Принцип дії тензорезистивних ІП заснований на явищі тензоеффекта, який полягає в зміні електричного опору провідників і напівпровідників при їх деформації (т. Е. При зміні розмірів).
Залежність питомого опору r матеріалу тензорезистора від деформації el виражається формулою
де r0 - питомий опір при el = 0; AП - деформаційний коефіцієнт опору визначається як:
При лінійної деформації зразка квадратного або круглого перетину відбувається зміна його розмірів і в поперечному напрямку, причому зміна довжини пов'язано зі зміною поперечного розміру і цей зв'язок характеризується коефіцієнтом Пуассона m
де b - поперечний розмір; eb - відносна поперечна деформація.
Зміна питомого опору матеріалу і розмірів зразка при деформації el викликає зміна його опору, яке знаходиться по формулі
де R0 - початковий опір.
Однією з характеристик тензорезистивного ІП є коефіцієнт тензочутливості К, який являє собою відношення відносної зміни опору DR / R0 тензопреобразователя до величини відносної деформації Dl / l. Використовуючи (16) отримаємо
Для металів коефіцієнт Пуассона m »0,24 ¸ 0,5, деформаційний коефіцієнт AП »02-06 [12] і коефіцієнт тензочутливості К» 2.
Для рідин aп = 0 (обсяг не змінюється в процесі деформації), m = 0,5, тому КЖІД = 2.
Для провідникових тензорезистивних ІП, так як (1 + 2m) значно більше, ніж AП. можна вважати, що К = (1 + 2m) [10].
Для зразків з напівпровідникових матеріалів AП >> m, тому К »AП і коефіцієнт тензочутливості досягає значення 120 і більше, причому знак До може бути як позитивним, так і негативним. Тензочутливість напівпровідникових тензодатчиків в 50-100 разів більше, ніж у металевих.
Матеріали тензорезистивних ІП та вимоги до них
Матеріали тензорезистивних ІП (тензопреобразователь) повинні характеризуватися: великим значенням коефіцієнта тензочутливості; великим значенням питомої опору; малим значенням ТКС; відсутністю термоЕРС в контактах; лінійністю залежності R = f (el).
Як матеріали використовуються провідникові і напівпровідникові матеріали. Характеристики деяких найбільш часто вживаних твердих провідникових і напівпровідникових матеріалів наведені в табл 1.
Класифікація та конструкції тензорезистивних ІП
Залежно від фазового стану матеріалу чутливого елемента розрізняють твердотільні і рідинні тензорезистивні ВП.
До твердотілим відносяться: дротові, фольгові, плівкові.
Дротові бувають ненаклеіваемие і наклеюються.
Ненаклеіваемие (вільні) тензорезистивні ІП виконуються у вигляді однієї або ряду дротів 1, закріплених на кінцях між рухомою 2 і нерухомою 3 деталями і виконують роль пружного елемента (рис. 4 а). На рис. 4 б показано пристрій наклеюється дротяного тензорезистора. На основу 1 (смужка паперу або плівка) наклеюється решітка з зигзагоподібно покладеної тонкого дроту 2 діаметром 0,02 - 0,05 мм, до кінців якої приєднуються мідні висновки 3. Зверху перетворювач покривають шаром лаку.
Недоліком дротяних тензопреобразователь є те, що ділянки заокруглення сприймають деформацію слабкіше (більш жорсткі), ніж лінійні ділянки, тому коефіцієнт тензочутливості зразка матеріалу КПР »(0,7 ¸ 0,96) До. Наявність протяжних ділянок заокруглення призводить до виникнення поперечної чутливості. Для дротяних тензорезисторів відношення поперечної і поздовжньої чутливості визначається ставленням b / L. Поперечна чутливість становить 0,25-1% від поздовжньої.
Фольгові тензорезістори виготовляють фотомеханічним способом. На заготовку з фольги товщиною 4 ¸ 12 мкм (константан, золотосрібне сплави) на одну сторону наноситься шар лаку, а на іншу - світлочутливий шар, на який проектується малюнок чутливого елемента тензорезистора. Потім цей малюнок проявляється, ться і закріплюється (покривається кислототривким лаком). Після травлення залишаються ділянки фольги, відповідні малюнку (рис. 4 в). У фольгових тензорезисторов поперечна чутливість значно менше за рахунок розширення поперечних ділянок.
Плівкові ІП виготовляють шляхом вакуумної сублімації тензочувствітельності матеріалу з подальшою конденсацією його на підкладку через маску. Для плівкових тензорезисторів використовуються як металеві матеріали, наприклад тітаноалюмініевие сплави, так і напівпровідникові матеріали, наприклад, германій, кремній. Плівкові тензорезистори мають товщину менше 1 мкм.
Перевагою фольгових і плівкових тензорезисторів є можливість їх отримання заданої форми, яка визначається маскою.
Рідинні тензопреобразователь представляють собою гумовий капіляр з внутрішнім діаметром 0,1-0,5 мм, заповнений ртуттю або електролітом.
Рідинні тензопреобразователь дозволяють перетворювати великі відносні деформації до 30-50%.
Недоліками цих ІП є низька початкова опір, наприклад, ртутні перетворювачі мають початковий опір одиниці Ом, і великий ТКС.
Напівпровідникові тензопреобразователь виготовляють зазвичай з германію або кремнію, легованих до значень питомого опору r »(2 × 10 -4 ¸ 2 × 10 -3) Ом × м у вигляді тонких смужок, які вирізаються уздовж певних кристалографічних осей. Наприклад, смужки з кремнію р-типу вирізаються в напрямку. а з кремнію n-типу - в напрямку. Для виготовлення тензорезисторов використовується також германій р і n-типів. Напівпровідникові тензорезистори мають довжину 2-12 мм і ширину 0,15-0,5 мм.
Відмінними рисами напівпровідникових тензопреобразователь є: висока чутливість і нелінійність.
В даний час випускаються інтегральні напівпровідникові тензорезистори, які вирощуються безпосередньо на пружному елементі з кремнію або сапфіру. Ці пружні елементи мають пружними властивостями, близькими до ідеальних, і істотно меншими похибками гистерезиса і лінійності в порівнянні з металевими. На одному пружному елементі зазвичай вирощується кілька резисторів з'єднаних в напівміст або міст і компенсуючі елементи. Така технологія дозволяє істотно зменшити похибки, обумовлені неідентичність тензорезисторов і зовнішніх умов. Інтегральні тензодатчики випускаються у вигляді КНК-структур (кремній на кремнії) і КНС-структур (кремній на сапфірі).
Основні характеристики тензорезисторів
До характеристик тензорезистивних перетворювачів відносяться: коефіцієнт тензочутливості, вимірювальна база, початкова опір, похибки. Параметри тензорезисторов загального призначення регламентує ГОСТ 21616-91 "Тензорезистори. Общие технические условия".
Вимірювальна база L визначається як довжина деталі, яку займає перетворювачем (див. Рис 4 б).
Бази перетворювача лежать в межах 1,0 ¸ 100 мм, і початкові опору від 10 до 1000 Ом. Найбільш часто використовуються дротові перетворювачі базами 5-20 мм і початковим опором 30-500 Ом. Зменшення бази досягається застосуванням спеціальних конструкцій. Наприклад, в двошарових тензорезисторами база може становити 1,5-3 мм.
Вимірювальна база фольгових перетворювачів може становити 0,8 мм.
Напівпровідникові тензорезистори мають довжину 2-12 мм і початкові опір лежить в діапазоні 50-10000 Ом.
Похибки тензорезистивних ІП
Похибками тензорезистивних ІП є: температурна похибка; похибка градуювання; похибка лінійності; похибка, обумовлена ползучестью клею.
Температурна похибка виникає через зміни початкового опору тензорезистора і коефіцієнта тензочутливості при зміні температури, т. Е. Тензорезисторами притаманні температурні похибки нуля і чутливості.
Похибка нуля наклеєного тензорезистора виникає в результаті зміни його опору, що відбувається внаслідок нерівності температурних коефіцієнтів лінійного розширення матеріалу тензорезистора і деталі, на яку наклеєний тензорезистор, і наявності ненульового ТКС тензорезистора.
Похибка чутливості обумовлена залежністю коефіцієнта тензочутливості від температури.
Температурна похибка нуля описується залежністю
де aR - температурний коефіцієнт опору тензорезистора; bд і bТР - температурні коефіцієнти лінійного розширення матеріалів деталі і тензорезистора.
Для отримання похибки DelТ = 0 необхідно виконати рівність
Деякі матеріали для тензорезисторів можуть мати значення температурного коефіцієнта питомого опору, що лежить в широких межах, причому знак ТКR може бути як позитивним, так і негативним (наприклад, константан може мати будь-яке значення в межах ± 30. 10 -6 К -1). Це властивість дозволяє для багатьох матеріалів (наприклад, для сталі, алюмінію і ін.) Виготовляти термокомпенсірованний тензорезистори, які істотно зменшують температурну похибку нуля до 0,015% / К. Для напівпровідників така компенсація неможлива, наприклад, для кремнієвого перетворювача, наклеєного на сталь, ця досягає 1,6% / К.
Температурна похибка чутливості залежить від матеріалу тензорезистора і лежить в дуже широких межах від тисячних часток відсотка на градус Кельвіна для провідникових тензорезисторів і до сотих часток - для напівпровідникових.
Температурна похибка провідникових тензорезисторів носить переважний адитивний характер, і для її зменшення дуже широко використовуються диференційний метод вимірювання. Для цього можуть використовуватися схеми з двома або чотирма тензорезисторами. Розглянемо включення з двома тензорезисторами. Робочий тензорезистор RТ1 наклеюють уздовж вимірюваної деформації el. а компенсуючий RТ2 - поперек неї (рис. 5 а). Тензорезистори включаються в суміжні плечі моста (рис. 5 б) і RТ1 = RТ2.
Температурні зміни опору тензорезисторів RТ1 і RТ2 однакові по знаку і значенням (однаковий матеріал, знаходяться в однакових умовах) тому вихідна напруга моста
де Kl - коефіцієнт поздовжньої тензочутливості; Kb - коефіцієнт поперечної тензочутливості; el - поздовжня деформація; eb - поперечна деформація.
Таким чином, з рівняння (18) видно, що в ідеальному випадку температура не впливає на результат вимірювання.
В основному тензорезистори є перетворювачами разової дії, так як вони наклеюються на деталь і не можуть бути зняті без пошкодження. Тому на практиці градуировке піддають певне число тензорезисторов з партії. Отримані цифри середніх значень R0 і К приймаються для всіх перетворювачів даної партії. В цьому випадку похибка градуювання може бути 1-5%. При індивідуальній градуировке безпосередньо робочого перетворювача ця похибка може бути зменшена до десятих часток відсотка.
Похибка лінійності визначається залежністю деформаційного потенціалу та коефіцієнта тензочутливості напівпровідникових тензорезисторів від прикладених механічних напружень. Похибка лінійності може досягати одиниць відсотків.
Для наклеюються тензорезисторів порушення технології може привести до істотних погрішностей. Характеристики отверділого клею і основи датчика викликають ефекти ползучесті.Ползучесть - явище зміни опору тензорезистора при el ¹ 0 = const в часі. При більш високих температурах цей ефект виражений сильніше [14]. Значення похибки, обумовленої ползучестью, становить 0,05-0,2%.
Робочий температурний діапазон тензорезисторов визначається, перш за все, клеями і обмежений температурою 350-600 0 С при статичних деформаціях і 600-800 0 С (при спеціальних методах кріплення до 1000 0 С) при динамічних деформаціях.
Кріплення тензорезистивних ІП
Для з'єднання тензорезисторів з об'єктом вимірювання може бути використано кілька способів:
1. Приклеювання здійснюється за допомогою бакелітофенольних клеїв, лаків на основі органічних смол і ін. (При нормальних і підвищених температурах), при високих температурах використовуються спеціальні цементи на основі рідкого скла або полісілоксанов з різними наповнювачами та ін.
Застосовуються також цементи типу клею Котінского, які дозволяють багаторазове використання тензорезистивних ІП шляхом відклеювання при нагріванні деталі. Клей Котінского - термопластичний матеріал, размягчающийся при температурі 140 0 С.
2. З'єднання по напівпровідникової технології:
а) дифузна технологія - тензорезистори утворюються дифузією обраної домішки в тонкий шар поверхні пружного елемента (балки мембрани), виконаної з монокристалічного Si з високим r, або протилежної провідності для створення ізольованого р-n переходу;
б) автоепітаксійних технологія - тензорезистор утворюється нарощуванням монокристалічного шару напівпровідника, кристалічна решітка якого є продовженням кристалічної решітки пружного елемента, виконаного з напівпровідникового матеріалу того ж типу, що й нарощуваний шар. Ізоляція тензорезистора від пружного елемента здійснюється р-n переходом;
в) гетероепітаксійних технологія - тензорезистор утворюється нарощуванням монокристалічного шару напівпровідника на поверхні пружного елемента, виконаного з монокристалічного діелектрика (сапфір). Тут кристалічна решітка тензорезистора є продовженням кристалічної решітки пружного елемента, але інший кристаллографической системи.
3. вплавлення: пружний елемент виконується з кварцу, а кремнієвий ниткоподібний тензорезистор з платиновими висновками вплавлен в поверхню пружного елемента низькотемпературної (ТПЛ = 300-350 0 С) свинцювата стеклоемалью. Гідність - стабільна і мала повзучість <0,5%.
Області застосування тензорезистивних ІП
Резистивні тензопреобразователь застосовуються в пристроях, які вимірюють статичні і динамічні деформації. Більшість дротяних, фольгових і плівкових металевих тензорезисторов застосовуються для вимірювання відносних статичних деформацій el 0,005 - 1,5-2% Слід зазначити, що плівкові тензорезистори з деяких металевих сплавів, наприклад, з тітаноалюмініевих, дозволяють вимірювати статичні деформації до 12%. Дротові ненаклеіваемие (вільні) тензорезістори також дозволяють вимірювати деформацію до 5-10%. Провідникові рідинні (еластичні) тензорезістори дозволяють вимірювати великі деформації матеріалів (до 30-50%).
Напівпровідникові тензорезистори дозволяють вимірювати статичні деформації до 0,1-0,2%.
При вимірюванні динамічних деформацій частотний діапазон визначається співвідношенням між довжиною хвилі l і базою L тензорезистора, в наслідок чого має виконуватися відношення L / l £ 0,1. Величина максимальної деформації для дротяних тензорезисторів зазвичай не повинна перевищувати 0,1%, а для напівпровідникових - 0,02%.
Тензорезистори застосовуються також для вимірювання величин, що перетворюються в деформацію (рис 6): а) механічних сил; б) тисків; в) прискорень.