3.8. Багатофункціональний сенсор

Відомі багатофункціональні давачі для одночасного вимірювання декількох фізичних параметрів, наприклад, зусилля і температури, або тиску, температури і вологості. Чутливими елементами можуть бути ниткоподібні кристали кремнію, що спрощує конструкцію давачів, забезпечує мініатюризацію. Серед описаних давачів відсутні давачі для одночасного вимірювання таких параметрів, як деформація, температура і магнітне поле. Відомі давачі з ниткоподібних монокристалів напівпровідників групи АзВз для одночасного вимірювати магнітного поля і температ. Проте, такі давачі не можуть вимірювати третій параметр - деформацію. Ще один тип багатофункціонального давача з НІС кремнію призначений для вимірювання деформації і температури . Він містить ЧЕ з HK Si із сформованим на ньому перпендикулярним р-п переходом і трьома точковими контактами, причому частина ЧЕ р-типу служить давачем деформації (зусилля), а ділянка з р-n переходом - давачем температури. Проте, у зв'язку з нездатністю вимірювати магнітне поле, він має обмежені функціональні можливості. Крім цього, давач має недостатню точність виміру температури, оскільки р-п перехід, зазнає впливу деформації і може змінювати свої параметри.

У запропонованому багатофункціональному давачі ЧЕ виготовлений з голчастого монокристала твердого розчину Si_1-хGe_x складу х = 0,05, легованого Zn, з питомим опором ~ 0,5 Ом*см. Сам ЧЕ складається з трьох частин, утворених точковими контактами так, що частина з сторони більшого поперечного перерізу використана як давач деформації, середня -як давач температури, і частина зі сторони вістря - як давач магнітного потія. Оптимпошша геометрія дяиача, тобто співвідношення частин ЧЕ, яке складає 3:2:1.

Виконання ЧЕ з голчастого монокристала твердого розчину Si_1-хGe_x складу х - 0,05, легованого, з питомим опором ~0.5 Ом*м забезпечує високу чутливість давача деформації з коефіцієнтом тензочутливості K >100, його невелику температурну зміну ( ~ 10 % в інтервалі 293-353 K). Для давача тепераіури наведені вище параметри дають лінійну залежність опору від температури з темпера гурним коефіцієнтом опору ~ +0,4 %1/К, що підвищує точність вимірювань. Наявність нелінійної S-подібної ВЛХ одного з конгактів і її чутливості до впливу магнітного поля, зокрема величини індукції В, забезпечує можливість її використання в давачі. Цьому сприяє голчаста форма ЧЕ і зміщення даного контакту до вістря кристала. Оптимальна чутливість давача магнітного поля та лінійна залежність ΔU = f(B) має місце при вказаних вище параметрах ЧЕ та співвідношенні його частин 3:2:1. Позитивний ефект забезпечується теж мінімальною величиною мапгітоопору ЧЕ (<0,1 %), завдяки чому магнітне поле не впливає на покази давачів деформації і температури.

На рис.16,а представлена схема давача. Давач містить ЧЕ 1, що складається з трьох частин, утворених чотирма точковими контактами 2,3,4,5 так, що товстіша частина 2-3 використана як давач деформації, середня 3-4 - як давач температури і тонша 4-5 - як давач магнітного поля.

Загальна довжина ЧЕ складає 8-15мм, середній ефективний діаметр ~ 50 мкм. Точкові контакти 2-5 створені методом електроімпульсного приварювання Pt -мікродроту діаметром ЗО мкм. Контакти 2 і 5 розташовують безпосередньо біля основи і вістря ЧЕ, контакт 3 - посередині ЧЕ, а контакт 4 -зміщено до вістря ЧЕ, тобто на віддалі від нього ~ на 1/6 1 (1-довжина ЧЕ).

Використовують давач таким чином. Розташовують ЧЕ з контактами на пружному елементі, приклеюючи його частину 2-3 за допомогою клею ВЛ-931, або БФ-2, за стандартною методикою. Градуюють його як тензорезистор, задаючи пружному елементу певного ступеня деформації є і вимірюючи зміну опору цифровим приладом (В7-16А). При роботі у широкому температурному діапазоні необхідне градуюваїшя давача деформації AR/Ro ⁼ %) при різних температурах, тобто одержання залежності K = f(T). Опісля градуюють давач температури (частіша 3-4 ЧЕ), і одержують залежність R(T). Для даною ЧЕ ця залежність є достатньо лінійною для двох га'дціапазонів - 233-273 K і 273-333 K - з чутливістю ΔR/T -1,2-1,5 Ом/К, що дозволяє вимірювати температуру з точністю ± 0,1 K. І, вкінці, градуюють давач магнітного поля, пропускаючи стабілізований струм живлення через контакти 3 і 4 (як і у давачі температури), але вимірюють спад напруги між контактами 4 і 5, тобто опір розтікання контакту 4. У нашому випадку, задаючи робочий струм 10 = 2-3 мА і вибираючи робочу точку біля максимуму напруги S-подібної BAX, одержали лінійну залежність приросту напруги від індукції магнітного поля AU -f(B) з чутливістю у = ΔU/ΔB ~ 500 мВ/Тл. Для роботи у температурному діапазоні необхідно проградуювати давач при різних T, тобто визначити коефіцієнти P = Δγ/ΔТ.

Одержавши відповідні залежності (графічні або аналітичні) для давача деформації - ΔR/Ro - f(s), температури - R = f(T), магнітного поля - ΔU = f(B), маємо можливість одним давачем вимірювати 3 параметри: деформацію, температуру і магнітне поле. Зауважимо, що при цьому використовуємо один цифровий вимірювальнім прилад, а лінійність градуювальнігх характеристик полегшує процес вимірювання і підвищує точність. Номінали опорів давачів 300-500 Ом зручні для реєстрації, а чутливість давача магнітного поля значно вища, ніж у давача Холла, що дозволяє вимірювати слабі магнітні поля.