Полупроводниковые тензодатчики

Полупроводниковые тензодатчики применяются в тех же случаях, что и обычные проволочные, т. е. для исследования деформаций и напряжений в деталях и узлах машин и конструкций. Внедрение полупроводниковых тензодатчиков в качестве чувствительного элемента преобразователей механических величин в электри­ческий сигнал вместо обычно используемых в настоящее время про­волочных тензодатчиков позволило значительно повысить чувстви­тельность систем. Важнейшим достоинством преобразователей ме­ханических величин (силы, давления, перемещения, ускорения и др.) в электрические сигналы, построенных на основе полупро­водниковых тензодатчиков, является большой выходной сигнал, благодаря чему оказалось возможным использование таких дат­чиков в устройствах измерения и контроля без вспомогательных усилителей. Эта особенность позволила уменьшить вес и размеры измерительной аппаратуры и повысить точность измерений.

Полупроводниковые тензодатчики в отличие от проволочных обладают большим сроком службы, так как не подвержены старе­нию, имеют малые размеры, высокую тензочувствительность (на два порядка выше, чем у проволочных датчиков). Большим пре­имуществом полупроводниковых тензодатчиков является возмож­ность изменять в широких пределах их механические и электриче­ские свойства (большое изменение сопротивления при деформациях до 50%), что невозможно в проволочных датчиках. Например, при одних и тех же размерах сопротивление полупроводникового дат­чика находится в пределах от 100 Ом до 50 кОм, а чувствитель­ность от —100 до +200.

Полупроводниковые тензодатчики нашли применение при испы­тании на прочность элементов конструкции самолетов, измерении деформаций и напряжений, возникающих во вращающихся частях машин и механизмов, измерении крутящего момента, передавае­мого валами машин в статических и динамических режимах.

Для изготовления полупроводниковых тензодатчиков применя­ют следующие тензолитовые материалы: графит + тонкий кварце­вый песок+смола; графит +мел + шеллак (или канифоль); уголь (или сажа) + бакелитовый лак.

Полупроводниковые тензодатчики выполняются в виде нитей длиной l = 40÷60 мм и диаметром d =l÷2 мм или полосок шири­ной 6 = 4÷6 мм и толщиной D=1÷30 мм, или в виде слоя на изо­лирующей подкладке. Они обладают большой чувствительностью до S _Д = 300, но имеют малую механическую прочность, неустойчивые характеристики и значительный гистерезис. Изменение сопро­тивления со временем и гистерезис достигают 2—3%. Разброс па­раметров в одной партии доходит до ±20%.

Из-за наличия указанных недостатков тензолитовые датчики не нашли большого применения. За последнее время стали применять­ся кристаллические полупроводниковые материалы. Наиболее сильно проявляется тензоэффект в таких полупроводниковых мате­риалах, как германий Ge, кремний Si, антимонид индия InSb, фо­сфид индия ІnР, арсенид галлия GaAs, антимонид галлия GaSb и др. Наибольшее практи­ческое применение полу­чили датчики, изготовлен­ные из германия и крем­ния. Следует отметить, что кремний обладает вы­сокой чувствительностью, химически инертен, меха­нически прочен и выдер­живает нагрев до 540° С. Кроме того, из кремния можно изготовлять и дат­чики различных форм.

В полупроводниковых тензодатчиках главную роль играет изменение удельного сопротивления, которое в основ­ном зависит от коэффициента т [см (6. 10)]. Для практических це­лей можно принять, что S_д≈ m. Чувствительность полупроводнико­вого тензодатчика зависит в основном от ориентировки действия сил (кристаллографического направления), количества примесей (удельного сопротивления), температуры и деформации. Свойства полупроводниковых кристаллов можно изменять в очень широких пределах, изменяя соответствующим образом технологию их изго­товления.

Чувствительные элементы полупроводниковых тензодатчиков можно изготовить несколькими способами, например путем выре­зания датчиков из полупроводникового монокристалла в виде брус­ка. Обычно брусок из германия или кремния разрезается на спе­циальных станках с помощью алмазной пилы на пластины, а затем бруски, которые шлифуются до необходимого размера, напри­мер 6, 0X0, 5X0, 1 мм, протравливают до получения заданного со­противления. Аналогичным способом изготовляют сверхтонкие гиб­кие датчики: брусок длиной 19 мм шлифуют до сечения 0, 25x x0, 25 мм, а затем на его концы наносят защитную пленку. Обра­зец протравливают до диаметра 0, 051 мм, сгибают, придавая ему U-образную форму, и наклеивают на подложку.

На рис. 6. 6, а изображен слиток монокристалла, а на рис. 6. 6, б — заготовка, вырезанная из слитка, где 1 и 2 — положе­ние и ориентация плоскостей кристалла (кристаллографические на­правления). Подвод тока к полупроводниковым датчикам осущест-

вляется через тонкие проводники диаметром 0, 05 мм, выполненные из никеля, серебра или золота и вплавленные в концы пластины при температуре около 400° С (см. 4 на рис. 6. 7).

Наклейка полупроводниковых тензодатчиков принципи­ально не отличается от наклейки проволочных и фольговых тензодатчиков. Если тензодатчик изготовлен на пленках БФ-2, ВЛ-7, слюде и дру­гих подложках, их следует приклеивать соответственно теми же клеями. Датчики, выполненные на бумажной подложке и без подложки, наклеиваются клеем БФ-2, который обеспечивает на­дежное сцепление с метал­лическими деталями и об­ладает высоким (порядка 1000 мОм) сопротивлением изоляции в пределах темпе­ратур от +20 до 140° С и малой ползучестью.

На рис. 6. 7 схематически изображен полупроводнико­вый тензодатчик, наклеен­ный на деталь.

ГЛАВА VII

Дата добавления: 2015-05-09