4.4.3. Тензорезистивные датчики

Принцип действия тензорезистивных ПИП основан на тензорезистивном эффекте, который заключается в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их деформации (см. п. 3.1.1). Изменение сопротивления может быть определено по формуле (3.5).

Удельное сопротивление большинства металлов мало зависит от деформации (коэффициент α_ε очень мал), коэффициент Пуассона для металлов  0,24–0,4, поэтому изменение сопротивления для большинства проводников обусловлено в основном изменением их размеров.

При деформации полупроводниковых материалов происходит изменение структуры энергетических зон, что приводит к изменению концентрации носителей заряда, их эффективной массы, перераспределению их между энергетическими максимумами в зоне проводимости и минимумами в валентной зоне и соответственно к изменению удельного сопротивления. Например, для полупроводника с примесями удельное сопротивление ρ = m/(n^.q^2.τ), где n – концентрация примеси; q – заряд; m – эффективная масса; τ – среднее время жизни носителей заряда. Деформационный коэффициент α_ε для полупроводников может достигать 200 и более, т. е. α_ε >> 1 + 2μ, и изменение сопротивления полупроводникового образца при его деформации обусловлено большим деформационным коэффициентом.

Тензорезистивный эффект проявляется на телах различной геометрической формы и существенно зависит от вида деформации и температуры. На этом эффекте основана работа тензорезистивных ПИП (тензодатчиков).

При небольших изменениях сопротивления металлических тензорезисторов, не превышающих 2 % (что справедливо для большинства случаев), уравнение преобразования проводникового тензодатчика может быть записано в виде [20]

. (4.34)

Материалы чувствительных элементов тензодатчиков 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 чувствительных элементов используются проводниковые и полупроводниковые материалы. Характеристики некоторых материалов приведены в табл. 3.1.

Классификация и конструкции тензорезистивных ПИП

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

К твердотельным тензодатчикам относятся: проволочные, фольговые, пленочные.

Проволочные тензодатчики выполняются наклеиваемыми и ненаклеиваемыми.

Наклеиваемый проволочный тензорезистивный преобразователь (рис. 4.11а) представляет собой решетку из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 1 диаметром 0,02–0,05 мм. наклеенной на основу 2 (полоска бумаги или пленка), к концам которой присоединяются медные выводы 3. Сверху преобразователь покрывают слоем лака [15].

Ненаклеиваемые (свободные) тензорезистивные ИП выполняются в виде одной или ряда проволок 1, закрепленных на концах между неподвижной 2 и подвижной 3 деталями и выполняющих роль упругого элемента (рис. 4.11б).

а б

Рис. 4.11 Рис. 4.12

Недостатком проволочных тензопреобразователей является то, что участки закругления воспринимают деформацию слабее (более жесткие), чем линейные участки, поэтому коэффициент тензочувствительности образца материала К_ПР  (0,7–0,96) К. Наличие протяженных участков закругления 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 из металлической фольги 1 толщиной 4–12 мкм (например, фольги из константана, золотосеребряных сплавов и др.), наклеенной на подложку 2. Необходимая конфигурация чувствительного элемента получается протравливанием определенных участков фольги. На рис. 4.12 показан один из вариантов выполнения чувствительного элемента тензорезистивного датчика.

У фольговых тензорезисторов поперечная чувствительность значительно меньше, чем у проволочных за счет расширения поперечных участков.

Пленочные тензорезистивные преобразователи 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 тензорезистивные ИП могут иметь толщину менее 1 мкм.

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

Жидкостные тензорезистивные преобразователи представляют собой резиновый капилляр с внутренним диаметром 0,1–0,5 мм, заполненный электролитом или ртутью. Они позволяют преобразовывать большие относительные деформации до 30–50 % .

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

Полупроводниковые тензопреобразователи изготавливают обычно из монокристалла полупроводника (германия, кремния) 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 градуировочной характеристики.

В настоящее время выпускаются интегральные полупроводниковые тензорезистивные датчики, 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 выращиваются несколько резисторов, соединенных в полу-мост 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).

Основные характеристики тензорезистивных ПИП

К характеристикам тензорезистивных преобразователей относятся: коэффициент тензочувствительности, измерительная база, начальное сопротивление, погрешности.

Коэффициент тензочувствительности К представляет собой отношение относительного изменения сопротивления R/R₀ тензопреобразователя к величине относительной деформации l/l.

Используя формулу (3.6), получим выражение для коэффициента тензочувствительности

K =_R/_l = (R/R)/(l/l) = 1 + 2 +_ε. (4.35)

Для большинства проводниковых твердотельных тензорезистивных датчиков можно считать, что K ≈ 1 + 2 и примерно равен 2.

Для получения хорошей тензочувствительности датчик должен иметь длинные продольные участки и короткие поперечные.

Для жидкостных тензорезисторов _ε = 0 (объем не изменяется в процессе деформации),  = 0,5, поэтому К_ЖИД = 2.

Для полупроводниковых тензорезистивных ИП К  _ε и тензочувствительность таких датчиков в 50–100 раз больше, чем металлических, причем знак К может быть как положительным, так и отрицательным.

Измерительная база Lопределяется как длина детали, занимаемая чувствительным элементом тензорезистивного преобразователя (см. рис. 4.11а).

Базы преобразователя лежат в пределах 1,0–100 мм. Наиболее часто используются проволочные преобразователи с базами 5–20 мм. Измерительная база фольговых преобразователей может составлять значение менее 1 мм. Полупроводнико­вые тензорезисторы имеют базу 2–12 мм.

Номинальное(начальное) сопротивлениеR₀– это сопротивление тензорезистивного преобразователя в отсутствие деформации.

Диапазон начальных сопротивлений тензодатчиков – десятки ом … несколько тысяч ом.

Погрешности тензорезистивных ПИП

Основными погрешностями являются: 1) температурная погрешность; 2) погрешность градуировки; 3) погрешность линейности; 4) погрешность, обусловленная ползучестью клея; 5) погрешность гистерезиса. Тензорезистивные преобразователи могут иметь погрешность 1 % и менее.

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

При наклеивании тензорезистора на деталь возникает погрешность, обусловленная неравенством температурных коэффициентов линейного расширения материала детали β_Ди материала чувствительного элемента β_Т. Если эти коэффициенты не равны, то при изменении температуры будет наблюдаться кажущаяся деформация. Температурный коэффициент сопротивления тензорезистора α_R, наклеенного на деталь [15]:

, (4.36)

где – температурный коэффициент материала тензорезистора.

Температурная погрешность нуля может быть найдена по формуле

. (4.37)

Для получения погрешности необходимо выполнить равенство

. (4.38)

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, она достигает 1,6 %/К [15].

Для компенсации этой погрешности часто применяют второй тензодатчик, который может быть расположен так, чтобы подвергаться тем же самым (тепловым) воздействиям, но не испытывать никаких деформаций (так называемый пассивный датчик, см. рис. 4.13а), либо он может, находясь в тех же самых тепловых условиях, испытывать деформацию (рис. 4.13б). Датчики включены в мост (рис. 4.13в).

а б в

Рис. 4.13

Таким образом, влияние большинства мешающих воздействий может быть значительно уменьшено.

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.

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. 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. 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.

Тензорезистивные преобразователи 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 %).

Полупроводниковые тензорезисторы позволяют измерять статические деформации до 0,1–0,2 %.

При измерении динамических деформаций частотный диапазон определяется соотношением между длиной волны  и базой L тензорезистора, вследствие чего должно выполняться отношение L/  0,1. Величина максимальной деформации для проволочных тензорезистивных датчиков обычно не должна превышать 0,1 %, а для полупроводниковых – 0,02 %.

Тензорезистивные ИП применяются для измерения деформации, а также других величин, преобразуемых в деформацию: механических сил, давлений, ускорений и др.