НАКЛЕИВАЕМЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕНЗОРЕЗИСТОР

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована как в прочностных испытаниях для определения напряженного состояния конструкций, так и в качестве чувствительного элемента в датчиках механических величин.
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.
К предлагаемой полезной модели наиболее близко техническое решение, представляющее собой наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, содержащий носитель из металлической фольги в виде нити с площадками на ее концах, сформированную с одной стороны носителя полимерную подложку, расположенные на другой стороне носителя, диэлектрическую пленку и тензочувствительную пленку из поликристаллического моносульфида самария, выполненные послойно, с повторением формы носителя, а также, сформированную на тензочувствительной пленке и, выполняющую роль контактов, металлическую пленку (патент №2463687 от 23.06.2011).
Недостатком прототипа является искажение передачи деформации объекта, обусловленное влиянием площадок носителя на рабочую нить, что уменьшает точность измерений, а также невозможность выбора электрического сопротивления тензорезистора после его наклейки на испытуемый объект.
Полезная модель направлена на достижения технического результата, заключающегося в повышении точности измерений и обеспечении возможности выбора электрического сопротивления тензорезистора.
Предлагаемый наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, как и указанный наиболее близкий к нему известный тензорезистор по патенту №2463687, содержит носитель из металлической фольги в виде нити с площадками на ее концах, сформированную с одной стороны носителя полимерную подложку, расположенные на другой стороне носителя, диэлектрическую пленку и тензочувствительную пленку из поликристаллического моносульфида самария, выполненные послойно, с повторением формы носителя, а также, металлическую пленку, выполняющую роль контактов и сформированную на тензочувствительной пленке.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом тензорезисторе, в отличие от наиболее близкого к нему известного, наклеиваемого полупроводникового тензорезистора, носитель, и повторяющие его форму тензочувствительная и диэлектрическая пленки, выполнены в виде двух параллельных нитей, при этом концы каждой из них изогнуты под прямым углом и соединены с боковыми сторонами площадок, а металлическая пленка также повторяет форму носителя, но с промежутком в средней части каждой нити, кроме того промежутки нитей металлической пленки могут быть выполнены разной величины.
Выполнение нитей носителя и пленок, повторяющих его форму в виде нитей, концы которых изогнуты под прямым углом и соединены с боковыми сторонами площадок, позволяет в зависимости от необходимости, либо уменьшить (если концы нитей соединены с боковыми сторонами площадок со смещением относительно их середин), либо исключить влияние контактов на рабочую нить тензорезистора. Выполняя промежутки нитей металлической пленки разной величины можно разнообразить выбор электрического сопротивления. Кроме того, наличие двух нитей вместо одной в прототипе позволяет выбрать необходимое электрическое сопротивление обрывом одной из нитей.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 - общий вид тензорезистора;
на фиг. 2 - поперечный разрез тензорезистора;
на фиг. 3 - электрическая эквивалентная схема тензорезистора.
на фиг. 4 - тензорезистор в нормальном (тонкие линии) и деформированном состоянии.
Наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, содержит носитель 1 из металлической фольги, выполненный в виде двух параллельных нитей 2 и двух площадок 3, при этом концы каждой из нитей 2 изогнуты под прямым углом и соединены с боковыми сторонами площадок 3. С одной стороны носителя 1 сформирована полимерная подложка 4, а с другой стороны носителя 1 расположены диэлектрическая пленка 5 и тензочувствительная пленка 6 из поликристаллического моносульфида самария, выполненные послойно, при этом пленки 5 и 6 повторяют форму носителя 1. Металлическая пленка 7, выполняющая роль контактов и сформированная на тензочувствительной пленке 6 также повторяет форму носителя 1, но с промежутком в средней части каждой нити, если указанные промежутки металлической пленки 7 будут выполнены разного размера, то, соответственно и сопротивления будут разными.
Предлагаемый тензорезистор используется и работает следующим образом.
Для начала рассмотрим механизм влияния площадок на нить тензорезистора на примере прототипа. На фиг. 4 поясняется механизм воздействия контактной площадки на рабочую нить в прототипе. Пунктиром представлен тензорезистор (прототип), на который не действует деформация ни в продольном, ни в поперечном направлениях (ε=0). Длина нити равна 1, расстояние между осями контактных площадок (O-O) равно L, размеры контактных площадок BxB. Основными линиями показан этот же тензорезистор при воздействии поперечной деформации (ε=x), при этом продольная деформация остается равной нулю (ε=0). Тогда площадки растянутся в поперечном направлении на величину Bε и размер ее в поперечном направлении будет B=B+Bε. Напротив, размер площадок в продольном направлении уменьшиться на величину Bεµ., где µ - коэффициент Пуассона, и станет равным В=В-Вец. Полагая, что размеры площадок изменяются симметрично относительно центральных осей, размер между осями O-O останется равным L. В то же время сузившаяся в продольном направлении площадка потянет за собой рабочую нить, которая удлинится на величину Bεµ и станет равной 1=B+Bεµ. В данном примере тензорезистор покажет наличие растягивающей деформации объекта, которой в действительности нет. Заметим, что, если учитывать взаимодействие со связующим, то реально этот механизм несколько сложнее, но он есть и отмечен в практических работах на градуировочной балке. Отметим также, что точки на боковых площадках, лежащие на центральных осях, «O» не изменили своего положения и являются наиболее выгодным местом подсоединения рабочих нитей тензорезистора, если разработчик хочет совершенно избавиться от влияния контактных площадок.
Предлагаемый тензорезистор будучи наклеен на объект, повторяет его деформацию, изменяя электрическое сопротивление ΔR/R. Эти величины связаны между собой посредством коэффициента тензочувствительности K:
ΔR/R=KΔL/L
Где: K - коэффициент тензочувствительности;
ΔL/L - относительная деформация;
ΔR/R - относительное изменение сопротивления.
Соединив изогнутые концы нитей 2 с боковыми сторонами площадок 3, мы исключаем (или уменьшаем, если соединение не по центру боковых сторон площадок 3) влияние самих площадок 3 на рабочие нити 2 (см. на примере прототипа).
1
2
3
3
1
2
1
2
1
2
3
В предлагаемом тензорезисторе имеется также возможность выбора рабочего сопротивления. Так в исходном состоянии тензорезисторы R и Rсоединены параллельно, как это представлено на фиг. 3 и их общее сопротивление R определяется по формуле R=RR/R+R. Если промежутки (разрывы) металлической пленки 7 на нитях 2 будут разной величины, то и сопротивления R и R будут разными, например, если разработчик выберет R=350 Ом (Западный стандарт), а R=400 Ом (Российский стандарт), то R будет равно примерно 200 Ом (Российский стандарт). Так же можно выбрать необходимое сопротивление тензорезистора обрезав одну из нитей 2.
Таким образом, вышеуказанное выполнение наклеиваемого тензорезистора позволяет исключить (или уменьшить) деформирующее влияние площадок на нити в процессе работы, что в свою очередь приводит к повышению точности измерений, а выполнение промежутков нитей металлической пленки разной величины и возможность обрезать одну из нитей позволяет выбрать необходимое сопротивление тензорезистора и разнообразить выбор электрического сопротивления.