8.1.7. Интегральные полупроводниковые датчики

Интегральные полупроводниковые датчики (сенсоры) (ИПД) – это класс твердотельных датчиков с конструктивно-технологической и функциональ­ной интеграцией различных элементов измерительного канала на одном полу­проводниковом кристалле (чипе) с использованием микротехнологий.

Простые ИПД, как правило, содержат на чипе один чувствительный эле­мент (первичный преобразователь) и элементы вторичного преобразования (мос­товые схемы, предусилители, преобразователи сопротивления, напряже­ния и т. п.) и используются для преобразования какой-либо одной физической ве­личины в электрический сигнал. Их относят к разряду интегральных схем низ­кой и средней степени интеграции.

Сложные ИПД могут содержать на чипе несколько чувствительных элемен­тов, различные схемы вторичного преобразования (усилители, коммута­торы, АЦП, преобразователи типа «напряжение – частота» и др.), устрой­ства обработки и хранения данных (счетчики, перемножители, схемы па­мяти, процессоры) и актюаторные элементы.

Сложные ИПД относятся к разряду микросхем средней и высокой сте­пени интеграции (рис. 8.19).

Устройства, способные выполнять функции измерения и контроля не­скольких физических величин, автоматического переключения каналов и кор­рекции систематических погрешностей, адаптации к изменению условий экс­плуатации, вычислений, принятия решений называются интеллектуаль­ными датчиками.

Большинство серийно выпускаемых датчиков являются простыми ИПД, предназначенными для контроля одной физической величины – температуры, давления, линейных или угловых перемещений, ускорений, тока, напряжения, ос­вещенности, магнитного поля, амплитуды вибраций и т.д.

Преимущество ИПД определяют следующие характеристики:

а) малые габариты, масса, низкая потребляемая мощность, тепловая инертность, незначительный разброс геометрических и электрофизических па­раметров элементов;

б) высокая воспроизводимость элементов;

в) возможность внутренней и автоматической компенсации систематиче­ских погрешностей;

г) возможность унификации выходных сигналов по типу и по величине для сопряжения с устройствами обработки и отображения данных;

д) возможность подключения через интерфейсы к промышленной ЭВМ

для создания систем автоматического контроля и управления.

Для примера рассмотрим характеристики датчика температуры фирмы MICROCHIP типа ТСN75. Датчик обеспечивает измерение температуры от –55 до +125 ^оС с точностью 0,5 ^оС. Датчик подключается к микропроцессорному контроллеру, который по стандартному интерфейсу, совместимому с интерфейсом I²С может считать текущую температуру, запрограммировать температуру срабатывания и гистерезис, а также сконфигурировать датчик. Входы установки адреса УТСN75 позволяют подключать до 8 датчиков на один вход контроллера для многократного измерения.

Другим примером простых ИПД служат датчики тока. Датчики представляют магнитоэлектронные устройства, действие которых основано на измерении магнитной индукции, создаваемой проходящим током, и регистрируемой преобразователем магнитного поля (элемент Холла, магниторезистор, магнитодиод и др.). Наиболее часто используют магниторезисторы – для регистрации токов до 0,5 А и элементы Холла – для регистрации больших токов (до 1000 А и более). Магниточувствительные элементы реагируют на постоянные и переменные токи без разрыва цепи, обеспечивая гальваническую развязку (рис. 8.20).

Рис. 8.20. Упрощённый вариант схемы датчика тока с прямым преобразованием,

Измерение тока величиной более 100 А можно осуществлять, определяя индукцию магнитного поля рассеяния, помещая преобразователь на безопасном расстоянии до 10 мм. При небольших токах применяют концентраторы магнитного поля, охватывающие проводник с током, а ПМП помещается в воздушный зазор концентратора. Для измерения тока в кабелях используют разъемные концентраторы магнитного поля, в частности так устроены токоизмерительные клещи. Схемы усиления сигнала с ПМП и его предварительной обработки обычно располагают на печатных платах рядом с ПМП или в общем пластмассовом корпусе.