Файл: Эрлер, В. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами.pdf

часть влияния ВВ на показания ИП также вносит в ряде случаев ощутимый вклад в погрешность измерений. В связи со сказанным можно со всей определенностью утверждать, что до­ стоверность измерительной информации, получаемой от совре­ менных ИИС, с учетом больших метрологических возможностей преобразователей электрических величин на последующих ста­ диях преобразования в ИИС в основном определяется метроло­ гическими качествами первичных измерительных преобразова­ телей и их соответствием особенностям исследуемого процесса.

Промежуточные преобразователи также играют важную роль в ИИС. Поскольку современные ИИС воспринимают и преоб­ разуют существенно разнородную информацию, на ПП возла­ гается задача нормализации, конформации электрических сиг­ налов, с тем чтобы на последующих стадиях преобразования и регистрации стало возможным совмещение информационных по­ токов в унифицированных измерительных каналах.

В зависимости от требований к точности измерений, а также от структуры последующих звеньев преобразования и регистра­ ции ИИС в ПП используются различные методы преобразова­ ния электрических величин. Поскольку в ИП осуществляется, как правило, аналоговое преобразование, что определяется са­ мой природой измеряемых физических величин, основными методами преобразования в ПП являются аналоговый, аналогоцифровой и аналого-частотный методы. Промежуточные преоб­ разователи имеют тесную функциональную связь с ИП. В ряде случаев они соединяются достаточно сложными измерительными цепями. И от того, насколько оптимально обеспечено сопряжение ИП с ПП и насколько оптимален в данных условиях выбранный метод преобразования, также зависит достоверность проводимых измерений.

Средства первичного преобразования используются не только в собственно информационных измерительных системах, но и в системах автоматического контроля и технической диагностики.

Чрезвычайное разнообразие задач измерения физических ве­ личин и обилие конкретных особенностей у различных измери­ тельных экспериментов породили в свою очередь чрезвычайно разнообразный арсенал измерительных первичных преобразова­ телей, основанных на достаточно большом числе ставших к на­ стоящему времени традиционными принципов преобразования. Наибольшее распространение в ИП параметрического типа на­ шли тензорезистивный, индуктивный, емкостной, терморезистив­ ный, фоторезистивный, магнитоупругий, ионизационный и некоторые другие принципы преобразования, а в ИП генератор­ ного типа — пьезоэлектрический, термоэлектрический, фотоэлек­

трический, магнитострикционный, электромагнитный, электрокинетический и некоторые другие,

Различные принципы преобразования в ряде случаев приме­ няются для измерения одних и тех же физических величин, но характеризуются различной чувствительностью к изменению из­ меряемой величины. Выбор того или иного принципа осущест­ вляется с учетом всех особенностей измерительного экспе­ римента.

Обилие принципов преобразования и большое разнообразие диапазонов измерения физических величин приводят также к достаточно большому разнообразию промежуточных преобразо­ вателей.

Весьма перспективной основой для создания измерительных первичных преобразователей, соответствующих современным тен­ денциям развития информационных измерительных систем, яв­ ляются полупроводниковые чувствительные элементы, разра­ ботка и применение которых в мировой измерительной технике за последние годы активно расширяются. Можно согласиться с авторами настоящей книги, что ИП на основе полупроводнико­ вых чувствительных элементов сыграют такую же революциони­ зирующую роль в измерительной технике, какую в свое время сыграли полупроводниковые триоды в электронике.

Что дает основание для столь оптимистических прогнозов? Полупроводниковые чувствительные элементы обеспечивают резкое повышение чувствительности к естественной входной ве­ личине (на 1—2 порядка) по сравнению с широко применяемыми в настоящее время элементами. Этот крупный резерв может быть эффективно использован для повышения точности и бы­ стродействия измерений. Кроме того, высокая чувствительность ИП позволяет существенно упростить промежуточные преобра­ зователи, а в ряде случаев вовсе от них отказаться. Следует отметить также, что высокая чувствительность представляет со­ бой резерв, который может быть частично использован для ком­ пенсации посторонних влияний на показания ИП с полупровод­

никовыми чувствительными элементами.

Для широкого круга измеряемых физических параметров представляется возможным применить единый метод преобразо­ вания— резистивный (термо-, тензо-, фото-, магниторезистивный, преобразование влажности среды, потоков ионизирующих излу­ чений и других физических величин в изменение сопротивления полупроводниковых чувствительных элементов). При нормиро­ вании начальных значений параметров полупроводниковых чув­ ствительных элементов и их изменений в измеряемых диапазо­ нах физических величин эффективно решаются проблемы уни­ фикации промежуточных преобразователей. Поскольку активное сопротивление относится к числу наиболее просто и точно изме­ ряемых электрических величин, информационные измеритель­ ные системы на основе ИП с такими полупроводниковыми

8 Предисловие к русскому изданию

чувствительными элементами просты и надежны в обращении и характеризуются высокими метрологическими качествами.

Полупроводниковые чувствительные элементы обладают чрезвычайно малыми размерами и характеризуются незначи­ тельным энергопотреблением. Эти же черты свойственны и соз­ даваемым на их основе ИП, вес и габариты которых могут быть существенно сокращены по сравнению с используемыми в на­ стоящее время преобразователями.

Полупроводниковая техника располагает в настоящее вре­ мя весьма обширным ассортиментом полупроводниковых мате­ риалов, которые могут найти широкое применение в чувстви­ тельных элементах. Пока для этих целей сравнительно широко используются лишь кремний и германий.

В принципе использование полупроводников для измерения физических величин основано на трех группах физических явле­ ний в полупроводниках.

К первой группе относятся процессы преобразования изме­ ряемой величины в изменение объемного сопротивления полу­ проводникового чувствительного элемента (температура, элект­ ромагнитное излучение, деформация и т. д.). Представляется возможным управлять процессами таких преобразований, созда­ вая ИП направленного действия. Так могут быть созданы чув­ ствительные элементы, характеризующиеся только одноосной тензочувствительностью, либо чувствительные элементы, реаги­ рующие на всестороннее сжатие. Управляя составом примесей в полупроводниках, можно подавлять влияние на чувствитель­ ный элемент одних физических факторов и усиливать действие других.

Ко второй группе могут быть отнесены эффекты преобразо­ вания измеряемых физических величин в изменение сопротив­ ления (или емкости), осуществляемые в поверхностном слое по­ лупроводника (измерение влажности, состава окружающей среды).

Наконец, к третьей группе относятся эффекты преобразова­ ния физических измеряемых величин в сильно неоднородной области полупроводника (р — n-переход). На основе полупро­ водниковых диодных, триодных и более сложных структур могут быть созданы ИП, предназначенные для измерений темпера­ туры, давлений, акустических давлений, электромагнитных и других полей.

Однако от овладения эффектом преобразования до надеж­ ного использования его в метрологических целях лежит долгий и тернистый путь технологических и физических исследований материалов, изыскания оптимальных путей внутренней и внеш­ ней (схемной) стабилизации чувствительного элемента к влияю­ щим величинам, стабилизации чувствительности к естественной