Вольтаические сенсоры. Сенсоры на диодах и биполярных транзисторах

Ответы

Ответы на вопросы

1. "Вольтаическими" называют сенсоры, в которых под действием внешнего фактора первичный информационный сигнал возникает в виде электрического потенциала или разности потенциалов (напряжения) между какими-то точками электрической цепи. Вольтаические сенсоры классифицируют по виду того физического фактора, под влиянием которого появляется и изменяется электрический потенциал или ЭДС.

2. "Термопара" – это пара электрически соединенных между собой проводников из двух разных материалов. Если места их контакта ("спаи") находятся при разных температурах, то между ними возникает разность потенциалов – термо-ЕДС. Это явление называют эффектом Зеебека. Его физической причиной является то, что в области "горячего" контакта носители электрического заряда имеют более высокие скорости теплового движения. В результате 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 возрастание концентрации носителей заряда у горячего спая.

3. "Пьезоэлемент" – это пластина из пьезоэлектрического материала, на противоположные грани которой нанесены электроды. В основе его работы лежит пьезоэлектрический эффект: возникновение разности потенциалов между электродами при деформации пластины в поперечном направлении.

4. "Пьезоэлектрический резонатор" – это пьезоэлемент, включенный в схему генератора незатухающих электрических колебаний. Благодаря прямому и обратному пьезоэлектрическому эффекту в нем возникают не только электрические, но и механические колебания на механических резонансных частотах. Если к пьезоэлектрическому резонатору приложить силу или давление, то условия механического резонанса несколько изменяются, вследствие чего несколько изменяется и частота его колебаний. Измеряя изменение частоты, можно определить действующую силу.

5. Действие датчиков Холла 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, то при наличии внешнего магнитного поля носители электрического заряда под действием силы Лоренца отклоняются в направлении, перпендикулярном вектору индукции магнитного поля и направлению тока. Вследствие этого возникает поперечная разность потенциалов, пропорциональная силе тока и величине индукции магнитного поля.

6. Полупроводниковый диод можно использовать в качестве датчика температуры, поскольку его вольтамперная характеристика зависит от температуры. Если зафиксировать, например, приложенное напряжение, то от температуры будет экспоненциально зависеть протекающий через диод ток.

7. Фотодиод – это полупроводниковый диод, открытый для проникновения и чувствительный к падающему на него свету. Под действием света в полупроводнике появляются дополнительные носители заряда, которые тут же вытягиваются электрическим полем р-п-перехода, увеличивая протекающий через диод ток. Спектральная чувствительность фотодиода зависит от материала, из которого он изготовлен, и от прозрачности верхних слоев фотодиода.

8. Основными режимами работы фотодиодов считаются: а) фотовольтаи-ческий (режим измерения фото-ЭДС), при котором через фотодиод протекает совсем незначительный ток, определяемый большим внутренним сопротивлением прибора или схемы, измеряющей напряжение на фотодиоде; б) фотоэлектрический режим, при котором напряжение на фотодиоде почти не меняется, благодаря чему сводятся к минимуму потери на перезарядку входной емкости; в) режим фотопроводимости, при котором на фотодиод подается большое обратное напряжение смещения. Это приводит к значительному расширению обедненной зоны и к уменьшению собственной емкости фотодиода. Однако при этом возрастают темновой ток и собственный дробовой шум фотодиода.

9. В фотодиоде Шотки вместо -перехода формируют т.н. "барьер Шотки", возникающий на границе раздела "металл – полупроводник". Для этого на фоточувствительную область кремния напылением в вакууме наносят очень тонкий, достаточно прозрачный слой золота. Этим обеспечивается чувствительность кремниевых фотодиодов также в фиолетовой и ультрафиолетовой областях спектра.

10. Благодаря внутреннему усилению фототранзисторы имеют значительно лучшую интегральную чувствительность к свету. Однако они несколько проиграют фотодиодам в быстродействии. Поэтому им отдают предпочтение там, где световые сигналы очень слабы, а максимальное быстродействие не требуется, например, в люминесцентных сенсорах.

Ответы к упражнениям

Упражнение 9.1. Таблица соответствия

Упражнение 9.2.

Вариант 1. Из формулы (9.1) находим, что Подставляя данные задачи, находим: .

Вариант 2. Подставляя данные задачи в формулу (9.1), находим: .

Вариант 3. Из формулы (9.1) находим, что . Подставляя данные задачи, находим: .

Вариант 4. Из формулы (9.1) находим, что . Подставляя данные задачи, находим: .

Упражнение 9.3. Отдельные пьезоэлементы позволяют измерять лишь меняющиеся со временем деформации и силы, но не могут применяться для измерения длительно действующих сил и деформаций. Пьезоэлектрический эффект зависит от температуры, влияние которой трудно учесть при использовании отдельного пьезоэлемента. Пьезоэлектрический резонатор состоит из пьезоэлемента и схемы усиления и поддержания возбуждающихся в нем незатухающих колебаний. Частота этих колебаний определяется механическими резонансными частотами самого пьезоэлемента, но зависит также от приложенных к нему внешних воздействий. Поэтому пьезоэлектрический резонатор чувствителен также и к действию длительно действующих сил и деформаций. Для компенсации влияния изменений температуры рядом устанавливают два одинаковых пьезоэлектрических резонатора. Один из них остается механически не нагруженным, а на другой действует измеряемая 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. Пьезоэлектрический резонатор в принципе можно отнести и к классу механических сенсоров, поскольку под действием внешних факторов в нём изменяется частота не только электрических, но и механических колебаний. Однако выходным информационным сигналом является все-таки частота электрических колебаний. И поэтому всё-таки правильнее отнести пьезоэлектрический резонатор к классу электрических сенсоров.

Упражнение 9.4. Решая уравнение (9.2) относительно напряжения , находим: . Подставляя данные задачи, получаем , где температуру следует задавать в градусах Кельвина, а ток – в мкА. Расчет с помощью программного пакета Excel дает следующее семейство вольтамперных характеристик полупроводникового диода в заданном диапазоне значений:

Зависимость падения напряжения на диоде от температуры при токе имеет вид:

Зависимость тока фотодиода от температуры при напряжении на диоде имеет вид:

Упражнение 9.5. Решая уравнение (9.2) относительно напряжения , находим: . Подставляя данные задачи, получаем U = 25,26\times\ln(1 + 0,1\Phi + i), где световой поток следует задавать в люксах, ток – в мкА, а напряжение будем получать в мВ. Расчет с помощью программного пакета Excel дает следующее семейство вольтамперных характеристик фотодиода в заданном диапазоне значений:

Упражнение 9.6. Таблица соответствия