Вольтаические сенсоры. Сенсоры на диодах и биполярных транзисторах

Цель лекции: показать возможности применения для целей сенсорики таких электрофизических явлений, как термо-ЭДС, фото-ЭДС, прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты, эффект Холла и поведение носителей заряда в полупроводниковых - -переходах. Ознакомить слушателей с устройством и возможностями разных видов сенсоров, использующих эти явления.

9.1. Вольтаические сенсоры

Напоминаем, что к этому виду мы относим те сенсоры, в которых под действием внешнего фактора первичный информационный сигнал возникает в виде электрического потенциала, разности потенциалов или напряжения между какими-то точками электрической цепи. Вольтаические сенсоры мы будем дальше классифицировать по физической природе того фактора, под влиянием которого возникает и изменяется электрический потенциал, напряжение или электродействующая сила (ЭДС).

9.1.1. Сенсоры на основе термо-ЭДС

Широко известным является применение для измерения температуры термопар – электрически соединенных между собой проводников из двух разных материалов. Если места их электрического контакта ("спаи") находятся при разных температурах, то между ними возникает разность потенциалов, которую называют "термо-ЭДС". Соответствующее физическое явление по имени первооткрывателя называют эффектом Зеебека. Его физической причиной служит то, что в области "горячего" контакта носители электрического заряда (электроны или "дырки") имеют более высокие скорости теплового движения. Поэтому диффузионный поток носителей от "горячего" спая к "холодному" больше, чем диффузионный поток от "холодного" спая к "горячему". В полупроводниках к этой причине добавляется еще и то, что концентрация носителей заряда у "горячего" спая тоже заметно выше. В результате носители заряда скапливаются возле "холодного" спая, и возникает разность потенциалов.

На не слишком больших температурных интервалах термо-ЭДС в термопарах из металлов пропорциональна разности температур:

В этом выражении называют коэффициентом термо-ЭДС или коэффициентом Зеебека; и – это температуры "горячего" и "холодного" спаев соответственно. У термопар из металлических проводников значения коэффициента термо-ЭДС лежат в пределах , а у полупроводников могут быть и на порядок выше.

По величине термо-ЭДС всегда можно однозначно определить разность температур. Наиболее широкий диапазон измерения температуры (от – 270 С до 1300 С) обеспечивает термопара хромель/алюмель. К наиболее употребительным термопарам принадлежат медь/константан, нихром/ константан, железо/константан и т.д. Роль одного из проводников с успехом может выполнять, например, и легированный кремний, который имеет коэффициент термо-ЭДС даже более высокий, чем у металлов.

Чтобы уменьшить их собственную теплоёмкость, термопары делают проволочными или пленочными. Благодаря незначительной толщине и массе измерительный спай пленочной термопары может иметь очень малую собственную теплоемкость и поэтому достаточно малую тепловую инерционность (меньше 10 мс). С помощью пленочной термопары можно измерять температуру даже очень малых тел миллиметровых и субмиллиметровых размеров, к которым ее приклеивают.

Не следует думать, что термопары можно использовать только для измерения температуры. Например, в работе [ [ 218 ] ] показано, что термоэлектрические свойства углеродных нанотрубок очень чувствительны к адсорбированным на них молекулам азота, аммиака, водорода, кислорода. И поэтому термопары из углеродных нанотрубок вполне могут служить для создания очень компактных датчиков концентрации молекул указанных газов.

9.1.2. Сенсоры на основе фотовольтаического эффекта

Иногда в сенсорах, которые фиксируют и измеряют интенсивность света, используют фотовольтаический эффект – появление под действием падающего света разности потенциалов между освещенной и темной зонами полупроводника. Это связано с появлением в полупроводнике при поглощении фотонов дополнительных носителей электрического заряда (внутренний фотоэффект), которые начинают мигрировать в темную зону. Возникающую фото-ЭДС измеряют электронными схемами с очень высоким внутренним сопротивлением на разомкнутых выводах полупроводника. Благодаря весьма малой инерционности, её используют для контроля мощности и формы сверхкоротких импульсов излучения лазеров.

9.1.3. Пьезоэлектрические сенсоры

Наиболее употребительным видом вольтаических сенсоров являются пьезоэлектрические сенсоры. Об их многочисленных применениях мы уже упоминали при изучении механических и акустических сенсоров. Напомним, что пьезоэффект состоит в том, что механическая деформация пластины из пьезоэлектрика вызывает его дополнительную поляризацию, вследствие чего возникает разность потенциалов между электродами, нанесенными на противоположные грани пластины.

Наиболее известным материалом для пьезоэлектрических сенсоров являются кристаллы кварца. Сравнительно новыми, более эффективными, пьезоэлектрическими материалами стали лангасит (лантан галлиевый силикат) и лангатат (лантан галлиевый танталат), которые по ряду важных параметров существенно превосходят кварц. Широко применяют также пьезоэлектриче-скую керамику типа титаната и цирконата бария, свинца. В последние десятилетия все шире применяют и полимерные материалы, которые после нагревания до температуры, близкой к точке Кюри, поляризации при этой температуре в сильном электрическом поле и последующего охлаждения тоже приобретают хорошие пьезоэлектрические свойства. Особенно известным из них является поливинилиндифторид (PVDF) и его сополимеры.

Один из возможных вариантов конструкции чувствительного пьезоэлектрического элемента для сенсора приложенной силы показан на рис. 9.1 слева. Пьезоэлемент с нанесенными на противоположные его грани электродами устанавливают на неподвижную опору. Сверху кладут подвижную опору, на которую механически опирается один конец штока. Сила, которая действует на другой его конец, передается через подвижную опору на пьезоэлемент, сжимает его, в результате чего между электродами возникает разность потенциалов, – тем большая, чем больше действующая сила.

На рис. 9.1 справа в качестве примера показан внешний вид одного из пьезоэлектрических сенсоров силы, которые промышленно выпускает компания Kistler (http://www.kistler.com). Этот сенсор серии 9215 имеет внешнюю резьбу М5x0,5 измеряет значение силы от 0 до 20 Н или от 0 до 200 Н с точностью до нескольких мН. Через один конец корпуса сенсора передается усилие на установленный внутри шток, а через второй – снимается выходной сигнал. Такие сенсоры широко применяют для тестирования переключателей, кнопок, пружин, для точного дозирования силы затягивания винтовых соединений, в микроманипуляторах и т.д.

При разработке и применении пьезоэлектрических сенсоров необходимо учитывать два важных обстоятельства. Первое состоит в том, что в окружающей среде всегда есть некоторое количество свободных ионов, которые под действием разности потенциалов перемещаются и оседают на соответствующих электрически заряженных поверхностях пьезоэлектрика.

Электрическая изоляция этих поверхностей одна от другой никогда не бывает идеальной, из-за чего возникают, пусть и очень малые, токи перетекания зарядов. Поэтому разность потенциалов между двумя электродами пьезоэлектрика, возникающая после его поляризации или вследствие деформации, постепенно уменьшается и спустя некоторое время исчезает. В связи с этим пьезоэлектрические сенсоры являются чувствительными лишь к меняющимся со временем деформациям и силам, но не могут применяться для измерения длительно действующих сил и деформаций. Второе важное обстоятельство состоит в том, что пьезоэлектрический эффект зависит от температуры. И это обстоятельство надо обязательно учитывать в сенсорах, предназначенных для прецизионных измерений.

9.1.4. Пьезоэлектрический резонатор

Эти трудности можно обойти, используя пьезоэлемент в режиме пьезоэлектрического резонатора. Дело в том, что всегда наблюдается не только описанный выше прямой, но и обратный пьезоэлектрический эффект: если на противолежащие электроды пьезоэлемента подать напряжение, то пьезоэлемент несколько деформируется (сжимается или растягивается) в поперечном направлении. Когда на электроды пьезоэлемента подаётся переменное напряжение, то в пьезоэлементе возбуждаются механические колебания. Этот эффект широко используется в акустических излучателях, о которых речь уже шла в разд.2.

Амплитуда вынужденных механических колебаний зависит не только от амплитуды приложенного переменного напряжения, но и от его частоты. В том случае, когда эта частота совпадает с частотой собственных механических колебаний пьезоэлемента, наблюдается т.н. "электромеханический резонанс": амплитуда возбуждаемых механических колебаний резко возрастает. Благодаря прямому пьезоэлектрическому эффекту при этом резко возрастает и амплитуда электрических колебаний. По этой причине в электрических цепях переменного тока пьезоэлектрический резонатор ведет себя как высокодобротный колебательный контур с добротностью до 10000. Если с помощью положительной обратной связи и, например, транзистора организовать синхронную подкачку энергии, то в пьезоэлектрическом резонаторе возникают и поддерживаются незатухающие электрические и механические колебания на его собственной частоте. Собственные частоты пьезоэлектрических резонаторов лежат в очень широком диапазоне от сотен герц до сотен мегагерц – в зависимости от применяемого пьезоэлектрического материала, размеров резонатора, наличия на нем дополнительных элементов и др. факторов.

Когда, например, на пьезоэлектрический резонатор действует внешняя сила, то вследствие некоторого сжатия кристалла частота его собственных механических колебаний изменяется, причем тем больше, чем больше приложенная сила. Измеряя изменение частоты колебаний, можно достаточно точно определить величину силы, в том числе и длительно действующей. Такой вариант применения чувствительных пьезоэлектрических элементов чаще всего и используется на практике. Для компенсации влияния изменений температуры рядом устанавливают два одинаковых пьезоэлектрических резонатора. Но один из них остается механически не нагруженным, а на другой действует контролируемая сила. Для определения её величины измеряется разность частот колебаний этих двух резонаторов. Она практически не зависит от изменений температуры, так как последняя одинаково влияет на частоту обоих резонаторов.

Очень высокая чувствительность такого рода сенсора продемонстрирована, например, в [ [ 70 ] ], где описано его применение для облегчения прецизионных работ, связанных с отделением и поштучным отбором живых клеток под микроскопом с помощью микроманипулятора. Пьезоэлектрический сенсор силы, закрепленный на держателе стеклянной микропипетки, позволяет своевременно фиксировать даже легчайшие прикосновения пипетки к внешней оболочке клетки или к твердой опоре, на которой находится препарат. Своевременная автоматическая блокировка дальнейшего возрастания силы обеспечивает надежную защиту живой клетки и хрупкого сверхтонкого кончика пипетки от механического повреждения.

9.1.5. Датчики Холла

Известным видом вольтаических сенсоров являются также так называемые датчики Холла. Их действие основано на том, что на носители электрического заряда, движущиеся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Поэтому, если через пластину проводника или полупроводника пропускать электрический ток ( рис. 9.2 слева), то при наличии внешнего магнитного поля носители электрического заряда под действием силы Лоренца будут отклоняться в направлении, перпендикулярном вектору индукции магнитного поля и направлению тока. Вследствие этого возникает поперечная разность потенциалов, пропорциональная силе тока и величине индукции магнитного поля.

На рис. 9.2 справа показана конструкция полупроводникового датчика Холла: снизу – его вид в плане, сверху – в разрезе. В кристалле кремния -типа формируют область -типа, а над изолирующим слоем окисла – металлические проводники. Одну пару проводников используют для пропускания через п-область электрического тока, другую – для измерения ЭДС Холла . Эта ЭДС возникает всегда, когда на датчик действует внешнее магнитное поле. Как правило, в том же полупроводниковом кристалле формируют и все необходимые электронные схемы усиления и температурной компенсации.

На рис. 9.3 для примера показан внешний вид датчиков Холла, выпускаемых компанией Honeywell [ [ 251 ] , http://content.honeywell.com/sensing/products]. Они широко применяются в промышленности, автомобилестроении, строительстве. В так называемых "линейных" датчиках выходной сигнал линейно зависит от величины индукции магнитного поля в широком диапазоне его значений – вплоть до 1000 Гс.