Тема 3. Тензорезистивные интегральные преобразователи

12. Тензорезистивный эффект в полупроводниках, влияние ориентации, легирования.

13. Тензорезисторы в интегральном исполнении. Плёночные и диффузионные резисторы: структура (сечение), особенности применения.

14. Интегральная тензорезистивная мостовая схема: влияние температуры, питания, положения резисторов на мембране.

15. Номинальные параметры микромеханических преобразователей.

16. Тензорезистивные датчики давления. Основные типы конструкций и топологий.

17. Тензорезистивные акселерометры. Линейный и маятниковый акселерометр. Конструкции, тензорезистивная схема. Погрешности измерения.

Тензорезистивные акселерометры

Тензорезистивные акселерометры измеряют ускорение на основе изменения электрического сопротивления тензорезисторов, вызванного механической деформацией чувствительного элемента под воздействием инерционных сил.

Конструкция тензорезистивных акселерометров

Основные компоненты: Чувствительный элемент (мембрана или балка) Деформируется под действием ускорения. Массив тензорезисторов Установлен на чувствительном элементе в местах наибольшей деформации. Обычно изготавливается из поликристаллического кремния или металлов. Маятник или инерционная масса Свободно подвешен или соединен с чувствительным элементом. Обеспечивает передачу инерционных сил на чувствительный элемент. Электронная схема Тензорезисторы образуют мостовую схему (обычно Уитстона), которая преобразует изменение сопротивления в выходное напряжение, пропорциональное ускорению.

Типы конструкций

1. Линейный акселерометр

• Принцип действия:

Чувствительный элемент представляет собой мембрану или балку, на которую воздействует инерционная масса при ускорении вдоль одной оси.

• Конструкция:

  • Инерционная масса перемещается в плоскости мембраны.

  • Тензорезисторы расположены так, чтобы регистрировать сжатие и растяжение чувствительного элемента.

• Применение: Измерение ускорения вдоль одной оси.

2. Маятниковый акселерометр

+ больше чувствительность

– погрешность к поперечному ускорению (решение – ось чувствительности под углом)

• Принцип действия:

Чувствительный элемент связан с маятником, который отклоняется под воздействием ускорения.

• Конструкция:

  • Маятник шарнирно закреплен.

  • Тензорезисторы фиксируют угловую деформацию подвеса.

• Применение: Измерение линейного или углового ускорения.

Тензорезистивная схема

• Мостовая схема Уитстона:

Четыре тензорезистора соединены в мост. Два из них находятся в зоне растяжения, два — в зоне сжатия. Это компенсирует изменения температуры и увеличивает чувствительность.

Погрешности измерения

1. Температурные эффекты Компенсируются с помощью симметричной мостовой схемы.

2. Нелинейность Связана с неидеальной пропорциональностью между деформацией чувствительного элемента и сопротивлением.

3. Кросс-осевые эффекты Чувствительность к ускорению вдоль осей, отличных от измеряемой.

4. Шум Термодинамический и электрический шум в тензорезисторах и цепях.

5. Дрейф нуля Постепенное изменение базового уровня выходного сигнала при отсутствии ускорения.

6. Механические резонансы Влияние вибраций и резонансных частот конструкции.

7. Чувствительность к радиации В условиях повышенного уровня излучения изменяются свойства материалов.

Применение тензорезистивных акселерометров

• Измерение перемещения (навигация)

• Определение положения в пространстве

• Фиксация столкновений