Основные параметры и применения терморезисторов, фоторезисторов и магниторезисторов.

Введение. К категории специальных резисторов относятся резисторы, сопротивление которых зависит от внешних факторов: температуры, освещенности, магнитного поля и т.д.
Тензорезисторы — это резисторы на основе проводников и полупроводников, сопротивление которых меняется под влиянием механических воздействий. В реальности изменения сопротивления весьма малы и требуют прецизионных усилителей или АЦП. Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей при измерениях механических величин (силы, крутящего момента, перемещения, давления и пр.).
Фоторезисторы – это полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется под воздействием света. Они используются в качестве датчиков освещенности в системах телеметрии.
Магниторезисторы – это резисторы с резко выраженной зависимостью электрического сопротивления от магнитного поля. Свойства магниторезисторов оцениваются магниторезистивным отношением, которое показывает, во сколько раз изменяется сопротивление магниторезистора при помещении его в магнитное поле с индукцией 0,5Тл (или 1Tл).
Предмет исследования является применение специальных резисторов.
Объект исследования является терморезисторы, фоторезисторы и магниторезисторы.
Цель исследования проанализировать материалы, основные параметры и применения терморезисторов, фоторезисторов и магниторезисторов.
1. Фоторезисторы1.1 МатериалыПо материалам изготовления фоторезисторы делятся на виды:
С внутренним фотоэффектом.
С внешним фотоэффектом.
При изготовлении фотосопротивлений с внутренним фотоэффектом применяют нелегированные вещества: германий или кремний.
При попадании на чувствительную часть фотоны воздействуют на электроны и заставляют их двигаться в зону проводимости. В итоге в материале возникает значительное число электронов, вследствие чего повышается электропроводность, а значит и снижается сопротивление.
Фоторезисторы с возникновением внешнего фотоэффекта изготавливают из смешанных материалов, в которые входят легирующие добавки. Эти вещества создают обновленную энергетическую зону сверху валентной зоны, насыщенной электронами, нуждающимися в меньшем количестве энергии для осуществления перехода в проводимую зону, с помощью энергетической щели малого размера. В результате фотосопротивление становится чувствительным к разной длине световой волны.
Несмотря на вышеописанные особенности этих видов, оба вида снижают сопротивление при освещении. При повышении интенсивности освещения снижается сопротивление. Поэтому, получается обратная зависимость сопротивления от света, причем нелинейная.

Рисунок 1 - Схема фотосопротивления
1.2 Основные параметры и применениеФоторезисторы имеют высокую чувствительность к излучению в самом широком диапазоне — от инфракрасной до рентгеновской области спектра, сопротивление их может меняться на несколькопорядков. Фоторезисторам присущи высокая стабильность во времени, они имеют небольшие габариты и выпускаются на различные номиналы сопротивлений. Приборы оформлены в корпус с прозрачным окном и двумя выводами, полярность подключения значения не имеет.
Таблица 1 – Основные параметры отечественных фоторезисторов

Фоторезисторы чаще всего используются для определения наличия или отсутствия света или для измерения интенсивности света. В темноте, их сопротивление очень высокое, иногда доходит до 1 МОм, но когда датчик LDR подвергается воздействию света, его сопротивление резко падает, вплоть до нескольких десятков Ом в зависимости от интенсивности света.
Фоторезисторы имеют чувствительность, которая изменяется с длиной волны света. Они используются во многих устройствах, хотя уступают по своей популярности фотодиодам и фототранзисторам. Некоторые страны запретили LDR из-за содержащегося в них свинца или кадмия по соображению экологической безопасности.

Рисунок 2 - Фоторезистор
Фоторезисторы используются в уличных фонарях для контроля, когда свет должен включаться и когда свет должен выключаться. Когда окружающий свет падает на фоторезистор, он выключает уличный свет. Когда света нет, фоторезистор вызывает включение уличного освещения. Это уменьшает потери электроэнергии.
Они также используются в различных устройствах, таких как сигнальные устройства, солнечные уличные фонари, ночники и радиочасы.
2. Магниторезисторы2.1 МатериалыОсновным полупроводниковым материалом для магниторезисторов является антимонид индия и арсенид индия - материалы с большой подвижностью носителей заряда. Магниторезисторы используют в качестве датчиков угла поворота или линейных перемещений в специальных устройствах автоматики.
Увеличение эффекта магнитосопротивления за счет геометрии резистора может быть достигнуто также и в полупроводниковой пластине, длина которой L значительно меньше ее ширины W. При воздействии на такую пластину магнитного поля, направление которого перпендикулярно плоскости пластины, поле Холла оказывается ослабленным за счет шунтирующего действия токовых электродов. Геометрически эффект магнитосопротивления в этом случае проявляется тем сильнее, чем меньше отношение L/W. Еще более увеличить эффект можно путем последовательного соединения резисторов с малым отношением L/W.

Рисунок 3 - магниторезисторОсновой материала магниторезистора служит антимонид индия, обладающий высокой подвижностью носителей, к которому добавляется 1.8% NiSb. После сплавления и последующего остывания антимонид никеля кристаллизуется в антимониде индия в виде игл толщиной в 1 мкм и длиной примерно 50 мкм, расположенных параллельно друг другу и перпендикулярно направлению тока. Удельная проводимость игл из NiSb около 1040м-1⋅см-1, a InSb на два порядка меньше.
Таким образом, иглы играют роль хорошо проводящих электродов, разделяющих основную массу полупроводника на отдельные зоны с малым отношением L/W. Это приводит к резкому подавлению поля Холла, а, следовательно, к искривлению траектории электронов под действием магнитного поля, т.е. к возрастанию эффекта магнитосопротивления.
2.2 Основные параметры и применениеОсновными параметрами магниторезисторов являются: начальное сопротивление R0 при В=0, магниторезистивное отношение RВ/R0, представляющее собой отношение сопротивления магниторезистора при определенном значении магнитной индукции (обычно 0,3 и 1,0 Тл) к начальному сопротивлению, магнитная чувствительность γmp, определяемая как относительное приращение сопротивления, деленное на соответствующее приращение магнитной индукции ΔR/RΔB, и нагрузочная способность, определяемая предельным значением температуры перегрева, который допускается для магниторезистора. Нагрузочная способность указывается в паспорте либо в виде значений рассеиваемой мощности Р, либо в виде предельно допустимого тока Imax, либо как тепловое сопротивлении
При определении нагрузочной способности магниторезистора при постоянном токе исходят из максимального значения сопротивления Rb (т.е. при Bmax ), а при постоянном питающем напряжении - из минимального значения сопротивления R0 при B=0. При работе на переменном токе магнорезистивный эффект не зависит от частоты вплоть до значений 10 ГГц.
В случае наклейки магниторезисторов на металлическую подложку возможны возникновения токов Фуко, поэтому при высоких частотах применяется подложка из феррита. В табл.2 приведены параметры магниторезисторов из эвтектического сплава InSb-NiSb при T=250C, причем все подложки выполнены из ферритов.
Последние два типа указанных в табл.2 магниторезисторов являются дифференциальными.
Таблица 2 – Параметры магниторезисторов из сплава InSb-NiSbТип Начальное сопротивление Относительное изменение Размеры магниторезистораМакс. рассеиваемая мащностьFP3050E 50 15 3,2х1,2х0,4 0,25
FP17200E 200 8,5 3,2х2,7х0,4 0,7
FP3060E 60 6 3,2х1,2х0,4 0,5
FP110155 2х155 15 3,2х2,0х0,4 0,7
FP111100 2х100 8,5 3,2х2,7х0,4 0,7

Рисунок 4 – Конструкция магниторезистивных датчиков
Магниторезисторы нередко используют для определения положения и перемещения объекта (например, в робототехнике), в качестве бесконтактных потенциометров и цифровых измерителей частоты вращения (энкоде- ров; рис. 4, в), конечных и путевых бесконтактных выключателей (сигнализаторов) с диапазоном срабатывания от 0 до 100 мм и т.п. (рис. 4, г).
Во многих случаях магниторезисторы имеют вид интегральных микросхем (рис. 4, а). В последнем случае магниторезисторы дополняются транзисторными ключами, усилителями, схемами термокомпенсации, обработки (линеаризации) сигнала и другими электронными компонентами. Электропитание датчиков обычно составляет от 5 до 30 В постоянного тока для разных модификаций.
3. Тензорезисторы3.1 МатериалыТензорезистивными материалами (тензорезисторами) называются электропроводящие материалы, у которых наблюдается тензорезистивный эффект (пьезосопротивление) – явление, заключающееся в изменении электрического сопротивления материала под действием механических деформаций.
Этот эффект наблюдается как в металлах, так и в полупроводниках, однако особенно ярко он выражен в полупроводниках (открыт американским физиком Ч. Смитом в 1954 г. в германии Ge и кремнии Si).
Тензорезистивный эффект обусловлен изменениями внутренней структуры материалов, происходящими в результате деформационных сдвигов в кристаллической решетке, вызывающих изменения расстояний между атомами.
В полупроводниках изменение расстояний между атомами при деформации приводит к изменению ширины запрещенной зоны. При этом ширина запрещенной зоны может быть выражена соотношением
Тензорезистивный эффект лежит в основе работы датчиков деформации (тензодатчиков), которые служат для измерения деформаций и механических напряжений в деталях машин и механизмов. Они также используются для измерения других механических величин (давления, силы, веса, деформации, крутящего момента, перемещения, ускорения, вибрации и др.), которые предварительно преобразуются в деформацию.

Рисунок 5 - Схема тензодатчика из полупроводниковой пластины
3.2 Основные параметры и применениеПринцип действия тензорезисторов основан на изменении сопротивления проводника при изменении его длины и площади поперечного сечения.
Чувствительным элементом проволочных и фольговых тензорезисторов является чувствительная решетка.

Рисунок 6 - ТензорезисторыПредлагаемые датчики механических величин предназначены для решения широкого круга задач потребителя. Например:
- Определение механических характеристик воздействия, которому подвергаются исследуемые объекты;
- Выдача оценки состояния для оценки состояния этих объектов;
- Долговременный мониторинг объектов в процессе эксплуатации;
Поскольку число таких задач чрезвычайно велико, и они возникают практически во всех областях техники, описать все возможные области применения предлагаемого товара не представляется возможным. В этой статье мы рассмотрим лишь некоторые из них.
Космические аппараты, функционирующие на околоземных орбитах, подвержены воздействию ряда неблагоприятных факторов космического пространства. Всевозможные воздействия, испытываемые космическим аппаратом, могут привести к различным по своему характеру последствиям, возникает необходимость в размещении на борту  специальной системы регистрации такого рода воздействий.
Cистема должна обладать определенным набором характеристик, таких как чувствительность, избирательная способность, быстродействие, информативность и надежность. Задание требований к характеристикам системы производится с учетом типа, назначения, срока существования и конструктивно-компоновочных особенностей летательного аппарата.
Одной из основных проблем в области прочности современных летательных аппаратов является обеспечение ресурса и их конструкций. Для достижения высоких характеристик усталости и живучести поводятся обширные исследования.
Идентификация природы источника упругих возмущений на борту предполагается осуществлять по частотному признаку с использованием тензорезисторов. Тензорезисторы и тензодатчики применяются для исследования следующих величин:
- долговечность, скорость роста усталостных трещин и остаточная прочности;
- характеристик усталости и трещиностойкости основных конструкционных материалов, в том числе и при повышенных температурах;
- прочность, усталость и живучесть элементов из композитных материалов с учетом климатических воздействий.
Основные характеристики тензорезисторовК основным технико-метрологическим характеристикам тензорезисторов относятся тензочувствительность, ползучесть, механический гистерезис, температурная нестабильность и группа динамических характеристик.
Тензочувствительность определяется главным образом тензорезистивными свойствами материала чувствительного элемента, однако в значительной степени зависит от конструкции преобразователя, материала основы, вида и условий полимеризации клея и других факторов. Тензочувствительность тензорезистора, как и самого тензорезистивного материала, определяется коэффициентом относительной тензочувствительности K (15).
Ползучесть проявляется в виде изменения выходного сигнала при заданном и неизмененном значении деформации и определяется обычно как, где  - приведенное к входу изменение выходного сигнала при заданной относительной деформации . Причиной ползучести является упругое несовершенство основы и клея. В пределах упругого диапазона деформаций ползучесть большинства тензорезисторов не превышает 1-1,5% за 6 ч.
Механический гистерезис, как и ползучесть, обусловлен упругим несовершенством основы и клея и численно определяется как приведенная к входу разность значений выходного сопротивления для одного и того же значения деформации при условии, что данное значение деформации достигается при плавном ее возрастании и плавном уменьшении. Для различных типов тензорезисторов механический гистерезис лежит в пределах 0,5-5%.
Температурная нестабильность, или влияние температуры окружающей среды на основные параметры тензорезисторов, заключается, с одной стороны, в изменении сопротивления тензорезистора за счет его ТКС, а с другой – в появлении дополнительных механических напряжений вследствие различия в температурных коэффициентах линейного расширения материала тензорезистора и исследуемой детали.
Основной динамической характеристикой тензорезисторов является их собственная частота, значение которой для наклеенных тензорезисторов лежит в пределах 100-300 кГц. Собственная частота тензорезистора определяет предельную частоту исследуемого процесса, при которой частотными погрешностями можно пренебречь. Для исследований переменных деформаций обычно выбирают тензорезистивный преобразователь, собственная частота которого хотя бы в 5-10 раз превышала частоту деформаций.
Важным параметром тензорезисторов является допустимая мощность, которая может рассеиваться в тензорезисторе при условии, что его перегрев не превысит допустимого значения. Допустимая мощность тензорезистора находится в определенной зависимости от его геометрических размеров, что может использоваться как при определении для известных тензорезисторов, так и при определении геометрических размеров проектируемых преобразователей, исходя из заданной допустимой мощности или допустимого значения измерительного тока.
Удельная мощность используемых в настоящее время проволочных, фольговых и полупроводниковых тензорезисторов независимо от рассеиваемой в них мощности и полной поверхности, занимаемой чувствительным элементом, обычно колеблется в незначительных пределах: =26…28 кВт/м.
Особенностью приклеиваемых тензорезистивных преобразователей является то обстоятельство, что они представляют собой преобразователи разового действия, т.е. не могут быть переклеены из объекта на объект. Поэтому функция преобразования рабочего тензорезистора не может быть определена, а для ее оценки определяют функцию преобразования аналогичного, так называемого градуировочного, преобразователя из той же партии. Естественно, что такой способ оценки характеристик рабочих тензопреобразователей применим лишь в том случае, когда свойства преобразователей всей партии совершенно идентичны, а остаточные деформации, вызываемые затвердеванием клея при приклейке рабочих и градуировочных преобразователей, так же одинаковы. Практика показывает, что погрешность от неидентичности при тщательной приклейке тензорезисторов и хорошем качестве клея обычно не превышает 1,5%.
ЗаключениеШирокое распространение получили терморезисторы, у которых наблюдается резкое уменьшение сопротивления при увеличении температуры. Вследствие нелинейности температурной характеристики вольт - амперная характеристика (ВАХ) терморезистора будет также нелинейной. При малых токах ВАХ практически линейна (участок ОМ), поскольку мощность, выделяемая в терморезисторе, недостаточна для того, чтобы заметно нагреть его. При больших токах сопротивление резистора уменьшится, что сопровождается уменьшением напряжения на нем и уменьшением мощности рассеяния.
Фоторезисторы - это полупроводниковые резисторы, сопротивление которых меняется под воздействием света. Материал фоторезистивных элементов, в основном, сернистый или селенистый кадмий, а также сернистый свинец. В старой системе обозначений фоторезисторы обозначались ФСА (фоточувствительное сопротивление, последняя буква – материал: А – PbS; К - CdS; Д - CdSe), в новой системе фоторезисторы обозначаются СФ (сопротивление фоточувствительное, последняя буква (материал) заменена цифрами 1, 2, 3. Далее стоят цифры, определяющие номер конструктивноно исполгнения и, в ряде случаев буква Г, показывающая, что прибор герметичного исполнения. Например, СФ3 – 10а: сопротивление фоточувствительное, материал селенистый кадмий, десятый тип конструктивного исполнения, группа объединения а.
Фоторезисторы используются в качестве датчиков освещенности, например, в системах телеметрии, датчиков включения, фотоприемных элементов. Фоторезисторы могут быть чувствительны к электромагнитному излучению в широком диапазоне длин волн (от ультрафиолетового до инфракрасного).
Магниторезисторы - это резисторы с резко выраженной зависимостью электрического сопротивления от магнитного поля. Магниторезисторы применяются в качестве чувствительных элементов в функционально-ориентированных магнитных датчиках: скорости и направления вращения, угла поворота и положения, линейного перемещения, расхода жидкости и газа электрического тока и напряжения и т.п. Их используют в бесконтактной клавиатуре ПЭВМ, бесконтактных переменных резисторах, вентильных электродвигателях, электронных модуляторах и преобразователях, измерителях магнитного поля, металлоискателях, электронных навигаторах, в бытовой электронной аппаратуре системах автоматического управления, устройствах считывания информации ЭВМ, определителях подлинности банкнот, электронных и электрифицированные игрушках и др.
Список использованных источников1. CD-ROM. Электротехника: резисторы. Электронный справочник (актуализация на 01.04.2009). - Москва: СИНТЕГ, 2018. - 279 c.
2. Зайцев, Ю. В. Переменные резисторы / Ю.В. Зайцев. - М.: Энергия, 2017. - 360 c.
3. Зайцев, Ю. В. Полупроводниковые резисторы в электротехнике / Ю.В. Зайцев, А.Н. Марченко, И.И. Ващенко. - М.: Энергоатомиздат, 2018. - 136 c.
4. Иванов, Д.М. Переменные резисторы / Д.М. Иванов. - М.: Книга по Требованию, 2016. - 247 c.
5. Резисторы.Справочник / Под ред. Четверткова И.И.- М.: Энергоиздат, 2019. – 527 с.
6. Мартюшов, К. И. Нелинейные полупроводниковые резисторы / К.И. Мартюшов, Ю.В. Зайцев. - М.: Энергия, 2017. - 192 c.
7. Резисторы.Справочник / Под ред. Четверткова И.И.- М.: Энергоиздат, 2016. -527 с.
8. Железнов М.Т., Ширшева Л.Г. Проволочные резисторы.-М.: Энергия, 2016. - 239с.