(1.1)Датчики с действительным интегрированием - тензорезисторные датчики
Общие положения
Датчики с действительным интегрированием имеют несколько чувствительных элементов, которые расположены в различных местах поля деформации упругого элемента. Сигналы отдельных чувствительных элементов интегрируются суммирующей схемой, в результате чего получают скалярный выходной сигнал.
Преимущества применения действительного интегрирования:
•
возможность создания датчиков, удовлетворяющих высшим требованиям к точности; это возможно в связи с тем, что только такое суммирование является настоящим интегрированием;•
возможность создания точных датчиков для больших номиналов силы при ограниченной конструктивной высоте и малых погрешностях (“плоские датчики”);•
разнообразие конструктивных возможностей благодаря суммирующей схеме. Это полезно для изменения характеристик датчика (как правило, для уменьшения погрешностей).Применение действительного интегрирования не ограничено определенными типами упругого элемента. Оно не требует свободного пространства, находящегося на оси симметрии, и отдельные чувствительные элементы не должны обязательно воспринимать измерительный ход упругого элемента (в свободном пространстве); им требуется измерить относительную деформацию. Эти измерения деформации могут производиться как на поверхности упругого элемента, так и в его объеме (в специальных отверстиях). Датчик с действительным интегрированием должен иметь возможно больше чувствительных элементов. Это можно реализовать только при наличии таких чувствительных элементов, которые просты и дешевы, просто закрепляются на нужных местах упругого элемента и изготовляются совершенно одинаковыми.
Важнейшими датчиками с действительным интегрированием являются датчики с чувствительными элементами в виде широко известных тензорезисторов. Они относятся к группе резистивных датчиков и имеют такие преимущества, как простота и доступность конструкции для осмотра, возможность питания постоянным напряжением, а также простота осуществления нужной суммирующей схемы.
В будущем, возможно, приобретут большое значение и другие принципы преобразования, но при существующем состоянии силоизмерительной техники датчики с тензорезисторами обеспечивают наилучшие возможности для решения задач прецизионных измерений.
Резистивные чувствительные элементы
Резистивные чувствительные элементы состоят из проводящего тела простой формы (например, проволока, стерженек), которая изменяется под действием силы. Если l — длина, q — поперечное сечение и r — удельное сопротивление такого тела, то из формулы зависимости сопротивления от размеров
(1.1)
после дифференцирования получаем
. (1.2)
Уравнение
(1.2) в большинстве случаев записывают в виде
, (1.3)
где
-
деформация. Важнейшая характеристика
тензорезистора — коэффициент тензочувствительности К, определяемый уравнением (1.3); он состоит из слагаемого 1 + 2n
, отражающего изменение формы, и слагаемого Кr
, отражающего изменение удельного сопротивления (эффект пьезосопротивления).
Тензочувствительные материалы
Металлы. Их коэффициент тензочувствительности равен 2 - 6 , и его слагаемые от изменения формы и пьезосопротивления имеют одинаковый порядок значений.
Материалы с коэффициентом К = 2,0 занимают предпочтительное положение, так как это значение не зависит от деформированного состояния материала. Для упругой области сумма (1+
2n ) = 1,6; а Кr ,= 0,4, что в сумме дает К = 2. В пластической области n пласт = 0,5, поскольку в ней объем постоянен, но здесь не происходит изменения напряжения, поэтому Кr = 0 . Следовательно, суммарное воздействие дает и в пластической области К = 2. Поэтому материалы с таким коэффициентом тензочувствительности отличаются линейной градуировочной характеристикой в большом диапазоне деформаций. Кроме того, их коэффициент тензочувствительности в первом приближении независим от особенностей предварительной обработки, а поэтому и от последствий неизбежных отклонений в технологическом процессе.К группе тензочувствительных материалов с К = 2,0 принадлежат константан, манганин, нихром и карма. Здесь они перечислены в порядке возрастания температурного коэффициента удельного сопротивления. По этой причине для прецизионных измерений в большинстве случаев применяется константан, который имеется в продаже в виде материала с особыми свойствами специально для тензометрии (например, по ГОСТ 492 — 52). Применение нихрома рекомендуется прежде всего для диапазона повышенных рабочих температур, в то время как карма (наряду со сплавом 479) применяется преимущественно для чувствительных элементов в виде натянутой проволоки, что обусловлено высоким допустимым напряжением этого материала.
Если тензорезисторы изготавливаются напылением в виде тонких поликристаллических пленок, то их свойства изменяются: коэффициент тензочувствительности значительно уменьшается, временная стабильность снижается. Преимуществами этого метода являются отсутствие вязкой прослойки (клеевого слоя), которая приводит к явлениям ослабления напряжений, а также возможность изготовлять большое число тензорезисторов на упругом элементе в одном процессе с высокой степенью идентичности. Поэтому технология тонкоплёночных тензорезисторов может еще приобрести большое значение.
Полупроводники. В них эффект пьезосопротивления превосходит влияние изменения формы на 1 — 2 порядка. У монокристаллических полупроводников, наиболее широко применяемых в настоящее время, вклад Кr зависит от ориентации направления деформации относительно кристаллографических осей.
В настоящее время кремний является важнейшим материалом для тензорезисторов. На рис. 1 видно, что в зависимости от удельного сопротивления материала и ориентации значение К может достигать 200. Поэтому могут изготовляться датчики силы с большим напряжением сигнала или со средним напряжением сигнала при очень жестком упругом элементе. Кроме того, в зависимости от типа проводимости (р- или
n-кремний) К имеет положительный или отрицательный знак. Таким образом получаются принципиально новые эффекты, которые, однако, еще не использовались для разработки более точных датчиков.
Рисунок 1 - Зависимость коэффициента тензочувствительности n- и p-кремния от кристаллографической ориентации и удельного сопротивления r
По сравнению с металлическими тензорезисторами аналогичные полупроводниковые приборы имеют один недостаток; значительную погрешность линейности, которую, согласно уравнению (1.3), можно компенсировать использованием зависимости К от деформации или последующими преобразованиями сигнала. Кроме того, следует указать на большую и сильно нелинейную зависимость сопротивления ненапряженного тензорезистора и коэффициента тензочувствительности от температуры. Поэтому датчики силы с полупроводниковыми тензорезисторами имеют большие погрешности, чем датчики с металлическими тензорезисторами прн равных затратах на изготовление. Однако в этой области следует ожидать улучшений в результате совершенствования технологии, тем более, что есть сообщения о сильном снижении температурных эффектов в результате облучения полупроводниковых тензорезисторов.
Полупроводниковые пленки также можно изготовлять методом напыления. Но эти поликристаллические структуры имеют существенно меньшие значения К, чем монокристаллические. Так как по своим особенностям они аналогичны металлическим напылённым тензорезисторам, то в этой области следует ожидать дальнейших интенсивных исследований. Значение полупроводниковых тензорезисторов, в которых используется эффект не в объеме, а в пограничных слоях, пока еще трудно оценить. Следует упомянуть только о гетеропереходных диодах на полимерной подложке, для которых достижим коэффициент тензочувствительности порядка 1000.
Конструктивные схемы
•
•
Намотанные тензорезисторы. Тензопроволока наматывается с предварительным натягом в диапазоне деформаций упругого элемента. Эта конструкция применяется преимущественно с формоизменяемыми упругими элементами . Преимущество состоит в большой длине тензопроволоки, что обеспечивает большое сопротивление моста и очень хорошую передачу тепла упругому элементу. Поэтому напряжение питания моста можно поднимать до 200 В и получать выходное напряжение до 400 мВ.•
Проволочные тензорезисторы. В настоящее время важнейшие тензочувствительные элементы делаются преимущественно из константановой проволоки (диаметром в большинстве случаев около 0,02 мм), которая вклеена (например, с помощью фенольной смолы) между двумя подложками (например, из специальной бумаги). Благодаря изменению размеров витков проволоки можно изготавливать тензорезисторы с различными номинальными сопротивлениями. (Диапазон этих сопротивлений составляет примерно 100 — 1000 Ом.) Кроме того, возможна подгонка тензорезистора к упругому элементу с учетом его формы.•
Фольеовые тензорезисторы. Они также изготавливаются преимущественно из константана. В большинстве случаев тензорешетку выполняют фотохимическим способом (вытравленные тензорезисторы). После того как были преодолены начальные технологические трудности, фольговые тензорезисторы стали все больше и больше вытеснять проволочные, по сравнению с которыми они имеют следующие преимущества:•
очень малую общую толщину (например, 25 мкм) и поэтому хорошее прилегание к объекту измерения,•
большой ток питания благодаря большой поверхности проводника и малой толщине подложки,•
существенно большие возможности изменения формы тензорешетки.Именно благодаря последнему преимуществу фольговые тензорезисторы применяются прежде всего в современных конструкциях датчиков силы (например, со сдвиговыми упругими элементами), которые во многих случаях могут быть выполнены технически только благодаря этим тензорезисторам.
•
Металлические тонкопленочные тензорезисторы. Они являются перспективными, так как все чувствительные элементы упругого элемента могут изготавливаться в ходе одной технологической операции, что обеспечивает высокую степень идентичности их свойств. Но технологические проблемы здесь еще не полностью решены. Это относится как к изготовлению стабильного тензочувствительного слоя, так и к изготовлению изоляционного слоя на электропроводном упругом элементе.•
Полупроводниковые тензорезисторы. Имеется большое число таких тензорезисторов различных размеров и различной концентрации легирующей примеси. Для изготовления их тензочувствительных элементов известны различные способы (например, почти чисто механическое изготовление из монокристалла резкой, сошлифовыванием или травлением). Для универсального применения в датчиках силы предпочтительны гибкие, т. е. максимально тонкие, тензорезисторы.•
Диффузионные тензорезисторы. Они представляют собой тензочувствительные области, созданные в кремниевом элементе (обычно большого удельного сопротивления) путем внесения примесей диффузионным способом. Изоляция диффузионного чувствительного слоя от остальной части этого элемента осуществляется благодаря р — n-переходу, смещенному в обратном направлении приложенным напряжением, или же двуокисью кремния. Подобный способ целесообразен только тогда, когда кремниевый элемент может одновременно служить в качестве упругого элемента. Это ограничивает области его применения (например, в качестве мембран миниатюрных датчиков давления). Его преимуществом является совершенно одинаковое изготовление всех чувствительных элементов упругого элемента.•
Авто- и гетероэпитаксиальные тензорезисторы. Их изготовляют эпитаксиальным наращиванием кремния, легированного соответствующим образом, на монокристаллическом упругом элементе. Особенно сложна технология изготовления гетероэпитаксиальных тензорезисторов, упругий элемент которых выполнен из другого материала (из сапфира). Однако возникающие благодаря этому варианты сочетаний различных материалов открывают возможности получения новых своеобразных конструкций и свойств.Диффузионные, авто- и гетероэпитаксиальные тензорезисторы называются интегральными тензорезисторами.
•
Полупроводниковые тонкопленочные (т. е. поликристаллические) тензорезисторы. Они соответствуют по своим особенностям металлическим тензорезисторам.