Лекция №1 Понятие сенсора. Классификация и технология изготовления сенсоров

Лекция №1

Понятие сенсора. Классификация и технология изготовления сенсоров

В самых различных областях своей деятельности человеку необходимо получать информацию о физи­ческих параметрах, отражающих состояние различ­ных объектов: технических устройств, естественной или искусственной окружающей среды и т. п.

Можно выделить следующие основные группы неэлектрических ве­личин, которые наиболее часто приходится измерять:

механические величины – это силы, давления, де­формации, моменты, линейные размеры, уровни, вибрации, расходы, скорости потоков и др.;

тепловые величины – температура, количества тепло­ты, тепловые потоки, теплоемкость и т. п.;

величины, характеризующие свойства и со­став веществ – концентрация, химический состав, влажность, содержание взвешенных веществ и др.;

световые величины – освещенность, сила света и ее распределенность, яркость, цвет и т. п.

Измерение неэлектрических величин электрическими средствами измерений становится возможным благодаря предварительному пре­образованию исследуемых неэлектрических величин в функционально связанные с ними электрические величины посредством соответству­ющих измерительных преобразователей. Следовательно, при измере­нии неэлектрических величин электрическими методами предусматри­вается наличие первичного измерительного преобразователя физиче­ской величины в выходную электрическую.

Сенсор (первичный измерительный преобразователь) – это измерительный преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, т. е. первый в измерительной цепи.

Измерительный преобразователь – техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований индикации или передачи.

Датчик – конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он «дает» информацию).

Примечание. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигнал.

Пример – Датчики запущенного метеорологического зонда передают измерительную информацию о температуре, давлении влажности и др. параметрах атмосферы.

Все методы измерения неэлектрических величин можно разделить на контактные и бесконтактные. При контактном методе первичный преобразователь находится в непосредственном контакте с исследуе­мым объектом. Контактные методы сравнительно просты в реализации и обеспечивают высокую чувствительность. В то же время при кон­тактном методе имеет место обратное влияние измерительного преоб­разователя на параметры исследуемого объекта, что может привести к значительному искажению результата измерения. Кроме того, в ряде случаев невозможно осуществить непосредственный контакт измери­тельного преобразователя с исследуемым объектом вследствие, напри­мер, неблагоприятных условий измерения (влажность, запыленность, вибрации, опасность механического разрушения, химическая и радиа­ционная агрессивность, большая удаленность объекта и т. п.).

При бесконтактном методе измерения первичный преобразователь не находится в непосредственном контакте с исследуемым объектом и не искажает его параметров. При этом, однако, на результат измерения в большой степени влияет окружающая среда, отделяющая исследуе­мый объект от первичного преобразователя.

При конструировании сенсоров особое зна­чение придается следующим показателям:

–  миниатюрность (возможность встраивания);

–  дешевизна (серийное производство);

–  механическая прочность, надежность.

На сегодняшний день сформировалось новое научно-техническое направление микроэлектронного приборостроения, связанное с использованием технологии микроэлектроники для создания сенсоров.

В последнее время наряду с созданием датчиков, имеющих цифровой выходной сигнал, наблюдается тенденция к конструктивному объединению датчиков с микропроцессорными устройствами.

Все сенсоры разделяют на генераторные и параметрические.

В генераторных преобразователях входная величина преобразуется в выходной сигнал, обладающий энергетическими свойствами. При­мерами генераторных преобразователей могут быть термоэлектриче­ский преобразователь температуры, пьезоэлектрический преобразова­тель силы, давления и т. п.

В параметрических преобразователях входная величина, воздей­ствующая на определенный параметр преобразователя, приводит к из­менению этого параметра (сопротивления, емкости, индуктивности). Особенностью работы параметрических преобразователей является потребность в дополнительном источнике энергии для получения или дальнейшего преобразования измерительной информации.

К генераторным относят:

–  пьезоэлектрические;

–  электродинамические;

–  термоэлектрические (термопары);

–  фотодиоды;

–  гальваномагнитные (элементы Холла).

Параметрические сенсоры:

–  реостатные;

–  тензорезистивные;

–  терморезистивные;

–  полупроводниковые химические сенсоры;

–  оптические сенсоры (фоторезисторы, фототранзисторы, оптические умножители);

–  волоконно-оптические сенсоры;

–  биосенсоры.

По физическим закономерностям, положенным в основу принципа действия, преобразователи неэлектрических величин в электрические можно разделить на следующие группы.

1. Резистивные преобразователи механиче­ских величин. Принцип действия таких преобразователей осно­ван на изменении электрического сопротивления преобразователя под действием входной механической величины. К ним относятся реостат­ные преобразователи перемещений и тензорезистивные преобразо­ватели.

2. Электростатические преобразователи. К электростатическим относятся преобразователи, переносчиком из­мерительной информации в которых является электрический заряд. Различают две основные разновидности электростатических преоб­разователей: емкостные, принцип действия которых основан на взаи­модействии двух заряженных тел, и пьезоэлектрические, возникновение электрических зарядов в которых является следствием механических напряжений в чувствительном элементе преобразователя.

3. Электромагнитные преобразователи. Под этим названием объединена большая группа преобразователей, прин­цип действия которых основан на использовании электромагнитных явлений. При этом в зависимости от способа использования этих явле­ний электромагнитные преобразователи могут быть разделены на индуктивные и взаимоиндуктивные. Выходным информативным пара­метром индуктивных преобразователей является индуктивность или полное электрическое сопротивление обмотки, нанесенной на ферро­магнитный сердечник, магнитные параметры которого являются функ­цией измеряемой неэлектрической величины, например длины воздуш­ного зазора. Выходным информативным параметром взаимоиндуктивных преобразователей является э. д. с, наведенная во вторичной обмотке, значение которой зависит от магнитных параметров магнитопровода, а в конечном счете от измеряемой неэлектрической величины, воздействующей на магнитную цепь. К электромагнитным относят часто индукционные преобразователи, принцип работы которых основан на использовании явления электромагнитной индукции.

4. Тепловые преобразователи. В основу принципа работы тепловых преобразователей положены физические закономер­ности, определяемые тепловыми и связанными с ними другими про­цессами. Тепловые преобразователи в основном преобразователи темпе­ратуры. Однако они широко используются для преобразования других неэлектрических величин, которые функционально связаны с теп­ловыми процессами. Чаще всего используются термоэлектрические и терморезистивные преобразователи.

5. Электрохимические преобразователи. Принцип действия этих преобразователей основан на зависимости электрических параметров электролитической ячейки от состава, кон­центрации и других свойств исследуемого раствора. Входными сигна­лами электрохимических преобразователей могут быть разнообразные физические величины: качественный и количественный состав слож­ных жидких и газообразных сред, давление, скорость, ускорение и т. п.

6. Оптико-электрические преобразователи. В основу принципа действия оптических преобразователей положено преобразование потока оптического (светового и теплового) излучения. Преобразование измерительной информации осуществляется здесь обычно путем модуляции параметров источника излучения или опти­ческого канала.

7. Ионизационные преобразователи. Принцип действия таких преобразователей основан на преобразовании интен­сивности ионизирующего излучения.

Основной статической характеристикой первичных преобразовате­лей неэлектрических величин является функция преобразования или градуировочная характеристика. Для большинства преобразователей неэлектрических величин их функция преобразования существенно нелинейная. Поэтому при их сопряжении с электрическими измеритель­ными приборами, обладающими линейной зависимостью показаний от значения входной величины, возникает необходимость линеаризации функции преобразования первичного преобразователя. Линеаризация может быть осуществлена конструкторскими, технологическими либо структурными методами.

Для использования первичных преобразователей в системах центра­лизованного контроля и управления применяют унификацию их вы­ходных сигналов с помощью унифицирующих преобразователей. Наибольшее распространение получили унифицированные сигналы в виде постоянного тока и напряжения 0...5, 0...20, 4...20 мА, 0...100 мВ, 0...10 В, а также частоты 4...8 кГц. Преимуществами сиг­налов в виде постоянного тока и напряжения являются простота мас­штабирования, отсутствие влияния реактивных параметров линии связи, возможность фильтрации помех и наводок, а сигналов с частот­ным информативным параметром – возможность высокоточной пере­дачи и измерения, а также простота цифрового измерения.

Основные характеристики сенсоров.

Градуировочная характеристика (передаточная функция) – функция, устанавливающая взаимосвязь между выходным электрическим сигналом датчика и внешним воздействием.

Диапазон измеряемых значений – динамический диапазон внешних воздействий, который датчик может воспри­нять. Эта величина показывает максимально возможное значение входного сигнала, которое датчик может пре­образовать в электрический сигнал, не выходя за пределы допустимых погрешно­стей.

Для датчиков с очень широкой и нелинейной амплитудно-частотной харак­теристикой (АЧХ) динамический диапазон внешних воздействий часто выража­ется в децибелах, которые являются логарифмической мерой отношений либо мощности, либо напряжений.

Диапазон выходных значений – алгебраическая разность между электрически­ми выходными сигналами, измеренными при максимальном и минимальном внеш­нем воздействии. В эту величину должны входить все возможные отклонения от идеальной передаточной функции.

Точность – очень важная характеристика любого датчика. Правда, когда говорят о точности датчика, чаще всего подразумевают его неточность или погрешность из­мерений. Под погрешностью измерений, как правило, понимают величину мак­симального расхождения между показаниями реального и идеального датчиков. Считается, что измеренное значение соответствует реальному с определенной степенью достоверности.

На точность датчиков влияют такие характеристики как: гистерезис, мертвая зона, параметры калибровки, повторяемость датчиков от партии к партии и вос­производимость погрешностей.

Градуировка. Если производственные допуски на датчик и допуски на интерфейс (схемы пре­образования сигналов) превышают требуемую точность системы, всегда необ­ходимо проводить градуировку. Например, требуется измерить температуру с точностью ±0.5°С датчиком, по справочным данным обладающим погрешнос­тью ±1 °С. Это можно сделать только после проведения градуировки конкретного датчика, что необходимо для нахождения его индивидуальной передаточной функции, а также после проведения полной градуировки системы. В процессе проведения полной градуировки определяются коэффициенты, описывающие передаточную функцию всей системы в целом, включая датчик, интерфейсное устройство и АЦП.

Ошибка калибровки – это погрешность, допущенная производителем при проведе­нии калибровки датчика на заводе. Эта погрешность носит систематический харак­тер, и, значит, добавляется ко всем реальным передаточным функциям.

Гистерезис – это разность значений выходного сигнала для одного и того же вход­ного сигнала, полученных при его возрастании и убывании (рис.1).

Рис.1 Передаточная функция с гистерезисом

Нелинейность определяется для датчи­ков, передаточную функцию которых возможно аппроксимировать прямой линией. Под нелиней­ностью понимается максимальное откло­нение реальной передаточной функ­ции от аппроксимирующей прямой ли­нии. Под термином «линейность» на са­мом деле понимается «нелинейность».

Насыщение. Каждый датчик имеет свои пределы рабочих характеристик. Даже если он считается линейным, при определенном уровне внешнего воздействия его выходной сигнал перестанет отвечать приведенной линейной зависимости. В этом случае говорят, что датчик вошел в зону нелинейности или в зону насыщения (рис.2).

Рис.2 передаточная функция с насыщением

Воспроизводимость – это способность датчика при соблюдении одинаковых усло­вий выдавать идентичные результаты. Воспроизводимость результатов определя­ется по максимальной разности выходных значений датчика, полученных в двух циклах градуировки. Причинами плохой воспроизводимости результатов часто являются: тепловой шум, поверхностные заряды, пластичность материалов и т. д.

Разрешающая способность характеризует минимальное изменение измеряемой ве­личины, которое может почувствовать датчик.

Выходной импеданс является характеристикой, указывающей насколько легко дат­чик согласовывается с электронной схемой.

Динамические характеристики. В стационарных условиях датчик полностью описывается своей передаточной функ­цией, диапазоном измеряемых значений, градуировочными коэффициентами и т. д. Однако на практике выходной сигнал датчика не всегда достаточно точно отслежи­вает изменение внешнего сигнала. Причины этого заключаются как в самом датчи­ке, так и в его соединении с источником внешних воздействий, не позволяющем сигналам распространяться с бесконечно большой скоростью.

Инерционность преобразователя прояв­ляется в том, что его выходной сигнал не успевает сле­дить за изменениями измеряемой величины, вследствие чего могут воз­никнуть существенные динамические погрешности вплоть до того, что результаты измерения становятся совершенно неприемлемыми. Таким образом, при выборе соответствующих преобразовате­лей необходимо всегда исходить из условия обеспечения согласования их динамических характеристик с динамикой объекта.

Технология изготовления сенсоров

Технология изготовления сенсоров чаще всего оп­ределяется известными способами изготовления полу­проводниковых интегральных схем. Общее представ­ление об этих способах изготовления с их достоин­ствами и недостатками дает табл.1.

Табл.1. Основные виды технологии изготовления объемных и пленочных сенсоров

Рис. 3. Аналогия между процессами получения, обработки и преобразования сигналов в биологических (человек) и технических (автомат) системах.