Зависимость коэффициента тензочувствительности (к) n- и p-кремния от кристаллографической ориентации и удельного сопротивления.

Рисунок 2.1

По сравнению с металлическими тензорезисторами аналогичные полупроводниковые приборы имеют один недостаток; значительную погрешность линейности, которую можно компенсировать использованием зависимости К от деформации или последующими преобразованиями сигнала. Кроме того, следует указать на большую и сильно нелинейную зависимость сопротивления ненапряженного тензорезистора и коэффициента тензочувствительности от температуры. Поэтому датчики силы с полупроводниковыми тензорезисторами имеют большие погрешности, чем датчики с металлическими тензорезисторами прн равных затратах на изготовление. Однако в этой области следует ожидать улучшений в результате совершенствования технологии, тем более, что есть сообщения о сильном снижении температурных эффектов в результате облучения полупроводниковых тензорезисторов.

Полупроводниковые пленки также можно изготовлять методом напыления. Но эти поликристаллические структуры имеют существенно меньшие значения К, чем монокристаллические. Так как по своим особенностям они аналогичны металлическим напылённым тензорезисторам, то в этой области следует ожидать дальнейших интенсивных исследований. Значение полупроводниковых тензорезисторов, в которых используется эффект не в объеме, а в пограничных слоях, пока еще трудно оценить. Следует упомянуть только о гетеропереходных диодах на полимерной подложке, для которых достижим коэффициент тензочувствительности порядка 1000.

По своему конструктивному исполнению тензорезисторы делятся на следующие группы:

• Чувствительные элементы в виде натянутой тензопроволочки

Благодаря относительной простоте конструкции они являются наиболее применяемыми и технически разработанными. При более точном рассмотрении их следует признать элементами, измеряющими не деформацию, а путь.

• Намотанные тензорезисторы.

Тензопроволока наматывается с предварительным натягом в диапазоне деформаций упругого элемента. Эта конструкция применяется преимущественно с формоизменяемыми упругими элементами . Преимущество состоит в большой длине тензопроволоки, что обеспечивает большое сопротивление моста и очень хорошую передачу тепла упругому элементу. Поэтому напряжение питания моста можно поднимать до 200 В и получать выходное напряжение до 400 мВ.

• Проволочные тензорезисторы.

В настоящее время важнейшие тензочувствительные элементы делаются преимущественно из константановой проволоки (диаметром в большинстве случаев около 0,02 мм), которая вклеена (например, с помощью фенольной смолы) между двумя подложками (например, из специальной бумаги). Благодаря изменению размеров витков проволоки можно изготавливать тензорезисторы с различными номинальными сопротивлениями. (Диапазон этих сопротивлений составляет примерно 100 — 1000 Ом.) Кроме того, возможна подгонка тензорезистора к упругому элементу с учетом его формы.

• Фольеовые тензорезисторы.

Они также изготавливаются преимущественно из константана. В большинстве случаев тензорешетку выполняют фотохимическим способом (вытравленные тензорезисторы). После того как были преодолены начальные технологические трудности, фольговые тензорезисторы стали все больше и больше вытеснять проволочные, по сравнению с которыми они имеют следующие преимущества:

• очень малую общую толщину (например, 25 мкм) и поэтому хорошее прилегание к объекту измерения,

• большой ток питания благодаря большой поверхности проводника и малой толщине подложки,

• существенно большие возможности изменения формы тензорешетки.

Именно благодаря последнему преимуществу фольговые тензорезисторы применяются прежде всего в современных конструкциях датчиков силы (например, со сдвиговыми упругими элементами), которые во многих случаях могут быть выполнены технически только благодаря этим тензорезисторам.

• Металлические тонкопленочные тензорезисторы.

Они являются перспективными, так как все чувствительные элементы упругого элемента могут изготавливаться в ходе одной технологической операции, что обеспечивает высокую степень идентичности их свойств. Но технологические проблемы здесь еще не полностью решены. Это относится как к изготовлению стабильного тензочувствительного слоя, так и к изготовлению изоляционного слоя на электропроводном упругом элементе.

• Полупроводниковые тензорезисторы.

Имеется большое число таких тензорезисторов различных размеров и различной концентрации легирующей примеси. Для изготовления их тензочувствительных элементов известны различные способы (например, почти чисто механическое изготовление из монокристалла резкой, сошлифовыванием или травлением). Для универсального применения в датчиках силы предпочтительны гибкие, т. е. максимально тонкие, тензорезисторы.

• Диффузионные тензорезисторы.

Они представляют собой тензочувствительные области, созданные в кремниевом элементе (обычно большого удельного сопротивления) путем внесения примесей диффузионным способом. Изоляция диффузионного чувствительного слоя от остальной части этого элемента осуществляется благодаря р — n-переходу, смещенному в обратном направлении приложенным напряжением, или же двуокисью кремния. Подобный способ целесообразен только тогда, когда кремниевый элемент может одновременно служить в качестве упругого элемента. Это ограничивает области его применения (например, в качестве мембран миниатюрных датчиков давления). Его преимуществом является совершенно одинаковое изготовление всех чувствительных элементов упругого элемента.

• Авто- и гетероэпитаксиальные тензорезисторы.

Их изготовляют эпитаксиальным наращиванием кремния, легированного соответствующим образом, на монокристаллическом упругом элементе. Особенно сложна технология изготовления гетероэпитаксиальных тензорезисторов, упругий элемент которых выполнен из другого материала (из сапфира). Однако возникающие благодаря этому варианты сочетаний различных материалов открывают возможности получения новых своеобразных конструкций и свойств.

Диффузионные, авто- и гетероэпитаксиальные тензорезисторы называются интегральными тензорезисторами.