3.5. Давач гідростатичного тиску (hk Те)
Відомі давачі гідростатичного тиску, які містять ЧЕ з ншівпровідників: Те, GaAsAl, GaAsP. Чутливим елементом може бути HK, наприклад GaSb n-типу, вирощений методом XTP; він одночасно є сприймаючим і чутливим елементом, містить контакти і струмопідводи. Такі давачі звичайно застосовують для вимірювання тисків, які перевищують 108Па.
Запропонований давач гідростатичного тиску, який дозволяє вимірювати більш низькі тиски. Його чутливий елемент виготовлений із монокристала Те трубчастої форми з орієнтацією <0001> і закритий з торців герметизуючі вставками. Відношення внутрішнього радіуса трубчастого кристала до зовнішнього гавизначається співвідношенням:
(9)
На рис.13, а наведена схема давана, на якій показано HK трубчастої форми 1, порожнину 2, омічні контакти З, струмопідводи 4, герметизуючі вставки 5. Послідовність виготовлення давача така: вибираємо верхній діапазон вимірюваного тиску з формули (9) визначаємо оптимальне співвідношення радіусів трубчастого кристала; методом імпульсного приварювання золотого мікродроту d=30 мкм створюємо омічні контакти 3 і струмопідводи 4, а за допомогою епоксидного клею ЕДП 5 герметизуємо ЧЕ. Звичайно зовнішній діаметр ЧЕ не перевищував 0,4 mm, його довжина 2-5 mm. Градуювання давача проводили на установці УВД-15000, опір вимірювали цифровим приладом В7-16 А. На рис.13, б показана градуювальна крива давача, а також для порівняння -характеристика давача зі суцільного монокристала Те з однаковими п'єзорезистивними характеристиками.
Розглянемо фізичний принцип роботи давача. При дії гідростатичного тиску, завдяки наявності замкнутої порожнини, в ЧЕ виникає складно-напружений стан. Виникаючі напруження, в залежності від співвідношення радіусів, можуть значно перевищувати величину P, у той час коли у суцільному кристалі вони завжди дорівнюють P. А тому що питомий опір зразка пропорційний величині внутрішніх напружень, то й зростає чутливість давача. Складно-напружений стан може бути представлений у вигляді гідростатичного стиску
(10)
який у 1/(1-К2) разів більший, ніж вимірюваний тиск, і одновісних напружень:
,
(11)
які збільшуються за абсолютною величиною від зовнішньої поверхні трубки до внутрішнь. Тобто у давачі відбувається підвищення чутливості у 1/(1-K2) разів, у порівнянні з вимірюваним тиском, за рахунок зменшення жорсткості ЧЕ. Крім того, напруження тг і те також приводять до приросту опору ЧЕ, сумуючись з приростом, викликаним гідростатичною частиною тензора внутрішніх напружень, що і підвищує чутливість давача. Вказаний ефект можливий тільки в анізотропних тілах, у напівпровідниках, в яких особливості зонної будови забезпечують підсумовування ефектів п'єзоопору, викликаних гідростатичним стиском і одновісним розтягом. Експерименти підтвердили виникнення надсумарного ефекту. Так, для K = 0,67 чутливість збільшувалася більш ніж у 10 разів, у той час як за рахунок зниження жорсткості вона може збільшитися у 1/(1-К2), тобто у 2 рази. Таким чином, отриманий ефект досягається за рахунок:
а) вибору напівпровідникового матеріалу, який має високу п'єзочутливість;
б) використання ниткоподібного монокристала трубчастої форми орієнтації <0001>, який має сильну анізотропію електричних і п'єзоелектричних властивостей;
в) підсумовування ефектів, викликаних гідростатичним тиском і одновісним розтягом.
Давач може використовуватися для тисків <200 атм (<2*107 Па), при цьому його коефіцієнт гідростатичного тиску досягає 2,710 1/Па, що перевищує чутливість відомих давачів.
Рис.13. Конструкція (а) і градуювальна характеристика давача (б)