Национальный исследовательский ядерный университет
«Московский инженерно — физический институт»
Вечерний Факультет
Кафедра «Микро- и наноэлектроника»
Курс ПК-15
Полупроводниковая электроника
Датчики
Группа: В5-27
Подготовил: Соколов А.Г.
Преподаватель: к.т.н. доц. Лапшинский В.А.
Москва 2015
Аннотация
Что такое датчики? Данная глава из справочника содержит всю необходимую информацию о устройстве и механизме работы датчиков, а также обо всех тонкостях работы различных датчиков. Справочник рассказывает, какие бывают датчики, а позволяет освоить и понять на 100% с принципы их работы.
Введение
Датчик — средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Датчики, выполненные на основе электронной техники, называются электронными датчиками. Отдельно взятый датчик может быть предназначен для измерения (контроля) и преобразования одной физической величины или одновременно нескольких физических величин.
В состав датчика входят чувствительные и преобразовательные элементы. Основными характеристиками электронных датчиков являются чувствительность и погрешность.
Датчики широко используются в научных исследованиях, испытаниях, контроле качества, телеметрии, системах автоматизированного управления и в других областях деятельности и системах, где требуется получение измерительной информации.
Общий обзор датчиков
Датчики преобразуют физические величины, такие как давление, температура, напряжённость магнитного поля и др., в электрические сигналы, которые можно обработать. В зависимости от требований степень сложности выходного сигнала может варьироваться от изменения сопротивления до калиброванного выходного напряжения в цифровой форме.
В датчиках серии KTY сопротивление изменяется с температурой с высокой воспроизводимостью. Датчики серии KP 200 содержат простой мост сопротивлений, на который подаётся входное напряжение, при этом он выдаёт выходное напряжение, пропорциональное давлению.
С другой стороны, встраивание датчика в интегральную схему открывает возможности обработки сигнала непосредственно в модуле датчика. Таким образом, становится возможным калибровать ИС датчика по заданной выходной характеристике или в диагностических целях переключать её в различные рабочие состояния. ИС датчика способны анализировать сложные входные сигналы и, как результат, переключаться между цифровыми выходными состояниями.
Технически интеграция датчиков в кремниевую технологию уже реализована в целом ряде датчиков. Среди первых интегрированных датчиков оказались датчики магнитного поля. В данном случае используется эффект Холла в кремнии. С развитием технологии микрообработки поверхности кремния датчики давления также были интегрированы в современную КМОП технологию, что обеспечивает цифровую обработку результатов измерений. По сравнению с датчиками на основе дискретных компонентов использование «интеллектуальных» датчиков оказалось конкурентоспособным, прежде всего, в автомобильной электронике. При этом предоставляются широкие возможности для оптимизации всей системы с точки зрения обмена данными, точности и контроля неисправностей.
Существуют полупроводниковые датчики различных физических величин для различных областей применения. Следует упомянуть датчики ускорения и скорости вращения, для которых также были проработаны варианты с использованием монолитных интегральных схем.
Датчики магнитного поля
Датчики Холла
Основы функционирования Эффект Холла, названный в 1879 году в честь Эдвина Холла, является результатом действия силы Лоренца на электроны, которые движутся в поперечном магнитном поле.
Сила Лоренца, действующая на движущиеся электроны.
Сила Лоренца перпендикулярна как направлению протекания тока, так и магнитному полю. Следствием этого является возникновение электрического поля поперёк полупроводника, что соответствует напряжению, которое называется напряжением Холла.
На Рис.1 показано схематическое представление принципа работы датчика.
Рис.1. Датчик Холла
Элементы Холла используются как датчики сигналов во множестве применений. В отличие от индуктивных датчиков, их выходной сигнал не зависит от рабочей частоты, поэтому их можно использовать на очень низких частотах вплоть до нулевой частоты. Основной областью применения являются бесщёточные двигатели постоянного тока, в которых датчик Холла возбуждается непосредственно магнитным полем статора. В других применениях датчики Холла возбуждаются брусковыми магнитами или магнитными полосками, содержащими данные, или же токами, протекающими по расположенным рядом проводникам.
GMR-датчики
Магнитные датчики прекрасно подходят для всех видов бесконтактного детектирования данных положения, зазоров, скоростей, а также детектирования вращения, бесконтактного измерения токов и мощности. При реализации этих функций гарантируется работа датчиков даже в жёстких условиях окружающей среды, связанных с наличием грязи, абразивной крошки и высокой температурой. Это обеспечивает широкое использование датчиков магнитного поля особенно в автомобильных и промышленных применениях, а также обуславливает постоянное расширение номенклатуры датчиков различных типов на рынке.
Датчики на основе гигантского магнитнорезистивного эффекта (GMR) устраняют слабое место обычных магниторезисторов и датчиков Холла, связанное с их высокой чувствительностью к флуктуациям воздушного зазора. В связи с тем, что все традиционные магнитные датчики реагируют на силу магнитного поля, даже малейшие изменения зазора между магнитом и датчиком будут приводить к существенным изменениям сигнала, чего можно избежать за счёт существенных затрат и усложнения обработки сигнала.
В отличие от них, GMR-датчики измеряют только направление внешнего поля независимо от его интенсивности, благодаря чему допускаются достаточно большие зазоры и установочные допуска. В результате процедура сборки у пользователя существенно упрощается, и издержки снижаются. При соответствующем возбуждении допустимы воздушные зазоры вплоть до 25 мм, что открывает совершенно новые применения в области магнитного детектирования.
Датчики давления
Датчик давления используется в спутниковых системах, в боковых подушках безопасности, а также в дверях автомобилей. Благодаря тому, что выходной сигнал является цифровым, микропроцессор может обмениваться данными непосредственно с датчиком. В случае аварии датчик детектирует волну давления на двери и запускает рутинную процедуру. При использовании определённого алгоритма анализа микропроцессор гарантирует предотвращение некорректного срабатывания подушек безопасности, например, в случае слишком резкого закрывания двери или удара по ней. Решение о надуве подушек безопасности может быть принято значительно быстрее по сигналу давления, чем по сигналу ускорения. Это является критическим преимуществом с точки зрения ограниченных боковых зон сжатия при боковом ударе.
Работа датчика давления (Рис.2) основана на ёмкостном принципе, когда изменение давления окружающей среды приводит к изменению ёмкости кристалла. Для такого преобразования физической величины, над герметично закрытой полостью формируется чувствительная к давлению мембрана. Эта мембрана образует верхнюю обкладку конденсатора, в то время как нижний электрод формируется на подложке.
Рис. 2. Схематическое представление структуры датчика
Датчики температуры
Как альтернатива металлическим резисторам из никеля и платины широко используются и кремниевые датчики температуры. Они более дёшевы, обеспечивают более высокую чувствительность, а по допускам и воспроизводимости характеристик близко подходят к металлическим датчикам температуры. Чип так называемого термистора очень прост и, по сути, состоит из кристалла, облучённого нейтронами кремния, с двумя контактами. Базовый материал получают облучением в реакторе нейтронами, что приводит к трансформации части атомов кремния в атомы фосфора. Этот процесс задаёт определённый уровень легирования донорной примесью фосфора. Сопротивление облучённого нейтронами кремния обеспечивает хорошо воспроизводимую температурную характеристику.
Кремниевый датчик обладает следующими характеристиками:
- диапазон температур от –50 до +150°С;
- сопротивление при +25°С — 2 кОм;
- долговременная стабильность 0.2%;
Рис. 4. Типичная характеристика датчика температуры
Список литературы
- Справочник полупроводниковая электроника / Шумахер У. Издательство Infineon Technologies AG 2004г
- https://ru.wikipedia.org/wiki/Датчик - Датчики Wikipedia
- http://mcucpu.ru/index.php/pdevices/datchiki/108-poluprovodnikovye - Полупроводниковые датчики температуры
| 