Сенсоры. 
Мониторинг загрязнения окружающей среды

На рис. 9.6 в качестве примера показана блок-схема температурного сенсора. Он работает следующим образом. Пусть мерой какой-либо величины Ф является температура (преобразование Ф —> 7), тогда воздействие температуры на терморезистор вызывает изменение его сопротивления (преобразование Т —> R). В свою очередь, изменение сопротивления приводит к разбалансу моста и появлению разности напряжений U, т. е. /?—>[/. В дальнейшем это напряжение, пропорциональное величине Ф, усиливается, линеаризуется, компенсируется и т. д., а также проводится аналогоцифровое преобразование выходного сигнала. При этом сенсор может выдавать как аналоговый, так и цифровой сигнал.

Рис. 9.6. Блок-схема температурного сенсора:

• 1 — преобразователь сигнала; 2 — терморезистор; 3 — мост сопротивлений;
• 4 — усилитель; 5 — линеаризатор, нормирующий преобразователь, компаратор и т. д.;
• 6 — АЦП

Сенсор — это один из видов интеллектуальных ИП, обеспечивающий дополнительные функции в сравнении с теми, которые необходимы для создания правильного отображения воспринимаемой или контролируемой величины (IEEE 1451.2).

Сенсор включает в себя;

• • ПИП, генерирующий электрические сигналы как отклик физических свойств объекта измерения;
• • ИП, служащий для формирования сигнала и преобразования данных — сигнал модифицируют, усиливают и преобразуют в поток квантованных по времени цифровых данных, поступающих далее в микропроцессор;
• • микропроцессор с собственной памятью и программным обеспечением.

Сенсорами являются чувствительные элементы небольших размеров, генерирующие аналитический сигнал, интенсивность которого зависит от концентрации определяемого вещества в объекте. В отличие от тестметодов, сенсоры позволяют проводить не визуальное, а количественное измерение содержания вещества.

Существует три типа сенсоров: физические, химические и биосенсоры. В физических сенсорах какие-либо реакции отсутствуют, а под влиянием анализируемого вещества изменяются его электрические, тепловые, магнитные, спектральные и другие характеристики.

Сенсоры также классифицируют па основе способа регистрации аналитического сигнала: электрические, электрохимические, оптические, чувствительные к измерению массы и т. д.

К электрическим сенсорам относят полупроводниковые устройства с электронной проводимостью на основе оксидов Sn, Zn, Cd, Cr, Ti, W, V, органические полупроводники (хелаты фталоцианинов, порфинов и другие органические соединения), полевые транзистороы и др. Наиболее перспективными являются полевые транзисторы, в которых металлический контакт затвора заменен химически чувствительным слоем и электродом сравнения. К их главным достоинствам относят небольшие размеры (1—2 мм²) и массу, быстродействие.

В электрохимических сенсорах химическое превращение и генерация аналитического выходного сигнала протекают в миниатюрной электрохимической ячейке, выполняющей роль ионоселективного электрода с жидкой или твердой мембраной. Наиболее распространены потенциометрические и амперометрические сенсоры, мембраны которых могут содержать как химические, так и биохимические компоненты. С помощью электрохимических сенсоров определяют ионные и нейтральные соединения органической и неорганической природы, а также газы и биологически активные вещества в широком диапазоне концентраций (2—4 порядка).

Действие оптических сенсоров (оптодов — оптических электродов) основано на измерении поглощения и отражения падающего светового потока, люминесценции или теплового эффекта, сопровождающего поглощение света рецептором. В волоконно-оптических сенсорах фоточувствительный реагент может быть иммобилизован на поверхности волокна световода. Разработаны оптические сенсоры для определения pH, ионов металлов, анионов, глюкозы, мочевины, пероксида водорода, газов, некоторых органических соединений в объектах ОС, медицине, промышленности.

Сенсоры могут входить в состав более сложных аналитических приборов. Для повышения избирательности на входе сенсоров иногда помещают селективные мембраны. Мембрана может также концентрировать определяемый компонент и способствовать повышению чувствительности его определения.

На основе сенсоров разрабатывают анализаторы, которые представляют собой совокупность параллельных каналов измерения с сенсорами, каждый их которых дает информацию о концентрации отдельного компонента. Такие анализаторы обеспечивают анализ сложных многокомпонентных смесей.

В последнее время появилось такое перспективное направление науки и техники, как нанотехнология.

Наносенсор — это любые биологические, химические или другие сенсорные точки для передачи информации о наночастицах на макроскопический уровень. В настоящий момент наносенсоры изготавливают несколькими способами: нисходящей литографией, восходящей сборкой, молекулярной самосборкой и др.

Медицинское применение наносенсоров связано с их способностью точно идентифицировать необходимые клетки и области организма. За счет измерения изменений объема, концентрации, смещения и скорости гравитационных, электрических и магнитных сил, давления или температуры клеток организма наносенсоры способны различать отдельные клетки, в основном раковые, на молекулярном уровне с целью доставки препаратов или мониторинга развития определенных областей организма. Примером наносенсора может служить сенсор, использующий флуоресцентные свойства квантовых точек селенида кадмия для поиска опухолей. В природе наиболее распространенные и массово производящиеся наносенсоры относятся к классу биологических. Они являются естественными рецепторами внешних раздражителей. Например, обоняние, особенно у животных, основано на рецепторах, улавливающих молекулы наноразмеров. Некоторые растения также используют наносенсоры для улавливания ультрафиолета.

В химических наносенсорах используют нанотрубки для детектирования отдельных свойств молекул в газовой фазе. Карбоновые нанотрубки применяют для определения ионизации молекул в газовой фазе, в то время как титановые нанотрубки детектируют концентрацию водорода в атмосфере на молекулярном уровне.

В зависимости от материала, составляющего основу наносенсора, их делят па четыре группы: металлооксидные, кремниевые, металлические и углеродные (табл. 9.4).

Таблица 9.4

Измерительные преобразователи на наносенсорах.

ИП всех трех типов применяют в наносенсорах для контроля газовой среды. Вместе с тем оптические и акустические ИП могут быть использованы для анализа жидких сред.

Электронный нос — это микроили наноустройство, которое распознает характерные компоненты запаха и проводит анализ его химического состава. Электронный нос состоит из устройства химического детектирования (обнаружения), например матрицы наносенсоров, и устройства распознавания (вещества, запаха), например нейронной сети. Запах состоит из молекул вещества, каждая из которых имеет определенные размер и форму. У каждой такой молекулы в носу находятся соответствующий ее размеру и форме рецептор. Когда определенный рецептор воспринимает воздействующую на него молекулу, он отправляет сигнал в мозг, который идентифицирует запах, связанный с этой конкретной молекулой. Электронный нос имитирует биологическую модель носа: сенсоры заменяют рецепторы и пересылают сигнал в цифровой процессор.

На рис. 9.7 показан сенсор, состоящий из 16 паподатчиков, расположенных на кремниевой подложке. Каждый из них определяет концентрацию только одного химического элемента, но все вместе они могут выявить присутствие целого ряда достаточно сложных химических соединений.

Рис. 9.7. Газовый сенсор.