2.2. Конструкции тензодатчиков и их параметры

Наиболее распространены резисторные датчики. Тен­зорезистор конструктивно представляет собой чувствитель­ный элемент из тензочувствительного материала , закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали. Для присоединения чувстви­тельного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный сверху тензорезистора. По материалу тензорезисторы делятся на металлические и полупроводниковые.

2.2.1. Конструкции металлических датчиков

Для металлических тензорезисторов обычно используются сплавы на основе Ni – таблице.

По конструкции металлические датчики делятся на проволочные, фольговые и пленочные – рис. 2.3. В проволочных датчиках диаметр проволоки составляет 20 мкм, толщина подложки 30 мкм для пластика (полиимида или эпоксида) и 100 мкм для бумаги, По способу намотки датчики делятся на спиральные и плоские. Датчики из фольги (толщиной 4 – 12 мкм) изготавливают по технологии печатных плат; пленочные – путем термического вакуумного напыления, они имеют толщину менее 1 мкм. Отечественной промышленностью выпускаются различные типы проволочных тензорезисторов (из константановой, нихромой и других проволок), фольговые датчики (из константана, никель-молибденового сплава).

Характеристики сплавов для металлических датчиков

Сплав	Состав	Кт
Константан Изоэластик Карма Нихром Платина-вольфрам	45 %Ni,55 % Cu 52 % Fe,36 % Ni,8 % Cr, 4 % (Mn+Mo) 74 % Ni, 20 % Cr, 3 % Cu, 3 % Fe 80 % Ni, 20 % Cr 92 % Pt, 8 % W	2,1 3,5 2,1 2,5 4,1

Рис. 2.3. Металлические тензорезистивные датчики:

а – проволочные; б – фольговые

2.2.2. Конструкции полупроводниковых датчиков

В тензометрии используются полупроводниковые материалы с концентрацией основных носителей 10¹⁸ – 10¹⁹ см^-3.

В зависимости от технологии изготовления различают два вида полупроводниковых датчиков: вырезанные из монокристалла и диффузионные

Вырезанные датчики образуются полоской, вырезанной механически или фотохимически из монокристалла легированного кремния, с нанесенными контактами и присоединением выводов. Полоска вырезается вдоль направления [111] для кремния p-типа и вдоль [100] для n-типа. Длина полоски от 0,1 мм до нескольких миллиметров, толщина ^-2 мм. Полоска наклеивается на пластиковую подложку.

Более простую технологию изготовления имеют тензорезисторы из нитевидных кристаллов, выращенных из газовой фазы: исключается механическая обработка, так как размеры и форма нитевидных кристаллов удовлетворяют всем требованиям тензорезисторов (длина 1 – 3 мм, диаметр 20 – 30 мкм), направление оси роста [111] совпадает с направлением максимальной тензочувствительности для p-Si, высокое структурное совершенство позволяет выдерживать большие упругие деформации (до 1 %).

Другой метод изготовления тензорезисторов основан на создании р–п перехода путем диффузии примесей в пластину полупроводника. В результате на кристалле полупроводника получается тензочувствительный диффузионный слой, отделенный электрически от основного кристалла р–п переходом (рис. 2.4). С помощью такого метода можно создавать как отдельные, так и сдвоенные тензорезисторы, изолированные друг от дру­га прослойкой высокоомного кремния с р–п переходами и удобные для использования в мостовых схемах. Такой способ позволяет одновременной диффузией четырех одинаковых резисторов на одной подложке получить полный мост (после соединения их металлизацией). В этом случае Si-подложка может служить промежуточным преобразователем, например, диафрагмой в датчиках давления. Большую надежность и стабильность имеют интегральные датчики со структурой кремний на сапфире (КНС). Интегральные полупроводниковые тензорезисторы, созданные планарной технологией, выращиваются непосредственно на упругом элементе (кремнии или сапфире).Это исключает погрешности, связанные с передачей деформации от упругого элемента к тензорезистору, а также позволяет создать термокомпенсирующие элементы. Интегральные тензорезисторы могут быть включены в состав интегральной схемы и служить для измерения механических напряжения при ее создании и эксплуатации.

Отечественной промышленностью выпускаются полупроводниковые тензорезисторы на основе монокристаллического кремния n- и p-типа проводимости, например, КМ1-5 (p-Si, ρ = 0,02 Ом·см); КМЭ1-5 (n-Si, ρ = 0,02 Ом·см) – оба типа стержневой формы с длиной нити 5 мм.

Рис. 2.4. Структура тензорезистивного диффузионного

датчика: 1 – подложка; 2 – металлические выводы;

3 – p-n переход; 4 – тензорезистивная область