایی غیرقابل بازگشتی را با تشکیل لایه های پایدار اکسید تحمل می کنند، اکسیدهای فلزی با اکسیژن واکنش برگشت پذیر صورت می دهند. سنسورهای اکسید فلزی بصورت تجاری برای مدتهاست که دربازار یافت می شوند. معروفترین شرکت سازنده و در واقع "لیدر" Leader سنسورهای گاز اکسید فلزی ، شرکت مهندسی فیگارو Figaro Engineering در ژاپن است. سنسورهایی که توسط این شرکت ارائه می شود به نام "سنسور تاگوچی" Taguchi Sensor عرضه میشود که به نام اولین ارائه دهنده ی سنسور اکسید قلع است. سنسورهای اکسید فلزی بر اساس کاهش مقاومت لایه سرامیک اکسید قلع در حضور یک گاز در دمای مناسب کار می کنند. برای دیدن تاریخچه کامل شرکت فیگارو اینجا را کلیک کنید. 

منبع: http://sensors.blogfa.com