58

Глава 1. Принципы преобразования в датчиках

1.1. Резистивные преобразователи

Резистивными являются преобразователи, в которых измеряемая физическая величина преобразуется в изменение активного сопротивления чувствительного элемента датчика. Особая привлекательность такого принципа состоит в том, что активное сопротивление относится к числу электрических параметров, измеряемых с высокой точностью, а сами операции преобразования при измерении активного сопротивления просты, немногочисленны и надежны.

Рассмотрим наиболее важные виды резистивного преобразования, нашедшие массовое применение в датчиках.

1. Терморезистивные преобразователи

Принцип терморезистивного преобразования основан на температурной зависимости активного сопротивления металлов, сплавов и полупроводников, обладающей высокой воспроизводимостью и достаточной стабильностью по отношению к разнообразным дестабилизирующим факторам.

Температурную чувствительность термометрического материала принято характеризовать температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Типичные случаи поведения термометрической зависимости представлены на рис. 1.1 (W = R/R₀). Как легко заметить, металлы 1 обладают положительным, но малым ТКС, полупроводниковые материалы (термисторы) 2 – отрицательным ТКС, примерно на порядок больше, чем у металлов, а полупроводниковые сегнетоэлектрические керамики (позисторы) 3 – положительным ТКС и тоже значительным.

1.1.1.1. Металлические терморезистивные преобразователи. В ряду металлических материалов, используемых в термометрии, несомненно, первое место принадлежит платине Pt, которая широко используется в рабочих, образцовых и эталонных термометрах. Диапазон использования платины –269…+1100 ^оС. Термометрическая платина для рабочих термометров характеризуется ТКС, который равен 1,391+ 0,001.

Наиболее широко в рабочих термометрах используется платиновая проволока диаметром 0,05 мм при бифилярной намотке чувствительного элемента.

Второе место по распространенности применения в качестве термометрического материала в рабочих термометрах занимает медь. Диапазон ее применения ограничивается областью +200 ^оС (при защитных покрытиях – до 300 ^оС). В диапазоне –50…+200 ^оС медь имеет почти линейную температурную зависимость.

К числу недостатков меди относится ее малое удельное сопротивление  = 0,017 Ом·м, что сказывается на размерах чувствительного элемента.

Значительно реже платины и меди в термометрии используется никель. К его достоинствам относят высокие ТКС (W₁₀₀ = 1,64) и удельное сопротивление  = 0,072 Ом·м. Однако никель имеет значительно меньшую воспроизводимость.

Проволочные чувствительные элементы являются превалирующими в практической термометрии. Однако с ними успешно конкурируют термометры в металлопленочном исполнении [1–3]. Такие термометры изготавливаются на различных подложках – из ситалла, сапфира, поликора методом вакуумного напыления. Такие термометры имеют особую перспективу при массовом производстве. Бóльшая часть операций по их изготовлению и подгонке номинала сопротивления практически полностью автоматизирована.

В металлопленочном исполнении чувствительные элементы характеризуются несколько меньшим ТКС по сравнению с проволочным (до 10 %). В металлопленочном исполнении возможно эффективное применение материалов, не традиционных для термометрии. Так для области температур 4,2 – 25 К известно использование марганцевого пленочного термометра [4], имеющего линейную функцию преобразования в этой области и высокую воспроизводимость (не хуже 0,01 К).

1.1.1.2. Полупроводниковые терморезистивные преобразователи. Полупроводниковые терморезистивные преобразователи отличаются значительно большей чувствительностью (на порядок и более), чем металлические. В области, близкой к абсолютному нулю, используются германиевые и кремниевые термометры и диоды из арсенида галлия [5–7], имеющие отрицательный ТКС. При этом с падением температуры растет их чувствительность. В чистом виде германий и кремний используются при температуре выше 20 К. Ниже 20 К измерения проводятся легированным германием (мышьяком, сурьмой, индием и др.). Степень легирования определяет ТКС и позволяет приблизить измеряемые температуры к абсолютному нулю. Такие термометры обладают высокой воспроизводимостью и используются не только как рабочие, но и для воспроизводства шкалы температур вплоть до абсолютного нуля.

К этой же группе условно могут быть отнесены угольные термометры, которые по характеру проводимости занимают промежуточные положения между металлами и полупроводниками, но обладают высоким отрицательным ТКС и нашли широкое применение в криогенной термометрии. Углерод наносится на керамический цилиндр, имеет защитное покрытие, выводы выполняются в виде “чашечек”, как в радиотехнических резисторах [8]. Обширную группу полупроводниковых терморезисторов составляют так называемые термисторы. Термисторы имеют в своей основе сложные порошкообразные составы кобальто–марганцевых (КМТ, СТ1, ПТ), медно–марганцевых (МКМТ, СТ3), никеле–кобальто–марганцевых (СТ4) оксидных полупроводников. Используются также составы на основе титаната бария, легированного по массе 0,1 % германия (СТ5) и др. С целью идентификации термисторов в партиях в их состав добавляются стабилизирующие вещества – окислы никеля, магния, углерода. При помощи пластичного связующего смеси формируются прессованием, затем опрессованные заготовки спекаются с выводами и покрываются защитным покрытием.

В приложении 5 приведены конструктивные исполнения стержневых, бусинковых, дисковых, пластинчатых и трубчатых терморезисторов.

Т

(1.1)

емпературная зависимость сопротивления терморезисторов описывается соотношением вида

где А, В – постоянные коэффициенты (в узком температурном интервале).

Коэффициент температурной чувствительности

(1.2)

Воспроизводимость хорошо стабилизированных терморезисторов в диапазоне –50…+200 ^оС не лучше +0,2 ^оС. Высокая нелинейность затрудняет использование терморезисторов. Оно целесообразно там, где реализуются их преимущества – в узких температурных интервалах, где главным достоинством является их высокая чувствительность при сравнительно небольшой линейности.

Позисторы – полупроводниковые терморезисторы с положительным ТКС. Чувствительные элементы позисторов имеют в своей основе сегнетоэлектрические керамики из титанатов, цирконатов и других солей свинца, бария, мышьяка и др. Их ТКС может превышать 10 %/⁰С. Позисторы – экзотические резисторы, область применения которых ограничивается весьма узкими интервалами, где нужна высокая чувствительность измерения. Зависимость сопротивления различных позисторов представлена на рис. 1.2.

В

(1.3)

диапазоне измеряемой температуры температурная зависимость сопротивления позистора имеет вид

Таким образом, общий температурный диапазон всей совокупности терморезисторов –273…+1100 ^oС (+1300 ^oС кратковременно). Платиновые терморезисторы предназначаются для прецизионных измерений в особенности в криогенной области и для всех остальных измерений в указанном диапазоне.

Медь используется в диапазоне до +300 ^oС. Ее следует применять везде, где она может заменить платину.

Полупроводниковые терморезисторы имеют общий диапазон использования –269…+200 ^oС, однако их применение всегда предполагает использование их для узкодиапазонных измерений, где может быть реализовано их главное преимущество – высокая чувствительность и сведен к минимуму главный недостаток – высокая нелинейность.

1.1.2. Тензо– и пьезорезистивные преобразователи

Тензо– и пьезорезистивный эффекты возникают в металлических и полупроводниковых резисторах под влиянием механических деформаций [9]. В общем случае резистор меняет свое электрическое сопротивление R под воздействием приложенного механического напряжения вследствие изменения длины, удельного сопротивления и поперечного сечения

(1.4)

где  – относительная деформация;  – удельное сопротивление; S – поперечное сечение образца.

Х

(1.5)

(1.6)

(1.7)

арактеристики образца можно считать связанными с величиной относительной деформации соотношениями

где индекс 0 характеризует параметры ненагруженного образца;  – пьезорезистивный коэффициент;  – коэффициент Пуассона.

П

(1.8)

ри малых относительных деформациях, пренебрегая членами второго порядка малости и принимая R₀ = ₀l₀ /S₀ , имеем

R/R = (1 + 2 + ) =K,

где R = R – R₀; K – коэффициент тензочувствительности образца.

Поскольку у металлов коэффициент Пуассона примерно равен 0,3, а вклад изменения удельного сопротивления под влиянием деформации не более 20 , то коэффициент тензочувствительности для металлических тензодатчиков К~2. Характеристики сплавов, наиболее часто используемых в тензометрии, приведены в табл.1.1

Таблица 1.1

Параметры	Значения параметров для сплавов
	Константан 60Cu+ 40Ni	Манганин 84Cu+ 12Mn+4Ni	Нихром 80Ni+20Cr
Коэффициент тензочувствительности К	1,9–2,1	0,5	2,1–2,3
Удельное сопротивление , Ом·м	0,46–0,52	0,4–0,45	0,9–1,7
Температурный коэффициент сопротивления 106, град-1	30 (до 100С)	10	150–170

Металлические тензорезисторы реализуются в виде проволочных либо пленочных элементов, располагаемых на деформируемой поверхности вдоль исследуемого направления усилия. В полупроводниковых тензорезисторах, где пьезорезистивный эффект является превалирующим, изменение сопротивления почти на 98  обусловлено изменением удельного сопротивления под влиянием механической деформации. В связи с этим коэффициент тензочувствительности для полупроводников составляет 100 и более единиц.

Полупроводниковая тензометрия главным образом ориентирована на применение кремниевых тензорезисторов. Она довольно быстро прошла через использование автономных наклеиваемых тензорезисторов, и в настоящее время господствующим направлением полупроводниковой тензометрии является интегральная, где пьезорезисторы составляют единое целое с упругим чувствительным элементом (УЭ). Упругие элементы чаще всего изготавливаются из монокристаллического кремния n-типа с ориентацией [001]. Упругие чувствительные элементы, как известно, выполняются в виде балочек или мембран круглой или прямоугольной (квадратной) формы, однородных по толщине или профилированного сечения.

В зависимости от расположения интегрального тензорезистора на упругом чувствительном элементе, его формы, типа проводимости, ориентации можно в достаточно широких пределах управлять чувствительностью тензорезисторов.

В общем случае относительное изменение сопротивления полупроводникового тензорезистора



(1.9)

R/ R = ₁₁₁ + ₁₂₂+ ₁₆ ,

где ₁₁, ₁₂ , ₁₆ – соответственно продольный, поперечный и сдвиговой пьезорезистивные коэффициенты; ₁ , ₂ ,  – продольное, поперечное, касательное напряжение.

Д

(1.10)

ля тензорезисторов p-типа проводимости главный пьезорезистивный коэффициент –₄₄. При расположении тензорезисторов р-типа в плоскости [001] вдоль кристаллографических осей [100] и [010] продольный и поперечный пьезорезистивные коэффициенты выражаются через главный пьезорезистивный коэффициент

₁₁ = 0,25₄₄; ₁₂ = – 0,25 ₄₄ .