Микроэлектронные датчики физических величин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт - Петербургский Государственный Электротехнический Университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Кафедра Электронного приборостроения

РЕФЕРАТ

«Микроэлектронные датчики физических величин»

Санкт - Петербург 2015

Приборов детектирования и измерения параметров магнитного поля достаточно много, отчего они используются во многих сферах как чисто технических, так и бытовых. Эти детекторы используются в системах, связанных с задачами навигации, измерения угла поворота и направления движения, определения координат объекта, распознавания «свой - чужой» и т. д.

Широкая область применения таких датчиков требует использования различных свойств магнитного поля для их реализации. Рассмотрим принципы работы, которые заложены в датчики магнитного поля:

· использующие эффект Виганда;

· магниторезистивные;

· индукционные;

· работающие на эффекте Холла;

Датчики Виганда

Работа датчика базируется на эффекте, открытом американским ученным Вигандом. Суть эффекта Виганда проявляется в следующем. При внесении ферромагнитной проволоки в магнитное поле, в ней происходит самопроизвольное изменение магнитной поляризации. Это явление наблюдается при выполнении двух условий. Первое - проволока должна иметь специальный химический состав (52% кобальта,10% ванадия - викаллой) и двухслойную структуру (рисунок справа). Второе - напряженность магнитного поля должна быть выше определенного порогового значения - порога зажигания.

Момент изменения поляризации проволоки можно наблюдать с помощью катушки индуктивности, расположенной рядом с проволокой. Индукционный импульс напряжения на ее выводах при этом достигает нескольких вольт. При изменении направления магнитного поля полярность индуктируемых импульсов изменяется. В настоящее время эффект объясняют различной скоростью переориентации элементарных магнитов в магнитомягкой сердцевине и магнитотвердой оболочке проволоки.

Конструкция датчиков Виганда содержит катушку индуктивности и проволоку Виганда. При смене поляризации проволоки, катушка, намотанная на неё, фиксирует это изменение.

Чувствительные элементы Виганда применяются в расходомерах, датчиках скорости, угла поворота и положения. Кроме того, одно из наиболее частых применений этого элемента - системы считывания идентификационных карт, которыми все мы пользуемся ежедневно. При прикладывании намагниченной карты меняется напряженность поля, на что реагирует датчик Виганда.

К достоинствам датчика Виганда следует отнести независимость от влияния внешних электрических и магнитных полей, широкий температурный диапазон работы (-80° … +260°C), работу без источника питания.

Магниторезистивные датчики магнитного поля

Магниторезистивные датчики магнитного поля в качестве чувствительного элемента содержат магниторезистор. Принцип действия датчика заключается в эффекте изменения оммического сопротивления материала в зоне действия магнитного поля. Наиболее сильно этот эффект проявляется в полупроводниковых материалах. Изменение их сопротивления может быть на несколько порядков больше чем у металлов.

Физическая суть эффекта заключается в следующем. При нахождении полупроводникового элемента с протекающим током в магнитном поле, на электроны действуют силы Лоренца. Эти силы вызывают отклонение движения носителей заряда от прямолинейного, искривляют его и, следовательно, удлиняют его. А удлинение пути между выводами полупроводникового элемента равносильно изменению его сопротивления.

В магнитном поле изменение длины «пути следования» электронов обусловлено взаимным положением векторов намагниченности этого поля и поля протекающего тока. При изменении угла между векторами поля и тока пропорционально изменяется и сопротивление.

Таким образом, зная величину сопротивления датчика можно судить о количественной характеристике магнитного поля.

Магнитное сопротивление сильно зависит от конструкции магниторезистора. Конструктивно датчик магнитного поля представляет магниторезистор, состоящий из подложки с расположенной на ней полупроводниковой полоской. На полоску нанесены выводы.

Для исключения влияния эффекта Холла размеры полупроводниковой полоски выдерживаются в определенных допусках - ширина ее должна быть много больше длины. Но такие датчики обладают малым сопротивлением, поэтому на одной подложке размещают необходимое число полосок и соединяют их последовательно.

С этой же целью часто датчик выполняется в виде диска Корбино. Запитывается датчик путем подключения к выводам расположенным в центре диска и по его окружности. При отсутствии магнитного поля путь тока прямолинеен и направлен от центра диска к периферии по радиусу. При наличии магнитного поля ЭДС Холла не возникает, так как у диска отсутствуют противоположные грани. Сопротивление же датчика изменяется - под действием сил Лоренца пути тока искривляются.

Датчики этого типа, благодаря высокой чувствительности, могут измерять незначительные изменения состояния магнитного поля и его направление. Они применяются в системах навигации, магнитометрии, распознавания образов и определения положения объектов.

Индукционные датчики магнитного поля

Датчики этого типа относятся к генераторному типу датчиков. Конструкции и назначения таких датчиков различна. Они могут использоваться для определения параметров переменных и стационарных магнитных полей. В данном обзоре рассмотрен принцип работы датчика, работающего в постоянном магнитном поле.

Принцип работы индукционных датчиков базируется на способности переменного магнитного поля индуцировать в проводнике электрический ток. При этом ЭДС индукции, появляющаяся в проводнике, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через него.

Но в стационарном поле магнитный поток не изменяется. Поэтому для измерения параметров стационарного магнитного поля применяются датчики с катушкой индуктивности, вращающейся с постоянной скоростью. В этом случае магнитный поток будет изменяться с определенной периодичностью. Напряжение на зажимах катушки будет определяться скоростью изменения потока (числом оборотов катушки) и количеством витков катушки.

По известным данным легко вычисляется величина магнитной индукции однородного магнитного поля.

Конструкция датчика показана на рисунке. Он состоит из проводника в качестве которого может выступать катушка индуктивности, расположенной на валу электродвигателя. Съем напряжения с вращающейся катушки осуществляется с помощью щеток. Выходное напряжение на выводах катушки представляет переменное напряжение, величина которого тем больше, чем больше частота вращения катушки индуктивности и чем больше магнитная индукция поля.

Датчики магнитного поля на эффекте Холла

Датчики магнитного поля на эффекте Холла используют явление взаимодействия перемещающихся электрических зарядов с магнитным полем.

Суть эффекта поясняется рисунком. Через полупроводниковую пластину протекает ток от внешнего источника.

Пластина находится в магнитном поле, пронизывающем ее в направлении перпендикулярном движению тока. В магнитном поле под действием силы Лоренца электроны отклоняются от прямолинейного движения. Эта сила сдвигает их в направлении перпендикулярном направлению магнитного поля и направлению тока.

В данном случае у верхнего края пластины электронов будет больше, чем у нижнего, т.е. возникает разность потенциалов. Эта разность потенциалов и обуславливает появление выходного напряжения - напряжения Холла. Напряжение Холла пропорционально току и индукции магнитного поля. При постоянном значении тока через пластину оно определяется только значением индукции магнитного поля.

Чувствительные элементы для датчиков изготовляются из тонких полупроводниковых пластинок или пленок. Эти элементы наклеиваются или напыляются на подложки и снабжаются выводами для внешних подключений.

Датчики магнитного поля с такими чувствительными элементами отличаются высокой чувствительностью и линейным выходным сигналом. Они широко применяются в системах автоматики, в бытовой технике и системах оптимизации работы различных агрегатов.

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой.

Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего () и холодного () контактов.

В небольшом интервале температур термо-ЭДС можно считать пропорциональной разности температур:

где -- термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термо-ЭДС).

В простейшем случае коэффициент термо-ЭДС определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры меняет знак.

Более корректное выражение для термо-ЭДС:

Величина термо-ЭДС составляет милливольты при разности температур в 100 °С и температуре холодного спая в 0 °С (например, пара медь-константан даёт 4,25 мВ, платина-платинородий -- 0,643 мВ, нихром-никель -- 4,1 мВ)^[2].

Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах

Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалы электронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов, равная

где -- энергия Ферми, -- заряд электрона.

На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах -- от большего F к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом -- против поля. Циркуляция вектора Е тем самым будет равна нулю.

Если температура одного из контактов изменится на dT, то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора Е будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи.

Данная ЭДС называется контактная ЭДС.

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термо-ЭДС исчезают.

Фононное увлечение

Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (на горячем -- положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения.

Эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термоэдс, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше. В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термоэдс, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами.

Применяется для создания термодатчиков (например в компьютерах). Такие датчики миниатюрны и очень точны.

Технические реализации эффекта

Термопара

Наиболее важной технической реализацией эффекта Зеебека в металлах является термопара - термочувствительный элемент в устройствах для измерения температуры. Термопара состоит из двух последовательно соединенных пайкой или сваркой разнородных металлических проводников М1 и М2. В сочетании с электроизмерительными приборами термопара образует термоэлектрический термометр, шкала которого градуируется непосредственно в К или °С.

На рис. 3 показаны схемы включения термопары в измерительную цепь:

а) измерительный прибор 1 подключен с помощью соединительных проводов 2 в разрыв одного из термоэлектродов М1;

б) измерительный прибор подключен к концам термоэлектродов М1 и М2; Т_А и Т_В - температуры соответственно "горячего" и "холодного" контактов термопары.

Типичная схема включения термоэлектрического датчика с термостатированным контактом

Рис. 3а

Типичная схема включения термоэлектрического датчика с нетермостатированным "холостым" контактом

Рис. 3б

датчик магнитный поле транзистор

При измерении температуры один из контактов обычно термостатируется (обычно при 273 К - с помощью тающего льда).

Диапазон температур, измеряемых при помощи термопар, очень велик: от гелиевых, до нескольких тысяч градусов. В таблице 2 приведены материалы термоэлектродов, из которых обычно делаются термопары, используемые для разных температурных областей.

В зависимости от назначения термопары бывают: стационарные и переносные, с влагонепроницаемой, взрывобезопасной, герметичной оболочкой и без нее, виброустойчивые и др.

Применение эффекта