Слайды 32 - 33. Тензопреобразователи
Принцип действия тензорезисторов основан на явлении тензоэффекта - изменении активного электрического сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при деформации под воздействием механических усилий. Связь между изменением сопротивления тензорезистора и его деформацией устанавливается соотношением
,
где R/R – относительное изменение сопротивления тензорезистора;
l/l – относительное изменение его длины;
SТ –коэффициент тензочувствительности, определяемый материалом ТР. Тензочувствительность считается положительной, если ΔR/R>0, и отрицательной, если ΔR/R<0.
Полупроводниковые тензорезисторы имеют ряд преимуществ перед проводниковыми, прежде всего гораздо большую чувствительность (в 50…60 раз). Монокристаллическая структура, в которой кремниевые тензорезисторы «выращиваются» непосредственно на сапфировой мембране, получила название КНС – «кремний на сапфире». Сапфировая мембрана обладает упругими свойствами, приближающимися к идеальным. Сцепление кремниевых тензорезисторов с мембраной за счет молекулярных сил позволяет отказаться от использования клеящих материалов и улучшить метрологические характеристики преобразователей. Планарная технология позволяет одновременно формировать в полупроводнике тензорезисторы, элементы термокомпенсации и микроэлектронный блок обработки сигнала. Тензорезиcторы мостовой схемы можно располагать на мембране так, что при деформации они будут иметь разные по знаку приращения сопротивления, что повышает чувствительность тензодатчика в целом.
На сегодняшний день тензорезисторные измерительные преобразователи давления (в переводной литературе их иногда называют пьезорезисторными, не надо путать с пьезоэлектрическими) являются самыми популярными в мире. Они представляют собой металлическую и/или диэлектрическую измерительную мембрану, на которой размещаются тензорезисторы. Деформация мембраны под воздействием внешнего давления приводит к локальным деформациям тензорезисторов, включенным обычно в плечи четырехплечего уравновешенного моста. При этом одна пара тензорезисторов, включенных в противоположные плечи моста, имеет положительную тензочувствительность, а другая – отрицательную. Их сопротивления при подаче давления соответственно увеличиваются и уменьшаются на величину ΔR. При отсутствии давления все четыре сопротивления равны по величине и мост сбалансирован. При подаче давления баланс (равновесие) моста нарушается, и в измерительной диагонали моста будет протекать ток. Этот токовый сигнал и является мерой измеряемого давления.
Интегральные полупроводниковые тензорезисторные чувствительные элементы реализуются двумя способами. По гетероэпитаксиальной технологии «кремний на сапфире» (КНС) тонкая пленка кремния выращивается на подложке из сапфира, припаянной твердым припоем к титановой мембране. В структуре КНК мембрана из монокристаллического кремния размещается на диэлектрическом основании с использованием легкоплавкого стекла или методом анодного сращивания и по технологии диффузионных резисторов выращиваются кремниевые же резисторы с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки p-n переходами – технология «кремний на кремнии» (КНК)..
Особенно широкое применение в изготовлении общепромышленных измерительных преобразователей давления в настоящее время получила технология КНС. К ее преимуществам можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость. Однако структура КНС имеет и недостатки – временнýю нестабильность градуировочной характеристики и существенную погрешность гистерезиса от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Измерительные преобразователи давления, выполненные на основе структуры КНК, имеют бóльшую временную и температурную стабильности по сравнению с преобразователями на основе КНС - структур.
Наибольшую погрешность в результат измерения давления с помощью тензорезисторных измерительных преобразователей вносит изменение температуры. Для ее уменьшения в связи с широким использованием в последнее время интеллектуальных преобразователей, как правило, используется автоматическое введение поправок на температуру. При этом первичный преобразователь (тензорезисторный чувствительный элемент) подвергается предварительной градуировке при различных значениях температуры. Эти градуировочные данные вводятся в память микропроцессора интеллектуального преобразователя. При эксплуатации преобразователя измеряется температура и выходной ток датчика, и путем аппроксимации градуировочных данных вычисляется измеряемое давление.