2.4 Тензорезистивные преобразователи

Тензоэффектом называется свойство металлических и п/п материалов изменять электропроводность при изменении объема и упругих деформациях. Изменение сопротивления R_u объясняется двумя факторами: изменение геометрических размеров l, S и изменением удельного сопротивления материала  при деформации R_m=l/S. Тензоэффект характеризуется тензочувствительностью материала: К_тм=R_мl/R_ul_u, где R_u и l_u – приращения сопротивления и длины вследствие приложения внешних сил.

При деформации преобразователя изменение его параметров получается после дифференцирования выражения R_м по механической деформации :

( )=s ls² .

Относительное изменение сопротивления после подстановки , l, S будет иметь вид:

1/().

Выражение изменения площади сечения проводника через изменение диаметра dS/S=2d/d и учитывая, что d/d=-l_u/l_м, получим:

(1+2)+/.

где  – коэффициент Пуассона, характеризующий изменение поперечного сечения проволоки при ее удалении. Для металлов  =0,24 – 0,4.

Член (1+2) определяет зависимость К_тм от изменения геометрии преобразователя, а m_l – от изменения свойств материала. Для металлов m_l лежит в пределах(0.4-5.5), для п/п в пределах (175 – (-133))Ge и (102 – (-157))Si. Висмут имеет К_тм= 22. Чувствительность тензорезисторов К_т отличается от тензочувствительности материала К_тм, так как зависит еще от типа конструкции, свойств подложки, клея и др.

Рисунок 2.3. Устройство проволочного тензорезистора; Р – направление действия силы; l_σ – база

В настоящее время получили распространение проволочные, фольговые (рисунки 2.3; 2.4) и полупроводниковые тензорезисторы. В проволочных тензорезисторах в качестве чувствительного элемента используют составленную из петель с параллельными нитями решетку, выполненную из тонкой проволоки диаметром 2 – 20 мкм, полученной методом волочения или методом микрометаллургии. При измерении сил и деформаций в нескольких направлениях применяют многоэлементные тензорезисторы, так называемые розетки, которые образованы из двух, трех или четырех линейных тензочувствительных элементов на одной общей основе. Коэффициент тензочувствительности К_т проволочных тензорезисторов составляет 2 0.2. Номинальный рабочий ток  30 мА, предел измерения относительных деформаций 0,003, поперечная чувствительность составляет 2  от продольной. Различные типы металлических тензорезисторов имеют базу в пределах (5 – 100) мм, ширину (2 – 10) мм, сопротивление (50 – 10000) Ом. Пример маркировки промышленных проволочных тензорезисторов: ПКБ-20-200 – это тензорезистор на бумажной основе с активной базой 20 мм и номинальным сопротивлением 200 Ом. Основными материалами для изготовления решетки служат константан (60  Cu, 40  Ni) и нихром (60  Ni, 15  Cr).

Фольговые тензорезисторы имеют решетку из тонких полосок фольги прямоугольного сечения толщиной (4÷12 ) мкм, которую наносят на пленку из синтетической смолы или бумаги, пропитанной клеем. Толщина пленочного основания (30÷40) мкм, бумажного (80÷100) мкм. В силу большой теплоотдачи фольговых преобразователей рабочий ток может достигать 0,5 А. Промышленные типы фольговых тензорезисторов имеют обозначения, например: 2ФКПА, ФК-РБ, ФКТБ и др. Фольговые тензорезисторы изготовляются фотомеханическим способом самой сложной конфигурации. Благодаря этому фольговые тензорезисторы отличаются большей чувствительностью и точностью измерения деформации и функциональными возможностями.

Рисунок 2.4. Конструкция фольговых тензорезисторов:

а – 2ФКПА; б – 2ФКПД; в – 2ФКРВ; г – 2ФКРГ; д – 2ФКМВ; е – 2ФКМГ

В качестве материалов могут быть использованы (наряду с константаном) золото-серебряные сплавы, медноникилевая фольга и др. База фольговых преобразователей варьируется в пределах (0,6 – 10) мм, ширина (1 – 5) мм, сопротивление (10 – 1000) Ом.

Рассмотренные выше тензорезисторы относятся к приклеиваемым. Однако в ряде случаев используются датчики, не имеющие подложки – тензодатчики со свободным подвесом, отличающиеся высокой стабильностью, малой температурной погрешностью. Они более сложны в конструктивном отношении и используются, как правило, в устройствах для длительных и непрерывных измерениях, например, в высокоточных устройствах.

В полупроводниковых тензорезисторах в качестве чувствительного элемента используется монокристаллический полупроводник толщиной (20 – 50) мкм, шириной до 0,5 мм и длиной 2 – 12 мм. Наиболее распространенная технология изготовления – резка монокристалла п/п с последующим травлением. Важной операцией является ориентировка кристалла по трем главным направлениям кубической решетки [111], [110], [100], осуществляемая на рентгеновских или оптических установках с точностью 1^о. В зависимости от направления резки и других технологических особенностей изготовления тензорезисторов изменяются в широких пределах их свойства. Наиболее сильно тензоэффект выражен в п/п материалах Ge, Si, InSb, InP, GaAs, GaSb. Для изготовления п/п тензорезисторов используют также технологии выращивания кристаллов из газовой фазы, нанесения тонких пленок на изоляционную подложку методом испарения в вакууме и диффузионным методом.

Благодаря широкому развитию и попарной технологии изготовлены датчики давления, путем выращивания п/п тензорезисторы непосредственно на упругом элементе, выполненном из кремния или сапфира. При этом тензорезистор "сцепляется" с материалом другого элемента за счет внутримолекулярных сил, что исключает погрешности, связанные с передачей деформации от упругого элемента к тензорезистору. Более того, на одном упругом элементе выращивается обычно не один тензорезистор, а структура ввиде полумоста или даже целый мост и термокомпенсирующие элементы (приборный комплекс "Сапфир-22").

Полупроводниковые материалы используются в качестве пьезорезистивных преобразователей. Различают следующие способы нагружения p-n переходов (диоды, стабилизаторы, транзисторы):

1) надавливание на p-n переход острием стальной иглы;

2) нагружение перехода штырем;

3) выполнение п/п прибора в виде иглы с p-n переходом на конце;

4) наклеивание или напыление п/п кристалла на деформирующую балочку или диафрагму.

Используя один из способов воздействия на п/п элемент или его p-n переход, можно изменять его вольт-амперные характеристики в зависимости от приложенного напряжения или давления. Такие преобразователи широко используются для виброметрии, измерении скоростей и ускорений.

В технике измерения больших деформаций (единицы мм) используются специализированные тензопреобразователи, например, в виде резиновой нити с обмоткой из константановой проволоки или латексного капилляра с ртутным заполнением. В первом варианте на предварительно натянутую резиновую нить диаметром (1 – 1,5) мм наматывается константановая проволока диаметром 0,02 мм. Полученная полоска длиной около 100 мм наклеивается на объект испытания. При измерении деформации до 50  чувствительность датчика практически остается постоянной. Такой датчик используется в медицине при изучении двигательных реакций человека, измерение объема предплечий и др.

Для прикрепления тензопреобразователей используют клеящие составы (клеи или цементы) в зависимости от условий работы (температура, влажность, характер среды). При нормальных условиях используются ацетатноцеллулоидные, бакелитофенольные (БФ) клеи, лаки на основе органических смол (бакелит). При высоких температурах (700 – 800 ^оС) используют кремнийорганические цементы Б-56, ВН-12 и др. Соблюдение технологии приклейки играет большую роль для обеспечения метрологических характеристик тензопреобразователей, поскольку слой клея располагается между решеткой преобразователя и исследуемой поверхностью изделия.

Рассматривая тензорезисторы как техническое средство измерения, следует характеризовать их чувствительность, зависимость сопротивления от температуры, механический гистерезис, ползучесть, сопротивление изоляции "на массу", динамические характеристики. Наличие этих характеристик позволяет достаточно надежно оценить их точность и правильность результатов измерений.

К техническим данным относят: геометрические размеры, номинальное сопротивление, конструктивные формы, материал воспринимающего элемента, материал подложки, материал связующего, технологию изготовления и приклейки.

Номинальная статическая характеристика металлических тензорезисторов практически линейна при работе в области упругих деформаций. Полупроводниковые тензорезисторы на базе кремния p-типа [111] и для чистого кремния n-типа [100] имеют НСХ в виде квадратичной параболы с коэффициентами, зависящими от удельного сопротивления материала. Линейный участок Si p-типа больше при растяжении, а для Si n-типа линейность выше в области сжатия.

Температурная погрешность тензорезисторов возникает при изменении начального сопротивления преобразователя и коэффициента тензочувствительности. Таким образом, для ТР характерна погрешность нуля (аддитивная) и чувствительности (мультипликативная).[10 ]. Изменение начального сопротивления определяется двумя факторами: изменение ρ непосредственно под воздействием температуры θ и изменение ρ под действием дополнительного механического напряжения, появляющегося в ТР , если коэффициент линейного расширения детали и ТР не равны.

Величина «кажущейся» деформации при воздействии θ определяется формулой:

;

где α – температурный коэффициент сопротивления ТС; β_g и β_T – коэффициенты линейного расширения детали и ТС (ТКЛ). Если подобрать соответствующие ТКЛ, то тензорезисторы называются термокомпенсированными.

Например, в диапазоне температур 20–100 ^оС, Δ_εθ = 1,5·10^-6 К^-1, что при измеренной деформации ε_ls = 10^-2 приводит к температурной погрешности нуля 0,00015 К^-1. Температурный коэффициент чувствительности определяется изменением коэффициента чувствительности. Например, для константана γ_s = -0,00003 К^-1, для тензорезисторов из кремния p-типа γ_s =-0,0016 К^-1.

Измерительные схемы с тензорезисторами обычно выполняют, либо в виде делителя напряжения, либо в виде мостовой измерительной схемы (рисунок 2.5.).

Рисунок 2.5. Мостовые измерительные схемы:

а – двухпроводная; б – трёхпроводная; в – дифференциальная

На рисунке 2.5 введены следующие обозначения: R₁,R₂,R₃ – постоянные сопротивления плеч моста; R_х – сопротивление тензорезисторов; ИП – измерительный прибор; r – сопротивление соединительных проводников; U - напряжение питания моста; 1÷5 – входные клетки моста. Уравнения баланса мостовых измерительных схем имеют следующий вид:

для схемы «а» ;

для схемы «б» ;

для схемы «в» .

Из приведённых выражений следует, что в схеме «а» сопротивление соединительных проводников включены последовательно с сопротивлением R_х и, следовательно, их изменение оказывает влияние на погрешность преобразования. В случаях «б» и «в» сопротивление соединительных проводников включены в смежные ключи, поэтому их влияние на результат значительно ниже.

Погрешность преобразования зависит от многих факторов, однако, при правильном использовании рекомендаций по конструированию преобразователей и применении современной технологии удается достигнуть погрешности не превышающие 0,2 – 0,3 