Полупроводниковые тензометры. (Тензорезисторы, тензодиоды, тензотранзисторы, тензотиристоры)

10.  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕНЗОМЕТРЫ

Полупроводниковым тензометром называют полупроводниковый прибор, предназначенный для измерения деформаций.

Сопротивление полупроводниковых материалов изменяется при их механической деформации. Это явление получило название тензоэффект и положено в основу работы полупроводниковых тензорезисторов, тензотранзисторов, тензотиристоров.

Изменение сопротивления полупроводника при механической деформации связано с деформацией кристаллической решетки, с изменением междуатомных расстояний, приводящим к изменению концентрации и подвижности носителей заряда. Тензочувствительность полупроводников зависит от типа электропроводности материала, его удельного сопротивления и направления приложения механической силы.

10.1.  Тензорезисторы

Полупроводниковым тензорезистором называют преобразователь линейной деформации в изменение активного сопротивления, принцип действия которого основан на тензорезистивном эффекте, а чувствительный элемент его выполнен из полупроводника.

Условное графическое изображение и устройство тензорезистора показаны на рис. 10.1, а, б.

                  а)                                              б)                                                     в)  

Рис. 10.1. Тензорезистор:

а - условное графическое изображение; б - устройство; в - ВАХ

Тензорезистор представляет собой полупроводниковую тонкую пластинку или пленку, нанесенную на изоляционную подложку, которая имеет два вывода.

На рис. 10.1, в приведена ВАХ полупроводникового тензорезистора, вид которой зависит от температурной характеристики его сопротивления, каждая точка характеристики соответствует определенной рассеиваемой мощности, а следовательно, и определенной температуре. ВАХ тензорезистора можно разделить на два участка: АБ - восходящая ветвь, от начала координат до точки максимума; БВ - участок с отрицательным наклоном, от точки максимума до точки, соответствующей максимально допустимой температуре.

Основными параметрами тензорезистора являются: начальное сопротивление R - сопротивление между выводами тензорезистора при нормальной температуре и начальное значение деформации. Тензорезистор представляет собой однородное по удельному сопротивлению тело постоянного сечения, поэтому

R  = ρ ⋅l(a⋅b),                                                     (10.1) где ρ - удельное сопротивление полупроводника; а, b, l - ширина, высота и длина кристалла.

Так как ВАХ тензорезистора нелинейна, начальное сопротивление зависит от значения установившегося тока:R =UI . Дифференциальное сопротивление r = dUdI . Его значение на участке АБ характеристики положительно, в точке Б равно нулю, а на участке БВ отрицательно.

Чувствительность тензорезистора S - это отношение приращения выходного сигнала тензорезистора к вызвавшей его деформации, направленной вдоль его главной оси:

∆^{R R} ,         (10.2)

S  = _∆l l

где ∆ll - относительное изменение длины чувствительного элемента (деформация).

Чувствительность зависит от типа электропроводности, удельного сопротивления материала, уровня деформации. На рис. 10.2 показана зависимость относительного изменения сопротивления кремниевого тензорезистора от относительной деформации для материалов с электропроводностью п- и p-типов.

Температурный коэффициент сопротивления β - это относительное изменение сопротивления при изменении температуры на 1 К:

∆∆^RT^R100% .                           (10.3) β ⁼

В зависимости от значения удельного сопротивления β может быть