Конструкция тензорезисторов
Наряду с упругим элементом свойства тензорезисторов определяют качество тензорезисторных датчиков. Эти свойства зависят не только от самого тензорезистора, но и в существенной степени от качества их закрепления на упругом элементе, обычно от приклейки. Для обеспечения длительной стабильности характеристик требуется, конечно, тщательная защита мест приклеивания, прежде всего от воздействия влажности.
Приклеивания. Приклеиванием осуществляется тесная связь между тензорезисторами и упругими элементами при одновременном обеспечении достаточного сопротивления и высокой электрической: прочности изоляции между упругим элементом и тензорезистором.
Клеи и технология приклеивания общеизвестны, так что здесь об этом будет сказано кратко. В качестве клеев применяют преимущественно органические вещества, которые отверждаются благодаря полимеризации или поликонденсации. Самыми распространенными являются клеи на основе эпоксидных смол, акрилонитрила, цианакрилата или фенольной смолы, причем последняя используется чаще всего. Для отверждения нужны сравнительно высокие давления и температуры (например, 8 — 10 кгс/мм2, 170° С). Поверхность упругого элемента перед приклеиванием тщательно очищается механическими и химическими средствами, а затем к ней приклеивают тензорезисторы на слои соответствующих клеящих и изолирующих веществ. Процесс отверждения ведут по специальной температурно-временной программе. После окончания процессов “послеотверждения”, если таковые имеют место, приклеенные тензорезисторы защищаются от действия окружающей среды (см. ниже).
Конструкция закрепления также имеет большое значение для работы датчика (рис. 1). В классической конструкции (а) применяется “утопленный” тензорезистор (например, в основе из фенольного клея), который наклеивается на упругий элемент с помощью клея (например, фенольного). В конструкции (б) голый тензорезистор (например, полупроводниковый) приклеивают через подложку (например, из специальной бумаги), пропитанную клеем. В обоих случаях возникает относительно толстая прослойка толщиной d2, (» 20 — 50 мкм), которая образуется по существу вязкой средой и служит причиной явлений ослабления напряжений. Поскольку прослойка выполняет одновременно функцию изоляции, она не может делаться сколь угодно тонкой. Поэтому в более новой конструкции задачи изоляции и крепления разделены. Здесь сначала наносится изоляционный слой, (расплавленная эмаль или керамика), который обладает существенно лучшими механическими свойствами, чем клей. Теперь собственно клеевой слой может выполняться очень тонким (< 1 мкм) и должен только заполнить неровности поверхностей. В этой конструкции практически полностью пренебрежимо ослабление напряжений, вызванное клеем.
Рисунок 1 - Конструкции тензорезисторных чувствительных элементов датчиков
а и б - обычные конструкции с толстыми клеевыми слоями dz; в - современная конструкция с тонким клеевым слоем dz.
1 - упругий элемент; 2 - тензорезистор; 3 - основа тензорезистора; 4 - клеевой слой; 5 -подложка, пропитанная клеем; 6 - изолирующий
слой с хорошими механическими свойствами
Явления ослабления напряжения рассматривались до сих пор всегда в связи с процессами в клее и конструкцией крепления тензорезисторов. Это понятно, так как в период становления техники измерений, основанной на тензорезисторах, на исследование и уменьшение ползучести клеев было направлено основное внимание. Однако в настоящее время можно уменьшить эти эффекты, по крайней мере до порядка значений ослабления напряжений, вызванных другими причинами (например, самим упругим элементом). Поэтому ослабление клея следует рассматривать только вместе с другими явлениями, если ими вообще нельзя пренебречь. Различные причины погрешностей тензорезисторных датчиков сопоставлены ниже:
Ослабления в упругом элементе
Вязкое ослабление из-за клеевых слоев благодаря современным способам приклеивания становится часто пренебрежимо малым.
Температурный уход нуля возникает из-за тепловых волн, распространяющихся по упругому элементу, при выравнивании теплового состояния, если тензорезисторы имеют большие температурные коэффициенты сопротивления (полупроводниковые тензорезисторы).
Термоэлектрические эффекты возникают из-за процессов перераспределения потерь мощности в мосте; также заметны только у полупроводниковых тензорезисторов.
Ослабление клея — единственный эффект, который по своей природе противоположен действию силы. Поэтому он может в принципе компенсировать эффекты ослабления, совпадающие по своему характеру с силой, однако из-за различных постоянных времени этих эффектов лишь не полностью и с большой зависимостью от температуры.
Защита от воздействия окружающей среды. Чувствительные элементы после их приклеивания должны защищаться от воздействий окружающей среды, чтобы препятствовать прежде всего действию влажности. Для этого после отверждения, по возможности еще в теплом состоянии, они покрываются защитными лаками. Чтобы воспрепятствовать образованию сквозных пор, такую операцию повторяют, как правило, несколько раз.
Полученные таким образом тонкие слои не могут полностью и на длительное время исключить диффузию паров воды. Это достигается только благодаря герметически плотным металлическим корпусам, которые часто заполняются еще достаточно большим запасом гигроскопичного вещества или сухим инертным газом. Однако влага, внедрившаяся в чувствительные элементы, несмотря на все эти меры, вызывает два эффекта:
1. Уменьшение сопротивления изоляции между тензорезистором и упругим элементом. В идеальном случае это сопротивление бесконечно велико. При конечном сопротивлении изоляции Ris получаются условия, отраженные на рис. 2. Благоприятнейший случай изображен на рис. 2,а, где Ris, равномерно распределено на четыре части моста; разбаланса моста нет. Для неблагоприятнейшего случая расчет дает погрешность нуля:
,
где e
Ncp — средняя номинальная деформация и R0 — основное сопротивление тензорезисторов. Эти соотношения для тензорезисторов с большим коэффициентом тензочувствительности (для полупроводниковых) не имеют такого значения.
Рисунок 2 - Влияние уменьшения сопротивления изоляции
Ris - дискретная эквивалентная схема. a - благоприятный случай: уменьшение Ris распределено равномерно; б - неблагоприятный случай: уменьшение Ris действует на один тензорезистор.
2. Разбухание клеевого слоя вызывает кажущуюся деформацию, а этим самым — дополнительную погрешность нуля. Можно с уверенностью считать, что этот эффект значительно сильнее, чем эффект от сопротивления изоляции. Но уменьшение
Ris может служить в качестве меры внедрившейся влаги и поэтому — общей ожидаемой погрешности нуля. Можно принять, что разбухание также достаточно мало, если сопротивление изоляции более 109 Ом.