НОУ ІНТУІТ, Лекція, Фізичні основи роботи та класифікація електричних сенсорів
8.2.3. П'єзорезистори
Якщо на металевий дріт діє сила, яка розтягує його, то в результаті деформації довжина дроту дещо збільшується, а площа поперечного перерізу дещо зменшується. Через це електричний опір дроту зростає. Таке явище називають п'єзорезистивним (від грецького кореня) чи тензорезистивним (від латинського кореня) ефектом. Металеві п'єзорезистори з константану або з ніхрому використовують для виявлення та вимірювання значних сил розтягування та деформації в будівельних та в механічних силових конструкціях. З їхньою допомогою можна своєчасно виявити, наприклад, явище втоми металевих опор, початок їх пластичної деформації та запобігати руйнуванням.
Значно більш високу тензочутливість, ніж металеві, мають напівпровідникові п'єзорезистори, оскільки механізм зміни електричного опору в них набагато складніший. Тензочутливість резисторів, наприклад, із кремнію в десятки разів вища, ніж у металевих. Але їхній електричний опір також значно сильніше залежить від температури. Для зменшення впливу результати вимірювань неконтрольованих змін температури застосовують мостові схеми. В одне їх плече включений навантажений п'єзорезистор (на який діє вимірювана сила), а в інше – такий самий резистор, але механічно не навантажений. При змінах температури співвідношення опорів та баланс мосту не змінюються.
Високий рівень розвитку сучасної мікроелектронної технології дозволив формувати з кремнію мініатюрні прецизійні п'єзорезистивні структури разом з елементами термокомпенсації,посилення та електронної обробки сигналів. На цій основі створені та промислово випускаються сотні найменувань різноманітних мікроелектронних сенсорів для вимірювання сили, тиску, механічної напруги, для фіксації навіть найлегших дотиків. Наприклад, сенсори тиску компанії Honeywell на основі кремнієвих п'єзорезисторів перекривають діапазон тисків від одиниць паскалю до десятків МПа, забезпечуючи вимірювання з точністю ±0,1-3% [[251]; http://content.honeywell.com/sensing/products]. Серед них – сенсори абсолютного, надлишкового та диференціального тиску для роботи в сухому та у вологому не агресивному середовищі, а також для вимірювань у рідких і навіть в агресивних середовищах.
Ще більш високу тензочутливість мають п'єзорезистори з еластомерів, які виготовляють з гуми, поліуретану та подібних пружних синтетичних матеріалів, до складу яких включені електропровідні частинки або волокна (наприклад, графітовий або вугільний порошок) [148]. Принцип дії п'єзорезисторів з еластомерів показаний на рис. 8.4.
За відсутності зовнішньої сили рухомий контакт тільки торкається електропровідного еластомеру, і опір між контактами досить великий. Поява сили тиску, що діє на рухомий контакт, призводить до деформації пружного шару еластомеру і деякого поглиблення контакту в цей шар. При цьому одночасно зменшується відстань між контактами та між електропровідними частинками в еластомері та збільшується площа контактної зони. Разом взяте це призводить до помітного зменшення електричного опору. Типовий вид нелінійної залежності електричного опору від прикладеної сили або переміщення рухомого контакту (від величини деформації) показаний на рис. 8.4 праворуч.
Уроботі [[35]] описані навіть масиви тензочутливих елементів з таких еластомерів. Їхнє застосування разом із мікрокомп'ютером у складі інтелектуальних сенсорів дозволяє вимірювати розподіл механічних навантажень по поверхні масиву та їх зміну в часі (динаміку). Сенсор може сигналізувати про загрозливе локальне або загальне навантаження, фіксувати і відстежувати переміщення об'єктів по поверхні цієї чутливої "розумної" сенсорної опори. При тренуваннях спортсменів-стрибунів, наприклад, такий розподілений сенсор фіксує місце, силу, час та тривалість відштовхування, дозволяє вивчати ефективність застосування різних амортизаторів тощо.
У [[213]] показано, що на основі ниткоподібних кристалів кремнію-типу, легованих бором і закріплених на пружних елементах, можна створити високочутливі п'єзорезистивні сенсори для надійної роботи навіть при кріогенних температурах.
8.2.4. Гігрістори
Електричний опір деяких гігроскопічних матеріалів залежить від вологості навколишнього повітря. Резистори з таких матеріалів називають гігристорами і застосовують у сенсорах вологості [325]. Для цього синтезовані спеціальні матеріали: нонілфенілполіетиленглі-кольефір, гідроксиетилцелюлоза тощо. з наповненням вугільним порошком [[99]]. Типова залежність електричного опору таких гігристорів від відносної вологості повітря показано на рис. 8.5.
У складі інтелектуального сенсора можна врахувати зміни цієї залежності з температурою, а також деяке запізнення зміни електричного опору гігристора при швидких змінах вологості повітря, запам'ятовувати динаміку змін вологості за певний період для подальшої передачі в комп'ютерну мережу.документування, прогнозування тощо.
У роботі [[152]] описано застосування в ролі гігристора твердого поліелектроліту на основі силікону (Si-PE), що має високу чутливість в діапазоні відносної вологості від 11 до 96% і малу інерційність (час затримки близько 4 с).
8.2.5. Магніторезистивні сенсори
У магніторезистивних сенсорах використовується здатність деяких матеріалів суттєво змінювати свою електропровідність залежно від напряму та напруженості зовнішнього магнітного поля. До таких матеріалів відносяться, наприклад, плівки пермалою (). Найчастіше застосовують структуру, в якій чутливий елемент складається з 4 плівкових резисторів з пермалою, напилених на поверхню кремнію і з'єднаних у вигляді бруківки вимірювальної схеми [[253]]. Зверху магніторезистивні плівки захищають тонким шаром тантану нітриду. Поруч формують мініатюрні плоскі плівкові котушки. Коли через одну з них пропускають електричний струм, створюване ним магнітне поле орієнтує домени пермалоєвих плівок уздовж осі резисторів. Саме у такому стані вони мають найбільшу чутливість. Це робиться щоразу перед початком серії вимірів. Через іншу котушку при вимірюваннях пропускають постійний електричний струм, необхідний для компенсації зовнішнього зовнішнього магнітного поля, перпендикулярного до площини резисторів, і таким чином балансують вимірювальну мостову схему . З появою вимірюваного зовнішнього магнітного поля відбувається розбаланс моста, а вихідний сигнал пропорційний магнітної індукції зовнішнього поля. Усі необхідні схеми формують у тому самому кристалі кремнію. Компенсаційну котушку використовують також для калібрування та для повного балансування моста. Різниця між струмом балансування таПочатковим компенсаційним струмом пропорційна індукції зовнішнього магнітного поля. Така схема забезпечує високу лінійність вимірювань, малу їх залежність від температури та інших перешкод (наприклад, від наявності поблизу деталей з феромагнітних матеріалів).
Окрім "одновісних" магніторезистивних датчиків, чутливих до магнітного поля одного напрямку, випускають також "двохосні" і "трьохосні" датчики, в яких 2 або 3 магніторезистивні датчики орієнтовані у взаємно перпендикулярних напрямках. З них виготовляють також сучасні високонадійні компаси без магнітної стрілки і взагалі без рухомих деталей [252], а також високоточні сенсори напрямку руху ("датчики курсу") для авіаційних, морських, автомобільних транспортних засобів. На рис. 8.6 зліва показаний аналоговий магніторезистивний компас НМС6052, в якому використовується двовісний сенсор НМС1052 розміром 3,5×3,5 мм з мінімальним магнітним полем, що вимірюється, 80 мкГс (магнітне поле Землі порядку 600 мГс). Компас працює в діапазоні температур від -45 ° С до +120 ° С, має інтерфейс до ПК.
У 1988 р. Бейбич (M. N. Baibich) виявив, що у багатошарових структурах сумарною товщиною близько 100 нм, у сусідніх шарах яких домени розташовані антипаралельно, електричний опір може дуже і швидко змінюватися під впливом зовнішнього магнітного поля. Це явище названо "гігантським магнетоопіром" (ГМС) [[303]]. З його застосуванням вже створено високоточні сенсори магнітного поля та надшвидкі ГМС-головки для жорстких магнітних дисків, що дозволило різко покращити характеристики останніх.
Ще про один цікавий вид резистивних сенсорів написано, наприклад, в [[41]]. Йдеться проакусторезистивнийефект – змінуелектричного опору речовини за наявності у ньому високочастотної акустичної хвилі. Досить складний механізм цього явища можна зрозуміти лише з урахуванням квантовомеханических закономірностей. Він пов'язаний з утворенням, поглинанням та розсіюванням фононів – квантів високочастотних механічних коливань кристалічних ґрат. Цей ефект дозволяє виявляти наявність та визначати інтенсивність ультразвукових та гіперзвукових хвиль, що не сприймаються людським вухом.