SU401291A1 - Полупроводниковый тензодатчик - Google Patents

Description

t

Изобоетевйе относитс  к датчикам мехаюгаескнх в акуст ческвх давлений и может быть использовано в качестве преобразователе последних в апектрнческие сигналы.

Иааествы полупроводниковые тензорезисх торы, содержащие брусок или пленку из германнв , кремни  или других папупроводниковых материалов с Двум  токош 1ми зпектродам .

Пр шшп действи  полупроводниковых тензо резисторов основан иа эффекте пьезосопротивлени , который, как правило, сильно анизотропен . Анизотропи  пьезосопргтивпени  в полупроводниках обусловлена сложной структурой их энергетических зон. Кристалл сграфическа  ориентаци  бруска или пленки, из которых затем изготавливают тензорезистор, обычно такова, что деформирующее усилие црикладыв оот в направлении максимального значени  коэффициента пьезосопротивлени51; направление электрического тока обычно СОЕ падает с направлением деформаций. Вследсрвие этого ток и электрическое поле в таком бруске или пленке коллинеарны. В частности, дл  тензорезисторов, изготовленных из герман з И- или р - типа и кремни  р - , -максимальный тензоэффект достигаетс , когда направление деформации и тока совпадает с кристаллографическим направлением , а дл  кремни Т - типа - с lOOj.

Дл  преобразовани  механической деформации в соответствующее изменение электрического сигнала, тензорезисторы обычно используютс  как активные элементы потенци1 метрических (а) или мостовых (б) схем. Тензопреобраэователем фактически . вл етс  текзорезистор в совокупности с одной из указаьн ных схем.

Величина изменени  падени  напр жени  на тензорезисторе в первом случае (а) или величина разбаланса моста во втором случае (б) служит мерой деформации.

Зависимость выходного, сигнала дл  схем обоих типов от величины относительного иэменени  сопротивлени  активного элемента AR/R в общем случае нелинейна, что ocoeeitно заметно при больших деформаци х и соответственно больших AR/l, достигающих 2О30% дл  полупроводниковых тенаорезисторов. Дл  устранени  этого эффекта в схемах типа (а) обычно испопьёуют схемы посто нства тока, однако,- при этом требуютс  источники с повышенным напр жением, что в р де случаев нежелательно. Кроме того, снижаетс  КПД преобразовател . Схемна  нелинейность может быть устранена и применением уравгновешенных мостовых схем (б), но это уопожн ет процесс измерений или требует сло  ных автоматических схем, Наличие существенней температурной зависимости сопротивлени  .недеформированнога тензореэистора приводит к возникновению сигнала кажущейс  деформадии. Так, напри мер, дл  тензорезистора, изготовленного из германи  tJ- типа с удельным сопротивлением . 5 OjvgcM) изменение комнатной темйёратуры на 1 С вызывает такое же изменение сопротивлени , как изменение нагрузки на 120130 кг/см2. Этот недостаток обычно минимизируетс  . путем применени  ннзкоомных материалов дл иаготовпени  тензорезисторов, однако,- при этом снижаетс  тензочувствительность. Вторым методом  вл етс  использование гермокомпенсации элементов схем с помощью термисторов и т.д. или нар ду с деформируюмыми тензорезисторами таких же недеформируе wbix и наход щихс  в одинаковых с первыми те;-лпературкых услови х. Все эти методы сложны и имеют, огран№ченный температурный диапазон,Применение тензорезисторов в стандарт аой измерительной .аппаратуре требует досг таточно строгой унификации;)-их параметров прежде всего их полного сопротивлени . Цель изобретени  обеспечение |линеар№аации характеристик тензодатчика и температурной их стабилизации. Это достигаетс  тем, что полупроводниковый тензодатчик имеет два дополнительных боковых электрода и полупроводникова ; плао тина ориентирована под углом к кристаллогр фическому направлению кристалла, вдоль которого коэффициент пьезосопротивлени  максимален . В качестве примера реализации предлагаемого полупроводникового тензодатчика бьш изготовлен слиток германи  И- типа с удаль , ным сопротивлением 10 Омсм, Чувствительный элемент выпалне11 в виде й р моугопьной пластины с размерамитх Юмм ) 2,5MM,, Оси X и У лежат вKpncTanjji графической плоскости (llo), причем, ось X повернута от оси ill на угол 30° в сторону оси ЮО. В.плоскости (llO) расположены два боковых, симметрично расположенных , эквипотенциальных по отношению к полю Е. , электрода. На торцы пластины боковые электроды пайкой олова с 5% сурьмы нанесены омические контакты,. При одноосной деформации в направлении оси X и приложени  :в этом же направлении напр жени  Uy (к токовым контактам) элекгропроводность германи  становитс  анизотропной и, поскольку при избранной кристал ографической ориентации пластины электрическое поле Ey g приложено под углом к главным компоаен- ам тензора электропроводности , возникает поперечное поле 7Г S-tn - ufu У УУ Где Uxv и Uyy - недиагональна  и диагональг-. на  компоненты тензора подвижности электронов , . . Э,д,с, vU , возникающа  на боковых элек тродах, раина У Uffff Ix Дл  получени  максимального эффекта прв прочих равных услови х выбрана така  {фИо таллогра4 1ческа  ориентаци  пластины ref мани , чтобы отношение тг бьшо максимальным , В этом случае J 0,38 10-i-Г % где X - деформирующее усилие в напраш ©нии оси X пластинки, кг/CKf. Таким образом, . ,ъв-10- -х-- 1/х (4) jf I Экспериментально полученна  завнсимость поперечной э,д,с, от деформирующего уселац, X дл  пластины с указанными размерами лв нейна вплоть до 2:10 кг/см. Таким образом, предлагаемый попупровой виковый тензодатчик обладает следующими преимуществами по сравнению с известными, Тензодатчик в целом представл ет собой аналог мостовой схемы с использованием тензорезистора-прототипа, т,,, фактЕсчески сам по себе  вл етс  преобразователем механического усили  в соответствующий алекртрический сигнал. Э,д,с, и, в случае отсутстви  деформации равна нулю и линейно возрастает с роотом деформации. Вследствие этого предлагаемый прибор может использоватьс  с применением как статических, так и дигшмических нагрузок. При работе предлагаемого тензодатчика принципиально отсутствуют схемные нелинейности .Отсутствует температурна  зависимость выходногО сигнала у недеформированного аатчика Элл.1равва нулю при любых еговом, если таковое должно быть испопьзоваTewnepaiypax ,ио, н, вообще говор , некритична.

Температурна  зависимость теЕ13Очувств Предлагаемый тензодатчнк может быть

твльвости така  же, как н у тевзодатчикаг выполнен на основе монокристаллической по

Claims (1)

1. прототипа, выполневнаго иа материала с лупроводниковой пленки, квм же, как и у предлагаемого датчика удель Формула изобретени  ным сопротивлением.Тензодатчикна основе полупроводниковой

   Датчик работает в режиме г посто нноговым кристаллографическим направлени м, с

   приложеиного напр жени , поэтому КПД двум  .токовыми контактами, о т л и ч а

   его БЬШ1в| чем у тензодатчика-прототйпа,ю щ и и с   тем, что с целью линеариза

   Так как сам по себе датчик  звл етс  его характиристик и темпеоатурной их

   ратором напр жени , величина его полногостабипизадии, Полупроводникова  пластана

   сопротивлени  не существенна, а величинаснабжена двум  дополнительными боковыми

   выходного сопротввлевтс  важна лшпь дл  цв- 5электродами,  вл ющимис  эквипотенцнальлн сотасовав   с усилительным устрсЛст-ными BJ отсутствии деформации.

   401291g

   пластины, ориентированной под углом к гла