НАКЛЕИВАЕМЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК ДЕФОРМАЦИЙ ДЛЯ ПРОЧНОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ
ADHERED SEMICONDUCTOR RESISTANCE STRAIN GAGE OF DEFORMATIONS FOR STRENGTH TESTING

Полупроводниковый наклеиваемый тензорезисторный датчик деформаций предназначен для измерения деформаций на деталях машин и механизмов в условиях однородных деформационных полей в процессе прочностных испытаний.
Проведенный поиск выявил известность наклеиваемых фольговых тензорезисторных мостов («Тензометрия в машиностроении», Москва, «Машиностроение», 1975 г., стр.81, табл.13), этот мост предназначен для наклейки на упругие элементы (мембраны) датчиков давлений, при этом мембраны должны быть определенного диаметра и иметь зоны сжатия и растяжения. Тензорезисторы (ТР), являющиеся составными частями этого моста, находятся в этих зонах и два из них, включенные в противоположные плечи моста, растягиваются, а два других сжимаются. При этих условиях сигналы всех четырех ТР складываются. Описанный тензорезисторный мост предназначен только для упругого элемента определенных типа и размера и совершенно не пригоден для измерения, собственно, деформаций при прочностных испытаниях. Известны также полупроводниковые тензорезисторные датчики (патенты: RU 2346250 от 05.07.2007, RU 2367061 от 15.05.2008 и WO 9924804 публ. 20.05.1999). В указанных конструкциях тензорезисторы соединяются в мост Уитстона, при этом два из них, находящихся на периферии, включены в противоположные плечи моста, а центральные - в другие противоположные плечи. Периферийные тензорезисторы находятся в зоне сжатия, а центральные в зоне растяжения. Только при этих условиях складываются сигналы всех четырех тензорезисторов. Эти измерительные тензорезисторные схемы выполнены интегрально с упругим элементом, они не могут быть от него отделены и установлены в другое место, а предназначены они также не для измерения деформаций, а для измерения давления. Следует иметь в виду, что конкретно каждый ТР в измерительной схеме работает от воздействия деформации, что отражено в названии ТР, но не измеряет ее, а измеряет давление. Каждый тензорезисторный датчик механической величины (сила, давление, перемещение, ускорение и т.д.) имеет деформированные зоны, в которых устанавливаются ТР. Величина деформации, как правило, пропорциональна измеряемой механической величине, но они не измеряют деформацию, так как в указанных датчиках это не нужно и невозможно ввиду того, что под каждым ТР она разная, отличаясь по величине и знаку.
При строгом рассмотрении приведенные устройства не могут служить ни аналогами, ни прототипами предлагаемого решения и, прежде всего потому, что предназначены для измерения любых механических величин, прежде всего давления, кроме, собственно, деформации.
-6
-6
-6
-6
-6
Предлагаемое техническое решение направлено на достижение следующего технического результата: 1) удвоение выходного сигнала; 2) температурная независимость. В тензометрии это является большой проблемой. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) наклеенного ТР определяется не только ТКС материала чувствительного элемента ТР, но и разницей температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материала чувствительного элемента ТР и материала, на который он наклеен. Весь спектр ТКЛР конструкционных материалов умещается в интервале 8·10÷24·10. Температурно независимый ТР называется самокомпенсированным ТР. У такого ТР ТКС материала погашается разницей ТКЛР. Понятно, что невозможно изготовить самокомпенсированные ТР для всех материалов, поэтому в мировой практике приняты три величины ТКЛР, для которых компенсируются ТР: 1) сталь (11·10); 2) медь (16·10); 3) алюминий (24·10). Признавая важность второго технического результата, обозначенного выше, поясним, как это достигается. Все четыре ТР в предлагаемом техническом решении осаждаются за один технологический процесс при одних и тех же режимах, следовательно они имеют равные ТКС. В предлагаемой конструкции, все четыре плеча моста Уитстона дают одинаковые приращения сопротивления от температуры, что совершенно не отражается на выходном сигнале. Таким образом, получаем термокомпенсированный датчик деформаций для любого ТКЛР и для любой температуры.
Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении его конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Устройство и принцип работы датчика поясняются чертежами, на которых представлены:
Фиг.1 - носитель.
Фиг.2 - датчик деформации с указанием воздействия на датчик продольной (измеряемой) и поперечной (влияющей) деформаций.
Фиг.3 - датчик деформации с дополнительными прорезями в носителе.
Фиг.4 - включение в мост Уитстона четырех чувствительных элементов (тензорезисторов) датчика.
Предлагаемый датчик деформаций включает в себя носитель 1 (фиг.1), который изготовлен с помощью литографических операций из тонкой (примерно 0.01 мм) металлической (например, константановой) фольги. В носителе 1 посредством прямоугольных отверстий 2 образованы две тонкие нити 3 и площадка 4 между ними. На носитель 1 осаждена в вакууме тонкая (примерно 0.002 мм) разделительная диэлектрическая (например, из моноокиси кремния) пленка 5 (фиг.2), которая повторяет форму носителя 1.
На диэлектрическую пленку 5 через специальную маску осаждены тензочувствительные элементы 6, 7 из моносульфида самария толщиной примерно 0.0005 мм, которые соединены в мост Уитстона (фиг.4), и металлические (например, из никеля) контактные площадки 8, которые являются входными и выходными контактами датчика. Также в носителе 1 могут быть дополнительно выполнены две сквозные прорези 9 (фиг.3), каждая из которых начинается от середины соответствующего крайнего прямоугольного отверстия 2 и перпендикулярна ему, образуя площадки 10, на которых, на диэлектрической пленке 5, повторяющей форму носителя 1, выполнены металлические контактные площадки 8.
Указанные прорези 9 препятствуют возникновению механических напряжений или способствуют значительному их уменьшению на концевых участках датчика.
Датчик измеряет деформацию в продольном направлении, при этом влияние поперечной деформации должно быть исключено. Работа тензочувствительных элементов основывается на относительном изменении сопротивления ΔR/R от относительной деформации ε. Эти величины связаны между собой посредством коэффициента пропорциональности, называемым коэффициентом тензочувствительности К: ΔR/R=К·ε. В то же время изменение выходного напряжения моста Уитстона ΔU/U определяется относительным изменением сопротивления конкретного плеча. Эти две величины связаны формулой ΔU/U=1/4 ΔR/R=1/4 К·ε.
Рассмотрим работу датчика деформаций, которая поясняется фиг.2 и 4.
прод
попер
попер.
прод
попер
прод
попер
В общем случае на наклеенный датчик деформации действует плоское деформационное поле с неизвестными величинами и направлением главных деформаций (напряжений). Это поле всегда можно разложить на две перпендикулярные составляющие. Отвлекаясь от того, как это делается, мы должны знать, что в общем случае на датчик действует продольная деформация ε, которая и подлежит измерению (фиг.2, фиг.3), и поперечная ε, влияние которой на датчик должно быть исключено. Тензочувствительные элементы 6, расположенные на нитях 3, могут деформироваться только вдоль нити 3, то есть на них воздействует только ε, напротив, тензочувствительные элементы 7, расположенные на площадке 4, испытывают воздействие как ε, так и ε и выходной сигнал пропорционален сумме этих деформаций ε+ε. Теперь, зная в каком месте датчика стоит каждый из четырех тензочувствительных элементов 6, 7, просуммируем их выходные сигналы, помня, что сигналы от смежных плеч моста складываются с противоположными знаками. Сохраним индексы плеч моста, как они указаны на фиг.4.
моста
прод
попер
7(1)
попер
6(1)
прод
попер
7(2)
попер
6(2)
ΔU/U=(1/4 К·ε+1/4 К·ε)-.(1/4 К·ε)+(1/4 К·ε+1/4 К·ε)-.(1/4 К·ε).
Считая равными выходные сигналы от тензочувствительных элементов, включенных в противоположные плечи моста, можно записать
моста
прод
ΔU/U=1/2 К·ε.
Как видим, на выходной диагонали моста удвоенное напряжение по сравнению с одиночным тензорезистором.
Что касается главного свойства изобретения - температурная независимость, то поскольку все четыре тензочувствительных элемента в предлагаемом техническом решении осаждаются за один технологический процесс при одних и тех же режимах, следовательно они имеют равные ТКС. В предлагаемой конструкции, поскольку все четыре плеча моста Уитстона дают одинаковые приращения сопротивления от температуры, это совершенно не отражается на выходном сигнале.
Таким образом, получаем термокомпенсированный датчик деформаций для любого ТКЛР и для любой температуры.