41.Тензометрические полупроводниковые чувствительные элементы. Схемы включения тензорезисторов.

Элемент, преобразующий физическую величину в электрический сигнал, принято называть чувствительным элементом. К наиболее употребительным в настоящее время и перспективным следует отнести следующие типы чувствительных элементов датчиков: полупроводниковый пьезорезистивный, терморезисторный, емкостный, индуктивный, пьезоэлектрический, механотронный, химотронный, ультра­звуковой, фотоэлектрический, гальваномагнитный, оптический, струнный. Основные типы и характеристики тензометрических полупроводни­ковых чувствительных элементов, высокая чувствительность полупровод­никовых тензометрических чувствительных элементов (тензорезисторов), превышающая на два порядка чувствительность проволочных тензодатчи- ков, вызвала большой к ним интерес во всех развитых странах мира. Независимо от типа тензорезисторов, его материал должен удовле­творять следующим основным требованиям : 1.чувствительность тензорезистора, выраженная относительным из­менением сопротивления, должна быть наибольшей; 2.общее сопротивление тензорезистора должно быть по возможно­сти большим, с тем, чтобы нежелательное влияние сопротивлений в изме­рительном контуре и их изменений было наименьшим (провода от аппара­туры, контакты и т. д.); 3.температурный коэффициент сопротивления (ТКС) должен быть наименьшим; 4.в контактах тензорезистора должен отсутствовать термоэлектри­ческий эффект; 5.материал тензорезистора должен обладать в возможно более ши­роком диапазоне линейной зависимостью между относительной деформа­цией и изменением сопротивления.

Чувствительность полупроводниковых тензорезисторов (ПТ) в ос­новном определяется изменением их удельного сопротивления под дейст­вием механического напряжения. В наиболее простом случае механиче­ское напряжение, компоненты электрического поля и плотности тока дей­ствуют в одном и том же продольном (относительно кристалла тензорези- стора) направлении. Коэффициент тензочувствительности у ПТ высок (S = 5СМ-150) - на два порядка выше, чем у металлических тензорезисторов. В этом и заклю­чается одно из основных положительных свойств ПТ. Коэффициент тензо­чувствительности, приклеенных на упругий элемент тензорезисторов, меньше, чем у тензорезисторов в свободном состоянии, за счет влияния переходного слоя клея. При автоэпитаксиальной технологии тензорезистор образуется на­ращиванием монокристаллического слоя полупроводника, кристалличе­ская решетка которого является продолжением кристаллической решетки упругого элемента, выполненного из полупроводникового материала того же типа, что и наращиваемый слой. При гетероэпигаксиальной технологии тензорезистор образован на­ращиванием монокристаллического слоя полупроводника на поверхности упругого элемента, выполненного из монокристаллического диэлектрика (например, сапфира). Упругие тензорезисторные элементы, выполненные по гетероэпи- таксиальной технологии, имеют ряд преимуществ, главными из которых являются высокое сопротивление изоляции, большая механическая проч­ность, технологичность, высокая надежность и более широкий диапазон рабочих температур. Схемы включении тензорезисторов: Основные схемы включения ПТ в настоящее время - потенциомет­рическая и мостовая. Потенциометрическую схему приме­няют в тех случаях, когда необходимо выделить переменную составляю­щую. Мри помощи мостовых схем измеряют как статические, так и дина­мические деформации. Мостовые схемы работают как на постоянном, так и на переменном токе. Мосты постоянного тока балансируются по актив­ному сопротивлению, например, перемещением подвижного контакта рео­хорда или с помощью балансировочных сопротивлений. Мосты перемен­ного тока необходимо также балансировать по реактивной составляющей, для чего в диагональ питания подключается балансировочный конденса­тор

Основные схемы включения полупроводниковых:

Использование двух или четырех активных тензорезисторов увели­чивает чувствительность датчика теоретически в 2 или 4 раза соответст­венно, кроме того, при этом происходит непосредственная (прямая) темпе­ратурная его компенсация. Прямая температурная компенсация в связи с разбросом величин сопротивлений, ТКС, ТКЧ (температурный коэффици­ент чувствительности) у тензорезисторов, как правило, не обеспечивает допустимую температурную погрешность датчика. Дифференциальные измерительные схемы ПТ на трансформаторах тока разработаны в последние годы. При разработке миниатюрных тензорезистивных датчиков механи­ческих и физических величин, например, датчиков давления, необходимо учитывать увеличенные значения тепловых сопротивлений между ПТ и окружающей средой в связи с малыми размерами и массами упругих чув­ствительных элементов (мембран, балок и т.д.).