Резистивные чувствительные элементы

Резистивные ЧЭ нашли широкое применение во всех областях измери­тельной техники. Принцип их действия основан на измерении вариаций электросопротивления (далее — просто сопротивления) резистора R, опре­деляемого по формуле

где ρ,l и s — удельное электросопротивление, длина и сечение проводника соответственно.

Промышленно выпускают аналоговые и цифровые резистивные ЧЭ. Аналоговые резистивные ЧЭ изготовляют из проводников, полупровод­ников и проводящих жидкостей. Они имеют сопротивление в диапазоне 1..10⁶ Ом. Сопротивление цифровых ЧЭ, представляющих собой разные коммутаторы (тиристоры, фотоэлектрические устройства и т. д.), практически неограниченно. Допуски на резистивные ЧЭ указывают в процентах в соот­ветствии со следующим рядом: 0,001 0,002 0,005 0,01... 1 2 5 10 20 30.

В системах управления при построении потенциометрических датчиков положения и перемещения широкого диапазона измерения используют пе­ременные (проволочные и пленочные) резисторы. Их сравнительная харак­теристика приведена в табл. 2.1.

Для измерения сил и микроперемещений в качестве первич­ного преобразователя информа­ционных систем тактильной модальности используют тензорезистор, представляющий собой металлическую нить различной формы (рис. 2.1). Тензорезистор устанавливают на поверхности упругого элемента датчика. Воз­никающая в упругом элементе деформация вызывает изменение состояния ЧЭ в соответствии с явлением тензоэффекта. Диапазон допустимых деформаций тензорезиетора определяется необходимой точно­стью измерений и при погрешности 0,1 % составляет 10^-5... 2*10^-1.

Тензоэффектом называется свойство проводников и полупроводников изменять электрическое сопротивление при деформации. У полупроводников тензоэффект связан с изменением удельного электросопротивления, причем знак тензоэффекта зависит от типа проводимости материала, а значение — от кристаллографического направления. Принцип действия тензорезиcтора основан на законе Гука:

где σ, ε, Е — напряжение, линейная деформация и модуль Юнга соответственно. Так, для стали σ=(2...8)*10⁸ Па, Е = (1,8...2,9)* 10¹¹ Па, для свинца σ= (5...10)*10⁶ Па, Е = (5...18)*10⁹ Па.

Сопротивление металлической нити R = ρl/S при деформации изменяется по закону

Здесь ν - коэффициент Пуассона, равный отношению поперечной деформации к продольной, ν=-ε_lпоп/ε_lпрод;k_р — коэффициент пьезосопротивления. В зоне линейной упругости ν=0,3. Для нити прямоугольного сечения принимают s = ab, для нити круглого сечения — s = nR², откуда следует Δs/s=2 νΔl/l.

Тензочувствительность первичного преобразователя S_T определяется за­висимостью

Слагаемое (l+2ν) характеризует изменение S_Т в зависимости от геометрии, а

к_р — в зависимости от свойств материала. Тензочувствительность показывает, насколько относительное изменение сопротивления ЧЭ превосходит его относительную деформацию. Например, для металлических тензорезисторов ν = 0,3, к_р = 0,4 и, следовательно, S_T ≈2. Таким образом, функцию преобразования тензорезисторного ЧЭ можно представить в виде Δ R/R = S_TΔl/l или, обозначив Δ R/R =ε _R, а Δl/l = ε _l, получаем ε _R = S_T ε _l.

Важной характеристикой тензорезисторов является их температурная чувствительность, приводящая к изменению сопротивления даже в отсутствии деформации упругого элемента (рис. 2.2). Для ее оценки используют температурный коэффициент сопротивления α_R= ΔRT/(RΔT), где ΔRT — изменение сопротивления тензорезиетора под действием температуры; значения коэффициента α_R изменяются от 2*10^-5 °С^-1 для кон- стантана до 10*10^-5 °С^-1 для нихрома и до 19*10^-5 °С^-1 для изоэластика.

Тензорезисторы подразделяются три основные группы: проволочные, фольговые и полупроводниковые.

Основой проволочных тензорезисторов является струна из константановой (Сu — Ni — Мn) про­волоки диаметром 2...30 мкм,вклеенная с помощью фенольной смолы между бумажными подложками. Струну изготавливают либо волочением, либо методами микрометаллургии.

В фольговых тензорезисторах (см. рис. 2.1, а) используют константановую решетку, которую вытравливают фотохимическим способом из листов толщи­ной 5... 10 мкм и приклеивают на бумагу толщиной 30... 100 мкм. Тензорезисторы этого типа имеют наилучшую избирательность благодаря оптимизации рисунка решетки. Например, для уменьшения влияния поперечных деформа­ций поперечные части решетки делают толще продольных. При этом их со­противление уменьшается.

Полупроводниковые тензорезисторы (см. рис. 2.1, б) также представляют собой проволоку или решетку из монокристаллического германия или кремния. Их подразделяют на две группы: струнные и диффузионные. Струнные тензорезисторы изготавливают методом травления. Толщина струнных тензорезисторов составляет 20...50 мкм, ширина до 0,5 мм и длина 2…12 мм. Диффузионные тензорезисторы получают при помощи инжектирования примесей непосредственно в монокристалл кремния, являющийся упругим элементом датчика. Изоляционный слой образуется благодаря

p-n-переходу, смещенному в обратном направлении. Данная технология обеспечивает получение идентичных параметров у всех ЧЭ. Сравнительная характеристика тензорезисторных ЧЭ дана в табл. 2.2.

Наилучшими эксплуатационными характеристиками обладают фольго­вые тензорезисторы. Для них характерна малая поперечная тензочувствительность S_т^поп и хорошая температурная стабильность. В области линейных

упругих деформаций (при ε_l< 0,65 %, ν = 0,3) Для константана S_T = 2 при

α_R =2*10^-5 К^-1. Проволочным тензорезисторам свойственна большая, чем фольговым, поперечная тензочувствительность. В расчетах полагают, что для них S_T^поп =2*10^-2 S_T. Полупроводниковые тензорезисторы при очень большой S_T (выше 100) обладают нелинейной функцией преобразования и самой высокой из всех тензорезисторов температурной чувствительностью. Для расширения температурного диапазона эксплуатации (от -271 до 400 °С) их выполняют по технологии «кремний на сапфире».

При размещении тензорезистора на поверхности упругого элемента его температурный коэффициент сопротивления становится зависим от мате­риала упругого элемента. Температурная компенсация тензорезистора достигается при использовании материалов с согласованными для тензорезистора и упругого элемента температурными коэффициентами линейного расширения α_l. В этом случае вместо α_R используют интегральный коэффициент β, учитывающим материал упругого элемента. Общее изменение сопротивления тензорезистора, установленного на упругий элемент, составит (ΔR_T/R)_∑= β ΔT, где β= S(α_lT - α_ly),а α_lT и α_ly — температурные коэффициенты линейного расширения материалов тензорезистора и упругого элемента. Датчик считается термокомпенсированным, если β < 1,5*10^-6 °С^-1 . Эффективная термокомпенсация обеспечивается для дат­чиков с упругими элементами из титана, стали, меди и других материалов с постоянными α_R. Для тензорезисторов, работающих в динамических ре­жимах, специальных мер термокомпенсации не применяют.

Дата добавления: 2015-08-26