Классификация сенсоров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Датчики (сенсоры) позволяют получать, регистрировать, обрабатывать и предавать информацию о состоянии различных систем. Это может быть информация о физическом строении, химическом составе, форме, положении и динамике исследуемой системы. Существуют различные типы датчиков. Принципы их действия базируются на определенных физических или химических явлениях и свойствах. Примерами могут быть широко известные температурные датчики, радары, эхолоты, датчики уровня радиации, датчики давления, гигрометры и др.

Успехи в таких областях как лазерная физика, физика твердого тела, микроэлектроника, микропроцессорная техника, материаловедение, квантовая электроника, и оптика привели к созданию множества разных видов сенсоров.

Их актуальность и практическая значимость обусловлена возможностью применения в различных отраслях: электронной промышленности, химической промышленности, нефтегазовой промышленности (добыча, транспортировка, хранение), экологии, медицины, военных технологий и др.

1. Систематизация сенсоров

сенсор электрохимический устройство

При систематизации датчиков часто рассматривают принцип их действия, который может быть обусловлен физическими или химическими явлениями и свойствами. На рис. 1 приведена обобщенная функциональная схема измерения с помощью химического датчика.

Существует множество явлений, эффектов и видов преобразования энергии, которые могут быть использованы для построения датчиков. В таблице приведены примеры таких явлений и эффектов.

Рис. 1. Функциональная схема измерения с помощью химического сенсора

Таб. 1 Эффекты, на которых работают сенсоры

Энергетические свойства входных величин датчиков позволяют разделить их по виду входных величин на активные и пассивные. В активных датчиках входные величины имеют энергетическую природу (напряжение, сила и т.д.), в пассивных же входные величины имеют неэнергетический характер (электрические: ёмкость, сопротивление.).

По числу воспринимаемых и преобразуемых величин можно выделить одномерные датчики, оперирующие с одной величиной, и n-мерные (многомерные), воспринимающие несколько (n) входных величин. При этом многомерные сенсоры могут иметь общие элементы и поэтому быть проще совокупности одномерных датчиков, воспринимающих столько же величин.

По числу выполняемых (измерительных) функций можно выделить однофункциональные и многофункциональные датчики. Многофункциональные могут помимо основной функции (восприятие величины и формирование измерительного сигнала) выполнять ряд дополнительных функций.

Многофункциональные датчики иногда называют также интеллектуальными. К таким датчикам, в принципе можно отнести аналоговые и цифровые датчики с суммированием сигналов, с перестраиваемыми адаптивными режимами работы и параметрами, с аналого-цифровым преобразованием, с метрологическим обслуживанием и датчики со встроенными микропроцессорами.

К дополнительным функциям многофункциональных сенсоров можно отнести следующие:

1) операции обработки данных и фильтрацию;

2) коррекцию погрешностей;

3) хранение сигналов;

4) преобразование «поля» сигналов в изображение;

5) защиту от влияния помех;

По числу преобразований энергии и вещества датчики можно разделить на одноступенчатые и многоступенчатые.

По технологии изготовления сенсоры можно разделить на элементные, изготавливаемые из набора отдельных элементов, и интегральные, в которых все составные элементы датчика изготавливаются одновременно по интегральной технологии.

Особо выделяются биологические датчики, в которых в качестве чувствительных элементов используется рецепторная часть биологических органов чувств, ферменты и другие вещества, а также - электронная часть, формирующая измерительные сигналы.

По взаимодействию с источниками информации датчики делятся на контактные и бесконтактные (дистанционного действия).

По виду измерительных сигналов датчики делятся на аналоговые и цифровые. Для анализа работы аналоговых и цифровых датчиков должен быть использован соответствующий виду анализируемых сигналов математический аппарат.

К современным датчикам предъявляются следующие основные требования:

1) высокие качественные характеристики: чувствительность, точность, линейность, воспроизводимость показаний, скорость отклика, взаимозаменяемость, отсутствие гистерезиса и большое отношение сигнал-шум;

2) высокая надежность: длительный срок службы, устойчивость к внешней среде, безотказность в работе;

3) технологичность: малые габариты и масса, простота конструкции, интегральное исполнение, низкая себестоимость.

2. Устройство и принципы работы химических сенсоров

Химические сенсоры представляют собой датчики, в которых два типа преобразователей - химический и физический - находятся в тесном контакте между собой.

Химический преобразователь - трансдъюсер - состоит из слоя чувствительного материала, который формирует селективный отклик на определяемый компонент: он способен отражать присутствие определяемого компонента и изменение его содержания.

Физический преобразователь - преобразует энергию, которая возникает в ходе реакции селективного слоя с определяемым компонентом, в электрический или световой сигнал. Этот сигнал затем измеряется с помощью светочувствительного и / или электронного устройства.

Химические сенсоры могут работать на принципах химических реакций и на физических принципах. В первом случае аналитический сигнал обусловлен химическим взаимодействием определяемого компонента с чувствительным слоем, который выполняет функцию преобразователя. Во втором случае измеряется физический параметр (коэффициент поглощения или отражения света, масса, проводимость и др.).

Для повышения избирательности на входном устройстве перед химически чувствительным слоем размещаться мембраны, которые селективно пропускают частицы определяемого компонента (ионообменные, гидрофобные и другие пленки). При этом определяемое вещество диффундирует через полупроницаемую мембрану к тонкому слою селективного слоя, в котором формируется аналитический сигнал на компонент.

На основе химических сенсоров разрабатываются сенсорные анализаторы, которые представляют собой приборы для определения какого-либо вещества в заданном диапазоне его концентраций. К химическим сенсорам относятся также биосенсоры.

В зависимости от характера отклика (первичного сигнала), возникающего в чувствительном слое химических сенсоров, их подразделяют на следующие типы:

1) электрохимические (потенциометрические, кулонометрические и др.)

2) электрические (полупроводниковые на основе оксидов металлов и др.)

3) магнитные (датчики Холла, магниторезистивные полупроводниковые элементы и др.)

4) термометрические

5) оптические (люминесцентные, спектрофотометрические и др.)

6) биосенсоры (на основе различного биологического материала)

Остановимся кратко на работе некоторых типов электрохимических сенсоров, и биосенсоров.

3. Электрохимические сенсоры

В электрохимическом сенсоре определяемый компонент реагирует с чувствительным слоем непосредственно на электроде или в объеме слоя раствора около электрода. Среди электрохимических сенсоров выделяют следующие:

1) потенциометрические,

2) вольтаметрические,

3) кондуктометрические,

4) кулонометрические.

Потенциометрические сенсоры основаны на ионоселективных электродах, которые дают селективный отклик на присутствие определяемых ионов или молекул веществ в растворах. Аналитическим сигналом в них является потенциал, который образуется на поверхности твердого материала, помещенного в раствор, содержащий ионы, которые могут обмениваться с поверхностью. Величина потенциала связана с количеством ионов в растворе. Измерить поверхностный потенциал непосредственно невозможно, однако его можно измерить, используя соответствующую электрохимическую ячейку. В этом и заключается суть потенциометрического метода.

Вольтамперометрические сенсоры. Данный метод заключается в измерении силы тока в электрохимической ячейке как функции приложенного потенциала.

Многие вещества окисляются или восстанавливаются при определенном потенциале, который характерен именно для данного вещества. Если потенциал зафиксирован на величине, соответствующей окислению или восстановлению определяемого вещества, то сила тока прямо связана с его концентрацией. На этом принципе основано действие амперометрических электрохимических сенсоров. Чувствительность амперометрических электрохимических сенсоров, как правило, выше потенциометрических.

Кондуктометрические сенсоры. Их действие основано на измерении электропроводности растворов. Такие электрохимические сенсоры используют, в частности, для определения концентрации CO₂ в воздухе. В этом случае измеряется электропроводность водного раствора углекислоты, в котором, как правило, в результате ее диссоциации образуются ионы H⁺ в количествах, зависящих от парциального давления CO₂ в воздухе. Различие в электропроводности между «холостым» раствором (без CO₂) и анализируемым (с CO₂) фиксируется как аналитический сигнал.

Кулонометрические сенсоры. В основе работы этого типа электрохимических сенсоров лежит зависимость тока, протекающего через электрохимическую ячейку при контролируемом расходе анализируемого газа подающего на катод, от концентрации кислорода (при условии практически полной откачки кислорода из потока).

4. Биосенсоры

Под термином «биосенсор» следует понимать устройство, в котором чувствительный слой, содержащий биологический материал (ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены / антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК), непосредственно реагирующий на присутствие определяемого компонента, генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента. Конструктивно биосенсоры, также как и химические сенсоры, описанные выше, представляют собой комбинированные устройствф, состоящие из двух преобразователей, - биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. Биохимический преобразователь, выполняет функцию биологического элемента распознавания, преобразуя определяемый компонент, а точнее, информацию о химических связях в физическое или химическое свойство или сигнал, а физический преобразователь это свойство фиксирует с помощью специальной аппаратуры. В данном случае реализуется принципиально новый способ получения информации о химическом составе раствора. Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая ни к каким дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов, концентрированием и т.д. (отсюда и название - безреагентные методы анализа).

Также как и для химических сенсоров, для биосенсоров существует большое разнообразие физических преобразователей: электрохимические, спектроскопические, термические, пьезоэлектрические и т.п. В таблице 2 приведен перечень преобразователей и чувствительных элементов, используемых в биосенсорах. В настоящее время наибольшее распространение получили электрохимические преобразователи. Одни из них генерируют потенциал на специальном электроде, на поверхность которого нанесен слой биоматериала, другие генерируют электрический ток реакции продукта превращения определяемого вещества на поверхности электрода, вызванного биоматериалом. Другими словами, существуют потенцио- и амперометрические биосенсоры. Если физический преобразователь использует изменение светопоглощения в области биослоя, то такой биосенсор называется, оптоволоконным, поскольку измеряемый сигнал будет передаваться измерительному прибору по оптическому волокну. Соответствующий физический преобразователь по аналогии с электродом называют оптродом. По названию преобразователя можно сделать вывод о характере физического свойства, которое измеряется аппаратно, причем, как правило, при таком измерении используется микропроцессорная техника, позволяющая сделать устройство достаточно компактным.

Таб. 2 Список чувствительных элементов и преобразователей, применяемых в биосенсорах

Первое упоминание об аналитических устройствах на основе ферментов или ферментсодержащих материалов появилось сравнительно недавно, в 60-х годах нашего столетия. Затем в обиход вошло понятие «биосенсор» или «биочип». Это важное событие в науке. Функционально, таким образом, биосенсоры сопоставлены с датчиками живого организма - рецепторами, способными преобразовывать все типы сигналов, поступающих из окружающей среды, в электрические.

Принцип работы биосенсоров

Принцип работы биосенсора схож с принципом работы любого другого сенсора. Определяемое вещество диффундирует через полупроницаемую мембрану в тонкий слой биокатализатора, в котором и протекает ферментативная реакция по схеме. Поскольку в данном случае продукт ферментативной реакции определяется с помощью электрода, на поверхности которого закреплен фермент, то такое устройство еще называют ферментным электродом. Следует отметить, что характер ферментативной реакции зависит от природы фермента, типа его каталитического действия. Среди ферментов можно выделить те, которые осуществляют реакции окисления и восстановления (оксидоредуктазы), катализируют гидролиз (гидролазы), вызывают перенос ацильных (трансферазы), гликозидных и т.п. остатков и т.д. Многие ферменты сейчас доступны, их чистые препараты включены в каталоги ряда фирм-производителей. Важно отметить, что при конструировании биосенсора увеличение продолжительности действия фермента становится основной задачей. Дело в том, что нативный фермент сохраняет свои свойства лишь в течение относительно короткого времени. Поэтому была разработана операция так называемой иммобилизации фермента. В ходе иммобилизации с помощью специальных реагентов фермент «закрепляют» либо на поверхности адсорбентов, например силикагеля, угля или целлюлозы, либо вводят в пленку пористого полимера, либо ковалентно, то есть с помощью химических связей, «пришивают» к какой-либо подложке. При этом фермент закрепляется, перестает быть подвижным, не вымывается из биослоя, а его каталитическое действие сохраняется. Биосенсоры могут быть сконструированы и по так называемой объемной технологии, при которой индивидуальные компоненты, перечисленные в таблице 2, составляют как бы единый физический ансамбль. Хотя такие биосенсоры в настоящее время и применяются на практике, существуют трудности и при их изготовлении: послойное покрытие электрода или какого-либо твердого преобразователя мембраной должно быть воспроизводимо. Соответствующая технология формирования поверхности должна допускать возможность изготовления достаточно миниатюрного электрода. Кроме того, биосенсоры со сравнительно толстыми мембранами дают в итоге большее время отклика, имеются сложности и при их градуировке. Успехи в области развития средств микроэлектроники подтолкнули разработчиков конструкций биосенсоров к новым решениям. Оказалось перспективным использовать так называемую планарную технологию (фотолитографию, полупроводниковую технику покрытий и т.д.), по которой можно изготовить так называемый биочип, объединяющий сенсорную систему, трансдьюсер, аналого-цифровой преобразователь(АЦП) и микропроцессор для измерения аналитического сигнала и расчета результатов анализа. Хотя такие биочипы могут производиться массово, основной проблемой в данном случае будет являться воспроизводимость состояния, т.е. микроструктуры поверхности с нанесенным слоем биологически активного фермента. Трудной задачей представляется в данном случае и оптимизация такой структуры в отличие от объемной технологии, реализованной присутствием в конструкции сенсорной части нескольких молекулярных слоев. Тем не менее «молекулярный дизайн» при конструировании биосенсоров будущего может составить реальную конкуренцию объемному их варианту.

Применение биосенсоров

По-видимому, самым распространенным в настоящее время является амперометрический биосенсор на основе иммобилизованной глюкозоксидазы для определения сахара в крови. Исторически этот биосенсор является самым «древним». В качестве физического трансдьюсера в нем использован так называемый электрод Кларка. В настоящее время для определения глюкозы создано наибольшее число различных биосенсоров, что связано с необходимостью контроля за содержанием сахара в биологических жидкостях, например в крови, при диагностировании и лечении некоторых заболеваний, прежде всего диабета. Ток восстановления кислорода на платиновом катоде прямо пропорционален концентрации кислорода. В присутствии субстрата (например, глюкозы в крови, взятой для анализа) ферментативная реакция понижает концентрацию O2. Таким образом, ток восстановления кислорода уменьшается пропорционально концентрации субстрата

Глюкоза + O2

Глюконовая кислота + H2O2

Преимущество данного типа биосенсора, основанного на кислородном электроде Кларка, состоит прежде всего в его высокой селективности. Избирательность подобных биосенсоров определяется высокой специфичностью глюкозоксидазы и природой электрохимической реакции, в которой участвуют компоненты ферментативного процесса. В целом класс ферментов - оксидаз является высокоспецифичным по отношению к определяемым субстратам. Системы же на основе небиологического преобразователя, напротив, не столь селективны, как этого бы хотелось, что обусловлено рядом причин. Тем не менее, имеются ограничения и по применению данной конструкции биосенсора, обусловленные влиянием кислорода и других посторонних веществ, способных проникать через мембрану, а потому задача совершенствования конструкций биосенсоров на глюкозу представляется весьма актуальной.

Биосенсоры, основанные на кислородном электроде как физическом трансдьюсере, позволяют определять разнообразные субстраты ферментов: кроме глюкозы - лактаты, L-аминокислоты, салицилаты, оксалаты, пируваты, то есть анионы соответствующих карбоновых кислот. В литературе описаны другие биосенсоры подобного типа, ряд которых применяется на практике.

С помощью биосенсоров можно решить и обратную задачу: при некоторой определенной концентрации субстрата оценивать активность собственно фермента по величине измеряемого сигнала (потенциала, тока и т.д.). Из описания работы фермента следует, что измеряемый сигнал зависит не только от концентрации субстрата, но и от каталитической активности биологического преобразователя, то есть фермента. Такое использование биосенсоров позволяет измерить активность большого числа ферментов, например в крови. Оценка активности ферментов, связанных с сердечной деятельностью, таких, как аспартамаминотрансфераза, креатинкиназа, позволяет в клинических условиях оценивать глубину инфаркта миокарда.

Заключение

Существующий в последние годы и все возрастающий интерес к разработке и использованию оптических химических и биологических сенсоров связан со следующими их наиболее важными преимуществами:

1) высокая чувствительность

2) высокая скорость отклика

3) возможность бесконтактного обнаружения

4) высокая помехозащищенность

5) нечувствительны к электромагнитным полям (не оптической частоты)

6) нечувствительны к радиационным полям

7) способность передавать аналитический сигнал без искажения на большие расстояния (например, по оптоволокну)

8) высокая плотность передачи данных

9) стойкость к вредным воздействиям окружающей среды

Основными недостатками оптических химических сенсоров являются: достаточно высокая, хотя и селективная чувствительность к световым помехам, а также определенная подверженность влиянию температуры (в случае использования полупроводников при изготовлении сенсора). Основным недостатком биосенсоров является сложность воспроизводимости их состояния, т.е. микроструктуры поверхности с нанесенным слоем биологически активного фермента. Отсутствие «дыр» и «островов» в пленке биологического вещества - необходимое условия нормального функционирования биосенсоров.

Список использованной литературы

1. Виглеб Г. Датчики. - М.: Мир, 1989.

2. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1986.

3. Шмидт Д., Шварц А. Оптоэлектронные сенсорные системы. - М.: Мир, 1991.

4. Каттралл Роберт В. Химические сенсоры. - М.: Научный мир, 2000.

5. Граттан К.Т.В. Волоконно-оптические датчики и измерительные системы // Датчики и системы, 2001, №3, С. 46-50.

6. Whitenett G., Stewart G., Atherton K., Culshaw B., and Johnstone W. Optical fibre instrumentation for environmental monitoring applications // J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2003, V. 5, pp. S140-S145.

7. Posani K.T., Tripathi V., Annamalai S., Weisse-Bernstein N.R., and Krishnaa S. Nanoscale quantum dot infrared sensors with photonic crystal cavity // Appl. Phys. Let., 2006, V. 88, pp. 151104-1-151104-3.

8. Lambeck P.V. Integrated opto-chemical sensors // Sensors and Actuators, 1992, V. 8, pp. 103-116.

9. Wiesmann R., Muller L., Klein R., Neyer A. Low cost polymer-optical ammonia sensor // ECIO'95, Proceedings of 7^th European Conference on Integrated Optics, April 3-6, 1995, Delft, The Netherlands, pp. 453-456.

10. Чехлова Т.К., Тимакин А.Г., Попов К.А. Волноводные датчики концентраций веществ в газовых смесях и жидкостях // Приборы и техника эксперимента, 2002, Т. 45, С. 145-148.

11. Egorov A.A., Egorov M.A., Tsareva Yu.I., and Chekhlova T.K. Study of the integrated-optical concentration sensor for gaseous substances // Laser Physics, 2007, V. 17, pp. 50-53.

12. Egorov A.A., Egorov M.A., Smoliakov R.B., Chekhlova T.K., Timakin A.G. Integrated-optical low-loss PbO₂ diffusion waveguide sensitive chemical sensor // Journal of Radio Electronics, 2007, No. 5.

13. Алейников А.Ф., Цапенко М.П. О классификации датчиков // Датчики и системы, 2000, №5, С. 2-3.

14. Хансперджер Р. Интегральная оптика: Теория и технология. - М.: Мир, 1985.

15. Кулябина Е.Ю., Сидоренко М.В. Лихеноиндикационный мониторинг качества воздушной среды нижегородской области // Известия Самарского научного центра РАН. Биология и Экология, 2002, 4, С. 216-222.

16. Демтрёдер В. Лазерная спектроскопия: Основные принципы и техника эксперимента. - М.: Наука, 1985.

Размещено на Allbest.ru