1.1.1 Тензорезисторы

В основе работы тензорезисторов лежит тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации..

Характеристикой тензоэффекта материала служит коэффициент тензочувствительности Кт, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:

Кт = R/L = E(R/s),

где : R = DR/R, L = Dl/l, DR - изменение сопротивления при изменении длины l на Dl; E - модуль упругости материала; s - механическое напряжение.

В проводниках под действием механических нагрузок изменение удельного сопротивления материала практически не происходит, поэтому относительная чувствительность таких измерительных преобразователей невысока:

Относительное изменение сопротивления проводникового тензорезистора приблизительно в 1,5 раза превышает относительное изменение его линейных размеров. С учётом того, что деформация металлов составляет тысячные доли, то относительное изменение сопротивления проводника не превышает десятых долей процента. Поэтому, для повышения чувствительности тензорезистивных измерительных устройств используют мостовые электрические измерительные схемы.

Для повышения точности измерений применяют дифференциальные методы измерения с использованием двух и более датчиков. Это позволяет осуществить компенсацию изменения рабочей температуры, снизить влияние на характеристики преобразователей других дестабилизирующих факторов. Например, при создании датчиков усилий на чувствительный упругий элемент наносят, как минимум, два тензорезистора: один по направлению действия усилий, а другой - поперёк. Это позволяет существенно снизить термочувствительность такого измерительного преобразователя.

Рисунок 3.8 Схема установки тензодатчиков.

Проводниковые тензорезисторы чаще всего делают из тонкой манганиновой проволоки, так как удельное сопротивление манганина в определенном диапазоне температур остается практически неизменным. Для повышения чувствительности преобразователей используют полупроводниковые материалы, у которых в основе механизма тензочувствительности преобладает изменение удельного сопротивления за счёт дополнительной генерации электронно-дырочных пар под действием измеряемых усилий.

1.1.2 Пьезорезисторы

Пьезорезисторы представляют собой самостоятельные модули и применяются в основном в качестве датчиков силы и давления.

Высокий уровень развития современной микроэлектронной технологии позволил формировать из кремния миниатюрные прецизионные пьезорезистивные структуры вместе с элементами термокомпенсации, усиления и электронной обработки сигналов. На этой основе созданы и промышленно выпускаются сотни наименований разнообразных микроэлектронных сенсоров для измерения силы, давления, механического напряжения, для фиксации даже легчайших прикосновений. Например, сенсоры давления компании Honeywell на основе кремниевых пьезорезисторов перекрывают диапазон давлений от единиц паскаля до десятков МПа, обеспечивая измерение с точностью ±0,1-3% [ [ 251 ] ; http://content.honeywell.com/sensing/products].

Еще более высокую тензочувствительность имеют пьезорезисторы из эластомеров, которые изготавливают из резины, полиуретана и подобных упругих синтетических материалов, в состав которых включены электропроводящие частицы или волокна (например, графитовый или угольный порошок) [ [ 148 ] ]. Принцип действия пьезорезисторов из эластомеров показан на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Принцип действия пьезорезистивного сенсора из эластомера

При отсутствии внешней силы подвижный контакт только прикасается к электропроводящему эластомеру, и сопротивление между контактами довольно велико. Появление силы давления, действующей на подвижный контакт, приводит к деформации упругого слоя эластомера и к некоторому углублению контакта в этот слой. При этом одновременно уменьшается расстояние между контактами и между электропроводящими частицами в эластомере и увеличивается площадь контактной зоны. Вместе взятое, это приводит к заметному уменьшению электрического сопротивления. Типичный вид нелинейной зависимости электрического сопротивления от приложенной силы или от перемещения подвижного контакта (от величины деформации) показан на рис. 8.4справа.