Физические основы работы и классификация электрических сенсоров. Резистивные, емкостные и импедансные сенсоры

8.3. Емкостные и импедансные сенсоры

Не менее широко для создания сенсоров используют изменения электроемкости чувствительных элементов под влиянием факторов, которые надо контролировать. На рис. 8.7, в качестве примера, в продольном сечении показан цилиндрический конденсатор, в котором внутренний цилиндрический электрод 1 может двигаться вдоль оси цилиндра относительно внешнего цилиндрического электрода 2.

Электрическая емкость цилиндрического конденсатора, как известно, описывается формулой

где – электрическая постоянная; и – радиусы внутренней и внешней обкладок конденсатора; – длина зоны взаимодействия цилиндров. Поэтому в достаточно широком диапазоне емкость пропорциональна длине , т.е. является линейной функцией перемещения сердцевины. Такие конденсаторы успешно используют для точного преобразования в электрический сигнал взаимного положения и перемещения тел.

Электрическая емкость плоского конденсатора описывается, как известно, формулой

где – площадь его пластин; – расстояние между ними; – диэлектрическая проницаемость материала между пластинами. Изменение любой из этих величин приводит к изменению емкости и таким образом может быть зафиксировано. Например, в классических конденсаторах переменной емкости одна группа металлических пластин при повороте вокруг оси сдвигается относительно другой. При этом изменяется площадь их взаимодействия и соответственно электрическая емкость. Такой конденсатор можно использовать, например, как чувствительный элемент в сенсоре угла поворота.

Расстояние между пластинами конденсатора обычно невелико (миллиметры или доли мм). Поэтому даже совсем небольшие изменения этого расстояния приводят к заметному изменению электрической емкости. На этом принципе работают емкостные сенсоры миллиметровых, микронных и даже субмикронных перемещений, которые, как уже отмечалось в предыдущих лекциях, можно применить для выявления и измерения вибраций, дифференциального или абсолютного давления и т.п.

На рис. 8.8, например, показан ёмкостной интеллектуальный сенсор серии 3051TA фирмы Rosemount, предназначенный для измерения абсолютного давления жидкостей, газов и паров в диапазоне от 2 кПа до 70 МПа.

Миниатюрный емкостной чувствительный элемент расположен в ножке корпуса. Здесь он хорошо защищен от посторонних механических и тепловых воздействий как со стороны контролируемой, так и со стороны внешней среды. Измеренные значения сохраняются в энергонезависимой EEPROM памяти. Имеется выход на жидкокристаллический дисплей, который может быть подключен по желанию пользователя. На нём будут высвечиваться значения давления в любых указанных пользователем единицах. Данные от чувствительного элемента корректируются и линеаризируются в электронном блоке. Обеспечивается точность измерений до 0,075%. Измерения автоматически повторяются, и данные обновляются до 20 раз на секунду. Сенсор нормально работает при температурах контролируемой среды от –40°С до +121°С и при относительной влажности от 0% до 100%.

На рис. 8.9 объясняется принцип действия простого емкостного сенсора уровня жидкости в закрытом резервуаре. Чувствительный элемент сенсора можно рассматривать здесь как два параллельно соединенных конденсатора, в одном из которых пространство между пластинами заполнено жидкостью, а в другом – воздухом. Согласно формуле (8.4) при заполнении жидкостью с диэлектрической проницаемостью емкость конденсатора возрастает. Поэтому суммарная емкость чувствительного элемента – конденсатора линейно возрастает с повышением уровня жидкости.

Фактором, усложняющим ситуацию, является то, что диэлектрическая проницаемость жидкости может заметно зависеть от температуры. Например, при повышении температуры воды от 20°С до 30°С значение уменьшается примерно от 80 до 78. Поэтому изменение температуры может внести нежелательные погрешности в определение уровня жидкости. В интеллектуальных сенсорах этот фактор можно легко учесть, контролируя температуру и вычисляя в микрокомпьютере поправки, связанные с ее изменениями. Несколько изменив микропрограмму вычислений, можно легко настроить тот же интеллектуальный емкостной сенсор на измерение уровня другой жидкости с другой диэлектрической проницаемостью и с другой ее зависимостью от температуры.

Можно отслеживать и фиксировать динамику изменений уровня жидкости, обнаруживать непредвиденные быстрые изменения и сигнализировать о них, чтобы своевременно известить о несанкционированных отборах жидкости, ликвидировать неисправности вентилей или разгерметизацию.

Диэлектрическая проницаемость среды между пластинами конденсатора может изменяться не только с изменением температуры, но и в зависимости от других факторов. И соответственно будет изменяться емкость конденсатора. Если между пластинами конденсатора поместить, например, гигроскопичный диэлектрик, то его диэлектрическая проницаемость существенно зависит от влажности. Такой конденсатор можно использовать для создания емкостного сенсора влажности сыпучих материалов, например, грунта, сахара, муки, алебастра и т.д.

В тонко- и толстоплёночных емкостных сенсорах чаще всего используют изменения емкости между двумя вставленными друг в друга гребенчатыми электродами ( рис. 8.10). Такая конструкция обеспечивает максимальную чувствительность на малой площади. Избирательность такому чувствительному элементу придает нанесенная поверх гребенчатых электродов пленка. Именно от её состава и структуры зависит то, молекулы каких именно веществ будут избирательно в ней сорбироваться, и как будет меняться при этом ее диэлектрическая проницаемость.

В работе [ [ 27 ] ], например, речь идет об изготовлении емкостного сенсора влажности воздуха с использованием современной микроэлектронной технологии с конструкторскими нормами 0,35 мкм. Материалом чувствительной к влажности пленки служит полиимид. Изменения емкости микроконденсатора с такой пленкой, связанные с абсорбцией и десорбцией молекул водяного пара, регистрируются и измеряются по изменению частоты сформированного на том же кристалле кремния кольцевого электронного генератора, в состав которого входит микроконденсатор. Изменение относительной влажности воздуха на 1% приводило к изменению частоты генератора приблизительно на 25 кГц. Чтобы скомпенсировать влияние температуры и дрейф сигнала со временем, на том же кристалле сформированы микронагреватель и термистор, которые обеспечивают возможность точного нагрева полиимидной пленки до 80°С.

У многих веществ под действием внешних факторов изменяется не только диэлектрическая постоянная, но и электропроводность. В общем случае такие вещества принято характеризовать комплексной диэлектрической проницаемостью. А промежуток между электродами в этом случае характеризуют импедансом – комплексным электрическим сопротивлением переменному току. Конструктивно импедансные чувствительные элементы выполняются так же, как и емкостные. Но измерения производятся на переменном токе оптимально подобранной частоты. При пропускании через них переменного электрического тока соответствующей частоты можно измерять не только абсолютное значение импеданса, но и сдвиг фазы между током и напряжением на чувствительном элементе, что дает дополнительную информацию. Например, импедансные газовые сенсоры на основе окислов и нитридов металлов используют тот факт, что соответствующие пленки изменяют свои электрические характеристики при абсорбции и десорбции молекул определенных газов, присутствующих в окружающей среде [ [ 177 ] , [ 325 ] ]. Разные газы при этом по-разному влияют на изменения импеданса. Дополнительная информация позволяет надежнее различить вклад каждого из газов сложной смеси. В интеллектуальных газовых сенсорах для этого используется также активное изменение температуры чувствительной пленки с помощью микронагревателя и анализ зависимости ее импеданса от времени и температуры.

Краткие итоги

Электрические сенсоры по физическому принципу действия чувствительных элементов делят на сенсоры с "пассивными" (резистивными, емкостными, импедансными, вольтаическими) и с "активными" чувствительными элементами (диоды, биполярные и полевые транзисторы, элементы с отрицательными участками вольтамперной характеристики, газоразрядные). Электрические сенсоры часто используют в составе других видов сенсоров в качестве трансдьюсеров – преобразователей информационных сигналов других видов в электрическую форму.

Из резистивных электрических сенсоров наиболее широко применяют металлические и полупроводниковые терморезисторы (термисторы), фоторезисторы, пьезорезисторы, гигристоры и магниторезистивные датчики. Широко применяемыми конструкциями ёмкостных сенсоров являются плоские и цилиндрические конденсаторы или пленочные, вставленные друг в друга, гребенчатые электроды, на которые нанесен слой селективно чувствительного вещества. Последняя конструкция чаще всего используется и в импедансных электрических сенсорах.

Высокий уровень развития современной микроэлектронной технологии позволил формировать миниатюрные прецизионные резистивные, ёмкостные, импедансные чувствительные элементы вместе с необходимыми элементами компенсации, усиления и электронной обработки сигналов. На этой основе созданы и промышленно выпускаются сотни наименований разнообразных микроэлектронных резистивных, ёмкостных, импедансных сенсоров.

Интеллектуальные резистивные сенсоры могут не только пассивно измерять и показывать значения контролируемых факторов (температуры, освещенности объекта, механической напряженности, давления, деформации, влажности, потока жидкости или газа, теплопроводности и коэффициента диффузии, концентрации в воздухе паров определенных веществ, ...), но и по заданному алгоритму запоминать и анализировать динамику их изменения. Они могут автоматически обнаруживать критические ситуации для системы, в составе которой работают, или еще только угрожающее приближение к таким ситуациям и своевременно сигнализировать об этом. Микрокомпьютер может руководить и автоматическим регулированием контролируемых величин по заранее заданной программе.