НАКЛЕИВАЕМЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕНЗОРЕЗИСТОР
BONDED SEMICONDUCTOR RESISTIVE STRAIN GAUGE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как в прочностных испытаниях для определения напряженного состояния конструкций, так и в качестве чувствительного элемента в датчиках механических величин (силы, давления, веса, перемещения и т.д.).
Известен тензорезистор (SU 1717946, G01B 7/16, 7/18, опубл. 07.03.1992), содержащий тензочувствительную полоску из моносульфида самария, контактные площадки и диэлектрическую подложку из силикатного стекла.
Недостатком такого решения является ограниченная область применения: определение напряженного состояния внутри массы бетона или других затвердевающих материалов.
Известен наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, содержащий полимерную подложку, тензочувствительную пленку и металлические контакты на концах тензочувствительной пленки (Д.Т.Анкудинов, К.Н.Мамаев. Малобазные тензодатчики сопротивления, Машиностроение, 1968, стр.47-50).
Тензочувствительная пленка, выполненная из висмута, имеет низкую тензочувствительность.
Наиболее близким техническим решением является наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, содержащий полимерную подложку, выполненный на ней носитель из металлической фольги в виде прямоугольных площадок, соединенных полоской, сформированные на другой стороне носителя повторяющую его по форме и размерам, разделительную диэлектрическую пленку, а также тензочувствительную пленку из поликристаллического моносульфида самария и две металлопленочные площадки (патент №2463687 от 23.06.2011, опубл. 10.10.2012). В данной конструкции тензочувствительная пленка также повторяет по форме и размерам носитель. Между контактными металлопленочными площадками оставлен незашунтированный участок тензочувствительной пленки и ток проходит по полоске тензочувствительной пленки, вдоль нее.
Недостатком прототипа является слишком высокое сопротивление, которое трудно согласовать с входными характеристиками тензопреобразователя.
Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в получении тензорезистора с высокой тензочувствительностью и относительно низким электрическим сопротивлением при малых размерах.
Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении его конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом наклеиваемом полупроводниковом тензорезисторе, также как и в прототипе, содержащем полимерную подложку, выполненный на ней носитель из металлической фольги в виде прямоугольных площадок, соединенных полоской, сформированные на другой стороне носителя повторяющую его по форме и размерам, разделительную диэлектрическую пленку, а также тензочувствительную пленку из поликристаллического моносульфида самария и две металлопленочные площадки, в отличие от прототипа каждая металлопленочная площадка расположена на разделительной диэлектрической пленке и представляет собой прямоугольную площадку с выступом в виде полоски, при этом длина каждой полоски обеспечивает их взаимное перекрытие в центральной части тензорезистора, а тензочувствительная пленка выполнена в виде полоски, расположенной между концами выступов металлопленочных площадок в зоне их перекрытия.
В отличие от всех известных тензорезисторов, в которых ток проходит вдоль тензочувствительной полоски, между контактными площадками (металлические пленки), в предложенном техническом решении он проходит по нормали к плоскости полоски, которая расположена между выступами металлических пленок, в зоне их взаимного перекрытия, что и позволяет снизить его электрическое сопротивление, сохранив высокую тензочувствительность при малых размерах.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 - наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор в плане;
на фиг.2 - продольный разрез тензорезистора;
на фиг.3 - направление проходящего тока в прототипе;
на фиг.4 - направление проходящего тока в предлагаемом изобретении.
Предлагаемый наклеиваемый тензорезистор содержит полимерную подложку 1, выполненный на ней носитель 2 из тонкой (например, 0.01 мм) металлической (например, константановой) фольги в виде прямоугольных площадок, соединенных полоской (форма гантели). На носителе 2 сформирована повторяющая его по форме и размерам, разделительная диэлектрическая пленка 3. Тензорезистор также содержит тензочувствительную пленку 4 из поликристаллического моносульфида самария и две металлопленочные площадки 5 (контактные площадки). Каждая металлопленочная площадка 5 расположена на разделительной диэлектрической пленке 3 и представляет собой прямоугольную площадку с выступом в виде полоски 6, длина каждой полоски 6 обеспечивает их взаимное перекрытие в центральной части тензорезистора, а тензочувствительная пленка 4 выполнена в виде полоски, расположенной между концами выступов 6 металлопленочных площадок 5 в зоне их перекрытия.
Предложеный тензорезистор работает следующим образом.
Работает тензорезистор также как и прототип, по соответствующей технологии он наклеивается на поверхность исследуемой детали. При механических силовых воздействиях деталь деформируется (растягивается или сжимается), при этом растягивается или сжимается и наклееный на деталь тензорезистор на величину ΔL, получая относительную деформацию Δ/L, что в свою очередь, приводит к относительному изменению сопротивления (ΔR/R) тензорезистора. Величины ΔL/L и ΔR/R связаны между собой через коэффициент тензочувствительности:
ΔR/R=KΔL/L,
где K - коэффициент тензочувствительности;
ΔL/L - относительная деформация;
ΔR/R - относительное изменение сопротивления.
Отличает предлагаемый тензорезистор от известного лишь чрезвычайно низкое электрическое сопротивление вследствие очень маленькой длины полупроводника и значительного поперечного сечения.
На фиг.4 и 5 показано направление прохождения тока в прототипе (фиг.4) и предлагаемом тензорезисторе (фиг.5). Для сравнения возьмем два одинаковых по размеру чувствительных элемента 0.3×0.3×0.0005.
R=ρ·L/b·h
Сопротивление R пропорционально удельному сопротивлению ρ, длине проводника L (размер проводника в направлении прохождения тока) и обратно пропорционально поперечному сечению b·h, где b - ширина проводника, h - толщина проводника.
2
2
Примем удельное сопротивление чувствительных элементов прототипа и предлагаемого тензорезистора равными. Тогда длина проводника в прототипе - 0.3 мм, а в предлагаемом изобретении 0.0005 мм, то есть в 600 раз меньше. Поперечное сечение прототипа 0.3×0.0005=0.00015 мм, а предлагаемого изобретения 0.3×0.3=0.09 мм, то есть в 60 раз больше, а в общем 60×60=36000, то есть при всех равных условиях сопротивление предлагаемого тензорезистора будет в 36000 раз меньше, чем прототипа. Это позволяет выбрать такие режимы пыления (осаждения) поликристаллической пленки моносульфида самария, при которых она имеет максимальную чувствительность.
Таким образом, предложенная конструкция наклеиваемого полупроводникового тензорезистора позволяет снизить его электрическое сопротивление, обеспечив высокую тензочувствительность при малых размерах, перенаправив ток по нормали к плоскости тензочувствительной полоски, которая расположена между выступами металлических пленок, в зоне их взаимного перекрытия.