6 Вольтаические сенсоры-датчики

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(формула 6.1),

:

В этом выражении называют коэффициентом термо-ЭДС .

и– это температуры "горячего" и "холодного" спаев соответственно. Утермопар 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 теплоёмкость, 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, её используют для контроля мощности и формы сверхкоротких импульсов излучения лазеров.