5.2. Полупроводниковые тензорезисторы

Тензоэффект – это эффект изменения проводимости под действием механических напряжений. В качестве тензорезистора используются металлы и полупроводники. В металлах тензоэффект связан с изменением размеров металлического проводника, а в полупроводниках в основном за счет изменения удельной проводимости под действием механических напряжений. Изменение проводимости объясняется тем, что при деформации меняется расстояние между атомами кристаллической решетки, что меняет концентрацию свободных электронов и проводимость полупроводника.

Основным достоинством полупроводниковых тензодатчиков является большой коэффициент тензочувствительности. Если для металла этот коэффициент составляет порядка 1,5 единиц, то для полупроводника в десятки раз больше. Другим важным достоинством полупроводниковых тензодатчиков является их несравнимо меньшие габариты, что позволяет разместить этот датчик на малых площадях деталей, в которых необходимо измерять механические напряжения. К недостаткам следует отнести зависимость сопротивления датчика от температуры, поэтому требуется обязательная температурная компенсация таких датчиков.

При измерении механических напряжений танзодатчик обычно включается в схему уравновешенного моста (рис. 5.5).

5.3. Полупроводниковые датчики с гальваномагнитным эффектом

Гальваномагнитный эффект – это явление, происходящее в полупроводнике при одновременном действии на него электрического и магнитного полей. При таком воздействии на гранях кристалла образуется ЭДС, пропорциональная произведению индукции (В) и тока (I ). Такой эффект получил название эффекта Холла, а датчик, использующий данных эффект, – датчик Холла. Рассмотрим, в чем заключается суть этого эффекта. Для этого возьмем кристалл полупроводника n-типа и поместим его в магнитное и электрическое поля, которые перпендикулярны друг другу (рис. 5.6). Пусть электрическое поле действует по оси z, а магнитное – по оси y. Тогда под действием электрического поля электроны начнут двигаться внутри кристалла по направлению оси z, а за счет Лоренцовой силы отклонятся в направлении, перпендикулярном направлению напряженности магнитного поля (Н), т.е. по оси х. Таким образом, на одной грани (например, А) будет накапливаться отрицательный заряд, а на другой грани В – положительные ионы донорной примеси. Этот процесс накопления будет происходить до тех пор, пока электрическое поле, которое возникает между гранями А и В не создаст силу, которая скомпенсирует силу Лоренца. При этом устанавливается постоянная ЭДС Холла на гранях А и В, которая находится следующим образом [3]

,

где – постоянный коэффициент; R – коэффициент Холла; ₀ – магнитная проницаемость полупроводника; I – ток в направлении оси z; В – индукция, вызванная магнитным полем; b – толщина пластинки в направлении магнитного поля.

Датчики Холла нашли широкое применение для измерения электромагнитных моментов, двигателей постоянного тока, измерения активной мощности в цепях переменного тока, как множительные элементы и квадраторы в различных регуляторах и т.д.