Кафедре полупроводниковой электроники

и наноэлектроники 50 лет

Введение

Проблемы автоматизации производственных процессов и мониторинга состояния окружающей среды успешно решаются при наличии датчиков соответствующих величин.

В основе работы большинства современных твердотельных датчиков используется несколько фундаментальных эффектов воздействия на полупроводниковые сенсоры таких параметров, как деформация, температура, магнитное поле, окружающая газовая среда, оптическое облучение и др.

Учебное пособие «Введение в сенсорику» посвящено описанию физических принципов работы, конструкции, основных параметров и технологии изготовления наиболее распространенных датчиков физических величин. В датчиках других величин, не описанных в учебном пособии, в качестве чувствительных элементов часто используются рассмотренные в пособии сенсоры деформации, температуры, магнитного поля. Например, терморезисторы являются чувствительными элементами датчиков скоростей газовых и жидкостных потоков (термоанемометров), датчиков – газоанализаторов, датчиков вакуума; тензорезисторы – чувствительные элементы датчиков сил, ускорений, давлений; холловские датчики используются для измерения положения и перемещения.

Полупроводниковые датчики в большинстве случаев отличаются сравнительно простой технологией изготовления и не требуют сложного технологического оборудования, поэтому могут производиться не только на крупных промышленных предприятиях, но и в условиях мелкосерийного производства.

1. Общие сведения о датчиках физических величин

1.1. Основные характеристики датчиков

Датчиками называются устройства, которые под воздействием физической измеряемой величины выдают эквивалентный сигнал, обычно электрической природы, являющийся функцией измеряемой величины:

S = F(m), (1.1)

где S – выходная величина датчика; m – входная величина.

Соотношение (1.1) выражает в общей теоретической форме физический закон, лежащей в основе работы датчика. Этот закон, выраженный численно, определяет выбор конструкции и материала для его изготовления, допустимые характеристики окружающей среды и условия его применения.

Для удобства измерений датчик стараются построить так, чтобы существовала линейная связь между малыми приращениями выходной ΔS и входной Δm величин:

ΔS = γ Δm, (1.2)

где γ – чувствительность датчика.

Постоянство чувствительности является важной проблемой создания датчиков.

Диапазон измеряемых значений – динамический диапазон внешних воздействий (максимальный входной сигнал), которые датчик может преобразовать в электрический сигнал, не выходя за пределы допустимых погрешностей.

Диапазон выходных значений – разность между электрическими выходными сигналами, измеренными при максимальном и минимальном внешнем воздействии.

Погрешность измерений датчика – разность между значением, вычисленным по выходному сигналу, и реальным значением входного сигнала. Погрешность датчика определяет его точность. Она может быть представлена в виде: непосредственно в единицах измеряемой величины (абсолютная погрешность); в процентах от значения максимального входного сигнала; в единицах выходного сигнала.

Мертвая зона – это нечувствительность датчика в определенном диапазоне входных сигналов. В пределах этой зоны выходной сигнал остается почти постоянным (равным нулю).

Разрешающая способность – это минимальное изменение входной величины, которое может почувствовать датчик.

Быстродействие датчика удобно оценивать постоянной времени – временем инерционности датчика. Это время, в течение которого выходной сигнал датчика достигнет уровня, составляющего 63 % от установившегося значения, после подачи на вход внешнего воздействия, т.е. изменится в е раз.