Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Пьезоэлектрические пленки



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 dv пленки 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 d31 Такие 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 Т0 в 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 Psспонтанная 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) τТ должно 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 Ть во 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 Vн Знак 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.




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.