Тензометрические измерительные преобразователи

Тензоэффект, положенный в основу работы тензорезисторов, заключается в изменении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации.

Если проволоку подвергнуть механическому воздействию, например, растяжению, то сопротивление ее изменится. Относительное изменение сопротивления проволоки

ΔR/R = S •Δl/l ,

где S — коэффициент тензочувствительности;

Δl/l — относительная деформация проволоки.

Изменение сопротивления проволоки при механическом воздействии на нее объясняется изменением геометрических размеров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала.

Тензочувствительные проволочные преобразователи представляют собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к подложке проволоку. Преобразователь устанавливают таким образом, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с продольной осью проволочной решетки. В качестве материала для преобразователя обычно используют константановую проволоку (у константана — малый температурный коэффициент сопротивления) и для подложки — тонкую бумагу (0,03…0,05 мм) и пленку лака либо клея (БФ-2, БФ-4, бакелитовый и др.).

Распространение также получили фольговые преобразователи, у которых вместо проволоки используется фольга, и пленочные тензорезисторы, получаемые путем возгонки тензочувствительного материала с последующим осаждением его на подложку.

Достоинства тензорезисторов: линейность статической характеристики преобразования, простота конструкции и малые габариты. Основной недостаток — низкая чувствительность.

В тех случаях, когда требуется высокая чувствительность, находят применение полупроводниковые тензочувствительные преобразователи (поликристаллические из порошкообразного полупроводника и монокристаллические из кристалла кремния). Поскольку чувствительность полупроводниковых тензорезисторов в десятки раз выше, чем у металлических, и, кроме того, интегральная технология позволяет в одном кристалле кремния формировать одновременно как тензорезисторы, так и микроэлектронный блок обработки, то в последние годы получили преимущественное развитие интегральные полупроводниковые тензочувствительные преобразователи. Такие элементы реализуются либо по технологии диффузионных резисторов с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки p-n-переходами — технология «кремний на кремнии», либо по гетероэпитаксиальной технологии «кремний на диэлектрике» на стеклокерамике, кварце или сапфире. Особенно широкое применение в изготовлении измерительных преобразователей давления в силу своих высоких механических, изолирующих и теплоустойчивых качеств получила технология КНС — «кремний на сапфире» (в частности, распространение получили датчики серии «Сапфир-22М» и «Метран-22» российского производства).

На рис.13.4,а показана сапфировая мембрана 3 с расположенными на ней однополосковыми тензорезисторами p-типа с положительной 1 и отрицательной 2 чувствительностями. Положительной чувствительностью обладает тензорезистор, у которого отношение ΔR/R>0, если же ΔR/R<0 — чувствительность отрицательна.

Рис. 13.4. Конструкция полупроводникового тензорезистора

Структура однополоскового тензорезистора приведена на рис.13.4,б. Здесь: 1 — тензорезистор; 2 — защитное покрытие; 3 — металлизированные токоведущие дорожки; 4 — упругий элемент преобразователя (сапфировая мембрана). Тензорезисторы можно располагать на мембране так, что при деформации они будут иметь разные по знаку приращения сопротивления. Это позволяет создавать мостовые схемы, в каждое из плеч которого включаются тензорезисторы с соответствующим значением ΔR/R и даже термокомпенсационные элементы.