इलेक्ट्रॉनिक्स विकास। सबसे उपयोगी एकीकृत सेंसर की एक व्यक्तिपरक समीक्षा

वह सेंसर जो बाईं ओर मैंने पहले ही हैबर के पन्नों पर छुआ था, इसलिए आज हम उसके छोटे भाइयों के बारे में बात करेंगे।

जब आप एक नए स्टार्टअप के बारे में सोचते हैं, तो कभी-कभी ऐसा लगता है कि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के क्षेत्र में सब कुछ पहले से ही हमारे ऊपर सोचा गया है और रचनात्मकता का दायरा आज कम हो गया है। वास्तव में, यह मामले से बहुत दूर है। पिछले कुछ वर्षों में, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की दुनिया में क्रांतिकारी परिवर्तन हुए हैं, जो आज भी जारी है। सिक्के की पृष्ठभूमि पर चित्रित चिप्स 5 साल पहले अकल्पनीय थे, लेकिन इस वर्ष के दौरान केवल उनके परिवार को कई पुनःपूर्ति मिली।

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक घटक न केवल नए बनाने की अनुमति देते हैं, बल्कि लंबे समय से मौजूद उपकरणों की कार्यक्षमता का विस्तार भी करते हैं। उनके उपयोग के साथ विकसित किए गए उपकरण अपने पूर्ववर्तियों की तुलना में छोटे, सस्ते, अधिक कार्यात्मक और उपयोग में आसान होते जा रहे हैं। लेकिन मुख्य बात यह है कि वे हमारे डिजिटल दुनिया में एकीकृत करने के लिए आसान हैं, जिसका मतलब है कि वे अच्छी तरह से पैमाने पर हैं। यह एक मुख्य कारण है कि आज तकनीकी स्टार्टअप निवेशकों के साथ लोकप्रियता हासिल कर रहे हैं।

आधुनिक माइक्रोकंट्रोलर्स और तकनीकों के बारे में जो नए उत्पादों को "आविष्कार" करने की प्रक्रिया को सरल बनाते हैं, आप मेरे पिछले लेखों में पढ़ सकते हैं। आज, सेंसर के लिए बारी आ गई है। लंबे समय से जारी किए गए उपकरणों के लिए नए गुणों को देने के लिए, मैं अपने व्यक्तिगत अनुभव में, जो कि पूरी तरह से नए उपकरणों के डिजाइन में और संशोधनों के दौरान दोनों उपयोगी हो सकता है, जो कि, मैं अपने व्यक्तिगत अनुभव में एकीकृत सेंसर की एक संक्षिप्त और विशुद्ध रूप से व्यक्तिपरक समीक्षा कर सकता हूं। उन्हें कई प्रतियोगियों से अलग करते हैं। मैंने उन लोगों को लाभ दिया जिनके फायदे मैं अपनी परियोजनाओं में मूल्यांकन करने में कामयाब रहा।

सामान्य रुझान

कार्य करने के लिए, आपके डिवाइस को बाहरी दुनिया के साथ, सूचना प्राप्त करने के लिए संवाद करना चाहिए। एक व्यक्ति इसके लिए इंद्रियों का उपयोग करता है, और एक माइक्रोकंट्रोलर के नियंत्रण में एक उपकरण सेंसर का उपयोग करता है। इन वर्षों में, सेंसर छोटे, अधिक स्मार्ट और अधिक महत्वपूर्ण होते जा रहे हैं। एनालॉग इंटरफेस डिजिटल का रास्ता देते हैं। सेंसर ने माप के अनुक्रम को स्वायत्त रूप से बनाना सीखा और उन्हें अपनी बफर मेमोरी में डाल दिया। वे प्राथमिक प्रसंस्करण और माप परिणामों के विश्लेषण के लिए पूर्वप्रक्रमकों को शामिल करते हैं। ऑपरेटिंग मोड सेट करने और डेटा प्रोसेसिंग के लिए रजिस्टरों की संख्या कभी-कभी एक सौ से अधिक हो जाती है। स्व-अंशांकन प्रक्रियाओं की उपस्थिति और सारणीबद्ध कार्य परिणाम को बाहरी परिस्थितियों (तापमान, आर्द्रता, आदि) की एक विस्तृत श्रृंखला में रैखिक निर्भरता के करीब लाने के लिए संभव बनाते हैं। एमईएमएस (माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक) तकनीक का उपयोग कर सेंसर तेजी से बढ़ रहे हैं। उन्होंने सीखा कि स्वतंत्र रूप से लंबी माप प्रक्रियाओं का संचालन कैसे किया जाता है और संकेत दिए जाते हैं जब पैरामीटर अनुमेय सीमा से परे जाते हैं। आधुनिक तकनीकों ने कई प्रकार के सेंसर की ऊर्जा खपत को इस स्तर तक कम कर दिया है कि वे एक छोटी बैटरी पर वर्षों तक काम कर सकते हैं।

जड़त्वीय सेंसर

डिवाइस की कार्यक्षमता का विस्तार करने के लिए सबसे उपयोगी हैं एमईएमएस प्रौद्योगिकी का उपयोग करके निस्संदेह "जड़त्वीय सेंसर"। आज, तीन-अक्ष एक्सीलेरोमीटर और जाइरोस्कोप वाले छह-अक्ष सेंसर सबसे लोकप्रिय हैं। उन लोगों की सेवा में जो 9 अक्षीय सेंसर की जगह में अभिविन्यास के बारे में और भी अधिक जानकारी प्राप्त करना चाहते हैं जिसे मैग्नेटोमीटर में जोड़ा जाता है। जड़त्वीय सेंसर पुराने सुधार और नए उपकरणों को बनाने के लिए महान अवसर प्रदान करते हैं, इस तथ्य के कारण कि उनके सैकड़ों अनुप्रयोग हैं जो पहली नज़र में बिल्कुल स्पष्ट नहीं हैं।

इस तिकड़ी के बीच, एक्सेलेरोमीटर निश्चित रूप से एक प्रमुख भूमिका निभाता है। हर्ट्ज के कई दसियों क्रम के मतदान आवृत्तियों पर काम करते समय, इसमें असाधारण रूप से कम वर्तमान खपत होती है - दसियों माइक्रोएम्प्स। आधुनिक जड़त्वीय सेंसर चिप्स में डाटा प्रोसेसिंग प्रीप्रोसेसर शामिल हैं। वे प्रोग्रामेबल मापदंडों के साथ एनालॉग और डिजिटल फिल्टर का उपयोग करके प्राप्त डेटा के बहुत जटिल प्राथमिक प्रसंस्करण को स्वायत्त रूप से उत्पादन करने में सक्षम हैं। फीफो मेमोरी बफर के लिए धन्यवाद, वे प्राप्त परिणामों को जमा कर सकते हैं, उनका विश्लेषण कर सकते हैं और स्मृति में दर्ज की गई सीमा की स्थिति तक पहुंचने के बाद ही माइक्रोकंट्रोलर को जगाने के लिए एक संकेत भेज सकते हैं। सीमा की स्थिति के रूप में, न केवल ऐसे सरल वाले त्वरण के स्तर को पार करते हैं, बल्कि, उदाहरण के लिए, चलने की लय में बदलाव, कार्य कर सकते हैं। हां, हां, एक्सीलेरोमीटर रीडिंग के आधार पर, सेंसर ने आंदोलन की प्रकृति और यहां तक ​​कि इसके व्यक्तिगत मापदंडों को स्वतंत्र रूप से पहचानना सीखा। सही समय पर, सेंसर माइक्रोकंट्रोलर को जागृत करता है और संचित डेटा को फीफो बफर से स्थानांतरित करता है। माइक्रोकंट्रोलर एक अधिक गंभीर विश्लेषण करता है, यदि आवश्यक हो, तो प्रतिक्रिया करता है और फिर से नींद में चला जाता है। यह एल्गोरिथ्म उच्च-प्रदर्शन, कम-शक्ति वाले एआरएम एमसीयू के लिए सबसे उपयुक्त है।

कई मिलीमीटर के आयाम होने के बाद, ऐसे सेंसर सुरक्षा अनुप्रयोगों, छेड़छाड़ सेंसर, मुहरबंद उपकरणों के पावर स्विच के लिए पूरी तरह से अनुकूल हैं। उनके आधार पर, विरोधी-बर्बर प्रदर्शन और / या कठोर परिचालन स्थितियों में उपकरणों के लिए बटन-कम नियंत्रण को लागू करना सुविधाजनक है। किसी व्यक्ति के शरीर या जटिल संरचना के हिस्सों की सापेक्ष स्थिति को ट्रैक करना, आंदोलन की प्रकृति को निर्धारित करना (चलने या सीढ़ियों से चलने में अंतर करना, गतिहीनता के क्षणों को ठीक करना, कार से मोड़ना या "दूर जाना", आदि), खतरनाक इंजन कंपन या घटना के पल का निर्धारण करना संभव है। टर्बाइन, एक संकेत देते हैं कि ढलान सीमा से बाहर है और बहुत कुछ!

हैरानी की बात है, यहां तक ​​कि 9 चैनल सेंसर ने वास्तव में नहीं सीखा है कि समस्या को कैसे हल किया जाए जिसके लिए यह प्रतीत होता है कि वे मूल रूप से इरादा थे। वे केवल छोटी दूरी और कम समय पर आंदोलनों की सीमा के भीतर स्वीकार्य सटीकता के साथ आंदोलन के प्रक्षेप पथ को ट्रैक करने में सक्षम हैं। जीपीएस नेविगेशन को बदलने के लिए उनका उपयोग करना असंभव है - माप त्रुटियां बहुत जल्दी जमा होती हैं। इसके अलावा, समय और तापमान के आधार पर, जाइरो रीडिंग "फ्लोट" करता है, और मैग्नेटोमीटर के लिए प्रारंभिक अंशांकन की आवश्यकता होती है। अंतरिक्ष में अभिविन्यास के लिए अपने फोन के साथ आठ का वर्णन करने के लिए इन कष्टप्रद आवश्यकताओं को याद रखें? यह उस ओपेरा से है ...

आंदोलनों और दूरी को मापने के लिए सेंसर

विभिन्न ऑपरेटिंग सिद्धांतों और आकारों वाले उपकरणों की अत्यधिक बड़ी आकाशगंगा।
सबसे लोकप्रिय अनुप्रयोगों में से एक छोटे विस्थापन की परिभाषा है।
माप की समस्या का इष्टतम समाधान चलती वस्तुओं की सामग्री पर निर्भर करता है। रीड स्विच मैग्नेटाइज्ड ऑब्जेक्ट्स की स्थिति को निर्धारित करने के लिए सबसे सस्ता और सबसे आसान है, लेकिन हॉल प्रभाव के आधार पर बहुत अधिक उन्नत एकीकृत समाधान हैं। इंडक्शन सेंसरों का बहुत सीमित उपयोग होता है, लेकिन कैपेसिटिव सेंसरों का उपयोग अक्सर अधिक किया जाता है, जो कि माइक्रोमिनायटाइजेशन की सरलता के कारण होता है।
ऑप्टोकॉपर्स पर आधारित सेंसर के अपने फायदे हैं; वे लंबे समय तक और व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। मैं अल्ट्रासोनिक दूरी सेंसर पर नहीं रहूंगा, जो कि Arduino के लिए मॉड्यूल के रूप में उनके व्यापक उपयोग के कारण बेहद लोकप्रिय हैं।

असाधारण रूप से दुर्लभ, विकसित उपकरणों में, "लघु कैमरों" और लेजर पर आधारित सेंसर का उपयोग किया जाता है। मेरी राय में, यह व्यर्थ है, क्योंकि माउस-टाइप मैनिपुलेटर्स में व्यापक उपयोग के लिए धन्यवाद, इन उपकरणों की कीमत बहुत कम स्तर पर है।
चूंकि PAN3101 सेंसर 800 डीपीआई के रिज़ॉल्यूशन वाले कैमरे पर आधारित है, इसलिए आप चीनी डेढ़ डॉलर के एप से सस्ते खरीद सकते हैं।
मुझे स्वयं VL6180XV0 लेजर सेंसर का उपयोग करना था। इसकी कीमत लगभग ढाई डॉलर है और यह 10 सेमी तक की दूरी को मापने के लिए उपयुक्त है। मैंने सिगरेट के पैक को खारिज करने वाले पुशर में दूरी तय करने की सटीकता को बढ़ाने के लिए इसे अल्ट्रासोनिक सेंसर से बदलने की कोशिश की, लेकिन इसके लिए मुझे थोड़ी लंबी रेंज की जरूरत थी। डेटशीट का गहन अध्ययन, जिसमें एक खराब दस्तावेज सुविधा का उल्लेख खोजना संभव था, मापा दूरी की सीमा को बदलने की क्षमता, मदद की। नतीजतन, मैं इसे 30 सेमी तक बढ़ाने में सक्षम था दुर्भाग्य से, इसने माप की सटीकता को नकारात्मक रूप से प्रभावित किया। नुकसान की भरपाई डिजिटल फ़िल्टरिंग की स्थिति और स्थिति के निर्धारण के लिए एक जटिल एल्गोरिथ्म द्वारा की जानी थी, जो पिछले राज्यों को ध्यान में रखकर की गई थी।


मैं लेज़रों के बारे में कुछ शब्द नहीं कह सकता - लेज़रों पर आधारित ठोस-राज्य डिवाइस, अक्सर एक वस्तु से दूरी को मापने के लिए उपयोग किए जाने वाले चलती दर्पण की एक प्रणाली होती है।
वे सबसे अधिक व्यापक रूप से मानव रहित वाहनों, 3 डी-कार्टोग्राफी, ड्रोन कंट्रोल सिस्टम में उपयोग किए जाते हैं ... नवीनतम विकास गैलियम नाइट्राइड (GaN) पर आधारित अखंड चिप्स हैं और चार वर्ग मिलीमीटर से कम के बोर्ड पर एक क्षेत्र पर कब्जा करते हैं!

स्पर्श सेंसर

आज सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले कैपेसिटिव सेंसर हैं, जो विभिन्न प्रकार के नियंत्रण तत्वों में उपयोग किए जाते हैं, यांत्रिकी के आधार पर समाधान से विस्थापित होते हैं। कैपेसिटिव सेंसर आज बटन को सफलतापूर्वक बदल देते हैं। उनकी विविधता बहुत बड़ी है। नियंत्रकों के साथ तैयार पैनल हैं जो लैपटॉप के टचस्क्रीन की तरह काम करते हैं। उंगली के प्रति संवेदनशील तत्वों को बनाने के लिए - बटन और स्क्रॉल बार, संभवतः पन्नी-लेपित पीसीबी से बने बोर्ड पर, और उन्हें सेवा देने के लिए कुछ माइक्रोकंट्रोलर में निर्मित विशेष माइक्रोक्रिस्केट या एकीकृत समाधान का उपयोग करें। समाधान मूल्य अक्सर यांत्रिक संस्करण की तुलना में कम होता है, इसलिए टीटीपी 223 टच-बटन कंट्रोलर को पांच सेंट्स पर खरीदा जा सकता है
ऐसे मामलों में जहां जकड़न और विरोधी बर्बर प्रदर्शन की आवश्यकता होती है, यह पीज़ो बटन का उपयोग करने के विकल्प पर विचार करने के लायक है। जैसा कि आप अनुमान लगा सकते हैं, उनके काम का सिद्धांत पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव पर आधारित है। इस तरह के बटनों का एक अतिरिक्त लाभ तापमान और आर्द्रता की एक विस्तृत श्रृंखला में विश्वसनीय और दीर्घकालिक संचालन है।
अक्सर, क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर के बटन को बटन में एकीकृत किया जाता है, साथ ही वर्तमान, वोल्टेज और गलत ध्रुवता कनेक्शन द्वारा अधिभार के खिलाफ सुरक्षा के तत्व।

एमईएमएस माइक्रोफोन

ये कम ऊर्जा खपत वाले छोटे आकार के उत्पाद हैं। फोटो अपने "बड़े" भाइयों के साथ 1 x 1 मिमी मामले में एक अल्ट्रा-लघु माइक्रोफोन दिखाता है। एनालॉग आउटपुट वाले माइक्रोफोन के अलावा, डिजिटल वाले हैं। वे एक एनालॉग सिग्नल प्रवर्धन पथ और एक एडीसी शामिल हैं। उनका आवेदन हमें माइक्रोकंट्रोलर के साथ मेल खाने की लागत को आसान बनाने और कम करने, बिजली की खपत, शोर के स्तर को कम करने और कुछ मामलों में गैर-रेखीय विकृतियों की अनुमति देता है।
एक सार्वभौमिक चिकित्सा उपकरण की मेरी परियोजना में, एक माइक्रोफोन की आवश्यकता थी जो मानव अंगों की कम-आवृत्ति ध्वनियों को महसूस कर सके। अधिकांश एमईएमएस माइक्रोफोन में उच्चतर निम्न कट-ऑफ आवृत्ति होती है, हालांकि, काफी लंबी खोज के बाद हम एक अच्छा विकल्प खोजने में कामयाब रहे, हालांकि एक एनालॉग आउटपुट के साथ। आकार में 3.1 मिमी x 2.5 मिमी x 1 मिमी द्वारा नोल्स द्वारा बनाया गया अप्रभावी नाम SPW0442HR5H-1 के साथ बच्चा 10 हर्ट्ज से 10 KHz तक की सीमा में काम कर सकता है और लगभग आधा यूरो खर्च करता है।

दबाव, आर्द्रता और तापमान सेंसर

दबाव, आर्द्रता और तापमान के सेंसर लंबे समय तक किसी को आश्चर्यचकित नहीं करेंगे। हल किए जा रहे कार्यों और प्रोजेक्ट बजट के आधार पर, आप सटीक माप करने में सक्षम घटकों को चुन सकते हैं, या बेहद कम लागत वाले - एक संयुक्त चीनी आर्द्रता और तापमान संवेदक आधा डॉलर में मिल सकता है।
अपने एक लेख में, मैंने पहले से ही संयुक्त तापमान और दबाव संवेदक HTS221 के लिए ड्राइवरों को लिखने के अनुभव के बारे में बात की थी। अंत में, मैं सिर्फ एक विशेषता को नोट करना चाहता हूं जिसे अक्सर देर से ध्यान दिया जाता है - आर्द्रता और तापमान जैसे मापदंडों के लिए प्रासंगिक मान प्राप्त करने के लिए, उनकी सही स्थापना आवश्यक है। अन्यथा, एक स्थिति उत्पन्न होगी जब आप माप रहे हैं कि क्या आवश्यक नहीं है।
और निश्चित रूप से, यदि आपको अपेक्षाकृत बड़ी दूरी पर (उदाहरण के लिए, जब थर्मोक्यूलेशन का उपयोग करके उच्च तापमान को मापते हुए) माप के परिणामों को एनालॉग रूप में स्थानांतरित करने की आवश्यकता है, तो ट्रांसमिशन और सिग्नल मिलान लाइनों पर विशेष ध्यान दिया जाना चाहिए।

चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए विशेष सेंसर

हाल ही में, इस क्षेत्र में काम करने वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के दोनों स्टार्ट-अप और अग्रणी निर्माता अत्यधिक एकीकृत सर्किट के विकास और उत्पादन पर सबसे अधिक ध्यान दे रहे हैं जो सेंसर और जटिल सिग्नल प्रोसेसिंग सर्किट को मिलाते हैं।

टेलीमेडिसिन के लिए एकीकृत घटक और उपकरण एक बड़ा और दिलचस्प विषय है, लेकिन जगह और समय में सीमाओं के कारण, लेख के अंत में, मैं संक्षेप में केवल एक ऐसे सेंसर का उल्लेख करूंगा, जिसे मैं अभी सीधे एक सार्वभौमिक चिकित्सा उपकरण विकसित करने की परियोजना के दौरान काम कर रहा हूं।

यह मैक्सिम इंटीग्रेटेड MAX86150 द्वारा निर्मित एक माइक्रोक्रिसिट है, यह इसका शरीर है जो सिक्के के बगल में अनुपात बनाए रखते हुए पोस्ट स्प्लैश स्क्रीन पर चित्रित किया गया है। वह हृदय गति को माप सकता है, मांसपेशियों के ऑक्सीजन संतृप्ति का स्तर, और सबसे महत्वपूर्ण बात, एकल-चैनल इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम को गोली मार सकता है।


केवल 3.3 X 5.6 X 1.3 मिमी के आकार के मामले में, एक 19-बिट ADC है, जिसमें अंतर्निहित ड्राइवर के साथ लाल और हरे रंग के एलईडी हैं, एक फोटोडायोड और एक डाटा प्रोसेसिंग चैनल है - शोर दमन के लिए नोड्स, बाहरी फोटोडायोड प्रकाश को हटाने, एफआईएफओ बफर, डिजिटल और एनालॉग फिल्टर। माइक्रोकिरिट की आपूर्ति वोल्टेज केवल 1.8 वोल्ट है, और अप्रयुक्त एलईडी चालकों के लिए बिजली की खपत सक्रिय मोड में 100 माइक्रोएम्प से कम और स्लीप मोड में लगभग एक माइक्रोएम्पेयर है।

खुदरा क्षेत्र में $ 10 से कम कीमत पर ऐसे प्रभावशाली कार्य हमें विकसित करने की अनुमति देते हैं, उदाहरण के लिए, रोग के प्रारंभिक चरण में हृदय संबंधी असामान्यताओं का पता लगाने के लिए छोटे आकार के चिकित्सा उपकरण। घर पर और शारीरिक परिश्रम के क्षणों में रोगी की स्थिति की दीर्घकालिक निगरानी के लिए अत्यंत कॉम्पैक्ट पूरी तरह से स्वायत्त उपकरण बनाना संभव है।

चिप्स का यह परिवार लगातार विस्तार कर रहा है, वस्तुतः वर्ष में कई बार, इसके नए प्रतिनिधि दिखाई देते हैं। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के अग्रणी निर्माताओं में से अधिकांश अल्ट्रासाउंड के लिए एकीकृत सेंसर से लेकर अल्ट्रा-लघु कैमरों से - चिकित्सा के क्षेत्र में कई विकास कर रहे हैं।

इस क्षेत्र में महान संभावनाओं को नवीनतम तात्विक आधार पर उपकरणों के संयुक्त उपयोग और रोगों के निदान के लिए कृत्रिम बुद्धिमत्ता द्वारा खोला जाता है। लेकिन अगली बार उससे ज्यादा ...