Привет, Вы узнаете о том , что такое Вольтаические сенсоры, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое Вольтаические сенсоры, 6 Вольтаические датчики, Вольтаические сенсоры-датчики , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы .

Напоминаем, что к этому виду мы относим те сенсоры, в которых под действием внешнего фактора первичный информационный сигнал возникает в виде электрического потенциала, разности потенциалов или напряжения между какими-то точками электрической цепи. Вольтаические сенсоры мы будем дальше классифицировать по физической природе того фактора, под влиянием которого возникает и изменяется электрический потенциал, напряжение или электродействующая сила (ЭДС).

6.1 Сенсоры на основе термо-эдс

Широко известным является применение для измерения температуры термопар – электрически соединенных между собой проводников из двух разных материалов. Если места их электрического контакта ("спаи") находятся при разных температурах, то между ними возникает разность потенциалов, которую называют "термо-ЭДС". Ее физической причиной служит то, что в области "горячего" контакта носители электрического заряда (электроны или "дырки") имеют более высокие скорости теплового движения. Поэтому диффузионный поток носителей от "горячего" спая к "холодному" больше, чем диффузионный поток от "холодного" спая к "горячему". В полупроводниках к этой причине добавляется еще и то, что концентрация носителей заряда у "горячего" спая тоже заметно выше. В результате носители заряда скапливаются возле "холодного" спая, и возникает разность потенциалов.

На не слишком больших температурных интервалах термо-ЭДС в термопарах из металлов пропорциональна разности температур:

В этом выражении называют коэффициентом термо-ЭДС .

и – это температуры "горячего" и "холодного" спаев соответственно. У термопар из металлических проводников значения коэффициента термо-ЭДС лежат в пределах , а у полупроводников могут быть и на порядок выше.

По величине термо-ЭДС всегда можно однозначно определить разность температур. Наиболее широкий диапазон измерения температуры (от – 270°С до 1300°С) обеспечивает термопара хромель/алюмель. К наиболее употребительным термопарам принадлежат медь/константан, нихром/ константан, железо/константан и т.д. Роль одного из проводников с успехом может выполнять, например, и легированный кремний, который имеет коэффициент термо-ЭДС даже более высокий, чем у металлов.

Чтобы уменьшить их собственную теплоемкость, термопары делают проволочными или пленочными. Благодаря незначительной толщине и массе измерительный спай пленочной термопары может иметь очень малую собственную теплоемкость и поэтому достаточно малую тепловую инерционность (меньше 10 мс). С помощью пленочной термопары можно измерять температуру даже очень малых тел миллиметровых и субмиллиметровых размеров, к которым ее приклеивают.

6.2 Сенсоры на основе фотовольтаического эффекта

Иногда в сенсорах, которые фиксируют и измеряют интенсивность света, используют фотовольтаический эффект – появление под действием падающего света разности потенциалов между освещенной и темной зонами полупроводника. Это связано с появлением в полупроводнике при поглощении фотонов дополнительных носителей электрического заряда (внутренний фотоэффект), которые начинают мигрировать в темную зону. Возникающую фото-ЭДС измеряют электронными схемами с очень высоким внутренним сопротивлением на разомкнутых выводах полупроводника. Благодаря весьма малой инерционности, ее используют для контроля мощности и формы сверхкоротких импульсов излучения лазеров.

6.3 Пьезоэлектрические сенсоры

Наиболее употребительным видом вольтаических сенсоров являются пьезоэлектрические сенсоры. Об их многочисленных применениях мы уже упоминали при изучении механических и акустических сенсоров. Напомним, что пьезоэффект состоит в том, что механическая деформация пластины из пьезоэлектрика вызывает его дополнительную поляризацию, вследствие чего возникает разность потенциалов между электродами, нанесенными на противоположные грани пластины.

При разработке и применении пьезоэлектрических сенсоров необходимо учитывать два важных обстоятельства. Первое состоит в том, что в окружающей среде всегда есть некоторое количество свободных ионов, которые под действием разности потенциалов перемещаются и оседают на соответствующих электрически заряженных поверхностях пьезоэлектрика.

Электрическая изоляция этих поверхностей одна от другой никогда не бывает идеальной, из-за чего возникают, пусть и очень малые, токи перетекания зарядов. Поэтому разность потенциалов между двумя электродами пьезоэлектрика, возникающая после его поляризации или вследствие деформации, постепенно уменьшается и спустя некоторое время исчезает. В связи с этим пьезоэлектрические сенсоры являются чувствительными лишь к меняющимся со временем деформациям и силам, но не могут применяться для измерения длительно действующих сил и деформаций. Второе важное обстоятельство состоит в том, что пьезоэлектрический эффект зависит от температуры. И это обстоятельство надо обязательно учитывать в сенсорах, предназначенных для прецизионных измерений.

Эти трудности можно обойти, используя пьезоэлемент в режиме пьезоэлектрического резонатора. Дело в том, что всегда наблюдается не только описанный выше прямой, но и обратный пьезоэлектрический эффект: если на противолежащие электроды пьезоэлемента подать напряжение, то пьезоэлемент несколько деформируется (сжимается или растягивается) в поперечном направлении. Когда на электроды пьезоэлемента подается переменное напряжение, то в пьезоэлементе возбуждаются механические колебания.

Амплитуда вынужденных механических колебаний зависит не только от амплитуды приложенного переменного напряжения, но и от его частоты. В том случае, когда эта частота совпадает с частотой собственных механических колебаний пьезоэлемента, наблюдается т.н. "электромеханический резонанс": амплитуда возбуждаемых механических колебаний резко возрастает. Благодаря прямому пьезоэлектрическому эффекту при этом резко возрастает и амплитуда электрических колебаний. По этой причине в электрических цепях переменного тока пьезоэлектрический резонатор ведет себя как высокодобротный колебательный контур с добротностью до 10000. Если с помощью положительной обратной связи и, например, транзистора организовать синхронную подкачку энергии, то в пьезоэлектрическом резонаторе возникают и поддерживаются незатухающие электрические и механические колебания на его собственной частоте.

6.4 Датчики Холла

Известным видом вольтаических сенсоров являются также так называемые датчики Холла. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Их действие основано на том, что на носители электрического заряда, движущиеся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Поэтому, если через пластину проводника или полупроводника пропускать электрический ток, то при наличии внешнего магнитного поля носители электрического заряда под действием силы Лоренца будут отклоняться в направлении, перпендикулярном вектору индукции магнитного поля и направлению тока. Вследствие этого возникает поперечная разность потенциалов, пропорциональная силе тока и величине индукции магнитного поля.

1. 1. Сенсоры на диодах и биполярных транзисторах Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды формируют, как известно, посредством локального легирования полупроводника, так чтобы образовался т.н. "--переход" – переходной слой между областями полупроводника и типа .Электрический ток через такую структуру может свободно протекать только в "прямом" направлении – от "анода" (область -типа) к "катоду" (область -типа). Известно следующее теоретическое выражение, описывающее вольтамперную характеристику (ВАХ) диода, т.е. зависимость протекающего сквозь него тока от приложенного напряжения:

где – т.н. "темновой" ток, обусловленный тепловой генерацией носителей заряда; – электрический заряд электрона; – приложенное к диоду напряжение; – постоянная Больцмана; – абсолютная температура диода.

Из формулы (6.2) видно, что ток через диод при фиксированном напряжении сильно зависит от абсолютной температуры. А если зафиксировать пропускаемый ток (например, с помощью схемы источника тока), то напряжение на прямо смещенном --переходе, почти линейно возрастает с повышением температуры. Поэтому полупроводниковые диоды и биполярные транзисторы часто используют как чувствительные элементы в сенсорах температуры. Такие сенсоры выпускаются многими фирмами и обеспечивают точность измерения температуры до ±0,1°С.

Фотодиоды

Наиболее известными диодными сенсорами являются фотодиоды. В фотоприемниках (сенсорах света) они ведут себя как управляемый светом источник тока. Благодаря наличию в толще -перехода внутреннего электрического поля дополнительные свободные носители заряда, которые возникают при поглощении квантов света, начинают перемещаться и создают дополнительный электрический ток, пропорциональный интенсивности света. Его называют "фототоком". Зависимость тока через фотодиод от напряжения и интенсивности падающего света довольно хорошо описывается формулой

где – "темновой" ток; – электрический заряд электрона; – напряжение на диоде; – постоянная Больцмана; – абсолютная температура; – квантовый выход носителей заряда при возбуждении светом (усредненное количество носителей, которые возникают при поглощении одного кванта света); – квантовая интенсивность светового потока (фотонов/с).

На практике световой поток часто задают в люксах. Тогда коэффициент при нем имеет смысл светочувствительности фотодиода и задается в мкА/лк. Соответствующие вольтамперные характеристики фотодиода при отсутствии света и при его возрастающих интенсивностях показаны слева на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Слева – вольтамперные характеристики фотодиода при разных уровнях освещенности; справа – эквивалентная электрическая схема фотодиода

Справа рис.6.1 приведена эквивалентная электрическая схема фотодиода. Рядом с источником тока показаны собственная электроемкость диода и его внутреннее сопротивление . Они в значительной мере и определяют быстродействие фотодиода. Чтобы обеспечить высокое быстродействие, надо, в первую очередь, уменьшать собственную емкость фотодиода. Этого достигают, используя фотодиоды структуры, которые показаны на рис. 6.2. В такой структуре непосредственно возле -области (анода) диода формируется обширная очень обедненная носителями, почти изолирующая, область кремния (так называемая -область). Этим достигается значительное уменьшение собственной емкости фотодиода.

Рис. 6.2. Структура р-і-n-фотодиода

Чтобы в полупроводнике при поглощении фотона образовалась пара носителей заряда (электрон + "дырка"), энергия фотона должна быть больше ширины запрещенной энергетической зоны.

Для кремния, например, это 1,12 эВ. Такую энергию имеют кванты света с длиной волны меньше 1,1 мкм – это так называемая "красная граница" фоточувствительности для чистого кремния. С другой стороны, видимый свет с длиной волны, существенно меньше 0,1 мкм, уже сильно поглощается кремнием. Из-за этого, если -область кремния относительно толстая, свет так и не доходит до -перехода. Поэтому для того, чтобы кремниевые фотодиоды имели высокую чувствительность и в видимой области спектра, -область кремния надо делать очень тонкой.

Фотодиоды, которые должны быть чувствительны к свету из ближней инфракрасной области спектра с длиной волны от 1,2 до 2 мкм, делают из германия, а чувствительные к свету средней и далекой инфракрасной (ИК) области – из еще более "узкозонных" полупроводников . Из-за узкой запрещенной зоны темновой ток у таких фотодиодов и дробовой шум при комнатных температурах слишком велики. Поэтому фотодиоды, которые должны работать в средней и далекой ИК области спектра, как правило, приходится охлаждать.

6.6 Фотодиоды Шотки

Для обеспечения чувствительности кремниевых фотодиодов также в фиолетовой и ультрафиолетовой областях используют так называемые фотодиоды Шотки (рис. 6.3). Вместо -перехода в них формируют т.н. "барьер Шотки", возникающий на границе раздела "металл – полупроводник". Для этого на фоточувствительную область кремния напылением в вакууме наносят очень тонкий слой золота, достаточно прозрачный для видимого и ультрафиолетового света.

Обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,6—0,7 вольт, применение диодов Шоттки позволяет снизить это значение до 0,2—0,4 вольт.

Рис. 6.3. Структура фотодиода Шотки

6.7 Схемы включения фотодиодов

Различают несколько режимов работы фотодиодов. Один из них – фотовольтаический (режим измерения фото-ЭДС), обозначенный на рис. 6.4 слева рабочим участком 1. Наклон этого участка определяется большим внутренним сопротивлением прибора или схемы, измеряющей напряжение на фотодиоде. Поскольку сопротивление очень велико, то через фотодиод в этом режиме протекает совсем незначительный ток. Каждому значению светового потока соответствует свое измеренное напряжение .

Намного чаще в фотодиодных сенсорах света используют электронную схему, показанную на рис. 6.4. Одним из преимуществ такой схемы является то, что в ней напряжение на фотодиоде почти не меняется, благодаря чему сводятся к минимуму потери на перезарядку входной емкости. С помощью операционного усилителя и резистора обратной связи фототок превращается в выходное напряжение со значительным усилением мощности. Рабочий участок фотодиода в таком режиме, который называют "фотоэлектрическим", представлен слева на рис. 6.1 отрезком 2. Наклон его определяется номиналом резистора обратной связи . Ёмкость обратной связи вводят в схему (рис. 6.4) для компенсации сдвига фаз и коррекции частотной характеристики сенсора].

Рис. 6.4. Схема включения фотодиода в фотоэлектрическом режиме

Если требуется максимальное быстродействие, то фотодиод используют в режиме фотопроводимости, в котором на него подается большое обратное напряжение смещения. Это приводит к значительному расширению обедненной зоны возле -области и к уменьшению собственной емкости фотодиода. Однако надо помнить, что при этом возрастают и темновой ток, и собственный дробовой шум фотодиода. Типичная схема включения фотодиода в таком режиме показана на рис. 6.4.

Рис. 6.5. Схема включения фотодиода в режиме фотопроводимости

Соответствующий рабочий участок представлен слева на рис. 6.1 отрезком 3, наклон которого, как и в предыдущей схеме, определяется номиналом резистора обратной связи . Если этот номинал не слишком велик, то напряжение на фотодиоде меняется мало. Фотосенсор, собранный по такой схеме, может работать на частотах в сотни мегагерц.

Микроэлектронная технология позволила формировать на небольших кристаллах кремния фотодиоды вместе с интегральными схемами усиления фототока, обеспечивая не только высокое быстродействие, но и весьма высокую чувствительность.

Фототранзисторы

Напомним, что биполярный транзистор представляет собой 2 рядом расположенных -перехода и имеет структуру или .

Как правило, фототранзистор имеет только 2 внешних вывода – от эмиттера и от коллектора (транзистор с "плавающей" базой) и включается в усилительно-измерительные схемы так же, как и фотодиод. Благодаря внутреннему усилению фототранзисторы имеют значительно лучшую интегральную чувствительность к свету. Однако они несколько проигрывают фотодиодам в быстродействии. Поэтому им отдают предпочтение там, где световые сигналы очень слабы, а максимальное быстродействие не требуется, например, в люминесцентных сенсорах.

Вопросы для самопроверки 6

1. Что такое "вольтаические" сенсоры? По какому принципу их классифицируют?

2. Что такое "термопара"? Какое физическое явление лежит в основе ее работы?

3. Что такое "пьезоэлемент"? Какое физическое явление лежит в основе его работы?

4. Что такое "пьезоэлектрический резонатор"? Почему его можно применить в качестве датчика силы (давления, деформации)?

5. Как функционирует датчик Холла?

6. Почему полупроводниковый диод можно использовать в качестве датчика температуры?

7. Что такое "фотодиод"? От чего зависит его спектральная чувствительность?

8. Назовите основные режимы работы фотодиодов.

9. Что такое "фотодиод Шотки"? Где и для чего их применяют?

10. Каковы преимущества фототранзисторов перед фотодиодом? И наоборот

Исследование, описанное в статье про Вольтаические сенсоры, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое Вольтаические сенсоры, 6 Вольтаические датчики, Вольтаические сенсоры-датчики и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы

Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.