Главная Физические и химические датчики



фотоэлектронной эмиссии, фотопроводимости, фотогал.-ванического и пироэлектрических.

Фотоэлектронная эмиссия, или внешний фотоэффект,- это испускание электронов при падении света на физическое тело. Для вылета электронов из физического тела им необходимо преодолеть энергетический барьер. Поскольку энергия фотоэлектронов пропорциональна hcfk (тле h - постоянная Планка, с - скорость света, к - длина волны света), то, чем короче длина волны облучающего света, тем больше энергия электронов и легче преодоление ими указанного барьера.

Эффект фотопроводимости, или внутренний фотоэффект,- это изменение электрического сопротивления физического тела при облучении его светом (см. рис. 4). Среди материалов, обладающих эффектом фотопроводимости,-ZnS, CdS, GaAs, Ge, PbS и др. Максимум спектральной чувствительности CdS приходится приблизительно на свет с длиной волны 500-550 нм, что соответствует приблизительно середине зоны чувствительности человеческого зрения. Оптические датчики, работающие на эффекте фотопроводимости, рекомендуется использовать в экспонометрах фото- и кинокамер, в автоматических выключателях и регуляторах света, обнаружителях пламени и др. Недостаток этих датчиков- замедленная реакция (50 мс и более).

Фотогальванический эффект заключается в возникновении ЭДС на выводах р-п-перехода в облучаемом светом полупроводнике. Под воздействием света внутри р-п-перехода появляются свободные электроны и дырки и генерируется ЭДС. Типичные датчики, работающие по этому принципу,- фотодиоды, фототранзисторы. Такой же принцип действия имеет оптико-электрическая часть двухмерных твердотельных датчиков изображения, например датчиков на приборах с зарядовой связью (ПЗС-датчиков). В качестве материала подложки для фотогальванических датчиков чаще всего используется кремний Сравнительно высокая скорость отклика v-большая чувствительность в диапазоне от ближней инфракрасной (ИК) зоны до видимого света обеспечивае этим датчтткам широкую сферу применения Рис. 6 п( могает лучше понять гтпиниип действия фотогальваниче ских элементов.

Пироэлектрические эффекты - это явления, при кс торых на поверхности физического тела вследствие из


Рис. 6. Схема (а), поясняющая принцип действия фотогальванического элемента, и его вольт-амперная характеристика (б)

менений поверхностного температурного «рельефа» возникают электрические заряды, соответствующие этим изменениям. Среди материалов, обладающих подобными свойствами: LiTaOs, PbTiOs, BaTiOs и множество других так называемых пироэлектрических материалов. Конструкция одного из пироэлектрических датчиков в стандартном корпусе и его эквивалентная схема представлены на рис. 7. В корпус датчика встроен полевой транзистор, позволяющий преобразовать высокое полное сопротивление пироэлектрического элемента с его мизерными электрическими зарядами в более низкое и оптимальное выходное сопротивление датчика. Из датчиков этого типа наиболее часто используются ИК-дат-чики.


-о Сток

-о Исто1<

10 к

-ОЗемлЯ

Рис. 7. Конструкция (а) и эквивалентная схема {б) пироэлектрического датчика

7 - специальная проводящая опора; 2 - пироэлектрический элемент- ; - кре.м-иневое окно; 4-полевой транзистор; 5 - стандартный Kopnvc ТО-Г



Среди оптических датчиков мало найдется таких, которые обладали бы достаточной чувствительностью вс всем световом диапазоне. Большинство датчиков имеет оптимальную чувствительность в довольно узкой зощ ультрафиолетовой, или видимой, или инфракрасной ча сти спектра.

Основные преимущества перед датчиками другт типов:

1. Возможность бесконтактного обнаружения,

2. Возможность {при соответствующей оптике) изме рения объектов как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми размерами.

3. Высокая скорость отклика.

4. Удобство применения интегральной технологи! (оптические датчики, как правило, твердотельные и полупроводниковые), обеспечивающей малые размеры i большой срок службы.

5. Обширная сфера использования: измерение раЗ личных физических величин - перемещения, темпера туры, давления, плотности и др., определение формы распознавание объектов и т. д.

Наряду с преимуществами оптические датчики обладают и некоторыми недостатками, а именно чувствительны к загрязнению, подвержены влиянию постороннегс света, светового фона, а также температуры (при полу проводниковой основе).

Датчики давления. В датчиках давления всегда испы-тывается большая потребность, и они находят весьма широкое применение. Принцип регистрации давления служит основой для многих других типов датчиков, например датчиков массы, положения, уровня и расхода жидкости и др. В подавляющем большинстве случаев индикация давления осуществляется благодаря деформации упругих тел, например диафрагмы, трубки Пру-дона, гофрированной мембраны. Такие датчики имеют достаточную прочность, малую стоимость, но в них зп труднено получение электрических сигналов. Потен-циалометрические (реостатные), емкостные, индукционные, магнитострикционные. ультразвуковые датчике давлеи1"1 имеют не выходе электрический сигнал, !-а сравнительно сложны в изготовлении.

В настоящее время в качестве датчиков давления все шире используются тензометры Особенно перспективными представляются полупроводниковые тензометру!


3"

Рис. 8. Конструкция (а) и эквивалентная схема (б) датчика давления

диффузионного типа. Диффузионные тензометры на кремниевой подложке обладают высокой чувствительностью, малыми размерами и легко интегрируются с необходимыми периферийными схемами. На рис. 8 представлена конструкция и эквивалентная схема одного из датчиков давления диффузионного типа. Путем травления по тонкопленочной технологии на поверхности (100) кристалла кремния с «-проводимостью формируется круглая диафрагма. На краях диафрагмы методом диффузии наносятся пленочные резисторы Ri и i?2, имеющие р-проводимость и вытянутые в длину вдоль осей (110) и (lIO) соответственно. Если к диафрагме прикладывается давление, то сопротивление одной из пар резисторов увеличивается, а другой - уменьшается. Выходной сигнал датчика формируется с помощью мостовой схемы, в которую входят эти резисторы.

Полупроводниковые датчики давления диффузионного типа, подобные вышеописанному, широко используются для измерения артериального давления крови, в автомобильной электронике, во всевозможных компрессорах. Основные проблемы, которые характерны для этих датчиков и которые, по всей видимости, будут решены в ближайшем будущем,- это устранение температурной зависимости, повышение устойчивости к внешней среде и увеличение срока службы.

Датчики влажности и газовые анализаторы. Влажность- физический параметр, с которым, как и с температурой, человек сталкивается с самых древних вре-



Таблица 4. Классификация магнитных датчиков

мен; однако надежных датчиков влажности не было в течение длительного периода. Чаще всего для подобных датчиков использовались человеческий или конский волос, удлиняющиеся или укорачивающиеся при изменении влажности. В настоящее время для определения влажности используется полимерная пленка, покрытая хлористым литием, набухающим от влаги. Однако датчики па этой основе обладают гистерезисом, нестабильностью характеристик во времени и узким диапазоном измерения. Более современными являются датчики, в которых используются керамика и твердые электролиты, В них устранены вышеперечисленные недостатки. Одна из сфер применения датчиков влажности - разнообразные регуляторы атмосферы. В последнее время у датчиков влажности появилась новая, быстро расширяющаяся область применения, а именно системы автоматизации управления электронной кухонной плитой и устройства обнаружения повышенной влажности (нерабочее состояние) в видеомагнитофонах.

Газовые датчики широко используются на производственных предприятиях для обнаружения разного рода вредных газов, а в домашних помещениях - для обнаружения утечки горючего газа. Во многих случаях требуется обнаруживать определенные виды газа и желательно иметь газовые датчики, обладающие избирательной характеристикой относительно газовой среды. Однако реакция на другие газовые компоненты затрудняет создание избирательных газовых датчиков, обладающ! .х высокой чувствительностью и надежностью. Газовые датчики могут быть выполнены на основе МОП-траь зисторов, гальванических элементов, твердых электролитов с использованием явлений катализа, интерференции, поглощения инфракрасных лучей и т. д. Для регистр;-цин утечки бытового газа, например сжиженного npv родного или горючего газа типа пропан, используется главным образом полупроводниковая керамика, в частности SiO-. или устройства, работающие по принципу каталитического горения.

Прп использовании датчиков газа и влажности дл регистоации состояния различных сред, в том числе > arpecciiBHbix. аст: возникает проблема долговечности

Магнитные датчики. Главнои особенностью магни" ных датчиков (табл. 4), как и оптических, является быс" родействие и возможность обнаружения и измерен!

Материал

Датчик Холла Магнитный диод

Магниторезистор

Полупроводник Si, Ge, GaAs Si

InSb, InAs

Магниторезистор Датчик Внганда

Ферромагнетик Ni-Co

Fe-Ni, V-Co-Fe

Датчик Джозефсона

Сверхпроводник Pb, Nb

бесконтактным способом, но в отличие от оптических этот вид датчиков не чувствителен к загрязнению. Oii-нако в силу характера магнитных явлений эффективная работа этих датчиков в значительной мере зависит от такого параметра, как расстояние, и обычно для магнитных датчиков необходима достаточная близость к воздействующему магнитному полю.

Среди магнитных датчиков хорошо известны датчики Холла. В настоящее время они применяются в качестве дискретных элементов, но быстро расширяется применение элементов Холла в виде ИС, выполненных на кремниевой подложке. Подобные ИС наилучшим образом отвечают современным требованиям к датчикам. Особенно эффективно применение элементов Холла в бесколлекторных двигателях видеомагнитофонов, где они используются для определения положения угла поворота и управления частотой вращения.

Магниторезистивные полупроводниковые элементы имеют давнюю историю развития. Сейча. :нова оживились исследования и разработки магниторезистивных датчиков, в которых используются ферромагнетики Недостатком этих датчиков яр..1яетс узьии динамический диапазон обнаруживаемых iBMti-ениГ магч]1тного по.]-Однако высокая чувТБ;те.":ьнскта. а также ао.тмпжног- создания MHoro3,ieMeHTHws дзтчиьов р R-ize ИС путем напыления, т. е техг,:.огмчност>. фо;«чолсва, -доставляют HecoMiiCHHue -:е11М\щества Одн:: из сфер при



0 1 2 [3] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17


0.0257