- •Введение
- •1. Общие сведения о датчиках физических величин
- •1.1. Основные характеристики датчиков
- •1.2. Классификация датчиков
- •2. Датчики деформации
- •2.1. Принцип действия
- •2.2. Конструкции тензодатчиков и их параметры
- •2.2.1. Конструкции металлических датчиков
- •2.2.2. Конструкции полупроводниковых датчиков
- •2.2.3. Основные параметры тензорезисторов
- •2.2.4. Тензодиоды и тензотранзисторы
- •2.3. Области применения и типы датчиков
- •Контрольные вопросы
- •3. Датчики температуры
- •3.1. Принцип действия
- •3.1.1. Термопары
- •3.1.2. Металлические термометры сопротивления
- •3.1.3. Термисторы
- •3.1.4. Позисторы
- •3.1.5. Измерение температуры с помощью диодов и транзисторов
- •3.2. Конструкции и параметры датчиков температуры
- •3.2.1. Термопары
- •3.2.2. Металлические термометры сопротивления
- •3.2.3. Термисторы
- •3.2.4. Позисторы
- •3.3. Области применения и типы датчиков
- •3.4. Термоанемометрический метод измерения скоростей потока газов и жидкостей
- •Контрольные вопросы
- •4. Твердотельные датчики газов
- •4.1. Принцип действия твердотельных датчиков газов
- •4.1.1. Термокондуктометрические датчики
- •4.1.2. Термохимические (каталитические) ячейки
- •4.1.3. Электрохимическая (топливная) ячейка
- •4.1.4. Полупроводниковые датчики газов
- •4.2. Конструкции и параметры датчиков
- •4.2.1. Термокондуктометрическая измерительная ячейка
- •4.2.2. Термохимическая (каталитическая) ячейка
- •4.2.3. Конструкция и параметры топливных элементов
- •4.2.4. Конструктивные и технологические особенности твердотельных датчиков газов
- •Контрольные вопросы
- •5. Датчики магнитного поля
- •5.1. Принцип действия
- •5.2. Преобразователи Холла
- •5.2.1. Технология изготовления и конструкции
- •5.2.2. Основные параметры и свойства
- •5.2.3. Применение преобразователей Холла
- •5.3. Полупроводниковые магниторезисторы
- •5.4. Магниторезисторы из ферромагнетиков
- •5.5. Магнитодиоды
- •5.6. Биполярные магнитотранзисторы
- •Контрольные вопросы
- •6. Оптические датчики
- •6.1. Принцип действия полупроводниковых приемников излучения
- •6.2. Основные характеристики фотоприемников
- •6.3. Фоторезисторы
- •6.3.1. Технология изготовления и конструкция
- •6.3.2. Характеристики и параметры
- •6.4. Фотодиоды
- •6.5. Полупроводниковые фотоэлементы
- •6.6. Фототранзисторы
- •6.7. Датчики ик-излучения
- •Контрольные вопросы
- •7. Датчики влажности
- •7.1. Единицы измерения влажности
- •7.2. Методы измерения влажности
- •7.3. Конденсационные датчики
- •7.4. Психрометрические датчики
- •7.5. Сорбционные датчики влажности
- •7.5.1. Кулонометрические датчики
- •7.5.2. Пьезосорбционные датчики
- •7.5.3. Импедансные датчики
- •Контрольные вопросы
- •8. Датчики микроэлектромеханических систем
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический список
2.2. Конструкции тензодатчиков и их параметры
Наиболее распространены резисторные датчики. Тензорезистор конструктивно представляет собой чувствительный элемент из тензочувствительного материала , закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный сверху тензорезистора. По материалу тензорезисторы делятся на металлические и полупроводниковые.
2.2.1. Конструкции металлических датчиков
Для металлических тензорезисторов обычно используются сплавы на основе Ni – таблице.
По конструкции металлические датчики делятся на проволочные, фольговые и пленочные – рис. 2.3. В проволочных датчиках диаметр проволоки составляет 20 мкм, толщина подложки 30 мкм для пластика (полиимида или эпоксида) и 100 мкм для бумаги, По способу намотки датчики делятся на спиральные и плоские. Датчики из фольги (толщиной 4 – 12 мкм) изготавливают по технологии печатных плат; пленочные – путем термического вакуумного напыления, они имеют толщину менее 1 мкм. Отечественной промышленностью выпускаются различные типы проволочных тензорезисторов (из константановой, нихромой и других проволок), фольговые датчики (из константана, никель-молибденового сплава).
Характеристики сплавов для металлических датчиков
Сплав |
Состав |
Кт |
Константан Изоэластик Карма Нихром Платина-вольфрам |
45 %Ni,55 % Cu 52 % Fe,36 % Ni,8 % Cr, 4 % (Mn+Mo) 74 % Ni, 20 % Cr, 3 % Cu, 3 % Fe 80 % Ni, 20 % Cr
92 % Pt, 8 % W |
2,1 3,5 2,1 2,5
4,1 |
Рис. 2.3. Металлические тензорезистивные датчики:
а – проволочные; б – фольговые
2.2.2. Конструкции полупроводниковых датчиков
В тензометрии используются полупроводниковые материалы с концентрацией основных носителей 1018 – 1019 см-3.
В зависимости от технологии изготовления различают два вида полупроводниковых датчиков: вырезанные из монокристалла и диффузионные
Вырезанные датчики образуются полоской, вырезанной механически или фотохимически из монокристалла легированного кремния, с нанесенными контактами и присоединением выводов. Полоска вырезается вдоль направления [111] для кремния p-типа и вдоль [100] для n-типа. Длина полоски от 0,1 мм до нескольких миллиметров, толщина -2 мм. Полоска наклеивается на пластиковую подложку.
Более простую технологию изготовления имеют тензорезисторы из нитевидных кристаллов, выращенных из газовой фазы: исключается механическая обработка, так как размеры и форма нитевидных кристаллов удовлетворяют всем требованиям тензорезисторов (длина 1 – 3 мм, диаметр 20 – 30 мкм), направление оси роста [111] совпадает с направлением максимальной тензочувствительности для p-Si, высокое структурное совершенство позволяет выдерживать большие упругие деформации (до 1 %).
Другой метод изготовления тензорезисторов основан на создании р–п перехода путем диффузии примесей в пластину полупроводника. В результате на кристалле полупроводника получается тензочувствительный диффузионный слой, отделенный электрически от основного кристалла р–п переходом (рис. 2.4). С помощью такого метода можно создавать как отдельные, так и сдвоенные тензорезисторы, изолированные друг от друга прослойкой высокоомного кремния с р–п переходами и удобные для использования в мостовых схемах. Такой способ позволяет одновременной диффузией четырех одинаковых резисторов на одной подложке получить полный мост (после соединения их металлизацией). В этом случае Si-подложка может служить промежуточным преобразователем, например, диафрагмой в датчиках давления. Большую надежность и стабильность имеют интегральные датчики со структурой кремний на сапфире (КНС). Интегральные полупроводниковые тензорезисторы, созданные планарной технологией, выращиваются непосредственно на упругом элементе (кремнии или сапфире).Это исключает погрешности, связанные с передачей деформации от упругого элемента к тензорезистору, а также позволяет создать термокомпенсирующие элементы. Интегральные тензорезисторы могут быть включены в состав интегральной схемы и служить для измерения механических напряжения при ее создании и эксплуатации.
Отечественной промышленностью выпускаются полупроводниковые тензорезисторы на основе монокристаллического кремния n- и p-типа проводимости, например, КМ1-5 (p-Si, ρ = 0,02 Ом·см); КМЭ1-5 (n-Si, ρ = 0,02 Ом·см) – оба типа стержневой формы с длиной нити 5 мм.
Рис. 2.4. Структура тензорезистивного диффузионного
датчика: 1 – подложка; 2 – металлические выводы;
3 – p-n переход; 4 – тензорезистивная область