В 1969 году японский ученый Каваи обнаружил сильный пьезоэлектрический эффект в PVDF пленках, а в 1975 году кампания Pioneer, Ltd выпустила первые громкоговорители и наушники, реализованные на основе PVDF [10]. PVDF — это полукристаллический полимер, степень кристаллизации которого составляет 50% [11]. Подобно другим полукристаллическим полимерам PVDF представляет собой слоевую структуру с аморфными зонами. Его химическая формула состоит из
Молекулярный вес PVDF равен около 10\ что соответствует порядка 2000 повторяющихся звеньев. Пленка является практически прозрачной в видимом и ближнем ИК (инфракрасном) диапазонах и поглощает излучение дальней И К области электромагнитного спектра. Ее плотность равна около 1780 кг/м3. PVDF является механически прочным и гибким материалом. Для применения в пьезодатчиках
3.6. Пьезоэлектрический эффект
эту пленку обычно вытягивают в одном или сразу двух направлениях так, чтобы ее размеры увеличились в несколько раз. Коэффициенты упругости (такие как модуль Юнга) определяются величиной растяжения. Например, если пленка была растянута при температуре 140°С до соотношения 4:1, ее модуль Юнга равен 2.1 ГПа, а если до соотношения 6.8:1, модуль составляет 4.1 ГПа. Удельное сопротивление пленки зависит от величины ее относительного удлинения. Например, при небольшом удлинении удельное сопротивление равно 6.3х1015 Омхсм, в то время как при степени растяжения 7:1, оно составляет 2х10160мхсм.
Хотя пьезоэлектрические коэффициенты пленки из PVDF не такие высокие как у некоторых других пьезоматериалов, например, у ВаТЮ3 и PZT, они обладают уникальным свойством сохранять поляризацию даже при воздействии на них очень сильных переменных электрических полей. Это означает, что, несмотря на то, что значение dvпленки из PVDF почти в 10 раз меньше, чем у PZT, ее максимальная деформация может быть на порядок больше, чем у того же PZT, поскольку для PVDF предельно допустимая величина электрического поля в 100 раз превышает аналогичную характеристику для PZT. К тому же пленки из PVDF обладают очень хорошей временной стабильностью: при хранении при температуре 60°С они теряют за шесть месяцев только около 1-2% чувствительности.
В Приложении приведены сравнительные характеристики различных пьезоэлектрических материалов. Другим преимуществом пьезопленок над пьезокера-микой является их низкий акустический импеданс, который по значению близок к воде, человеческим тканям и другим органическим материалам. Например, акустический импеданс пьезопленки отличается от импеданса воды только в 2.6 раз, в то время как для пьезокерамики он, как правило, в 11 раз больше. Близкие значения импедансов позволяют осуществлять более эффективную передачу акустических сигналов в воде и тканях.
Пьезоэлектрические пленки обладают следующими уникальными свойствами:
• Широким частотным диапазоном: 0.001...109 Гц
• Большим динамическим диапазоном: 10 8...106psi (фунтов на квадратный дюйм) или от мкТорр до Мбар
• Низким акустическим импедансом: близким к воде, человеческим тканям и клеевым составам
• Высокой упругой податливостью
• Высоким выходным напряжением: в 10 раз выше, чем у пьезокерамики при одинаковых приложенных силах
• Высокой электрической прочностью диэлектрика: выдерживают поля до 75 В/мкм, при которых большинство пьезокерамических материалов теряют поляризацию
• Высокой механической прочностью и ударостойкостью: 109...1010 пределов прочности
• Высокой стабильностью: устойчивостью к влажности (влагопоглощение менее 0.02%), большинству химических реактивов, окислителям, мощному ультрафиолетовому (УФ) и ядерному излучениям
• Из них можно получать структуры произвольной формы
• Их можно соединять обычными клеями.
98 Глава 3. Физические приципы датчиков
В таблице 3.1 приведены основные свойства пьезоэлектрических пленок: Таблица 3.1.Основные свойства пьезоэлектрических пленок
3.6. Пьезоэлектрический эффект
Как и другие ферроэлектрические материалы PVDF также обладает пироэлектрическими свойствами (см. раздел 3.7), т.е. на его поверхности образуется электрический сигнал в ответ на изменение температуры. Пленки из PVDF сильно поглощают ИК лучи в диапазоне длин волн 7.. .20 мкм. Этот диапазон соответствует спектру длин волн, излучаемых человеческим телом. Однако, несмотря на то, что сами пленки из PVDF могут поглощать тепловое излучение, в пироэлектрических датчиках они располагаются между двумя тонкими электродами, которые иногда довольно сильно отражают волны интересующего диапазона. В таких случаях электрод, расположенный ближе к источнику тепловых излучений, либо покрывают теплопоглощающим слоем, либо изготавливают из нихрома (сплава, обладающего высокой поглощающей способностью). На основе апенок из PVDF реализуют датчики перемещения людей, а также пироэлектрические датчики для более сложных устройств, таких как видеокамеры для ночного наблюдения и лазерные копировальные приборы. Не так давно была представлена ИК матрица на основе PVDF пленки, позволяющая идентифицировать отпечатки пальцев, использующая пироэффект, присущий полимерам. Новые сополимеры PVDF, разработанные в последние годы, нашли широкую сферу применения в пьезоэлектрических полимерных датчиках. Такие сополимеры используются при более высоких температурах (135°С), и из них можно получать новые формы датчиков: цилиндрические и полусферические. Из них можно изготавливать сенсоры, толщина которых превышает предельные значения для устройств на основе PVDF пленок: например, кремниевые датчики с ультратолстым (200 А) покрытием и гидролокаторы с цилиндром, толщина стенок которого превышает 1200 мкм. Пьезоэлектрические кабели также реализуют из сополимеров.
В отличие от пьезокерамических преобразователей датчики на основе пьезоэлектрических пленок обладают более широкими динамическим и частотным диапазонами. Широкая полоса частот (практически от 0 до 2 ГГц) и низкая добротность могут быть объяснены мягкостью, присущей полимерам. В передатчиках звуковых сигналов пленочный пьезоэлемент, зафиксированный на двух концах, вибрирует на частоте, определяемой коэффициентом d31Такие датчики нашли широкое применение в ультразвуковой технике, работающей на частотах до 50 кГц. При использовании в ультразвуковых передатчиках (частота более 500 кГц) частота пьезодатчиков определяется коэффициентом d33 . Максимальный коэффициент передачи достигается на частоте резонанса по толщине. Основной полуволновой резонанс пленочного пьезоэлектрического сенсора толщиной 28 мкм наступает на частоте порядка 40 МГц. Частота резонанса всегда зависит от толщины пленки: она меняется от единиц МГц для толстых пленок (=1000 мкм) до >100 МГц для тонких пленок (порядка мкм).
Датчики на пьезоэлектрических пленках имеют и ряд ограничений. Они обладают довольно слабым электромеханическим коэффициентом связи по сравнению с пьезокерамическими сенсорами, особенно на частоте резонанса и на низких частотах. Пленки из сополимеров могут использоваться и храниться при температурах, не превышающих 135°С, a PVDF пленки рекомендуется использовать при температурах до 100°С. Как только на пленку нанесены электроды, полученный сенсор становится чувствительным к электромагнитному излучению. Для защиты устройств от высокочастотных электромагнитных помех и от радиочастотных шумов необходимо применять методы экранирования. Из таблицы 3.1 и Приложения
100 Глава 3. Физические приципы датчиков
видно, что пьезоэлектрические пленки обладают низкой плотностью, отличной чувствительностью и механической прочностью. Упругая деформация пьезопленок в 10 раз превышает аналогичную характеристику керамики. Пьезоэлектрические полимеры могут напрямую прикрепляться к тонкопленочным структурам, не мешая их механическому перемещению. Пьезопленки годятся для применения в датчиках деформации, которые должны обладать высокой чувствительностью в широком частотном диапазоне. Низкий акустический импеданс полимеров позволяет изготавливать преобразователи, эффективно передающие энергию в широкой полосе частот воздуху и другим газам.
В миниатюрных полупроводниковых датчиках пьезоэлектрический эффект является основным средством преобразования механической деформации в электрические сигналы и наоборот. Однако этот эффект применим для преобразования переменных входных сигналов и не годится для стационарных и медленно меняющихся внешних воздействий.
Поскольку кремний сам по себе не обладает пьезоэлектрическими свойствами, ему можно их придать при помощи нанесения кристаллических слоев пьезоматериа-лов. Для этой цели чаще всего используются следующие материалы: оксид цинка (ZnO), нитрид алюминия (A1N) и PZT (Pb(Zr,Ti)03). Для построения обычных пьезоэлектрических датчиков, в основном, применяются те же материалы.
Оксид цинка обладает не только пьезоэлектрическими свойствами, он также является пироэлектриком. Он часто используется для построения ультразвуковых акустических датчиков, устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ), микровесов и т.д. Основным достоинством оксида цинка является простота химического травления. ZnO часто наносится на кремний методом напыления.
Нитрид алюминия считается отличным пьезоэлектрическим материалом, благодаря высокой акустической проводимости и устойчивости к влажности и высокой температуре. Его пьезоэлектрический коэффициент несколько ниже, чем у оксида цинка, но выше, чем у других тонкопленочных пьезоматериалов, за исключением керамики. Акустические свойства нитрида алюминия позволяют использовать его в гигагерцовом частотном диапазоне. Тонкие пленки из A1N обычно изготавливаются по технологии химического осаждения из газовой фазы или методом реактивной эпитаксии. Недостаток этих способов — высокая температура нагрева подложки (до 1300°С).
Тонкие пленки из PZT обладают большим пьезоэлектрическим коэффициентом, чем A1N и ZnO, что делает их перспективными для использования в детекторах теплового излучения. Для формирования слоев из PZT существует большое количество методов, среди которых можно назвать электролучевое распыление [13], радиочастотное напыление [14], ионное осаждение [15], эпитаксиальное выращивание [16], маг-нетронное напыление [17], лазерное распыление [18] и золь-гелевая технология [19].
3.7. Пироэлектрический эффект
Пироэлектрики — это материалы с кристаллической структурой, в которых при воздействии на них тепловым потоком появляются электрические заряды. Пироэлектрический эффект очень близок к пьезоэлектрическому эффекту. Поэтому многое из того, что было изложено в предыдущем разделе, справедливо и для пироэлектриков.
3.7. Пироэлектрический эффект I
Подобно пьезоэлектрикам пироэлектрики используются в виде тонких пленок, с противоположных сторон которых нанесены электроды для сбора индуцированных теплом зарядов (рис. 3.26). Пироэлектрический детектор можно представить в виде конденсатора, электрически заряжающегося от потока тепла. Такой датчик не нуждается ни в каких внешних сигналах возбуждения, ему только требуется соответствующая интерфейсная электронная схема для измерения заряда. В отличие от термопар (термоэлектрических устройств), на выходе которых появляется постоянное напряжение, когда два спая различных металлов находятся при стационарной, но разной температуре (см. раздел 3.9), в пироэлектриках формируется заряд в ответ на изменение температуры. Поскольку изменение температуры происходит при перемещении тепловых волн, пироэлектрические устройства являются детекторами потока тепла. Их иногда называют динамическими датчиками, что соответствует их физической природе. Когда пироэлектрический кристалл подвергается воздействию потока тепла (например, от источника ИК излучения), его температура повышается, и он также становится источником тепла. Поэтому с противоположной стороны кристалла возникает отток тепла, как показано на рис. 3.26.
Считается, что кристалл обладает пироэлектрическими свойствами, если при изменении температуры в нем появляется спонтанная поляризация. 21 из 32 типов кристаллов не обладают симметрией относительно центра, и только 10 из них проявляют пироэлектрические свойства. В дополнение к пироэлектрическим свойствам все эти кристаллы в той или иной степени являются пьезоэлектриками, т.е. в них появляются заряды в ответ на механическое напряжение.
выходящий тепловой поток
Рис. 3.26 Пироэлектрический датчик имеет два электрода, расположенных на противоположных сторонах кристалла. Тепло поступает снизу вдоль оси 3 и оттекает
Пироэлектричество было открыто в кристаллах турмалина еще в 18 веке (хотя есть сведения, что греки заметили этот эффект на 23 века раньше). Позже, в 19 веке, для изготовления пироэлектрических датчиков использовались кристаллы сег-нетовой соли. После 1915 года в качестве пироэлектриков стали применяться следующие материалы: KDP (KH2P04), ADP (NH4H2P04), BaTiO, и композиции PbZr03 и PbTiOv известные как PZT. В настоящее время известно более 1000 материалов, обладающих свойством обратимой поляризации. Они называются ферроэлектрическими кристаллами. Самыми интересными из них считаются тригли-цин сульфат (TGS) и танталат лития (LiTa03). В 1969 году ученый Каваи обнаружил, что неко-
Глава 3. Физические приципы датчиков
торые пластмассы, например, поливинил фторид (PVF) и поливинилидин фторид (PVDF) [20], обладают сильными пьезоэлектрическими свойствами. Также оказалось, что эти материалы также являются и пироэлектриками.
Любой пироэлектрик можно представить в виде композиции большого числа кристаллитов, каждый из которых ведет себя как маленький электрический диполь. Все эти диполи имеют произвольную ориентацию (рис. 3.23А). При температуре, превышающей точку Кюри, у кристаллитов нет дипольного момента. Изготовление пироэлектриков аналогично производству пьезоэлек-триков (см. раздел 3.6).
Существует несколько механизмов, объясняющих почему изменение температуры приводит к возникновению пироэлектричества. Изменение температуры может привести к удлинению или укорачиванию отдельных диполей. На ориентацию диполей может повлиять их возбуждение от повышения температуры. Эти явления получили название первичного пироэлектричества. Существует также вторичное пироэлектричество, которое в упрощенном виде можно считать следствием пьезоэлектрического эффекта (например, возникновение напряжения в материале из-за теплового расширения). На рис. 3.26 показан пироэлектрический датчик, имеющий одинаковую температуру Т0в любой точке объема. Будучи электрически поляризованными, диполи ориентированы так, что одна сторона материала становится положительно заряженной, а вторая — отрицательной. Однако в стационарных условиях свободные носители зарядов (электроны и дырки) нейтрализуют заряды, возникшие вследствие поляризации, и конденсатор, образованный электродами и пироэлект-риком, разряжается (рис. 3.23В), что приводит к появлению нулевого заряда на выходе датчика. Тепло на сенсор может поступать в виде теплового излучения, которое поглощается нижним электродом и распространяется по пиро-электрику, используя механизм теплопроводности. Нижний электрод иногда покрывают теплопоглощающим слоем из черненого золота или органического красителя. В результате поглощения тепла нижняя часть сенсора нагревается (его новая температура становится равной T1), что приводит к его расширению, что, в свою очередь, вызывает изгиб датчика. Появившаяся деформация означает возникновение механического напряжения и, следовательно, изменение ориентации диполей. Поскольку материал сенсора также обладает и пьезоэлектрическими свойствами, его напряженное состояние приводит к появлению на электродах противоположных по знаку зарядов. Отсюда видно, что вторичный пироэлектрический эффект можно описать следующей последовательностью событии: тепловое излучение —> поглощение тепла —» механическое напряжение, индуцированное теплом —> электрический заряд.
Дипольный момент М объемного пироэлектрического датчика можно найти по выражению:
М = μAh, (3 72)
Где μ — дипольный момент на единицу объема, А — площадь датчика, h — его толщина. Заряд Qa, собранный на электродах, приводит к появлению в материале следующего дипольного момента:
3.7. Пироэлектрический эффект 103 jj
M0 = Qah
(3.73)
M должен быть равен М0, поэтому
Qa = μAh.
(3.74)
Поскольку температура меняется, дипольный момент тоже не остается постоянным, что и приводит к индуцированию заряда.
Количество поглощенного тепла можно выразить через изменение диполь-ного момента, при этом ц зависит как от температуры Г, так и от приращения тепловой энергии AW, поглощенной материалом:
На рис. 3.27 показан пироэлектрический детектор, подсоединенный к резистору Rb, отображающему либо внутреннее сопротивление утечки, либо входное сопротивление интерфейсной схемы, подключенной к выходу датчика. В правой части рисунка показана эквивалентная электрическая схема такого сенсора. Она состоит из следующих трех компонентов: (1) источника тока /, приводящего к появлению тепла (необходимо помнить, что ток — это движение электрических зарядов), (2) емкости детектора Си (3) сопротивления утечки Rb.
Выходным сигналом пироэлектрического детектора в зависимости от конкретного применения может быть либо заряд (ток), либо напряжение. Поскольку пироэлектрический датчик является конденсатором, он будет разряжаться через сопротивление Rb. Величина электрического тока через этот резистор и напряжение на нем соответствуют заряду, индуцированному тепловым потоком. Пироэлектрический эффект характеризуется двумя коэффициентами [21]:
где Ps — спонтанная поляризация (другими словами, электрический заряд), Е — напряженность электрического поля, а Т— температура в Кельвинах. Отношение двух коэффициентов можно выразить через диэлектрическую проницаемость εr. и электрическую постоянную ε0:
Глава 3. Физические приципы датчиков
Поляризация зависит от температуры, и поэтому оба пироэлектрических коэффициента являются функциями температуры.
При воздействии источника тепла на пироэлектрик, его температура повышается на Д71, при этом происходят соответствующие изменения заряда и напряжения:
ΔQ = PQAΔT, (3.78)
ΔV= PvhΔT.
Если емкость датчика выразить в следующем виде:
(3.78-3.80) можно вывести следующее соотношение:
Отсюда видно, что выходное напряжение датчика пропорционально росту температуры и пироэлектрическому коэффициенту по заряду и обратно пропорционально его толщине.
Когда пироэлектрический чувствительный элемент подвергается воздействию перепада температур, его поляризация (индуцируемый электрический заряд внутри кристалла) также меняется с температурой. На рис. 3.28 показана типовая зависимость поляризации от температуры. Пироэлектрический коэффициент по напряжению Рсоответствует наклону кривой поляризации. Приближаясь к точке Кюри, этот коэффициент резко возрастает, что объясняется исчезновением поляризации и потерей пироэлектрических свойств в этом температурном диапазоне. Предполагается, что нелинейность кривой поляризации объясняется увеличением чувствительности датчика с ростом температуры.
Рис.3.28. Поляризация пироэлектрического кристалла. Датчик должен работать и храниться при температурах, значительно меньших точки Кюри
3.7. Пироэлектрический эффект I
При выборе пироэлектрического материала необходимо учитывать эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую, которую можно оценить по пироэлектрическому коэффициенту связи кр2[21, 22] (крявляется аналогом пьезоэлектрического коэффициента связи к). Этот коэффициент показывает во сколько раз пироэлектрическая эффективность ниже предельного значения Карно ΔТ/Тa. В Приложении приведены численные значения кр2.
Из соответствующей таблицы Приложения видно, что кристаллы триглицин сульфата (TGS) являются самыми эффективными пироэлектрическими преобразователями. Но до недавнего времени из-за низкой температуры Кюри они редко применялись на практике. Поскольку если температура датчика превышает этот уровень, он теряет свои поляризационные свойства. К тому же оказалось, что TGS датчики обладают довольно низкой стабильностью даже при температурах ниже точки Кюри [23]. Однако было обнаружено, что при легировании TGS кристаллов L-аланином (Philips запатентовал название LATGS) в процессе выращивания не только повышается их стабильность, но и несколько увеличивается температура Кюри, которая после этого становится равной 60°С, и, значит, верхний предел рабочих температур возрастает до уровня 55°С, достаточного для многих практических применений.
Для производства пироэлектрических датчиков используются и другие материалы, например, танталат лития и пироэлектрические керамики. Довольно популярным стало применение полимерных пленок. В течение последних лет интенсивно разрабатывались технологии нанесения тонких пироэлектрических пленок. Особенно перспективным считается применение титаната свинца (PbTi03), который относится к классу ферроэлектрических керамических материалов и обладает высокими пироэлектрическим коэффициентом и температурой Кюри (около 490°С). Его основное достоинство — простота нанесения на кремниевые подложки золь-гелевым методом напыления [24].
На рис. 3.29 показаны временные диаграммы, построенные для пироэлектрическою датчика при подаче на его вход ступенчатой тепловой функции. Из диаграмм видно, что электрический заряд достигае г своего пикового значения практически мгновенно, а затем начинает уменьшаться с тепловой постоянной времени τT Это можно объяснить следующим образом: при нагреве поляризация первоначально происходит в самых поверхностных слоях кристаллического материала толщиной в нескольких атомов, температура которых мгновенно повышается до максимального значения. При этом в материалах возникает высокий градиент температур, вызывающий максимальную поляризацию. После чего происходит распространение тепла по всему пироэлектрику, часть которого поглощается его массой пропорционально значению теплоемкости С, а другая часть отдается в окружающую среду через тепловое сопротивление R. Все это приводит к уменьшению первоначального заряда. Тепловая постоянная времени определяется произведением теплоемкости датчика на его тепловое сопротивление:
(3.82)
где с — удельная теплоемкость чувствительного элемента. Тепловое сопротивление R является функцией всех тепловых потерь в окружающую среду через
Глава 3. Физические приципы датчиков
конвекцию, теплопроводность и тепловое излучение. В низкочастотных устройствах желательно использовать датчики с большой тепловой постоянной времени, тогда как в быстродействующих сисимпульсов) τТдолжно быть значительно ниже. Для уменьшения τТ пироэлектри-ки иногда покрывают теплоотводами (кусочками алюминия или меди).
время
Предполагается, что на пироэлектрический датчик воздействует источник тепла, обладающий очень высокой теплоемкостью, поэтому его собственной теплоемкостью можно пренебречь. Тогда температура среды Тьво время проведения измерений считается постоянной, в то время как температура датчика является функцией времени и определяется плотностью, удельной теплоемкостью и толщиной детектора. Если входной тепловой поток имеет форму ступенчатой функции, а датчик работает в воздушной среде, для выходного тока можно записать следующее аппрокси-мационное выражение:
где z0 — пиковое значение тока.
На рис. 3.29 показано, что заряд Q и напряжение ^никогда не снижаются до нуля. Рассмотрим почему так происходит: пироэлектрик получает тепловую энергию со стороны датчика а (рис. 3.26), за счет которой увеличивается температура материала. Рост температуры приводит к скачку заряда в датчике, уменьшающегося с постоянной времени τТ Однако датчик имеет еще одну сторону — b, контактирующую с более холодной средой, через которую происходит потеря тепловой энергии, т.е. охлаждение датчика. Поскольку стороны а и b чувствительного элемента подвергаются воздействию разной температуры, через пироэлектрик постоянно проходит тепловой поток. Электрический ток на выходе пироэлектрического датчика всегда повторяет форму теплового потока, проходящего через него. Проводя точные измерения, можно убедиться в том, что выходное напряжение пироэлектрического сенсора равно постоянному значению К0, пропорциональному величине теплового потока.
Эффект Холла
Холл открыл это физическое явление в 1879 году. Первоначально этот эффект применялся для изучения электропроводности металлов, полупроводников и других токопроводящих материалов. В настоящее время датчики Холла используются
3.8. Эффект Холла
для обнаружения магнитных полей и определения положения и перемещения объектов [25, 26].
Эффект Холла основан на взаимодействии между движущимися носителями электрического заряда и внешним магнитным полем. В металлах носителями зарядов являются электроны. При движении электронов в магнитном поле на них действует отклоняющая сила:
(3.84)
F = qvB,
траектория электрона
где q = 1.6 x10 |9Кл — величина заряда электрона, v — его скорость, а В — магнитная индукция. Выделенный шрифт указывает на то, что F и В являются векторами. Направление силы и ее величина зависят от пространственного расположения магнитного потока и направления движения электрона. Единицей измерения В является тесла: 1 Тесла = 1 Нью-тон/(амперхметр) = 104 Гаусс.
Рис. 3.30. Датчик Холла. Магнитное поле отклоняет движущийся электрический заряд
Предположим, что электроны двигаются внутри электропроводной пластины, помещенной в магнитное поле В (рис. 3.30). На две стороны пластины нанесены дополнительные электроды, подключенные к вольтметру. Еще два электрода расположены сверху и снизу пластины, они подсоединены к источнику электрического тока. Из-за действия внешнего магнитного поля возникает отклоняющая сила, смещающая электроны ближе к правому краю пластины, поэтому эта сторона становится более отрицательно заряженной, чем левая. Очевидно, что вследствие взаимодействия магнитного поля и электрического тока возникает поперечная разность потенциалов, получившая название напряжение Холла VнЗнак и амплитуда этого напряжения зависят как от величины, так и направления магнитного и электрического полей. При фиксированной температуре оно определяется выражением:
где α — угол между вектором магни тного поля и плоскостью пластины Холла (рис. 3.31), a h — полная чувствительность датчика, на значение которой влияют тип материала пластины, ее геометрия (площадь активной зоны) и температура.
Полная чувствительность датчика Холла зависит от коэффициента Холла, который определяется градиентом поперечного электрического потенциала на единицу интенсивности магнитного поля и на единицу плотности тока. В соответствии с теорией свободных электронов в металлах, коэффициент Холла можно найти при помощи выражения:
Глава 3 Физические приципы датчиков
где N — число свободных электронов в единице объема, а с — скорость света. В зависимости от кристаллической структуры материала заряды могут быть либо электронами (отрицательными), либо дырками (положительными). Поэтому и эффект Холла бывает либо положительным, либо отрицательным
(А)
(Б)
Рис. 3.31.А — выходной сигнал датчика Холла зависит от угла между вектором магнитного поля и плоскостью пластины, Б — четыре вывода датчика Холла
Линейный датчик Холла обычно размещается в корпусе с четырьмя выводами. Два вывода для подключения тока управления называются управляющими выводами, а сопротивление между ними — сопротивлением управляющей цепи R Выводы для измерения выходного напряжения называются дифференциальными выходами, а сопротивление между ними — выходным дифференциальным сопротивлением R0. Эквивалентную схему датчика Холла (рис. 3.32) можно представить в виде узлового соединения 4-х резисторов и двух источников напряжения, включенных последовательно с выходными выводами. Знак на рис. 3.31Б и 3.32 указывает на то, что вектор В направлен от наблюдателя.
Датчик характеризуется следующими параметрами", сопротивлениями Л и Rg , напряжением смещения при отсутствии магнитного поля, чувствительностью и температурным коэффициентом чувствительности.
3.8. Эффект Холла
Большинство датчиков Холла изготавливаются из кремния, и их можно разделить на две основные категории: простые и интегрированные. Для построения чувствительных элементов на основе эффекта Холла применяются InSb, InAs, Ge и GaAs. Кремниевые сенсоры могут быть интегрированы на одной подложке с интерфейсными электронными схемами. Такая интеграция особенно важна при построении прецизионных датчиков, поскольку напряжение Холла обычно довольно мало. В таблице 3.2 приведены основные характеристики простого кремниевого линейного датчика Холла UGN-3605K, выпускаемого кампанией Sprague.
Источник [27]
Встроенная интерфейсная схема может иметь в своем составе пороговый детектор, превращающий датчик в устройство с двумя положениями: его выходной сигнал будет равен нулю, когда магнитное поле ниже порогового значения, и единице — когда плотность магнитного потока становится значительной.
Поскольку кремний обладает пье-зорезистивными свойствами, датчики, реализованные на его основе, реагируют на механические напряжения, поэтому необходимо минимизировать нагрузки на корпус датчика и на подводящие провода. Датчики Холла также являются чувствительными к колебаниям температуры, приводят к изменению сопротивления сенсорных элементов. Если чувствительный элемент подключен к источнику напряжения, изменения температуры будут влиять на значение сопротивления, а, следовательно, и на ток в цепи управления.
Глава 3. Физические приципы датчиков
Поэтому предпочтительнее управляющие выводы подключать к источнику тока, а не источнику напряжения.
На рис. З.ЗЗА приведена схема датчика Холла, реализованного на кремниевой подложке p-типа с зоной n-типа, полученной методом ионной имплантации. Электрические контакты обеспечивают подсоединение к источнику питания и формируют выходные выводы датчика. Элемент Холла представляет собой квадрат с углублением с четырьмя электродами, включенными по диагоналям (рис. З.ЗЗБ). На рис. 3.33В приведена его эквивалентная схема в виде резистивного моста. Поскольку мосты являются самыми популярными электрическими цепями с хорошо проработанными методами расчета (раздел 5.7 главы 5), они чаще всего используется на практике.