Физические принципы функционирования современных датчиков

Основные принципы функционирования современных датчиков и их особенности приведены в табл. 2.

Таблица 2. Основные принципы функционирования современных датчиков

Эффект или явление	Преобразование	Сущность
Пироэлектрический эффект	Температура – электричество	Возникновение электрозарядов на гранях кристаллов при повышении температуры
Термоэлектрический эффект	Тепловая энергия – электроны	Испускание электронов при нагревании металла в вакууме
Электротермический эффект Пельтье	Электричество – тепловая энергия	Поглощение (генерация) тепловой энергии при электротоке в цепи с биметаллическими соединениями
Электротермический эффект Томсона	Температура и электричество – тепловая энергия	Поглощение (генерация) тепловой энергии при разных температурах участков в однородной цепи
Теплопроводность	Тепловая энергия – изменение физических свойств	Переход тепла внутри объекта в область с более низкой температурой
Тепловое излучение	Тепловая энергия – инфракрасные лучи	Оптическое излучение при повышении температуры объекта
Эффект Зеебека	Температура – электричество	Возникновение ЭДС в цепи с биметаллическими соединениями при разной температуре слоев
Фотогальванический эффект	Свет – электричество	Возникновение ЭДС в облучаемом светом p-n переходе
Эффект фотопроводимости	Свет – электросопротивление	Изменение электросопротивления полупроводника при его облучении светом
Эффект Зеемана	Свет, магнетизм – спектр	Расщепление спектральных линий при прохождении света в магнитном поле
Эффект Рамана(комбинационное рассеяние света)	Свет – свет	Возникновение в веществе светового излучения, отличного по спектру от исходного монохроматического
Эффект Поккельса	Свет и электричество – свет	Расщепление светового луча на обыкновенный и необыкновенный при прохождении через пьезокристалл с приложенным к нему электронапряжением
Эффект Керра	Свет и электричество – свет	Расщепление светового луча на обыкновенный и необыкновенный в изотопном веществе с приложенным к нему электронапряжением
Эффект Фарадея	Свет и магнетизм – свет	Поворот плоскости поляризации светового луча при прохождении через парамагнитное вещество
Эффект Холла	Магнетизм и электричество – электричество	Возникновение разности потенциалов на гранях твердого тела при пропускании через него электротока и приложении магнитного поля
Эффект Доплера	Звук, свет – частота	Изменение частоты при взаимном перемещении объектов
Магнитосопротивление	Магнетизм и электричество – электросопротивление	Увеличение электрического сопротивления твердого тела в магнитном поле
Магнитострикция	Магнетизм – деформация	Деформация ферромагнитного тела в магнитном поле
Пьезоэлектрический эффект	Давление – электричество	Возникновение разности потенциалов на гранях сегнетоэлектрика, находящегося под давлением

Анализ технических характеристик современных датчиков показывает, что по мере внедрения микропроцессоров ДТС становились все более интеллектуальными (обладающими искусственным интеллектом) [2]. В настоящее время хорошие интеллектуальные возможности имеют так называемые датчики с двойной технологией, т.е. комбинированные датчики. Эти возможности можно проиллюстрировать на примере микропроцессорного охранного датчика двойной технологии DS970 фирмы Detection Systems.

Данный датчик объединяет в себе пассивный инфракрасный детектор с линзой Френеля и микроволновый детектор на эффекте Доплера. Он имеет два типа диаграммы направленности: стандартную (21х21 м) и “Луч” – 30х3 м. Хорошая адаптируемость к различным внешним условиям достигается за счет независимой регулировки чувствительности каждого из детекторов. Сигнал тревоги формируется при условии, что инфракрасный и микроволновый детекторы одновременно зарегистрировали нарушение в своей зоне охраны. При этом амплитуда и временные параметры сигналов для каждого из детекторов должны соответствовать состоянию тревоги. Далее сигнал от ИК-детектора обрабатывается схемой “Анализатор движения”, проверяющей форму и временные характеристики сигнала. Микропроцессор автоматически подстраивается под скорость движения и амплитуду его сигнала. Этот анализатор не дает ложных срабатываний на возмущения, вызванные горячими и холодными воздушными потоками, работой нагревательных приборов и кондиционеров, воздействием помех от солнечного света, молний и света автомобильных фар. “Анализатор движения” обеспечивает два уровня чувствительности ИК-детектора.

Схема регистрации и обработки сигнала микроволнового детектора идентифицирует и блокирует источники повторяющихся ложных срабатываний и обеспечивает гибкую адаптацию к фоновым возмущениям. Используемый алгоритм работы значительно уменьшает вероятность ложной тревоги и сохраняет высокую надежность регистрации реального нарушения зоны охраны. Кроме всего прочего, данный датчик обеспечивает также “защиту от маскирования”, функцию “контроль присутствия”, защиту от вскрытия и автоматическое самотестирование ИК- и МВ-детекторов.

Характерной тенденцией мирового технологического развития последнего десятилетия явилось зарождение интегральных, в том числе, микросистемных технологий[3]. Инициирующим фактором, способствующим динамичному развитию микросистемной техники, стало появление, так называемых микроэлектромеханических систем – МЭМС, в которых гальванические связи находятся в тесном взаимодействии с механическими перемещениями. Особенностью МЭМС является то обстоятельство, что в них электрические и механические узлы формируются из общего основания (например, кремниевой подложки), причем, в результате использования технологии формирования объемных структур обеспечивается получение микросистемной техники с высокими оперативно-техническими характеристиками (массо-габаритными, весовыми, энергетическими и др), что сразу же привлекло к себе внимание специалистов – разработчиков спецтехники.

Использование МЭМС-технологий в современных электронных системах позволяет значительно увеличить их функциональность. Используя технологические процессы, почти не отличающиеся от производства кремниевых микросхем, разработчики МЭМС-устройств создают миниатюрные механические структуры, которые могут взаимодействовать с окружающей средой и выступать в роли датчиков, передающих воздействие в интегрированную с ними электронную схему. Именно датчики являются наиболее распространенным примером использования МЭМС-технологии: они используются в гироскопах, акселерометрах, измерителях давления и других устройствах.

В настоящее время почти все современные автомобили используют МЭМС-акселерометры для активации воздушных подушек безопасности. Микроэлектромеханические датчики давления широко используются в автомобильной и авиационной промышленности. Гироскопы находят применение во множестве устройств, начиная со сложного навигационного оборудования космических аппаратов и заканчивая джойстиками для компьютерных игр. МЭМС-устройства с микроскопическими зеркалами используются для производства дисплеев и оптических коммутаторов.

Микрокоммутаторы и резонансные устройства, выполненные по МЭМС-технологии, демонстрируют меньшие омические потери и высокую добротность при уменьшении потребляемой мощности и габаритов, лучшей повторяемости и более широком диапазоне варьируемых параметров. В биотехнологии применение МЭМС-устройств позволяет создавать дешевые, но производительные однокристальные устройства для расшифровки цепочек ДНК, разработки новых лекарственных и других специальных препаратов (“лаборатория на кристалле”). Кроме того, необходимо также отметить емкий рынок струйных принтеров, в катриджах которых используются микрожидкостные МЭМС-устройства, создающие и выпускающие микрокапли чернил под управлением электрических сигналов.

По мнению экспертов, развитие микросистемной техники может иметь такое же влияние на научно-технический прогресс, какое оказало появление микроэлектроники на становление и современное состояние ведущих областей науки и техники. В ближайшее время можно ожидать создание микросистемных датчиков для приборов определения различных запахов, что, безусловно, существенно активизирует криминалистику и будет способствовать решению проблемы биометрической бесконтактной идентификации личности и контроля НСД.