1. 8.2.3. Пьезорезістори Якщо на металевий дріт діє сила, яка розтягує її, то в результаті деформації...
2. 8.2.5. магніторезистивні сенсори

8.2.3. Пьезорезістори

Якщо на металевий дріт діє сила, яка розтягує її, то в результаті деформації довжина дроту кілька збільшується, а площа поперечного перерізу дещо зменшується. Через це електричний опір дроту зростає. Таке явище називають п'єзорезистивного (від грецького кореня) або тензорезистивного (від латинського кореня) ефектом. Металеві пьезорезістори з константана або з ніхрому використовують для виявлення і вимірювання значних сил розтягування і деформації в будівельних і в механічних силових конструкціях. З їх допомогою можна своєчасно виявити, наприклад, явище втоми металевих опор, початок їх пластичної деформації і запобігати руйнування.

Значно більш високу тензочутливість, ніж металеві, мають напівпровідникові пьезорезістори, оскільки механізм зміни електричного опору в них набагато складніше. Тензочутливість резисторів, наприклад, з кремнію в десятки разів вище, ніж у металевих. Але їх електричний опір також значно сильніше залежить від температури. Для зменшення впливу на результати вимірювань неконтрольованих змін температури застосовують мостові схеми. В одне з плече включений навантажений пьезорезістор (на який діє вимірюється сила), а в інше - точно такий же резистор, але механічної дії навантажений. При змінах температури співвідношення опорів і баланс моста не змінюються.

Високий рівень розвитку сучасної мікроелектронної технології дозволив формувати з кремнію мініатюрні прецизійні п'єзорезистивного структури разом з елементами термокомпенсации, посилення і електронної обробки сигналів. На цій основі створено і промислово випускаються сотні найменувань різноманітних мікроелектронних сенсорів для вимірювання сили, тиску, механічного напруги, для фіксації навіть найлегших дотиків. Наприклад, сенсори тиску компанії Honeywell на основі кремнієвих пьезорезісторов перекривають діапазон тисків від одиниць Паскаля до десятків МПа, забезпечуючи вимір з точністю ± 0,1-3% [ [251] ; http://content.honeywell.com/sensing/products ]. Серед них - сенсори абсолютного, надлишкового та диференціального тиску для роботи в сухий і у вологому неагресивною середовищі, а також для вимірювань в рідких і навіть в агресивних середовищах.

Ще більш високу тензочутливість мають пьезорезістори з еластомерів, які виготовляють з гуми, поліуретану і подібних пружних синтетичних матеріалів, до складу яких включені електропровідні частинки або волокна (наприклад, графітовий або вугільний порошок) [ [148] ]. Принцип дії пьезорезісторов з еластомерів показаний на Мал. 8.4 .

Мал.8.4.

Принцип дії п'єзорезистивного сенсора з еластомеру

При відсутності зовнішньої сили рухливий контакт тільки торкається до електропровідних еластомер, і опір між контактами досить велике. Поява сили тиску, що діє на рухомий контакт, призводить до деформації пружного шару еластомеру і до деякого поглиблення контакту в цей шар. При цьому одночасно зменшується відстань між контактами і між електропровідними частинками в еластомери і збільшується площа контактної зони. Разом узяте, це призводить до помітного зменшення електричного опору. Типовий вид нелінійної залежності електричного опору від прикладеної сили або від переміщення рухомого контакту (від величини деформації) показаний на Мал. 8.4 праворуч.

В роботі [ [35] ] Описані навіть масиви тензочуттєві елементів з таких еластомерів. Їх застосування разом з мікрокомп'ютером в складі інтелектуальних сенсорів дозволяє виміряти розподіл механічних навантажень по поверхні масиву та їх зміну в часі (динаміку). Сенсор може сигналізувати про загрозливу локальної або загальної перевантаження, фіксувати і відслідковувати переміщення об'єктів по поверхні цієї чутливої ​​"розумної" сенсорної опори. При тренуваннях спортсменів-стрибунів, наприклад, такий розподілений сенсор фіксує місце, силу, час і тривалість відштовхування, дозволяє вивчати ефективність застосування різних амортизаторів і т.п.

В [ [213] ] Показано, що на основі ниткоподібних кристалів кремнію -типу, легованих бором і закріплених на пружних елементах, можна створити високочутливі п'єзорезистивного сенсори для надійної роботи навіть при кріогенних температурах.

8.2.4. Гігрістори

Електричний опір деяких гігроскопічних матеріалів істотно залежить від вологості навколишнього повітря. Резистори з таких матеріалів називають гігрісторамі і застосовують в сенсорах вологості [ [325] ]. Для цього синтезовані спеціальні матеріали: нонілфенілполіетіленглі-кольефір, гідроксиетилцелюлоза і т.п. з наповненням вугільним порошком [ [99] ]. Типова залежність електричного опору таких гігрісторов від відносної вологості повітря показана на Мал. 8.5 .

У складі інтелектуального сенсора можна врахувати зміни цієї залежності з температурою, а також деяке запізнювання зміни електричного опору гігрістора при швидких змінах вологості повітря, запам'ятовувати динаміку змін вологості за певний період для подальшої передачі в комп'ютерну мережу, для документування, прогнозування і т.д.

В роботі [ [152] ] Описано застосування в ролі гігрістора твердого поліелектролітів 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).

Мал.8.5.

Типовий вид залежності електричного опору гігрістора від вологості навколишнього повітря

8.2.5. магніторезистивні сенсори

У магніторезистивних сенсорах використовується здатність деяких матеріалів істотно змінювати свою електропровідність в залежності від напрямку і напруженості зовнішнього магнітного поля. До таких матеріалів відносяться, наприклад, плівки пермаллоя ( ). Найчастіше застосовують структуру, в якій чутливий елемент складається з 4 плівкових резисторів з пермаллоя, напилених на поверхню кремнію і з'єднаних у вигляді бруківки вимірювальної схеми [ [253] ]. Зверху магніторезистивні плівки захищають тонким шаром нітриду танталу. Поруч формують мініатюрні плоскі плівкові котушки. Коли через одну з них пропускають електричний струм, що створюється їм магнітне поле орієнтує домени пермаллоєвих плівок уздовж осі резисторів. Саме в такому стані вони мають найбільшу чутливість. Це робиться кожного разу перед початком серії вимірювань. Через іншу котушку при вимірах пропускають постійний електричний струм, необхідний для компенсації залишкового зовнішнього магнітного поля, перпендикулярного до площини резисторів, і таким чином балансують вимірювальну бруківку схему. При появі вимірюваного зовнішнього магнітного поля відбувається розбаланс моста, а вихідний сигнал пропорційний магнітної індукції зовнішнього поля. Всі необхідні схеми формують в тому ж самому кристалі кремнію. Компенсаційну котушку використовують також для калібрування і для повного балансування моста. Різниця між струмом балансування і початковим компенсаційним струмом пропорційна індукції зовнішнього магнітного поля. Така схема забезпечує високу лінійність вимірювань, малу їх залежність від температури і від інших перешкод (наприклад, від наявності поблизу деталей з феромагнітних матеріалів).

Крім "одноосьових" магніторезистивних датчиків, чутливих до магнітного поля одного напрямку, випускають також "двовісні" і "тривісні" датчики, в яких 2 або 3 магніторезистивних датчика 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 Мал. 8.6 зліва показаний аналоговий магніторезистивний компас НМС6052, в якому використовується двовісний сенсор НМС1052 розміром 3,5 × 3,5 мм з мінімальним вимірюваним магнітним полем 80 МКГС (магнітне поле Землі близько 600 МГС). Компас працює в діапазоні температур від - 45 ° С до + 120 ° С, має інтерфейс до ПК.

Магніторезистивні компаси компанії Honeywell: зліва - аналоговий компас марки HMC6052; праворуч - цифровий компас марки HMR3600

на Мал. 8.6 праворуч показаний мініатюрний цифровий гіростабілізований прецизійний компас HMR3600, призначений для визначення азимуту, що працює при будь-якої орієнтації в просторі. Крім трьох магніторезистивних магнітометрів, в його склад входять три акселерометра і гіроскоп, виготовлені за допомогою МЕМС технології, описаної в лекції 2. Компас визначає азимут, поздовжній і поперечний крен з точністю ± 0,5 ° при роздільній здатності 0,1 °. Застосовується в авіації, мореплавстві, на наземному транспорті, в лазерних далекомірах, блоках управління відеокамерами, при підземної і підводної орієнтації.

У 1988 р Бейбіч (MN Baibich) виявив, що в багатошарових структурах сумарною товщиною близько 100 нм, в сусідніх шарах яких домени розташовані антипараллельно, електричний опір може дуже сильно і швидко змінюватися під дією зовнішнього магнітного поля. Це явище названо "гігантським магнетоопором" (ГМС) [ [303] ]. З його застосуванням вже створені високоточні сенсори магнітного поля і надшвидкі ГМС-головки для жорстких магнітних дисків, що дозволило різко поліпшити характеристики останніх.

Ще про один цікавий вигляді резистивних сенсорів написано, наприклад, в [ [41] ]. Йдеться про акусторезістівном ефекті - зміні електричного опору речовини при наявності в ньому високочастотної акустичної хвилі. Досить складний механізм цього явища може бути зрозумілий тільки на основі квантовомеханических закономірностей. Він пов'язаний з утворенням, поглинанням і розсіюванням фононів - квантів високочастотних механічних коливань кристалічної решітки. Цей ефект дозволяє виявляти наявність і визначати інтенсивність ультразвукових і гіперзвукових хвиль, які не сприймаються людським вухом.