Тензорезистори

Простим тензодатчиком є тензорезистор, який являє собою пластину або стержень напівпровідника з омічними контактами на кінцях. Один кінець пластини закріплюють в нерухомій основі, а на другу діє сила F (рис. 1.7).


Рис. 1.7. Найпростіша конструкція сенсора зусилля

Для характеристики зміну опору деформації використовують коефіцієнт тензочутливості
який являє собою відношення відносної зміни опору до відносної деформації в даному напрямку (l – розмір напівпровідника в напрямку деформації). В тензодатчику при згину міняється довжина стержню, таким чином напрям деформації співпадає з віссю стержня.

Для зменшення впливу температури на величину опору терморезистори виготовляють з мілкодомішкових напівпровідників, у котрих концентрація основних носіїв дорівнює концентрації домішки (використовують домішку, яка дає мілкі рівні енергії у забороненій зоні ) і не залежить від деформації. Тому зміна опору визначається тільки зміною рухливості.

Коефіцієнт тензочутливості для германію і кремнію має найбільше значення порядку 150-175. Знаки для германію і кремнію і напрям деформації, в кожному максимально.
Ge р>0 [111]
n<0 [111]
Si р<0 [111]
n>0 [100] напрямок.

Залежність рухливості від деформації в арсеніді галію n-типу носить більш складний характер. При малих тисках характер електронів з ростом тиску зменшується (m<0) , що пов’язано з переходом електронів з мінімуму [000] в мінімум [100]. При більших тисках , коли мінімум [100] опускається нижче мінімуму [000] рухливість збільшується з ростом тиску (m>0). Але для створення тензодатчиків арсенід галію n-типу практично не використовують із-за малого значення m.

Тензочутливість арсеніду галію p-типу пояснюється тими ж причинами, що германію і кремнію. Відповідно максимальне m спостерігається при деформації у напрямку [111]. Коефіцієнт m>0 має приблизно ту ж величину, що і у германію і кремнію.

Велику тензочутливість мають також деякі напівпровідникові сполуки , наприклад
n-GaSb (m[111]=-226), p-InSb (m[111]=212).
Одним із методів збільшення чутливості тензорезистору є зменшення концентрації домішки.
В напівпровіднику, провідність котрого близька до власної, електропровідність змінюється за рахунок зміни двох величин: u і Еg. Тому зміна електропровідності при деформації, а відповідно величина m, більше.

Але при цьому величина електричної провідності сильно залежить від температури, що приводить до залежності m від температури (рис. 1.8).


Рис. 1.8. Залежності тензочутливості тензорезисторів від температури


Збільшення тензочутливості домішкового напівпровідника можна досягнути компенсуванням його домішкою, яка утворює глибокі рівні у забороненій зоні. В області температур, які відповідають неповній іонізації домішок, електрична провідність напівпровідника залежить від Ен. В Ge і Si , легованих золотом, з ростом тиску величина Ен зменшується. Це по-різному відбувається на їх тензочутливості. Наприклад, в n-Ge n при зтисненні зменшується, що приводить до зменшення електропровідності. Таким чином, зменшуючи G за рахунок зменшення n частково компенсується з ростом G за рахунок зменшення Ен, т.ч. тензочутливість зменшується.

У кремнії n-типу навпаки, un росте при стисканні. Зменшення Ен призводить до додаткового росту електропровідності і тензочутливість росте. Але з ростом тензочутливості напівпровідника за рахунок введення глибоких рівнів також приводить до збільшення залежності опору і m від температури.

Основні принципи роботи сенсорів механічних величин

В основу роботи сенсорів механічних величин покладено цілу низку фізичних явищ, які поділяються за природою як вхідного так і вихідного сигналу. Розглянемо основні принципи дії сенсорів механічних величин:

І. Вихідний параметр – електричний опір R. Природа вхідного сигналу – механічна дія.
1. Зміна питомого електричного опору провідників і напівпровідників під дією гідростатичного тиску Р.
Опір зразка при цьому визначається як
R=R0(1+SpP) (1.4)
де R0 – опір зразка при Р=0;
Sp – відносна чутливість.

Дія гідростатичного тиску змінює відстань між атомами, що в провідниках приводить до зміни розсіювання електронів, а в напівпровідниках до зміни ширини забороненої зони і відповідно до зміни концентрації носіїв заряду. При одноосному прикладенні сили F зміна питомого опору напівпровідників обумовлена зміною концентрації і рухливості носіїв заряду.
2. Зміна опору р-n переходу під дією механічної сили.

Ефект обумовлений зміною рухливості і концентрації носіїв заряду.
3. Зміна опору провідників і напівпровідників при їх деформації (тензоефект).
При деформації відносна зміна опору
р=(1+2Кр+р/пр) пр, (1.5)
де Кп – коефіцієнт Пуассона,
р – відносна зміна питомого опору матеріалу зразка,
пр – відносна деформація.

ІІ. Вихідний сигнал – електричний заряд q.
1. П’єзоелектричний ефект (прямий – поява електричних зарядів на гранях п’єзоелектриків під дією механічної напруги.
Електричні заряди виникають на гранях, які перпендикулярні до електричної сили вздовж електричної F1 або механічної F2 осі кристалу
q=d11 F1 і q=d11 F2, (1.6)
де d11 – п’єзоелектрична стала,
b, a - лінійні розміри пластини п’єзоелектрику.

Порівняльні характеристики відомих сенсорів теплових величин

Для визначення проблем, які поставлені перед сучасною сенсорною електронікою, необхідно здійснити детальний аналіз сенсорних пристроїв відомих виробників, таких як Maxim, Watlow, Analog Devices, Jumo, Andigilog, НВО Термоприлад, АТ Тепсо та ін.

Розглянемо сенсори теплових величин фірми Jumo, які призначені для вимірювання температури в рідких та газоподібних середовищах, і використовуються для вимірювання параметрів технологічних процесів, харчової та фармацептичної промисловості, які атестовані згідно з стандартом DIN 34 40 [5]. Чутливими елементами сенсорів Jumo є термопари та термометри опору. Діапазон вимірювальних температур цих сенсорів становить -50 ... +250 оС, класи точності – А та В.

На сучасному ринку сенсорної електроніки швидко розвиваються інтегральні сенсори температури, в основі принципу дії яких лежить співвідношення між колекторним струмом біполярного транзистора та напругою, яка прикладена до емітерного переходу

Лідерами у виробництві інтегральних сенсорів температури є фірми Analog Devices, Maxim, Andigilog, Fairchild, Microchip та ін.

Найпоширенішими інтегральними сенсорами температури є сенсори фірми Analog Devices AD592 та ТМР17 [7], параметри яких представлено у табл. 1.5. Ці сенсори побудовані на основі комірки Брока і не потребують додаткового калібрування.

Хоча інтегральні сенсори температури є дешевими та зручними у використанні, але їхня точність вимірювання для багатьох застосувань є недостатньою.

Отже, зробивши аналіз сенсорів температури відомих виробників можна зробити висновок, що на сучасному ринку сенсорних пристроїв існує тенденція до розробки та серійного виробництва сенсорів, призначених для масового використання. Існуючі сенсори для кріогенних температур мають обмежені функціональні можливості.

Класифікація та фізичні основи роботи сенсорів теплових величин

На сучасному ринку існує цілий ряд сенсорів теплових величин, які відрізняються між собою технологією виготовлення та принципом дії. Тому перед аналізом конкретних існуючих сенсорних пристроїв необхідно розглянути їхній принцип дії, загальну класифікацію та їхнє призначення.

У вимірювальних та сенсорних пристроях здійснюється перетворення сигналу, що несе вимірювальну інформацію. В принцип роботи сенсорів теплових величин покладено залежність певного параметру сенсора від температури. Основними фізичними явищами, які покладені в принцип роботи різних теплових сенсорів, є ефект Зеєбека, температурна залежність питомого опору матеріалу, залежність струму через р-n-перехід від температури, поглинання теплового випромінювання матеріалом та ін.

За механізмом перетворення вимірювальні перетворювачі (ВП) поділяють на: генераторні, в яких електричний сигнал формується без введення зовнішньої енергії (термопари); параметричні (моду¬ляційні), в яких вимірювальний параметр перетворює (модулює) потік енергії у форму, придатну для подальшого оброблення, спостерігання чи зберігання; з побічним перетворенням, в яких вимірювальний параметр визначається опосередковано. За методом перетворення розрізняють ВП прямого, врівноважувального та змішаного перетворення [1].

Сенсори теплових величин призначені для: вимірювання температур та підтримки необхідних температурних режимів різних технологічних процесів, візуалізації градієнтів температур, екологічного моніторингу, медичного контролю тощо.

На рис. 1.2 показано найбільш поширені сенсори теплових величин та їхній робочий температурний діапазон. З цього рисунку можна вибрати необхідний сенсорний пристрій, який необхідний для вирішення певної задачі.



Рис. 1.2. Робочі діапазони різних видів сенсорів теплових величин: вузька секція температурної смуги відображає найширший робочий діапазон, в якому гарантується точність приладу не гарантується; широка секція температурної смуги відображає рекомендований робочий діапазон сенсора, в якому гарантується точність. Примітка: усі величини на рисунку подані у градусах Цельсія.

Основні тенденції розвитку сенсорної електроніки

наші дні розвиток сенсорної електроніки безперервно стимулюється успіхами в області фізики напівпровідників і в області технології виробництва нових напівпровідникових структур та об’єднання їх у великі інтегральні схеми (ВІС). За останні роки значно розширилась їх номенклатура та область використання, а також підвищилась точність вимірювання. Цьому сприяв розвиток елементарної бази електронної апаратури, призначення якої - обробка інформації, яка поступає з датчиків. Особливо істотні зміни зазнала техніка обробки сигналів датчиків за останні 20 років у зв’язку з розвитком мікроелектроніки. Однак номенклатура, габаритні та точні параметри датчиків розвиваються повільніше, ніж мікроелектронна апаратура обробки сигналів. Для задоволення постійно зростаючих потреб сучасної техніки потрібні високочутливі швидкодіючі багатофункційні сенсори, працездатні у складних умовах експлуатації: у розширених температурних інтервалах, зокрема при кріогенних температурах, у сильних магнітних полях, при опроміненнях, а також в умовах циклічних, ударних та вібраційних навантажень.

Серед основних вимог до сучасних сенсорних пристроїв можна відзначити: багатофункційність, високу точність перетворення, термостабільність, простоту у застосуванні, мінімальне енергоспоживання при можливості функціонування з низьковольтними джерелами живлення. Забезпечення розглянутих вимог визначається структурними та схемотехнічними рішеннями, розвиток яких за останній період набув значної актуальності. Одним з напрямків розвитку сучасної електроніки насамперед є створення вимірювальних та сенсорних пристроїв на принципах та засобах мікроелектроніки. [1].

Суттєвим досягненням в галузі сенсорної техніки був перехід від аналогових вимірювань до цифрових. Звичайно, електронний вимірювальний прилад має структуру подібну до тої, що зображена на рис. 1.1. Cенсоp, у випадку вимірювання електричної величини (електричний струм або напруга), особливої ролі не відіграє, і досить часто вихідним пристроєм такого сенсорного пристрою є індикатор. Але при використанні подібного приладу в якій-небудь вимірювальній системі часто є потреба у необхідністі обробки сигналів різними електронними схемами. В цифровій вимірювальній техніці, в ідеальному випадку, цифровий сигнал поступає безпосередньо від чутливого елемента сенсора. Але поки що це швидше рідкість, ніж правило. Частіше за все, цей сигнал має аналогову форму, і перед подачею його на аналогово-цифровий перетворювач необхідно здійснити аналогове перетворення. Цифрова техніка, в цьому випадку, використовується, головним чином, у блоці обробки і у вихідному пристрої ( індикаторі ).

Основна перевага використання цифрової техніки в процесі обробки даних – це порівняно проста реалізація операцій високого рівня, які важко здійснюються за допомогою аналогових пристроїв. До таких операцій відносяться: подавлення шумів, підсилення, цифрова фільтрація, перетворення Фур’є, нелінійна обробка, інтегральні перетворення та інші. При цьому функціональне навантаження на чутливий елемент сенсора зменшується і знижуються вимоги до характеристик елемента. Крім того, завдяки цифровій обробці, стає можливим вимірювання досить малих величин.




Важливо відмітити, що одним із етапів розвитку датчиків механічних та теплових величин було функціональне розширення операцій, що виконуються в блоці обробки даних сенсора, шляхом їх дискретування і спрощення операцій нелінійного типу. Адже у напівпровідникових сенсорах температури та деформації лінійність вихідного сигналу відносно вимірюваної фізичної величини досить часто є незадовільною, а завдяки дискретуванню ця проблема частково або повністю вирішується.

В останні роки існує тенденція розвитку інтелектуальних сенсорів, яку можна простежити по напрямках розробок провідних приладобудівних фірм, а також за новими типами приладів, упровадження яких починається на підприємствах. Перспективні розробки ведуться по реалізації в сенсорі функції прогнозування значення вимірюваної величини, поглибленню поточної самодіагностики сенсора і на її базі прогнозуванню в самому сенсорі можливої некоректної його роботи і по складанню рекомендацій з його обслуговування, а також адаптації шкали сенсора до діапазону зміни вимірюваної величини. Створення мініатюрних сенсорів на основі відомих і частково нових методів вимірювань з використанням мініатюрних по розмірах мікропроцесорів дозволяє виготовляти промислове устаткування з убудованими в нього сенсорами і створювати системи автоматичного моніторингу роботи машин і механізмів, що визначають поточне зношення окремих вузлів устаткування і, отже, підвищують надійність його роботи й удосконалюють наявну на підприємствах систему обслуговування і ремонту устаткування.

Розширення видів зв'язку сенсора з контролером. В даний час сенсор зв'язується з контролером або через самостійний провідний канал аналогових сигналів, або через загальну для сенсорів цифрову провідну мережу. У випадку значного віддалення сенсорів від основних засобів системи автоматизації сенсор за допомогою окремих спеціальних засобів телемеханіки може спілкуватися з контролером по радіоканалу. У багатьох фірмах зараз ведуться роботи зі створення безпровідних сенсорів (на основі стандарту Wireless USB), у які вбудовуються блоки короткохвильового радіозв'язку (аналогічними блоками оснащуються і контролери). Передумовами розвитку зазначених типів сенсорів служать з одного боку зниження вартості засобів короткохвильового радіозв'язку і підвищення надійності роботи цих засобів, а з іншого боку виникаюча економія витрат на провідний зв'язок, спрощення монтажу системи і розширення можливих місць установки чутливих елементів.

СТАН ПРОБЛЕМИ ЩОДО РОЗРОБКИ СЕНСОРІВ ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН ТА АНАЛІЗ ЇХ ПАРАМЕТРІВ І ХАРАКТЕРИСТИК

Розвиток нових галузей науки і техніки на сучасному етапі (ракетно-космічна і авіаційна техніка, кріогенна техніка, кріоенергетика та ін.) висуває на перший план проблему створення мініатюрних високочутливих сенсорів механічних і теплових величин, працездатних в широкому діапазоні температур та при дії сильних магнітних полів.

У цьому щоденнику проведено дослідження, систематизацію та аналіз сенсорів теплових і механічних величин відомих світових та вітчизняних виробників; розглянуто існуючі сенсори на основі ниткоподібних кристалів та структур кремній на діелектрику. Показано проблеми і основні напрямки розвитку сучасної сенсорної електроніки та перспективи розробок вітчизняних сенсорних пристроїв. Особливу увагу звернуто на інтелектуальні сенсори.