حسگر چيست؟

حسگر يک وسيله ي الکتريکي است که تغييرات فيزيکي يا شيميايي را اندازه گيري مي کند وآنها را به سيگنالهاي الکتريکي تبديل مي نمايد. حسگرها درواقع ابزار ارتباط ربات با دنياي خارج وکسب اطلاعات محيطي ونيز داخلي مي باشند، ويا به طور کلي ابزارهايي هستند که تحت شرايط خاص ازخود واکنشهاي پيش بيني شده ومورد انتظار نشان مي دهند. شايد بتوان دماسنج را جزء اولين حسگرهايي دانست که بشرساخت .

ساختار کلي يک حسگر:

درطراحي يک حسگر دانشمندان علوم مختلف مانند بيوشيمي، بيولوژي، الکترونيک، شاخه هاي مختلف شيمي و فيزيک حضوردارند. قسمت اصلي يک حسگرشيميايي يا زيستي عنصرحسگر آن مي باشد. عنصرحسگر در تماس با يک آشکارساز است. اين عنصرمسئول شناسايي و پيوند شدن با گونه ي مورد نظر در يک نمونه ي پيچيده است. سپس آشکارساز سيگنالهاي شيميايي را که در نتيجه ي پيوند شدن عنصرحسگر با گونه ي موردنظر توليد شده است را به يک سيگنال خروجي قابل اندازه گيري تبديل مي کند. حسگرهاي زيستي بر اجزاي بيولوژيکي نظيرآنتي بادي ها تکيه دارند. آنزيمها ، گيرنده ها يا کل سلولها مي توانند به عنوان عنصر حسگرمورد استفاده قرار گيرند.

خصوصيات حسگرها:

يک حسگرايده آل بايد خصوصيات زيررا داشته باشد :
1. سيگنال خروجي بايد متناسب با نوع و ميزان گونه ي هدف باشد.
2. بسيار اختصاصي نسبت به گونه مورد نظر عمل کند.
3. قدرت تفکيک و گزينش پذيري بالايي داشته باشد.
4. تکرارپذيري و صحت بالايي داشته باشد.
5. سرعت پاسخ دهي بالايي داشته باشد. ( درحد ميلي ثانيه )
6. عدم پاسخ دهي به عوامل مزاحم محيطي مانند دما ، قدرت يوني محيط و …

نانوحسگرها

با پيشرفت علم در دنيا و پيدايش تجهيزات الکترونيکي و تحولات عظيمي که در چند دهه ي اخير و درخلال قرن بيستم به وقوع پيوست نياز به ساخت حسگرهاي دقيق تر،کوچکتر و داراي قابليتهاي بيشتر احساس شد. امروزه از حسگرهايي با حساسيت بالا استفاده مي شود به طوريکه در برابر مقادير ناچيزي از گاز، گرما و يا تشعشع حساس اند. بالا بردن درجه ي حساسيت، بهره و دقت اين حسگرها به کشف مواد و ابزارهاي جديد نياز دارد. نانو حسگرها، حسگرهايي در ابعاد نانومتري هستند که به خاطرکوچکي و نانومتري بودن ابعادشان از دقت و واکنش پذيري بسيار بالايي برخوردارند به طوري که حتي نسبت به حضور چند اتم از يک گاز هم عکس‌العمل نشان مي دهند.

انواع نانو حسگرها:

نانوحسگرها براساس نوع ساختارشان به سه دسته ي نقاط کوانتومي ، نانولوله هاي کربني و نانوابزارها تقسيم بندي مي شوند:
1.استفاده از نقاط کوانتومي درتوليد نانو حسگرها:
نقاط کوانتومي به عنوان بلورهاي نيمه هادي کوچک تعريف مي شوند. با کنترل ابعاد نقاط کوانتومي، ميدان الکترومغناطيسي نور را دررنگها و طول موجهاي مختلف، منتشرمي کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومي از جنس آرسنيدکادميوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر مي کند؛ درحالي که ذراتي به بزرگي 5/5 نانومتر از همان ماده نور قرمز منتشرمي کند. به دليل قابليت توليد نور در طول موجهاي خاص نقاط کوانتومي ، اين بلورهاي ريز در ادوات نوري به کارمي روند. دراين عرصه از نقاط کوانتومي در ساخت آشکارسازهاي مادون قرمز، ديودهاي انتشار دهنده ي نورمي توان استفاده نمود. آشکارسازهاي مادون قرمز از اهميت فوق العاده اي برخوردارند. مشکل اصلي اين آشکارسازها مسئله ي خنک سازي آنهاست. براي خنک سازي اين آشکارسازها از اکسيژن مايع وخنک سازي الکترونيکي استفاده مي شود. اين آشکارسازها براي عملکرد صحيح بايد دردماهاي بسيار پائين، نزديک به 80 درجه کلوين کارکنند، بنابراين قابل استفاده در دماي اتاق نيستند، درصورتي که از آشکارسازهاي ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومي مي توان به راحتي در دماي اتاق استفاده کرد.
2. استفاده ازنانولوله ها درتوليد نانوحسگرها:
نانو لوله هاي کربني تک ديواره و چند ديواره به علت داشتن خواص مکانيکي و الکترونيکي منحصر به فردشان کاربردهاي متنوعي پيدا کردند که از جمله مي توان به استفاده از آنها به عنوان حسگرهايي با دقت بسيار بالا براي تشخيص مواد در غلظتهاي بسيار پائين و با سرعت بالا اشاره کرد.
به طورکلي کاربرد نانو لوله ها در حسگرها را مي توان به دو دسته تقسيم کرد:
الف ) نانولوله هاي کربني به عنوان حسگرهاي شيميايي:
اين حسگرها مي توانند دردماي اتاق غلظتهاي بسيارکوچکي از مولکولهاي گازي با حساسيت بسياربالا را آشکارسازي کنند. حسگرهاي شيميايي شامل مجموعه اي از نانولوله هاي تک ديواره هستند و ميتوانند مواد شيميايي مانند دي اکسيد نيتروژن ( NO2 ) وآمونياک ( NH3 ) را آشکارکنند. هدايت الکتريکي يک نانولوله نيمه هادي تک ديواره که درمجاورت ppm200 از NO2 قرارداده مي شود، مي تواند در مدت چند ثانيه تا سه برابر افزايش يابد و به ازاي اضافه کردن فقط 2% NH3 هدايت دو برابر خواهد شد. حسگرهاي تهيه شده ازنانولوله هاي تک ديواره داراي حساسيت بالايي بوده ودردماي اتاق هم زمان واکنش سريعي دارند. اين خصوصيات نتايج مهمي درکاربردهاي تشخيصي دارند.
ب) نانولوله هاي کربني به عنوان حسگرهاي مکانيکي:
هنگامي که يک نانولوله توسط جسمي به سمت بالا يا پائين حرکت مي کند، هدايت الکتريکي آن تغيير مي يابد. اين تغيير در هدايت الکتريکي، با تغيير شکل مکانيکي نانولوله کاملا ً متناسب است. اين اندازه گيري به وضوح امکان استفاده از نانولوله ها را به عنوان حسگرهاي مکانيکي نشان مي دهد. يا مي توان با استفاده از مواد واسط مانند پليمرها در فاصله ي ميان نانولوله هاي کربني وسيستم، نانولوله هاي کربني را براي ساخت بيوحسگرها توسعه داد. شبيه سازي هاي ديناميکي نشان مي دهد که برخي پليمرها مانند پلي اتيلن مي توانند به صورت شيميايي با نانولوله کربني پيوند يابند. همچنين مولکول بنزن نيز مي تواند به وسيله ي پيوندهاي واندروالس روي نانولوله ي کربني جذب شود. اين تحقيقات کاربردهاي بسيار متنوع و وسيع نانولوله ها ي کربني را نشان مي دهد. تحقيق دراين زمينه هنوزدرحال توسعه وپيشرفت است ومطمئنا ً درآينده اي نه چندان دور شاهد به کارگيري آنها درابزارها و صنايع مختلف خواهيم بود.
3.استفاده ازنانو ابزارها درتوليد نانوحسگرها:
با استفاده از اين حسگرها شناسايي مقادير بسيار کم آلودگي شيميايي يا ويروس و باکتري در سامانه ي کشاورزي وغذايي ممکن است. تحقيقات درزمينه ي نانوابزارها جزء پژوهشهاي علمي به روز دنياست.

نانو حسگرها و کنترل آلودگي هوا:

يکي از نيازهاي مهم و اساسي در ارتباط با کنترل آلودگي محيط زيست، پايش مستمرآلودگي هواست. با استفاده از نانوحسگرها پيشرفت مؤثري در زمينه ي کنترل آلودگي هوا صورت گرفته است. يکي از اين راهکارها اختراع غبارهاي هوشمند مي باشد. غبارهاي هوشمند مجموعه اي از حسگرهاي پيشرفته به صورت نانو رايانه هاي بسيارسبک هستند که به راحتي ساعتها درهوا معلق باقي مي مانند. اين ذرات بسيار ريز از سيليکون ساخته مي شوند و مي توانند ازطريق بي سيم موجود درخود اطلاعات موجود در خود را به يک پايگاه مرکزي منتقل کنند. سرعت اين انتقال حدود يک کيلوبايت در ثانيه است. هم چنين حسگرهايي از جنس نانولوله هاي تک لايه ساخته شده اند که مي توانند مولکولهاي گازهاي سمي را جذب کنند و همچنين آنها قادر به شناسايي تعداد معدودي از گازهاي مهلک موجود درمحيط هستند. محققان معتقدند اين نانوحسگرها براي شناسايي گازهاي بيوشيميايي جنگي و آلاينده هاي هوا کاربرد خواهند داشت.

مبارزه با انتشار گازهاي سمي:

انتشار و پخش گازهاي مهلک و سمي يکي از خطرات روزمره زندگي صنعتي است. متأسفانه هشدار دهنده‌هاي موجود در صنعت اغلب بسيار دير موفق به شناسائي اين‌گونه گازهاي نشتي مي‌شوند. نانوحس‌گرها که از نانوتيوب‌هاي تک لايه به ضخامت حدود يک نانومتر ساخته شده‌اند و مي‌توانند مولکول‌هاي گازهاي سمي را جذب کنند. آنها هم‌چنين قادر به شناسائي تعداد معدودي از مولکول‌هاي گازهاي مهلک در محيط هستند. محققان مدعي‌اند که اين حس‌گرها براي شناسائي به هنگام گازهاي بيوشيميائي جنگي، آلاينده‌هاي هوا و حتي مولکول‌هاي آلي موجود در فضا کاربرد خواهند داشت.

جذابيت‌هاي نانوحسگرها

به طور صريح اين قبيل مزاياي نانوحسگرها باعث شده است که به عنوان فرصتي وسوسه‌انگيز براي بازار تلقي شوند. نانوحسگرها به طور ذاتي کوچک‌تر و حساس‌تر از ساير حسگرها مي‌باشند. همچنين اين ظرفيت را دارند که قيمت تمام شدة آنها کمتر از قيمت تمام‌شده حسگرهاي موجود در بازار باشد.
براي مثال اگر قيمت حسگرهاي صنعتي متداول امروزي، چند 10 هزار دلار باشند براي نانوحسگرهايي که بتوانند همان کار را انجام دهند به صورت نظري چند 10 دلار برآورد مي‌شود. نانوحسگرها همچنين هزينه جاري را نيز کاهش مي‌دهند؛ زيرا به طور ذاتي برق کمتري مصرف مي‌کنند.
درنهايت از آنجايي که نانوحسگرها هزينه‌هاي خريد و اجرا را کاهش مي‌دهند؛ ممکن است به‌کارگيري آنها به صورت آرايه‌ها و توده‌ها مقرون به صرفه باشد و همچنين بتوانند به شکل فراگير و حتي اضافي در قطعات کاربرد پيدا کنند؛ به طوري‌که اگر يک نانوحسگر از کار بيفتد و از مدار خارج شود بتوان از آن صرف نظر کرد و ضريب امنيت در حد مطلوبي باقي بماند، زيرا تعداد زيادي نانوحسگر ديگر در سيستم مي‌توانند کار آن را به عهده بگيرند.
در بخش نظامي و امنيت ملي نيز احتياج به حسگرهاي بسيار حساسي است که بتوانند به صورت گسترده توزيع شوند تا به کمک آنها بتوان تشعشعات و بيوسم‌هاي زيستي را مورد بررسي قرار داد. در زمينه پزشکي نياز به حسگرهاي بسيار حساسي به صورت آزمايشگاه‌هايي بر روي تراشه است كه بتوانند کوچک‌ترين علائم نشان‌دهندة سرطان را شناسايي کنند. در صنايع هوافضا احتياج به نانوحسگرهايي است که در بدنة هواپيماها به عنوان سيستم هشداردهنده ثابت قرار بگيرند و مشخص کنند که چه زماني هواپيما احتياج به تعميرات دارد.
در صنايع اتومبيل مي‌توان از نانوحسگرها براي مصرف بهينه سوخت استفاده کرد. همچنين در اتومبيل‌هاي گران‌قيمت مي‌توان براي بهبود وضعيت صندلي و وضعيت کنترل‌هاي موجود به تناسب حالت‌هاي مختلف بدن، اين نانوحسگرها را مورد استفاده قرار داد.

آينده نگري:

مي توان انتظار داشت که در آينده با ترکيب محرک ها و نانوحسگرها بتوان مواد هوشمندي ساخت که در فرآيندهاي توليد سيستم هاي پيچيده نقش هاي مهمي ايفا کرده و فناوري جديد ديگري را پايه ريزي کنند. گرچه موانعي مانند افزايش قيمت، اطمينان پذيري از تاثير آنها و نيز اطمينان از کاربرد آنها در زمينه هاي صلح آميز نيز بايد از سر راه برداشته شوند.
منابع:
http://www.daneshju.ir/forum/f332/t22061.html
http://forum.niksalehi.com/showthread.php?t=25020
http://www.azonano.com/details.asp?ArticleID=1281