5.3.4. Тензорезистивные ип

Принцип действия тензорезистивных ИП основан на явлении тензоэффекта, который заключается в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их деформации (т. е. при изменении размеров).

Зависимость удельного сопротивления  материала тензорезистора от деформации _l выражается формулой

 = ₀(1+ _П_l), (5.13)

где ₀- удельное сопротивление при _l = 0; _П - деформационный коэффициент сопротивления определяемый как:

_П = _ /_l = (/)/(l/l). (5.14)

При линейной деформации образца квадратного или круглого сечения происходит изменение его размеров и в поперечном направлении, причем изменение длины связано с изменением поперечного размера и эта связь характеризуется коэффициентом Пуассона 

 = - _b/_l = - (b/b)/(l/l), (5.15)

где b - поперечный размер; _b - относительная поперечная деформация.

Изменение удельного сопротивления материала и размеров образца при деформации _l вызывает изменение его сопротивления, которое находится по формуле

R = R₀(1 + 2+ _П)_l, (5.16)

где R₀ - начальное сопротивление.

Одной из характеристик тензорезистивного ИП является коэффициент тензочувствительности К, который представляет собой отношение относительного изменения сопротивления R/R₀ тензопреобразователя к величине относительной деформации l/l. Используя (5.16) получим

K =_R/_l = (R/R)/(l/l) = 1 + 2 +_П. (5.17)

Для металлов коэффициент Пуассона  0,24  0,5, деформационный коэффициент _П  0,2-0,6 [12] и коэффициент тензочувствительности К  2.

Для жидкостей _п = 0 (объем не изменяется в процессе деформации),  = 0,5, поэтому К_ЖИД = 2.

Для проводниковых тензорезистивных ИП, так как (1 + 2) значительно больше, чем _П, можно считать, что К = (1 + 2) [10].

Для образцов из полупроводниковых материалов _П >> , поэтому К  _П и коэффициент тензочувствительности достигает значения 120 и более, причем знак К может быть как положительным, так и отрицательным. Тензочувствительность полупроводниковых тензодатчиков в 50-100 раз больше, чем у металлических.

Материалы тензорезистивных ИП и требования к ним

Материалы тензорезистивных ИП (тензопреобразователей) 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 используются проводниковые и полупроводниковые материалы. Характеристики некоторых наиболее часто применяемых твердых проводниковых и полупроводниковых материалов приведены в табл 5.1 [1].

Таблица 5.1

Материалы	К	ТКС, 110-6/K	, мкОмм	ТермоЭДС в паре с медью, мкВ/К
Манганин	0,47-0,5	10	0,40-0,45	+1… +2
Константан	1,9-2,1	50	0,46-0,5	-40
Нихром	2,1-2,3	22	0,9-1,7	+22
Никель	-12	6000	0,11	-22,6
Висмут	22	300	1,16	-
p - Ge	55	610-3	-	-
n - Si	-100	610-3	-	-
n - Ge	-100 (до -150)	-	-	-
p - Si	110 (до 170)	1,310-3	-	600

Классификация и конструкции тензорезистивных ИП

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

К твердотельным относятся: проволочные, фольговые, пленочные.

Проволочные бывают ненаклеиваемые и наклеиваемые.

Н енаклеиваемые (свободные) тензорезистивные ИП выполняются в виде одной или ряда проволок 1, закрепленных на концах между подвижной 2 и неподвижной 3 деталями и выполняющих роль упругого элемента (рис. 5.4 а). На рис. 5.4 б показано устройство наклеиваемого проволочного тензорезистора. На основу 1 (полоска бумаги или пленка) наклеивается решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 2 диаметром 0,02 - 0,05 мм, к концам которой присоединяются медные выводы 3. Сверху преобразователь покрывают слоем лака.

а) б) в)

Рис. 5.4

Недостатком проволочных тензопреобразователей является то, что участки скругления воспринимают деформацию слабее (более жесткие), чем линейные участки, поэтому коэффициент тензочувствительности образца материала К_ПР  (0,7  0,96)К. Наличие протяженных участков скругления 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 фотомеханическим способом. На заготовку из фольги толщиной 4  12 мкм (константан, золотосеребряные сплавы) на одну сторону наносится слой лака, а на другую - светочувствительный слой, на который проектируется рисунок чувствительного элемента тензорезистора. Затем этот рисунок проявляе,тся и закрепляется (покрывается кислотоупорным лаком). После травления остаются участки фольги, соответствующие рисунку (рис. 5.4 в). У фольговых тензорезисторов поперечная чувствительность значительно меньше за счет расширения поперечных участков.

Пленочные ИП 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 тензорезисторы имеют толщину меньше 1 мкм [10].

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

Жидкостные тензопреобразователи представляют собой резиновый капилляр с внутренним диаметром 0,1-0,5 мм, заполненный ртутью или электролитом.

Жидкостные тензопреобразователи позволяют преобразовывать большие относительные деформации до 30-50 % [13].

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

Полупроводниковые тензопреобразователи изготавливают обычно из германия или кремния, легированных до значений удельного сопротивления (210^-4  210^-3) Омм 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.

В настоящее время выпускаются интегральные полупроводниковые тензорезисторы, 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 выращивается 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) [10].

Основные характеристики тензорезисторов

К характеристикам тензорезистивных преобразователей относятся: коэффициент тензочувствительности, измерительная база, начальное сопротивление, погрешности. Параметры тензорезисторов общего назначения регламентирует ГОСТ 21616-91 "Тензорезисторы. Общие технические условия".

Измерительная база L определяется как длина детали, занимаемая преобразователем (см. рис 5.4 б).

Базы преобразователя лежат в пределах 1,0  100 мм, и начальные сопротивления от 10 до 1000 Ом. Наиболее часто используются проволочные преобразователи базами 5-20 мм и начальным сопротивлением 30-500 Ом. Уменьшение базы достигается применением специальных конструкций. Например, в двухслойных тензорезисторах база может составлять 1,5-3 мм. [10].

Измерительная база фольговых преобразователей может составлять 0,8 мм.

Полупроводниковые тензорезисторы имеют длину 2-12 мм и начальные сопротивление лежит в диапазоне 50-10000 Ом.

Погрешности тензорезистивных ИП

Погрешностями тензорезистивных ИП являются: температурная погрешность; погрешность градуировки; погрешность линейности; погрешность, обусловленная ползучестью клея.

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

Погрешность нуля наклеенного тензорезистора возникает в результате изменения его сопротивления, происходящего вследствие неравенства температурных коэффициентов линейного расширения материала тензорезистора и детали, на которую наклеен тензорезистор, и наличия ненулевого ТКС тензорезистора.

Погрешность чувствительности обусловлена зависимостью коэффициента тензочувствительности от температуры.

Температурная погрешность нуля описывается зависимостью

_lТ = [_R /К + (_Д - _ТР)] Т, (5.18)

где _R - температурный коэффициент сопротивления тензорезистора; _Д и _ТР - температурные коэффициенты линейного расширения материалов детали и тензорезистора.

Для получения погрешности _lТ = 0 необходимо выполнить равенство

_R /К = (_ТР - _Д). (5.19)

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, алюминия 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, эта достигает 1,6 %/К.

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 [10].

Температурная погрешность проводниковых тензорезисторов носит преобладающий аддитивный характер, и для ее уменьшения очень широко используются дифференциальный метод измерения. Для этого могут использоваться схемы с двумя или четырьмя тензорезисторами. Рассмотрим включение с двумя тензорезисторами. Рабочий тензорезистор R_Т1 наклеивают вдоль измеряемой деформации _l , а компенсирующий R_Т2 - поперек нее (рис. 5.5 а). Тензорезисторы включаются в смежные плечи моста (рис. 5.5 б) и R_Т1 = R_Т2.

R_T1

R_T2 R_T1

R_T2

F

U_M

R₃

_b _l

R₄

U_п

а) б)

Рис. 5.5

Температурные изменения сопротивления тензорезисторов R_Т1 и R_Т2 одинаковы по знаку и значению (одинаковый материал, находятся в одинаковых условиях) поэтому выходное напряжение моста

U_M  k(K_l_l - K_b_b), (5.20)

где K_l - коэффициент продольной тензочувствительности; K_b - коэффициент поперечной тензочувствительности; _l - продольная деформация; _b - поперечная деформация.

Таким образом, из уравнения (5.18) видно, что в идеальном случае температура не влияет на результат измерения.

В основном тензорезисторы являются преобразователями разового действия, так как они наклеиваются на деталь и не могут быть сняты без повреждения. 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 [10]. 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 [14]. 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.

Крепление тензорезистивных ИП

Для соединения тензорезисторов с объектом измерения может быть использовано несколько способов:

1. Приклеивание осуществляется с помощью бакелитофенольных клеев, лаков на основе органических смол и др. (при нормальных и повышенных температурах), при высоких температурах используются специальные цементы на основе жидкого стекла или полисилоксанов с различными наполнителями и др.

Применяются также цементы типа клея Котинского, которые позволяют многократное использование тензорезистивных ИП путем отклейки при нагревании детали. Клей Котинского - термопластичный материал, размягчающийся при температуре 140 ⁰С.

2. Соединение по полупроводниковой технологии:

а) диффузная технология - тензорезисторы образуются диффузией выбранной примеси в тонкий слой поверхности упругого элемента (балки мембраны), выполненной из монокристаллического Si с высоким , или противоположной проводимости для создания изолированного р-n перехода;

б) автоэпитаксиальная технология - тензорезистор образуется наращиванием монокристаллического слоя полупроводника, кристаллическая решетка которого является продолжением кристаллической решетки упругого элемента, выполненного из полупроводникового материала того же типа, что и наращиваемый слой. Изоляция тензорезистора от упругого элемента осуществляется р-n переходом;

в) гетероэпитаксиальная технология - тензорезистор образуется наращиванием монокристаллического слоя полупроводника на поверхности упругого элемента, выполненного из монокристаллического диэлектрика (сапфир). Здесь кристаллическая решетка тензорезистора является продолжением кристаллической решетки упругого элемента, но иной кристаллографической системы.

3. Вплавление: упругий элемент выполняется из кварца, а кремниевый нитевидный тензорезистор с платиновыми выводами вплавлен в поверхность упругого элемента низкотемпературной (Т_ПЛ = 300-350 ⁰С) свинцовистой стеклоэмалью. Достоинство - стабильная и малая ползучесть < 0,5%.

Области применения тензорезистивных ИП

Резистивные тензопреобразователи 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 материалов (до 30-50 %) [1].

Полупроводниковые тензорезисторы позволяют измерять статические деформации до 0,1-0,2 % [4].

При измерении динамических деформаций частотный диапазон определяется соотношением между длиной волны  и базой L тензорезистора, в следствие чего должно выполняться отношение L/  0,1. Величина максимальной деформации для проволочных тензорезисторов обычно не должна превышать 0,1 %, а для полупроводниковых - 0,02 % [6].

Тензорезисторы применяются также для измерения величин, преобразуемых в деформацию (рис 5. 6): а) механических сил; б) давлений; в) ускорений.

F

Р

балка

Тр а

Тр

m

стержень

Тр

инерц. масса

мембрана

10⁷ Н

а) б) в)

Рис 5.6