В. Выбор и обоснование тензорезистивного преобразователя

Высокая чувствительность полупроводниковых тензометрических чувствительных элементов (тензорезисторов), превышающая на два порядка чувствительность проволочных тензодатчиков, вызвала большой интерес во всех развитых странах мира.

Чувствительность полупроводниковых тензорезисторов (ПТ) в основном определяется изменением их удельного сопротивления под действием механического напряжения. В наиболее простом случае механические напряжения, компоненты электрического поля и плотности тока действуют в одном и том же продольном (относительно кристалла тензорезистора) направлении. Если R₀ –продольное сопротивление недеформированного кристалла, ΔR – изменение этого сопротивления под действием продольного напряжения σ, то

где - коэффициент продольного пьезосопротивления.

Коэффициент тензочувствительности ПТ:

где - относительное изменение длины ПТ; Е – модуль продольной упругости материала ПТ.

Значения тензорезистивных коэффициентов зависят от концентрации примесей в кремнии и однозначно связаны с удельным сопротивлением кремния. Для р – кремния () ; ; для п – кремния () ; [2.19].

Коэффициент тензочувствительности у ПТ высок (S=50 150): на два порядка выше, чем у металлических тензорезисторов, в этом и заключается одно из основных положительных свойств ПТ.

Большинство выпускаемых полупроводниковых тензорезисторов изготовляют из кремния. Изменение коэффициента тензочувствительности кремния в зависимости от ориентации и величины удельного сопротивления показано на рис.2.7; наибольшей чувствительностью обладает слабо легированный кремний (111) р - типа и (100) п – типа.

Рис.2.7. Изменение коэффициента тензочувствительности в

зависимости от удельного сопротивления и ориентации

кристалла (при комнатной температуре)

Приращение сопротивления кремниевых тензорезисторов описывается уравнением:

где Т – абсолютная температура; Н₁, Н₂, Н₃ – константы.

Экспериментально найдено, что для кремния с :

Из этих уравнений следует, что линейность в пределах 1% (что требуется для большинства датчиков) обеспечивается только при относительных деформациях (р -тип) и (п -тип), тем самым значительно ограничивается чувствительность для ПТ. Также видно, что ПТ р -типа имеет более линейную характеристику при растяжении, а п -типа – при сжатии (рис.2.8.) [2.16]

Рис.2.8 Изменение сопротивления кремния при деформации

Температурный коэффициент чувствительности (ТКЧ) определяется изменением коэффициентов тензочувствительности под действием температуры. Для полупроводниковых тензорезисторов из кремния р - типа ТКЧ достигает .

Для выяснения механизма влияния условий напыления и импульсной токовой тренировки на тензочувствительность пленок германия была снята зависимость сопротивления пленок от частоты напряжения питания (рис.2.9) Кривая 1 – для пленок, напыленных при Т =400 ⁰С; кривая 2 – для напыленных при 550 ⁰С или прошедших токовую обработку.

Рис.2.9 Зависимость сопротивления пленочных тензорезисторов из

Ge от частоты питающего напряжения: 1 - Т_н =400 ⁰С; 2- Т_н =550 ⁰С

ТК R тензорезистора составил 0,06…0,07% град^-1, температурный коэффициент начального разбаланса -0,04% град^-1 в диапазоне температур ±60 ⁰С. Система температурной компенсации обеспечивает стабильность выходного полезного сигнала с температурным коэффициентом 0,03…0,05% град^-1. Выходной сигнал тензопреобразователя показан на рис.2.10 [2.20,2.21].