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

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 19/12/2025: Tuổi Hợi gặp nhiều xui xẻo, tuổi Sửu vận trình vượng phát

Tin hay không tin 18/12/2024 21:53

Những bí ẩn của khoa học đời sống là "món ăn" tinh thần không thể thiếu trong cuộc sống của con người. Tử vi vòng quay công nghệ xem tử vi 12 con giáp ngày 19/12/2024 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...

Đón cơ hội, đưa công nghiệp bán dẫn “cất cánh”

Tự động hóa công nghiệp 18/12/2024 15:20

Với sức nóng của hệ sinh thái sản phẩm bán dẫn, các quốc gia trên thế giới đều đầu tư vào bán dẫn với nhiều tham vọng. Do vậy, Việt Nam cần có chiến lược ngoại giao tổng lực cho bán dẫn để nắm bắt cơ hội ngàn năm có một.

Doanh nghiệp địa ốc tham vọng chuyển hướng làm mảng công nghiệp

Doanh nghiệp, Doanh nhân 18/12/2024 15:16

Bên cạnh việc tập trung phát triển lĩnh vực bất động sản nhà ở thương mại, nhiều chủ đầu tư cũng đang tìm cách chuyển dịch sang phát triển mảng bất động sản công nghiệp.

Tổng Giám đốc điều hành MIS Hoàng Văn Lược: "Làm sao để các em giống như những chiếc la bàn vạn năng"

Đào tạo 18/12/2024 15:12

Ngày 14/12/2024, Trường Tiểu học, THCS & THPT Đa Trí Tuệ (MIS) đã tổ chức thành công hội thảo tuyển sinh năm học 2025-2026 với chủ đề ý nghĩa “Tư duy cùng thắng – Khai phóng tiềm năng.”

28 cơ quan báo chí chuyển đổi số đạt mức Xuất sắc năm 2024

Sự kiện 18/12/2024 11:52

Cả nước có 282 cơ quan báo chí tham gia triển khai đánh giá mức độ trưởng thành chuyển đổi số báo chí năm 2024, chiếm 32,3% tổng số cơ quan báo chí của cả nước.

Nhận định chứng khoán ngày 18/12: Kỳ vọng nhịp tăng mới khi dòng tiền cải thiện

Thị trường 18/12/2024 05:05

Tâm lý thận trọng của nhà đầu tư tiếp tục bao trùm thị trường trong tuần có đáo hạn phái sinh và cuộc họp quan trọng của FED. VN Index được dự báo tích lũy đi ngang quanh vùng 1260 điểm, kỳ vọng một nhịp tăng mới sau các sự kiện này khi dòng tiền cải thiện và lực cầu trở lại.

Mở cửa tiếp cận thị trường chứng khoán với nhà đầu tư nước ngoài

Hoạt động doanh nghiệp 18/12/2024 04:04

Tại Luật Chứng khoán (sửa đổi) quy định theo hướng nhà đầu tư chứng khoán chuyên nghiệp bao gồm tổ chức, cá nhân nước ngoài, qua đó góp phần thu hút các tổ chức, cá nhân nước ngoài tham gia vào thị trường chứng khoán Việt Nam.

Viettel sẽ là cầu nối để 5G thực sự trở thành động lực thay đổi cuộc sống

Sản phẩm, Giải pháp 17/12/2024 21:30

Ngày 17/12 tại TPHCM, hơn 1.000 đối tác, doanh nghiệp, khách mời đã tham dự sự kiện 5G Day do Viettel tổ chức.

Trường Đại học Sân khấu – Điện ảnh Hà Nội kỷ niệm 44 năm ngày thành lập

Đào tạo 17/12/2024 21:29

Sáng 17/12, Trường Đại học Sân khấu – Điện ảnh Hà Nội đã long trọng tổ chức Lễ kỷ niệm 44 năm ngày thành lập trường và 65 năm sự nghiệp đào tạo Sân khấu – Điện ảnh.

BIDV nhận giải thưởng quốc tế lần thứ hai về phát hành trái phiếu bền vững

Hoạt động doanh nghiệp 17/12/2024 21:29

Vừa qua, Ngân hàng TMCP Đầu tư và Phát triển Việt Nam (BIDV) đã được Tạp chí Global Banking and Finance Review (GBFR) trao giải thưởng “Best Sustainable Bond Vietnam 2024” (Ngân hàng triển khai giao dịch phát hành trái phiếu bền vững tốt nhất Việt Nam 2024). Đây là lần thứ hai BIDV nhận được giải thưởng liên quan đến lĩnh vực trái phiếu từ Tạp chí Global Banking and Finance Review.

Xem thêm