Thế giới cảm biến và ứng dụng đa dạng trong công nghiệp

Ngày nay, xung quanh môi trường sống của chúng ta, đâu đâu cũng xuất hiện một loại thiết bị, công cụ được gọi tên là "Cảm biến" (tiếng Anh là sensor). Đây là một thiết bị hoặc phần tử dùng để phát hiện và đo các thay đổi vật lý hoặc hóa học trong môi trường và chuyển đổi chúng thành tín hiệu để xử lý. Các tín hiệu này thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển tự động, thiết bị điện tử, y tế, giao thông và nhiều ứng dụng công nghiệp khác.

Đặc điểm và công dụng phong phú của cảm biến

Các chức năng chính của cảm biến là ghi nhận các thông số như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, từ trường, âm thanh, chuyển động, hoặc các yếu tố khác để rồi chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện hoặc tín hiệu tương tự. Loại tín hiệu đầu ra của cảm biến gồm tín hiệu analog - liên tục thay đổi theo giá trị của yếu tố đo hoặc tín hiệu digital - là tín hiệu số hóa với giá trị đầu ra cụ thể (0 hoặc 1). Cảm biến có độ chính xác cao thường được sử dụng trong các hệ thống đo lường và điều khiển quan trọng.

Cảm biến thường được phân loại theo mục đích sử dụng như: Cảm biến nhiệt (nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện). Cảm biến ánh sáng (photodiode, phototransistor). Cảm biến chuyển động (PIR sensor). Cảm biến âm thanh (microphone). Cảm biến áp suất, lực (strain gauge) và cảm biến khí (gas sensor). Hoặc được phân loại theo nguyên lý hoạt động như: Cảm biến điện từ, cảm biến quang học, cảm biến hóa học, cảm biến cơ học.

Các loại cảm biến ngày nay được ứng dụng trong mọi lĩnh vực đời sống xã hội. Ví dụ như trong công nghiệp thì giám sát nhiệt độ, áp suất trong dây chuyền sản xuất; trong điện tử tiêu dùng gần gũi nhất với chúng ta như Smartphone sử dụng cảm biến ánh sáng, vân tay, gia tốc; trong y tế dùng để đo nhịp tim, huyết áp, mức oxy trong máu; trong ngành giao thông như hệ thống cảnh báo va chạm, cảm biến tốc độ; trong nông nghiệp thì dùng để đo độ ẩm đất, giám sát môi trường.

Rộng hơn, có thể nói, cảm biến đóng vai trò cốt lõi trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nơi các hệ thống tự động hóa và IoT (Internet of Things) phụ thuộc rất lớn vào khả năng thu thập và phân tích dữ liệu từ các cảm biến.

Khởi thủy của công nghệ cảm biến

Loại cảm biến đầu tiên được sử dụng trên thế giới có thể truy nguyên về thời điểm con người bắt đầu sử dụng các thiết bị đo lường cơ bản trong tự nhiên. Một trong những loại cảm biến đầu tiên được ghi nhận trong lịch sử là cảm biến nhiệt độ, cụ thể là nhiệt kế thủy ngân do nhà khoa học Galileo Galilei phát minh vào đầu thế kỷ 17 (khoảng năm 1603).

Nhiệt kế thủy ngân hoạt động dựa trên sự giãn nở của chất lỏng (thủy ngân) khi nhiệt độ thay đổi, được sử dụng để đo nhiệt độ môi trường và thí nghiệm khoa học. Đây được coi là dạng cảm biến nhiệt đầu tiên, mở đường cho các công nghệ cảm biến nhiệt hiện đại.

Phong vũ biểu bằng kim loại được Nicolas Conté phát minh vào năm 1799. Về cơ bản, là một dụng cụ khoa học được sử dụng để đo áp suất không khí ở một môi trường nhất định. Phong vũ biểu là hộp kín chứa một phần chân không. Hộp này mở rộng hoặc co lại theo sự khác biệt về áp suất không khí và các kim, được gắn vào hộp, di chuyển tương ứng trên một thang đo được đánh dấu cho thấy áp suất không khí tăng hoặc giảm.

Một loại cảm biến cổ điển khác là cảm biến áp suất, thiết bị như phong vũ biểu của Evangelista Torricelli (1643) có thể được coi là cảm biến áp suất khí quyển đầu tiên, giúp đo áp suất không khí để dự đoán thời tiết. Vào thế kỷ 19, cảm biến quang điện dựa trên hiệu ứng quang điện được phát triển bởi Heinrich Hertz và Wilhelm Hallwachs, mở đầu cho việc chế tạo cảm biến quang học.

Những thiết bị này, dù đơn giản, đã đặt nền móng cho sự phát triển của ngành công nghệ cảm biến hiện đại, ứng dụng trong mọi lĩnh vực từ khoa học, y học đến công nghiệp.

10 loại cảm biến phổ dụng nhất trên thế giới hiện nay

Hiện nay, có nhiều loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau. Dưới đây là 10 loại cảm biến được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực từ công nghiệp, y tế, tự động hóa, đến điện tử dân dụng.

1. Cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensors) gồm có Thermocouples - Đo nhiệt độ dựa trên hiệu ứng Seebeck. RTD (Resistance Temperature Detectors) - Sử dụng sự thay đổi điện trở của kim loại với nhiệt độ. Thermistors - Sử dụng vật liệu bán dẫn để đo nhiệt độ.

2. Cảm biến áp suất (Pressure Sensors) gồm: Piezoelectric Sensors - Dùng vật liệu áp điện để chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện. Strain-Gauge Sensors - Dùng biến dạng của một vật liệu để đo áp suất. Capacitive Sensors - Dùng thay đổi điện dung để đo áp suất.

3. Cảm biến gia tốc (Accelerometers) như: MEMSAccelerometers- Dùngvicơ điện tử để đo gia tốc theo nhiều trục. Piezoelectric Accelerometers - Dùng vật liệu áp điện để đo gia tốc.

4. Cảm biến khoảng cách và chuyển động (Distance and Motion Sensors) bao gồm các loại: Ultrasonic Sensors - Dùng sóng siêu âm để đo khoảng cách. Infrared Sensors -Dùng ánh sáng hồng ngoại để phát hiện chuyển động và đo khoảng cách. LIDAR (Light Detection and Ranging) - Dùng tia laser để đo khoảng cách.

5. Cảm biến ánh sáng (Light Sensors) gồm có: Photodiodes -Dùng để phát hiện ánh sáng. Phototransistors - Tương tự như photodiodes nhưng có độ nhạy cao hơn. LDR (Light Dependent Resistor) - Điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng.

6. Cảm biến độ ẩm (Humidity Sensors) như: Capacitive Humidity Sensors - Dùng thay đổi điện dung để đo độ ẩm. Resistive Humidity Sensors - Dùng thay đổi điện trở để đo độ ẩm.

7. Cảm biến khí (Gas Sensors) thường dùng: Metal-Oxide Semiconductor (MOS) Sensors - Dùng vật liệu bán dẫn để phát hiện khí. Electrochemical Sensors - Dùng phản ứng hóa học để phát hiện khí.

8. Cảm biến âm thanh (Sound Sensors) như: Microphones - Dùng để thu và chuyển đổi âm thanh thành tín hiệu điện. Piezoelectric Sound Sensors - Dùng vật liệu áp điện để phát hiện âm thanh.

9. Cảm biến lực và trọng lượng (Force and Weight Sensors) gồm: Strain Gauge Sensors - Đo lực và trọng lượng bằng cách đo biến dạng của vật liệu. Load Cells - Dùng để đo trọng lượng với độ chính xác cao.

10. Cảm biến từ trường (Magnetic Sensors): Hall Effect Sensors - Dùng hiệu ứng Hall để đo từ trường. Magnetometers - Đo cường độ và hướng của từ trường.

Công nghệ chế tạo cảm biến và xu thế thời đại

Công nghệ chế tạo cảm biến đã phát triển vượt bậc qua các giai đoạn, gắn liền với sự tiến bộ trong khoa học vật liệu, công nghệ sản xuất, và nhu cầu ứng dụng ngày càng đa dạng.

Sự phát triển của công nghệ chế tạo cảm biến có thể chia thành 3 giai đoạn. Giai đoạn ban đầu dựa trên công nghệ cơ học và vật lý truyền thống. Thời kỳ này, các cảm biến đơn giản dựa vào nguyên lý cơ học và hiện tượng vật lý tự nhiên, như nhiệt kế, phong vũ biểu hoặc cảm biến áp suất. Vật liệu sử dụng gồm chất lỏng như thủy ngân, các kim loại đơn giản, và các cấu trúc cơ học cơ bản. Ưu điểm là dễ chế tạo và phù hợp cho ứng dụng đo lường cơ bản. Hạn chế là độ nhạy và độ chính xác còn hạn chế, kích thước lớn và không tự động hóa.

Giai đoạn giữa - Công nghệ điện tử hóa (Thế kỷ 20). Sự phát triển của ngành điện tử và bán dẫn giúp cảm biến chuyển từ cơ học sang điện tử. Các cảm biến đầu tiên như cảm biến áp điện, cảm biến quang học, và cảm biến từ trường ra đời. Công nghệ chính là chế tạo cảm biến bán dẫn - Sử dụng silicon để đo nhiệt độ, áp suất, và từ trường. Hiệu ứng vật lý là tận dụng hiệu ứng áp điện, hiệu ứng Hall, và hiệu ứng quang điện. Phương cách sản xuất là dùng công nghệ màng mỏng (thin film), công nghệ hàn và chế tạo vi mạch. Ứng dụng trong các ngành ô tô, hàng không, thiết bị gia dụng, và công nghiệp.

Giai đoạn hiện đại - Công nghệ MEMS và IoT (Thế kỷ 21). Theo công nghệ MEMS (Microelectromechanical Systems), cảm biến được chế tạo với kích thước rất nhỏ (micromet), tích hợp giữa cơ học, điện tử và quang học. Sử dụng vật liệu mới như silicon, graphene, polymer. Tăng độ nhạy và độ chính xác, giảm kích thước và chi phí. Ứng dụng trong smartphone (gia tốc kế, cảm biến vân tay), thiết bị y tế (đo đường huyết, nhịp tim) và ô tô tự lái.

Cảm biến quang học và sinh học - Sử dụng công nghệ laser và các phân tử sinh học để tạo cảm biến trong y tế và môi trường. Phát triển cảm biến dựa trên hạt nano để phát hiện các chất cực nhỏ.

IoT (Internet of Things) - Tích hợp cảm biến với mạng không dây để kết nối, thu thập và xử lý dữ liệu thời gian thực. Đẩy mạnh ứng dụng trong nhà thông minh, công nghiệp 4.0, và nông nghiệp chính xác.

Loại “cảm biến có thể in” (printable sensors) dành cho một thế giới thông minh, bền vững trong tương lai.

Xu hướng tương lai của thế giới sẽ là các thế hệ cảm biến thông minh và tự thích nghi như: Cảm biến AI - Tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để học hỏi và phân tích dữ liệu trực tiếp. Cảm biến sinh học tiên tiến - Sử dụng vật liệu sinh học và cảm biến nano để phát hiện và xử lý dữ liệu từ các yếu tố sinh học. Cảm biến năng lượng tự cung cấp - Phát triển cảm biến tự sạc hoặc sử dụng năng lượng từ môi trường, không cần nguồn cấp ngoài. Chế tạo 3D - Sử dụng in 3D để tạo cảm biến có hình dạng đặc thù hoặc tùy chỉnh theo ứng dụng cụ thể.

Tóm lại, công nghệ chế tạo cảm biến đã phát triển từ những thiết bị cơ học cơ bản đến các cảm biến thông minh và tiên tiến hiện nay, phục vụ đa dạng các ngành công nghiệp và lĩnh vực trong đời sống. Xu hướng tương lai tập trung vào tính thông minh, tự động hóa và tích hợp đa chức năng với mục tiêu nâng cao hiệu quả và tiện ích của các hệ thống cảm biến.

Hải Minh

tudonghoangaynay.vn

Tin bài khác

Dấu ấn thương mại AI trên thị trường toàn cầu

Trí tuệ nhân tạo 16/09/2025 14:58

Trong bối cảnh trí tuệ nhân tạo (AI) đang trở thành động lực then chốt của chuyển đổi số, sự kiện Oracle công bố những thành tựu mới đã tạo nên một “cú nổ bom tấn” trên thị trường công nghệ. Đây không chỉ là một cột mốc quan trọng đối với riêng Oracle, mà còn cho thấy ảnh hưởng ngày càng sâu rộng của thương mại AI trong hoạt động kinh doanh toàn cầu.

Khép lại chuỗi ngày Triển lãm 80 năm thành tựu đất nước: xây dựng niềm tự hào, lòng biết ơn của nhiều thế hệ

Sự kiện 16/09/2025 12:38

Tối 15/9, Triển lãm “80 năm hành trình Độc lập -Tự do - Hạnh phúc” bế mạc với màn trao giải cho các đơn vị có đóng góp xuất sắc và tổ chức ca nhạc, bắn pháo hoa phục vụ hàng chục vạn du khách tham quan. Sau 19 ngày hoạt động, triển lãm được ghi nhận thành công vượt mong đợi và xác lập nhiều kỷ lục đáng tự hào.

Hà Nội lần đầu tiên đăng cai Triển lãm Máy Công cụ chuyên nghiệp vào tháng 11/2025

Lịch sự kiện 16/09/2025 09:42

Sự bùng nổ sản xuất tại Việt Nam thu hút triển lãm công nghiệp hàng đầu của CMES đến Hà Nội, hứa hẹn mang lại các thương vụ xuyên biên giới và những góc nhìn về Công nghiệp 4.0.

Thủ tướng Phạm Minh Chính: "Triển lãm 80 năm Độc lập - Tự do - Hạnh phúc vượt ngoài mong đợi"

Sự kiện 16/09/2025 08:46

Tối 15/9, tại Trung tâm Triển lãm Quốc gia (Đông Anh, Hà Nội), Thủ tướng Chính phủ Phạm Minh Chính tham dự và phát biểu tại lễ bế mạc Triển lãm thành tựu đất nước với chủ đề "80 năm hành trình Độc lập -Tự do - Hạnh phúc".

Bốn chiến lược bảo trì để kéo dài tuổi thọ thiết bị kho bãi

Kỹ thuật điều khiển 16/09/2025 05:15

Trong khi nhiều doanh nghiệp kho bãi mải tập trung đáp ứng đơn hàng và cắt giảm thời gian ngừng hoạt động, công tác bảo trì thiết bị lại thường bị bỏ ngỏ. Thực tế, duy trì một chiến lược bảo trì toàn diện không chỉ kéo dài tuổi thọ máy móc mà còn giúp tối ưu chi phí, tăng năng suất và bảo đảm an toàn lao động. Đây chính là nền tảng để vận hành hiệu quả và bền vững trong dài hạn.

Nhận định phiên giao dịch ngày 16/9: VN-Index hướng 1.700 điểm – nhà đầu tư nên gia tăng tỷ trọng cổ phiếu

Thị trường 16/09/2025 05:05

Phiên giao dịch ngày 15/9 chứng kiến VN-Index bứt phá lên 1.684,9 điểm với sắc xanh lan tỏa ở toàn bộ 18 nhóm ngành. Thanh khoản cải thiện mạnh, nhóm midcap và smallcap đồng loạt tăng tốc, trong khi nhiều cổ phiếu vốn hóa lớn đảo chiều tích cực. Trước xu hướng thị trường khởi sắc, các chuyên gia khuyến nghị nhà đầu tư có thể nâng tỷ trọng cổ phiếu trong danh mục lên mức 30 – 50%.

Việt Nam tạo dấu ấn mạnh tại AWG-35 với sáng kiến quản lý tần số và phát triển hạ tầng số

Sự kiện 16/09/2025 04:07

Tại Hội nghị lần thứ 35 của Nhóm công tác về phối hợp tần số (AWG-35) thuộc Tổ chức Viễn thông châu Á - Thái Bình Dương (APT) vừa tổ chức tại Thái Lan, đoàn Việt Nam đã ghi dấu ấn mạnh mẽ với nhiều sáng kiến đột phá trong quản lý phổ tần và phát triển hạ tầng số.

Thất nghiệp ẩn (Hidden Unemployment): Hiện tượng cần nhìn thẳng và giải pháp

Diễn đàn 16/09/2025 04:04

GIG Economy ở Việt Nam đang bùng nổ, được ca ngợi như biểu tượng của sự linh hoạt và tự do. Thế nhưng đằng sau lớp vỏ hào nhoáng ấy, một hiện tượng ngày càng rõ rệt là “thất nghiệp ẩn” (hidden unemployment), tình trạng người lao động có việc nhưng thu nhập bấp bênh, thiếu an sinh và kỹ năng bị lãng phí. Bài viết này phân tích hiện tượng dưới góc nhìn xã hội - kinh tế, đối chiếu kinh nghiệm quốc tế, và gợi mở giải pháp cho Việt Nam, nhằm biến Gig Economy thành động lực chứ không phải bóng ma của thị trường lao động.

Giải pháp công nghệ cho dân cư, doanh nghiệp trên nền định danh số

Sản phẩm, Giải pháp 15/09/2025 22:05

Thủ tướng Chính phủ Phạm Minh Chính vừa ký Chỉ thị số 24/CT-TTg ngày 13/9/2025 về việc thúc đẩy triển khai các giải pháp công nghệ phục vụ người dân và doanh nghiệp gắn với dữ liệu dân cư, định danh và xác thực điện tử.

JBL ra mắt tai nghe mở JBL Sense Lite - nhỏ gọn, an toàn, giàu bass

Sản phẩm hot 15/09/2025 22:04

Nhỏ gọn, thoáng tai nhưng vẫn tràn đầy năng lượng - JBL Sense Lite mở ra trải nghiệm âm nhạc mới với chất âm sống động, pin bền bỉ và nhiều tính năng thông minh.

Xem thêm

Tự động hóa

Thế giới cảm biến và ứng dụng đa dạng trong công nghiệp

Agribank: Từ cho vay mua xe điện đến chiến lược phát triển bền vững

Dấu ấn thương mại AI trên thị trường toàn cầu

Khép lại chuỗi ngày Triển lãm 80 năm thành tựu đất nước: xây dựng niềm tự hào, lòng biết ơn của nhiều thế hệ

Hà Nội lần đầu tiên đăng cai Triển lãm Máy Công cụ chuyên nghiệp vào tháng 11/2025

Thủ tướng Phạm Minh Chính: "Triển lãm 80 năm Độc lập - Tự do - Hạnh phúc vượt ngoài mong đợi"

Bốn chiến lược bảo trì để kéo dài tuổi thọ thiết bị kho bãi

Nhận định phiên giao dịch ngày 16/9: VN-Index hướng 1.700 điểm – nhà đầu tư nên gia tăng tỷ trọng cổ phiếu

Việt Nam tạo dấu ấn mạnh tại AWG-35 với sáng kiến quản lý tần số và phát triển hạ tầng số

Thất nghiệp ẩn (Hidden Unemployment): Hiện tượng cần nhìn thẳng và giải pháp

Giải pháp công nghệ cho dân cư, doanh nghiệp trên nền định danh số

JBL ra mắt tai nghe mở JBL Sense Lite - nhỏ gọn, an toàn, giàu bass

Báo in

Tạp chí số tháng 7 + 8 - 2025

Đọc nhiều

Tự động hóa pallet tự do: Bước tiến mới trong sản xuất linh hoạt và mở rộng quy mô

Thiết bị PGNAA và kỹ thuật phân tích hạt nhân-nguyên tử trong các ngành công nghiệp ở Việt Nam

Intrinsic và Google DeepMind công bố đột phá AI điều phối nhiều robot công nghiệp cùng lúc