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

8.2.3. Пьезорезисторы

Если на металлическую проволоку действует сила, которая растягивает ее, то в результате деформации длина проволоки несколько увеличивается, а площадь поперечного сечения несколько уменьшается. Из-за этого электрическое сопротивление проволоки возрастает. Такое явление называют пьезорезистивным (от греческого корня) или тензорезистивным (от латинского корня) эффектом. Металлические пьезорезисторы из константана или из нихрома используют для обнаружения и измерения значительных сил растягивания и деформации в строительных и в механических силовых конструкциях. С их помощью можно своевременно обнаружить, например, явление усталости металлических опор, начало их пластической деформации и предотвращать разрушения.

Значительно более высокую тензочувствительность, чем металлические, имеют полупроводниковые пьезорезисторы, поскольку механизм изменения электрического сопротивления в них намного сложнее. Тензочувствительность резисторов, например, из кремния в десятки раз выше, чем у металлических. Но их электрическое сопротивление также значительно сильней зависит от температуры. Для уменьшения влияния на результаты измерений неконтролируемых изменений температуры применяют мостовые схемы. В одно их плечо включен нагруженный пьезорезистор (на который действует измеряемая сила), а в другое – точно такой же резистор, но механически не нагруженный. При изменениях температуры соотношение сопротивлений и баланс моста не изменяются.

Высокий уровень развития современной микроэлектронной технологии позволил формировать из кремния миниатюрные прецизионные пьезорезистивные структуры вместе с элементами термокомпенсации, усиления и электронной обработки сигналов. На этой основе созданы и промышленно выпускаются сотни наименований разнообразных микроэлектронных сенсоров для измерения силы, давления, механического напряжения, для фиксации даже легчайших прикосновений. Например, сенсоры давления компании Honeywell на основе кремниевых пьезорезисторов перекрывают диапазон давлений от единиц паскаля до десятков МПа, обеспечивая измерение с точностью ±0,1-3% [ [ 251 ] ; http://content.honeywell.com/sensing/products]. Среди них – сенсоры абсолютного, избыточного и дифференциального давления для работы в сухой и во влажной не агрессивной среде, а также для измерений в жидких и даже в агрессивных средах.

Еще более высокую тензочувствительность имеют пьезорезисторы из эластомеров, которые изготавливают из резины, полиуретана и подобных упругих синтетических материалов, в состав которых включены электропроводящие частицы или волокна (например, графитовый или угольный порошок) [ [ 148 ] ]. Принцип действия пьезорезисторов из эластомеров показан на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Принцип действия пьезорезистивного сенсора из эластомера

При отсутствии внешней силы подвижный контакт только прикасается к электропроводящему эластомеру, и сопротивление между контактами довольно велико. Появление силы давления, действующей на подвижный контакт, приводит к деформации упругого слоя эластомера и к некоторому углублению контакта в этот слой. При этом одновременно уменьшается расстояние между контактами и между электропроводящими частицами в эластомере и увеличивается площадь контактной зоны. Вместе взятое, это приводит к заметному уменьшению электрического сопротивления. Типичный вид нелинейной зависимости электрического сопротивления от приложенной силы или от перемещения подвижного контакта (от величины деформации) показан на рис. 8.4 справа.

В работе [ [ 35 ] ] описаны даже массивы тензочувствительных элементов из таких эластомеров. Их применение вместе с микрокомпьютером в составе интеллектуальных сенсоров позволяет измерять распределение механических нагрузок по поверхности массива и их изменение во времени (динамику). Сенсор может сигнализировать об угрожающей локальной или общей перегрузке, фиксировать и отслеживать перемещение объектов по поверхности этой чувствительной "разумной" сенсорной опоры. При тренировках спортсменов-прыгунов, например, такой распределенный сенсор фиксирует место, силу, время и продолжительность отталкивания, позволяет изучать эффективность применения различных амортизаторов и т.п.

В [ [ 213 ] ] показано, что на основе нитевидных кристаллов кремния -типа, легированных бором и закрепленных на упругих элементах, можно создать высокочувствительные пьезорезистивные сенсоры для надёжной работы даже при криогенных температурах.

8.2.4. Гигристоры

Электрическое сопротивление некоторых гигроскопических материалов существенно зависит от влажности окружающего воздуха. Резисторы из таких материалов называют гигристорами и применяют в сенсорах влажности [ [ 325 ] ]. Для этого синтезированы специальные материалы: нонилфенилполиэтиленгли-кольэфир, гидроксиэтилцеллюлоза и т.п. с наполнением угольным порошком [ [ 99 ] ]. Типичная зависимость электрического сопротивления таких гигристоров от относительной влажности воздуха показана на рис. 8.5.

В составе интеллектуального сенсора можно учесть изменения этой зависимости с температурой, а также некоторое запаздывание изменения электрического сопротивления гигристора при быстрых изменениях влажности воздуха, запоминать динамику изменений влажности за определенный период для дальнейшей передачи в компьютерную сеть, для документирования, прогнозирования и т.д.

В работе [ [ 152 ] ] описано применение в роли гигристора твердого полиэлектролита на основе силикона (Si-PE), имеющего высокую чувствительность в диапазоне относительной влажности от 11 до 96 % и малую инерционность (время задержки около 4 с).

Рис. 8.5. Типичный вид зависимости электрического сопротивления гигристора от влажности окружающего воздуха

8.2.5. Магниторезистивные сенсоры

В магниторезистивных сенсорах используется способность некоторых материалов существенно изменять свою электропроводность в зависимости от направления и напряженности внешнего магнитного поля. К таким материалам относятся, например, пленки пермаллоя (). Чаще всего применяют структуру, в которой чувствительный элемент состоит из 4 пленочных резисторов из пермаллоя, напыленных на поверхность кремния и соединенных в виде мостовой измерительной схемы [ [ 253 ] ]. Сверху магниторезистивные пленки защищают тонким слоем нитрида тантала. Рядом формируют миниатюрные плоские пленочные катушки. Когда через одну из них пропускают электрический ток, создаваемое им магнитное поле ориентирует домены пермаллоевых пленок вдоль оси резисторов. Именно в таком состоянии они имеют наибольшую чувствительность. Это делается каждый раз перед началом серии измерений. Через другую катушку при измерениях пропускают постоянный электрический ток, необходимый для компенсации остаточного внешнего магнитного поля, перпендикулярного к плоскости резисторов, и таким образом балансируют измерительную мостовую схему. При появлении измеряемого внешнего магнитного поля происходит разбаланс моста, а выходной сигнал пропорционален магнитной индукции внешнего поля. Все необходимые схемы формируют в том же самом кристалле кремния. Компенсационную катушку используют также для калибровки и для полного балансирования моста. Разность между током балансировки и начальным компенсационным током пропорциональна индукции внешнего магнитного поля. Такая схема обеспечивает высокую линейность измерений, малую их зависимость от температуры и от других помех (например, от наличия поблизости деталей из ферромагнитных материалов).

Кроме "одноосных" магниторезистивных датчиков, чувствительных к магнитному полю одного направления, выпускают также "двухосные" и "трехосные" датчики, в которых 2 или 3 магниторезистивных датчика ориентированы во взаимно перпендикулярных направлениях. Из них изготавливают также современные высоконадежные компасы без магнитной стрелки и вообще без подвижных деталей [ [ 252 ] ], а также высокоточные сенсоры направления движения ("датчики курса") для авиационных, морских, автомобильных транспортных средств. На рис. 8.6 слева показан аналоговый магниторезистивный компас НМС6052, в котором используется двухосный сенсор НМС1052 размером 3,5×3,5 мм с минимальным измеряемым магнитным полем 80 мкГс (магнитное поле Земли порядка 600 мГс). Компас работает в диапазоне температур от – 45°С до +120°С, имеет интерфейс к ПК.

Рис. 8.6. Магниторезистивные компасы компании Honeywell: слева – аналоговый компас марки HMC6052; справа – цифровой компас марки HMR3600

На рис. 8.6 справа показан миниатюрный цифровой гиростабилизированный прецизионный компас HMR3600, предназначенный для определения азимута, работающий при любой ориентации в пространстве. Кроме трех магниторезистивных магнитометров, в его состав входят три акселерометра и гироскоп, изготовленные с помощью МЭМС технологии, описанной в лекции 2. Компас определяет азимут, продольный и поперечный крены с точностью ±0,5° при разрешающей способности 0,1°. Применяется в авиации, мореплавании, на наземном транспорте, в лазерных дальномерах, блоках управления видеокамерами, при подземной и подводной ориентации.

В 1988 г. Бейбич (M. N. Baibich) обнаружил, что в многослойных структурах суммарной толщиной около 100 нм, в соседних слоях которых домены расположены антипараллельно, электрическое сопротивление может очень сильно и быстро изменяться под действием внешнего магнитного поля. Это явление названо "гигантским магнетосопротивлением" (ГМС) [ [ 303 ] ]. С его применением уже созданы высокоточные сенсоры магнитного поля и сверхбыстрые ГМС-головки для жестких магнитных дисков, что позволило резко улучшить характеристики последних.

Еще об одном интересном виде резистивных сенсоров написано, например, в [ [ 41 ] ]. Речь идет об акусторезистивном эффекте – изменении электрического сопротивления вещества при наличии в нем высокочастотной акустической волны. Довольно сложный механизм этого явления может быть понят только на основе квантовомеханических закономерностей. Он связан с образованием, поглощением и рассеянием фононов – квантов высокочастотных механических колебаний кристаллической решетки. Этот эффект позволяет обнаруживать наличие и определять интенсивность ультразвуковых и гиперзвуковых волн, не воспринимаемых человеческим ухом.