ФОПИ _Чередов_1

Физические основы полученияинформации

Так как преобразователи на эффекте Гаусса изготавливаются в основном из кристаллических полупроводников, характеризующихся высокой временной стабильностью параметров, поэтому погрешность от изменения свойств во времени мала и ей обычно пренебрегают.

Температурная погрешность обусловлена изменением начального сопротивления R0, коэффициента АB, магниторезистивного отношения RВ/R0. Для уменьшения этой погрешности используются различные компенсирующие или корректирующие устройства. Кроме этого уменьшение температурной погрешности достигается выбором материалов с малым ТКС. Значения ТКС различных типов магниторезистивных датчиков составляет 0,0002 … 0,012 К-1 .

Погрешность магниторезистивных датчиков составляет 0,5…2,5 % (частота 0 … 20 кГц).

Для защиты материала чувствительного элемента от воздействия измеряемой среды его покрывают защитными лаками и компаундами.

В табл. 4.4 представлены характеристики некоторых типов магниторезистивных датчиков [8].

Магниторезистивные ИП применяются для измерения постоянных и переменных полей (диапазон измерения 10-2 … 102 Тл) и величин функционально с ней связанных, а также в различных устройствах автоматики и вычислительной техники. Очень часто они используются как индикаторы магнитного поля.

4.4.3. Тензорезистивные датчики

Принцип действия тензорезистивных ПИП основан на тензорезистивном эффекте, который заключается в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их деформации (см. п. 3.1.1). Изменение сопротивления может быть определено по формуле (3.5).

Удельное сопротивление большинства металлов мало зависит от деформации (коэффициент αε очень мал), коэффициент Пуассона для металлов 0,24–

~111 ~

Физические основы полученияинформации

0,4, поэтому изменение сопротивления для большинства проводников обусловлено в основном изменением их размеров.

При деформации полупроводниковых материалов происходит изменение структуры энергетических зон, что приводит к изменению концентрации носителей заряда, их эффективной массы, перераспределению их между энергетическими максимумами в зоне проводимости и минимумами в валентной зоне и соответственно к изменению удельного сопротивления. Например, для полупроводника с примесями удельное сопротивление ρ = m/(n.q2.τ), где n – концентрация примеси; q – заряд; m – эффективная масса; τ – среднее время жизни носителей заряда. Деформационный коэффициент αε для полупроводников может достигать 200 и более, т. е. αε >> 1 + 2μ, и изменение сопротивления полупроводникового образца при его деформации обусловлено большим деформационным коэффициентом.

Тензорезистивный эффект проявляется на телах различной геометрической формы и существенно зависит от вида деформации и температуры. На этом эффекте основана работа тензорезистивных ПИП (тензодатчиков).

При небольших изменениях сопротивления металлических тензорезисторов, не превышающих 2 % (что справедливо для большинства случаев), уравнение преобразования проводникового тензодатчика может быть записано в виде [20]

Материалы чувствительных элементов тензодатчиков должны характеризоваться: большим значением коэффициента тензочувствительности; большим значением удельного сопротивления; малым значением ТКС; отсутствием термоЭДС в контактах; линейностью зависимости R = f( l).

В качестве материалов чувствительных элементов используются проводниковые и полупроводниковые материалы. Характеристики некоторых материалов приведены в табл. 3.1.

Классификация и конструкции тензорезистивных ПИП

В зависимости от фазового состояния материала чувствительного элемента различают твердотельные и жидкостные тензорезистивные преобразователи.

К твердотельным тензодатчикам относятся: проволочные, фольговые, пленочные.

Проволочные тензодатчики выполняются наклеиваемыми и ненаклеиваемыми.

Наклеиваемый проволочный тензорезистивный преобразователь (рис. 4.11а) представляет собой решетку из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 1 диаметром 0,02–0,05 мм. наклеенной на основу 2 (полоска бумаги или

~112 ~

Физические основы полученияинформации

пленка), к концам которой присоединяются медные выводы 3. Сверху преобразователь покрывают слоем лака [15].

Ненаклеиваемые (свободные) тензорезистивные ИП выполняются в виде одной или ряда проволок 1, закрепленных на концах между неподвижной 2 и подвижной 3 деталями и выполняющих роль упругого элемента (рис. 4.11б).

Недостатком проволочных тензопреобразователей является то, что участки закругления воспринимают деформацию слабее (более жесткие), чем линейные участки, поэтому коэффициент тензочувствительности образца материала КПР (0,7–0,96) К. Наличие протяженных участков закругления приводит к возникновению поперечной чувствительности. Для проволочных тензорезисторов отношение поперечной и продольной чувствительности определяется отношением b/L . Поперечная чувствительность составляет 0,25–1 % от продольной.

Фольговые тензорезисторы изготавливают из металлической фольги 1 толщиной 4–12 мкм (например, фольги из константана, золотосеребряных сплавов и др.), наклеенной на подложку 2. Необходимая конфигурация чувствительного элемента получается протравливанием определенных участков фольги. На рис. 4.12 показан один из вариантов выполнения чувствительного элемента тензорезистивного датчика.

У фольговых тензорезисторов поперечная чувствительность значительно меньше, чем у проволочных за счет расширения поперечных участков.

Пленочные тензорезистивные преобразователи изготавливают путем вакуумной возгонки тензочувствительного материала с последующей конденсацией его на подложку через маску. Для пленочных тензорезисторов используются как металлические материалы, например титаноалюминиевые сплавы, так и полупроводниковые материалы, например германий, кремний. Пленочные тензорезистивные ИП могут иметь толщину менее 1 мкм.

Достоинством фольговых и пленочных тензорезисторов является возможность их получения заданной формы, определяемой маской.

~113 ~

Физические основы полученияинформации

Жидкостные тензорезистивные преобразователи представляют собой резиновый капилляр с внутренним диаметром 0,1–0,5 мм, заполненный электролитом или ртутью. Они позволяют преобразовывать большие относительные деформации до 30–50 % .

Недостатками этих ИП являются низкое начальное сопротивление, например ртутные преобразователи имеют начальное сопротивление единицы ом, и большой ТКС.

Полупроводниковые тензопреобразователи изготавливают обычно из монокристалла полупроводника (германия, кремния) в виде тонких полосок, которые вырезаются вдоль определенных кристаллографических осей. Например, полоски из кремния р-типа вырезаются в направлении <111>, а из кремния n- типа – в направлении <110>. Для изготовления тензорезисторов используется также германий р- и n-типов. Полупроводниковые тензорезисторы имеют длину 2–12 мм и ширину 0,15–0,5 мм.

Отличительными особенностями полупроводниковых тензопреобразователей являются высокая чувствительность и нелинейность градуировочной характеристики.

В настоящее время выпускаются интегральные полупроводниковые тензорезистивные датчики, которые выращиваются непосредственно на упругом элементе из кремния или сапфира. Эти упругие элементы обладают упругими свойствами, близкими к идеальным, и существенно меньшими погрешностями гистерезиса и линейности по сравнению с металлическими. На одном упругом элементе обычно выращиваются несколько резисторов, соединенных в полумост или мост, и компенсирующие элементы. Такая технология позволяет существенно уменьшить погрешности, обусловленные неидентичностью тензорезисторов и внешних условий. Интегральные тензодатчики выпускаются в виде КНК-структур (кремний на кремнии) и КНС-структур (кремний на сапфире).

Основные характеристики тензорезистивных ПИП

К характеристикам тензорезистивных преобразователей относятся: коэффициент тензочувствительности, измерительная база, начальное сопротивление, погрешности.

Коэффициент тензочувствительности К представляет собой отношение относительного изменения сопротивления R/R0 тензопреобразователя к величине относительной деформации l/l.

Используя формулу (3.6), получим выражение для коэффициента тензочувствительности

~114 ~

Физические основы полученияинформации

Для большинства проводниковых твердотельных тензорезистивных датчиков можно считать, что K ≈ 1 + 2 и примерно равен 2.

Для получения хорошей тензочувствительности датчик должен иметь длинные продольные участки и короткие поперечные.

Для жидкостных тензорезисторов ε = 0 (объем не изменяется в процессе деформации), = 0,5, поэтому КЖИД = 2.

Для полупроводниковых тензорезистивных ИП К ε и тензочувствительность таких датчиков в 50–100 раз больше, чем металлических, причем знак К может быть как положительным, так и отрицательным.

Измерительная база L определяется как длина детали, занимаемая чувствительным элементом тензорезистивного преобразователя (см. рис. 4.11а).

Базы преобразователя лежат в пределах 1,0–100 мм. Наиболее часто используются проволочные преобразователи с базами 5–20 мм. Измерительная база фольговых преобразователей может составлять значение менее 1 мм. Полупроводниковые тензорезисторы имеют базу 2–12 мм.

Номинальное (начальное) сопротивление R0 – это сопротивление тензоре-

зистивного преобразователя в отсутствие деформации.

Диапазон начальных сопротивлений тензодатчиков – десятки ом … несколько тысяч ом.

Погрешности тензорезистивных ПИП

Основными погрешностями являются: 1) температурная погрешность; 2) погрешность градуировки; 3) погрешность линейности; 4) погрешность, обусловленная ползучестью клея; 5) погрешность гистерезиса. Тензорезистивные преобразователи могут иметь погрешность 1 % и менее.

Температурная погрешность возникает из-за изменения сопротивления тензорезистора (при нулевой деформации) и коэффициента тензочувствительности при изменении температуры, т. е. тензорезистору присущи температурные погрешности нуля и чувствительности.

При наклеивании тензорезистора на деталь возникает погрешность, обусловленная неравенством температурных коэффициентов линейного расширения материала детали βД и материала чувствительного элемента βТ. Если эти коэффициенты не равны, то при изменении температуры будет наблюдаться кажущаяся деформация. Температурный коэффициент сопротивления тензорезистора αR, наклеенного на деталь [15]:

где αТ – температурный коэффициент материала тензорезистора.

~115 ~

Физические основы полученияинформации

Температурная погрешность нуля может быть найдена по формуле

Некоторые материалы для тензорезисторов могут иметь значение температурного коэффициента удельного сопротивления, лежащее в широких пределах, причем знак ТК может быть как положительным, так и отрицательным (например, константан может иметь любое значение в пределах 30.10-6 К-1). Это свойство позволяет для многих материалов (например, для стали, алюми-

ния и др.) изготавливать термокомпенсированные тензорезисторы, которые существенно уменьшают температурную погрешность нуля до 0,015 %/К. Для полупроводников такая компенсация невозможна, например, для кремниевого преобразователя, наклеенного на сталь, она достигает 1,6 %/К [15].

Для компенсации этой погрешности часто применяют второй тензодатчик, который может быть расположен так, чтобы подвергаться тем же самым (тепловым) воздействиям, но не испытывать никаких деформаций (так называемый пассивный датчик, см. рис. 4.13а), либо он может, находясь в тех же самых тепловых условиях, испытывать деформацию (рис. 4.13б). Датчики включены в мост (рис. 4.13в).

Таким образом, влияние большинства мешающих воздействий может быть значительно уменьшено.

Температурная погрешность чувствительности зависит от материала тензорезистора и лежит в очень широких пределах: от тысячных долей процента на градус Кельвина для проводниковых тензорезисторов и до сотых долей – для полупроводниковых.

В основном тензорезисторы являются преобразователями разового действия, так как они наклеиваются на деталь и не могут быть сняты без поврежде-

~116 ~

Физические основы полученияинформации

ния. Поэтому на практике градуировке подвергают определенное число тензорезисторов из партии. Полученные цифры средних значений R0 и К принимаются для всех преобразователей данной партии. В этом случае погрешность градуировки может быть 1–5 %. При индивидуальной градуировке непосредственно рабочего преобразователя эта погрешность может быть уменьшена до десятых долей процента.

Погрешность линейности определяется зависимостью деформационного потенциала и коэффициента тензочувствительности полупроводниковых тензорезисторов от приложенных механических напряжений. Погрешность линейности может достигать единиц процентов.

Для наклеиваемых тензорезисторов нарушение технологии может привести к существенным погрешностям. Характеристики отвердевшего клея и основы датчика вызывают эффекты ползучести. Ползучесть – явление изменения сопротивления тензорезистора при l 0 = const во времени. При более высоких температурах этот эффект выражен более сильно. Значение погрешности, обусловленной ползучестью, составляет 0,05–0,2 %.

Рабочий температурный диапазон тензорезисторов определяется прежде всего клеями и ограничен температурой 350–600 0С при статических деформациях и 600–800 0С (при специальных методах крепления до 1000 0С) при динамических деформациях.

Тензорезистивные преобразователи применяются в устройствах, измеряющих статические и динамические деформации. Большинство проволочных, фольговых и пленочных металлических тензорезисторов применяются для измерения относительных статических деформаций l = (0,005–1,5–2 %). Следует отметить, что пленочные тензорезисторы из некоторых металлических сплавов, например из титаноалюминиевых, позволяют измерять статические деформации до 12 %. Проволочные ненаклеиваемые (свободные) тензорезисторы также позволяют измерять деформацию до 5–10 %. Проводниковые жидкостные (эластичные) тензорезисторы позволяют измерять большие деформации материа-

лов (до 30–50 %).

Полупроводниковые тензорезисторы позволяют измерять статические деформации до 0,1–0,2 %.

При измерении динамических деформаций частотный диапазон определяется соотношением между длиной волны и базой L тензорезистора, вследствие чего должно выполняться отношение L/ 0,1. Величина максимальной деформации для проволочных тензорезистивных датчиков обычно не должна превышать 0,1 %, а для полупроводниковых – 0,02 %.

Тензорезистивные ИП применяются для измерения деформации, а также других величин, преобразуемых в деформацию: механических сил, давлений, ускорений и др.

~117 ~

Физические основы полученияинформации

4.4.4. Фоторезистивные ПИП

При освещении полупроводника изменяется концентрация носителей заряда, что приводит к изменению сопротивления или проводимости полупроводника. Фоторезистивный эффект можно описать величиной световой проводимости γСВ [25]:

где μn и μP – подвижности электронов и дырок; n и р – избыточная концентрация электронов и дырок , создаваемая оптическим излучением.

Проводимость γ0, обусловленную равновесными носителями заряда, называют темновой. Полная проводимость может быть представлена в виде суммы темновой и световой проводимостей:

Явление увеличения электропроводности полупроводников под воздействием электромагнитного излучения называется фотопроводимостью.

Следует отметить, что при освещении полупроводника возможно также увеличение сопротивления. Это объясняется возрастанием скорости рекомбинации в объеме, куда диффундируют неосновные носители заряда, что приводит к уменьшению концентрации основных носителей заряда и, следовательно, к росту сопротивления.

Фотопроводимость зависит также и от длины волны излучения, спектральная кривая внутреннего фотоэффекта проходит через максимум и быстро уменьшается. Спектральная зависимость фотопроводимости в основном определяется спектральной зависимостью скорости генерации. Причем скорость генерации из-за сильного поглощения света резко уменьшается по мере прохождения света в глубь вещества. Отсюда следует, что фотопроводимость должна зависеть от геометрических размеров образца.

Фоточувствительность SФ вещества определяется как отношение световой проводимости к интенсивности света J [25]:

Фоторезистивный эффект используется для создания фотоэлектрических приборов – фоторезистивных преобразователей, позволяющих преобразовывать энергию излучения в электрическую энергию.

~118 ~

Физические основы полученияинформации

Позиционно-чувствительные преобразователи широко используются для измерения перемещения. В этом случае при перемещении светового пятна вдоль электродов 2 и 3 изменяется сопротивление как между выводами А и B, так и между выводами А - С и В - С.

Основные характеристики фоторезистивных ПИП

К характеристикам фоторезистивных ИП относятся: функция (уравнение) преобразования; темновое сопротивление; кратность изменения сопротивления (кратность); монохроматическая чувствительность; спектральная характеристика; световая характеристика; вольт-амперная характеристика; постоянная времени и др. [15].

Уравнение преобразования может быть представлено выражением [19]

где А – коэффициент, зависящий от свойств материала и конструкции фоторезистора; n = 0,5–1,0 (n = 1 при малых освещенностях, n = 0,5 при больших освещенностях).

Чувствительность фоторезистивных ИП зависит от значения интенсивности излучения и может быть найдена как

Порог чувствительности – это минимальное значение потока излучения, который вызывает на выходе фоторезистора сигнал, в заданное число раз пре-

вышающий уровень шума. Порог чувствительности может составлять значение от 10-10 до 10-8 лм.

Монохроматическая чувствительность S – это отношение приращения фототока I к изменению плотности монохроматического потока P с длиной волны : S = I/ P , А/Вт (чувствительность: 10-1 … 102 А/Вт). Спектральная область составляет 0,3…30 мкм.

Спектральная характеристика S – зависимость монохроматической чувствительности от длины волны S = f( ).

При работе в видимой части спектра оптического излучения используется

интегральная световая чувствительность – отношение приращения фототока

ΔI к изменению Ф светового потока: SФ = I/ Ф, А/лм.

Различают чувствительность по току и чувствительность по напряжению, в зависимости от схемы включения фоторезистора.

Вольт-амперная характеристика определяет зависимость фототока от напряжения питания, приложенного к фоторезистору при постоянном значении светового потока.

~120 ~