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.
