Cảm biến hồng ngoại 2.0 được điều khiển bởi IoT

Ngành công nghiệp sản xuất ngày nay phụ thuộc nhiều vào cảm biến. Cho dù đó là sản phẩm công nghiệp nặng hoặc sản phẩm tiêu dùng nhỏ hơn, tất cả đều phụ thuộc nhiều hay ít vào các cảm biến để kiểm soát mức độ, hiện diện, nhiệt độ và áp suất. Ngay cả trong công nghệ y tế, các cảm biến cũng được sử dụng, ví dụ, để đo điện não đồ và điện tâm đồ.

Cảm biến hồng ngoại phát triển rộng rãi bắt đầu vào những năm 1950 khi các ngành công nghiệp mở rộng quy mô và mức độ tự động hóa cao hơn. Trong quá trình này, cảm biến đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất, ngày nay nó vẫn hoạt động với cùng một nguyên tắc.

Nói đơn giản, cảm biến được sử dụng khi bạn cần phải ghi lại và soạn lại các phát hiện và thông tin của một sự kiện cụ thể. Và, như đã đề cập trước đó, ứng dụng trong thực tế của cảm biến là rất nhiều. Một cảm biến được thiết kế để kích hoạt báo động thường được gọi là máy dò, và thường được kích hoạt khi vượt quá các giá trị giới hạn, chẳng hạn như nhiệt độ cao hoặc áp suất thấp. Các loại cảm biến khác là photodiodes, camera, micro, radar, sonar và cảm biến áp suất.

Cảm biến IR mới 2.0 sẽ là cầu nối giữa mô hình và kỹ thuật số trong một thế giới ngày càng kết nối

Trong thế giới kết nối mới đang ngày càng phát triển, tôi tin rằng cảm biến hồng ngoại mới có tiềm năng trở thành cầu nối giữa mô hình và thế giới số. Và thế giới kết nối kỹ thuật số đang phát triển mạnh mẽ. Vì vậy, nó không phải là một giả định chắc chắn, rằng trong tương lai gần tất cả mọi thứ có thể được liên kết sẽ được kết nối.

An ninh và độ tin cậy là những yếu tố quan trọng của một quá trình như vậy, nhưng nếu có nhu cầu và lợi ích của khách hàng, nó sẽ dễ xảy ra. Và như đã nói ở trên, tốc độ phát triển rất nhanh. Chỉ mười năm trước, có rất ít người có thể dự đoán bao nhiêu dịch vụ sẽ chuyển sang điện thoại thông minh và các thiết bị điện tử tiêu dùng khác. Và bây giờ cũng có một sự phát triển tương tự trong lĩnh vực Internet of Things, nơi mà các cảm biến thực tế có thể đóng một vai trò quan trọng.

Cảm biến nhiệt nhỏ giúp đo lưu lượng nhiệt mở ra cho các tính năng sử dụng mới

Pin nhiệt điện là một loạt các cặp nhiệt kết nối hàng loạt có thể chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện. Với sự giúp đỡ của thế hệ cảm biến hồng ngoại mới, nó cũng có thể được sử dụng để đo lường nhiệt độ và dòng nhiệt không tiếp xúc, cũng như phát hiện sự hiện diện của dòng  nhiệt. Các loại cảm biến này có thể được sử dụng để đo nhiệt độ của đối tượng hoặc sự khác biệt về nhiệt độ tương đối, và cũng có thể đo lường sự hiện diện và chuyển động. Pin nhiệt điện là công nghệ cảm biến hữu ích nhất cho một số ứng dụng thương mại như phát hiện khói và khí, chuyển động, đo nhiệt độ tuyệt đối, đo nhiệt và kiểm soát các bộ phận nhạy cảm với nhiệt và hệ thống ống nước.

Tuy nhiên, kích thước và chi phí sản xuất của các thế hệ nhiệt đầu tiên đã hạn chế các lĩnh vực  ứng dụng. Cảm biến nhiệt độ tiên tiến mới cũng đo lưu lượng nhiệt và có một hằng số thời gian mô tả tốc độ phản ứng nhanh như thế nào đối với thay đổi giá trị. Chúng được làm bằng công nghệ nano trong một ma trận nhựa, và được xây dựng trong ba lớp khác nhau, trong đó lớp quan trọng nhất là lớp chịu nhiệt.

Kiến trúc ngang thông thường đắt tiền và khó sản xuất

Khi pin nhiệt điện biến đổi năng lượng, điện áp được tạo ra theo tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ được áp dụng, làm cho nhiệt có thể đọc được nhiệt độ. Với kiến trúc thông thường, các cặp nhiệt điện được cấu hình theo chiều ngang, giới hạn thiết kế của cảm biến và làm cho một cảm biến thông thường khó sản xuất hàng loạt hơn, bởi vì cần phải có một hộp kim loại bảo vệ.

Không thể sử dụng bề mặt hoàn chỉnh của các pin nhiệt điện được định cấu hình theo chiều ngang, cũng không thể sử dụng “chế độ tiếp xúc” thực tế. Do cấu hình ngang, các cảm biến thông thường cần đóng gói để thực hiện nhiệt độ đo không tiếp xúc và đủ mạnh cho mục đích thương mại.

Kiến trúc theo chiều dọc có một số lợi thế

Trong kiến trúc theo chiều dọc, kết nối nóng và lạnh được thực hiện thông qua cặp nhiệt điện của pin nhiệt điện (thermopile) thông qua các dây nano bao gồm hai kim loại khác nhau. Các cặp nhiệt điện cũng được đặt theo chiều dọc. Theo chiều dọc, hoặc cái gọi là cấu hình “ngoài mặt phẳng” yêu cầu các dây của cặp nhiệt điện được rút ra qua vật liệu nền, nối chúng với bề mặt trong cái gọi là “xương chó”. Các dây này phải cực kỳ mỏng, trước đây rất khó đạt được.

Nhờ công nghệ mới, nơi cấu trúc chì của cặp nhiệt điện được dựa trên công nghệ nano, chúng dễ dàng được sản xuất hàng loạt. Ưu điểm của sự sắp xếp theo chiều dọc của dây dẫn cặp nhiệt điện – vuông góc với cấu hình kế hoạch – là các liên kết nóng và lạnh được phân tách bởi độ dày bề mặt, đó cũng là lý do tại sao cấu trúc trở nên mạnh mẽ hơn so với màng silicon rất mỏng của cảm biến nhiệt tĩnh thông thường .

Đối tượng được đo thực sự có thể tiếp xúc với cảm biến, không có cảm biến bị phá hủy. Đối với các phép đo IR tầm xa, các cảm biến thế hệ tiếp theo cũng có thể được trang bị một ống kính để giảm trường nhìn và cho phép đo các điểm. Hơn nữa, cấu hình dọc cũng cho phép pin nhiệt điện đo lưu lượng nhiệt, mà nhiệt độ thông thường không thể thực hiện được.

Lớp pin nhiệt điện là thành phần độc quyền của cảm biến. Lớp hấp thụ hồng ngoại, các kết nối giữa các ống nano và lớp bảo vệ là các thành phần và quy trình tiêu chuẩn, và được cung cấp bởi một đối tác bên ngoài. Điều này cho phép sản xuất khối lượng lớn, vốn thấp và chi phí sản xuất thấp. Các lớp hấp thụ IR là có để hấp thụ nhiệt IR, mà lớp thermopile sau đó sử dụng để tạo ra một sự khác biệt điện áp. Cảm biến này cũng bao gồm bốn "miếng đệm hàn" gắn trên bề mặt để dễ dàng lắp cảm biến trực tiếp lên bảng mạch.

Mạnh mẽ, tiết kiệm điện, dễ dàng và chi phí sản xuất thấp

Kiến trúc theo chiều dọc của cảm biến IR 2.0 giúp có thể sản xuất các cảm biến mới bằng nhựa dẻo, thay vì gốm sứ mỏng manh hoặc silicon, được sử dụng trong hầu hết các cảm biến IR khác trên thị trường. Ma trận nhựa chứa các chủ đề nano làm cho cảm biến rất mạnh mẽ và có thể được đúc theo mong muốn của khách hàng. Ngoài ra, cảm biến có thể được chạm và cũng được sử dụng như một nút bấm (haptic).

Tiêu thụ năng lượng thấp là một tính năng quan trọng khác. Tổng chi phí của một cảm biến có thể bao gồm các yếu tố: nguyên liệu, sản xuất và tích hợp. Chi phí nguyên vật liệu hoặc vật liệu thể hiện giới hạn chi phí thấp hơn của cảm biến. Cho dù sản xuất có hiệu quả hay có bao nhiêu cảm biến được tạo ra, chi phí cho mỗi cảm biến sẽ không thấp hơn chi phí của nguyên liệu thô tạo ra cảm biến.

Ngoài nguyên liệu thô, cảm biến phải được sản xuất và tích hợp vào phần cứng của người mua. Do các cảm biến này được phát triển để sản xuất hàng loạt bằng cách sử dụng công nghệ bảng mạch thông thường, chi phí sản xuất cảm biến thấp so với các cảm biến hồng ngoại thông thường. Tôi cho rằng chi phí sản xuất của một cảm biến có thể lên đến 1/10 trên một đơn vị với khối lượng lớn, so với một cảm biến thông thường. Hôm nay chúng tôi đứng ở ngưỡng cửa của cảm biến IR 2.0; nghiên cứu và phát triển cần thiết được hoàn tất và khái niệm được chứng minh. Tất cả những gì còn lại là để thị trường kiểm chứng thế hệ cảm biến mới này.

Trong một thế giới kết nối tràn ngập dữ liệu, sẽ có nhiều cơ hội để đạt được một xã hội an toàn hơn, thân thiện với môi trường hơn và bền vững hơn. Nhưng để đạt được điều này, điều quan trọng là phải sử dụng công nghệ phù hợp. Trong một thế giới như vậy, đây chính là thời điểm của cảm biến hồng ngoại 2.0.