НАКЛЕИВАЕМЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕНЗОРЕЗИСТОР

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в качестве чувствительного элемента в датчиках механических величин (силы, давления, веса, перемещения и т.д.).
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) [2].
Тензочувствительная пленка, выполненная из висмута, имеет низкую тензочувствительность.
Известен также наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, содержащий носитель из металлической фольги, сформированную с одной стороны носителя и, повторяющую его форму, разделительную диэлектрическую пленку, выполненную на ней тензочувствительную пленку из поликристаллического моносульфида самария в виде, по меньшей мере, одной полоски, металлические контактные площадки, сформированные на концах указанной тензочувствительной пленки и, выполненную с другой стороны носителя, полимерную подложку (заявка №2011125613 от 23.06.2011 (решение о выдаче патента от 11.05.2012)). В данном техническом решении носитель выполнен в виде нескольких нитей (полосок) и, соединенных с их концами, двух площадок, диэлектрическая и тензочувствительная пленки повторяют форму носителя.
Недостатком данного технического решения является большая величина температурного «дрейфа нуля», происходящего вследствие достаточно высокой температуры саморазогрева чувствительного элемента от питающего напряжения.
К предлагаемой полезной модели наиболее близко техническое решение, представляющее собой наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, содержащий носитель из металлической фольги, сформированную с одной стороны носителя и, повторяющую его форму, разделительную диэлектрическую пленку, выполненную на ней тензочувствительную пленку из поликристаллического моносульфида самария в виде, по меньшей мере, одной полоски, металлические контактные площадки, сформированные на концах указанной тензочувствительной пленки и, выполненную с другой стороны носителя, полимерную подложку (статья «Полупроводниковые тензорезисторы на основе моносульфида самария для космических аппаратов. Преобразование деформации», научно-технический журнал ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина», № 2 2012г. стр. 33-37, рис. 3). В данном техническом решении носитель выполнен в виде нити (полоски) и, расположенных на ее концах площадок, диэлектрическая и тензочувствительная пленки повторяют его форму.
Недостатком прототипа также как и в аналоге, является большая величина температурного «дрейфа нуля», происходящего вследствие достаточно высокой температуры саморазогрева чувствительного элемента от питающего напряжения. Кроме того, повышение температуры связующего (подложка) под чувствительным элементом, приводит к снижению его жесткости и, следовательно, к увеличению ползучести, что снижает, в конечном счете, точность измерений.
Полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в уменьшении температуры и времени саморазогрева чувствительного элемента.
Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении его конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Для достижения указанного технического результата предлагаемый наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, как и указанный наиболее близкий к нему известный тензорезистор, содержит носитель из металлической фольги, сформированную с одной стороны носителя и, повторяющую его форму, разделительную диэлектрическую пленку, выполненную на ней тензочувствительную пленку из поликристаллического моносульфида самария в виде, по меньшей мере, одной полоски, металлические контактные площадки, сформированные на концах указанной тензочувствительной пленки и, выполненную с другой стороны носителя, полимерную подложку.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом тензорезисторе, в отличие от, наиболее близкого к нему известного, носитель выполнен в форме прямоугольника и совпадает по площади с полимерной подложкой.
Ширина полоски и действующая ее длина, равная расстоянию между контактными площадками, выбираются исходя из требуемого сопротивления тензорезистора.
2
2
На чувствительном элементе тензорезистора рассеивается мощность W=U/R, где U - напряжение питания тензорезистора, a R - его электрическое сопротивление. Выделяемое при этом тепло поглощается носителем (небольшая часть радиирует в окружающую среду), который выполняет роль аккумулятора, поглощающего выделяемое тепло. Емкость «аккумулятора» в прототипе существенно ниже, чем в предлагаемом изобретении, так как она (емкость) пропорциональна объему (здесь площади, так как толщины носителя в прототипе и предложенном тензорезисторе равны) носителя, на котором расположен чувствительный элемент - в прототипе - тонкая нить, а в предлагаемой полезной модели носитель выполнен в виде прямоугольной площадки, следовательно, прототип нагреется сильнее. Тепловые расчеты показывают, что при всех равных условиях (U=5 В; R=5 000 Ом; площадь чувствительного элемента S=0.3×0.3 мм; W=0.005 Вт) приращение температуры чувствительного элемента в прототипе от питающего напряжения составляет 4.38°С, тогда как в предлагаемом изобретении всего 0.17°С, то есть в 25 раз меньше. Для теплового расчета была использована система моделирования и конечно-элементного анализа конструкций MSC.visualNastran for Windows.
Таким образом, выполнение носителя в виде прямоугольника отностительно большой площади (совпадающим по размерам: длине и ширине, с подложкой) позволило снизить температуру саморазогрева чувствительного элемента тензорезистора и значительно снизить такое неприятное явление, как дрейф нуля, при включении системы измерений. Кроме того, уменьшив температуру саморазогрева чувствительного элемента, уменьшили температуру связующего (подложка) под чувствительным элементом, что в свою очередь уменьшило снижение его жесткости и, следовательно, уменьшило ползучесть, а это, в конечном счете, позволило повысить точность измерений.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:
- на фиг.1 - общий вид тензорезистора;
- на фиг.2 - продольный разрез А-А тензорезистора;
- на фиг.3 - поперечный разрез Б-Б тензорезистора.
Предлагаемый тензорезистор, содержит полимерную подложку 1, выполненную, например, из лака ВЛ-931 толщиной 20÷30 мкм. Носитель 2, выполненный из тонкой (3÷10 мкм) металлической (например, константан) фольги. Сформированную с одной стороны носителя 2, диэлектрическую разделительную пленку 3 (например, моноокись кремния SiO толщиной 1÷3 мкм). При этом носитель 2 и диэлектрическая пленка 3 по форме и размерам (длина и ширина) совпадают с полимерной подложкой 1. На диэлектрической пленке 3 выполнена тензочувствительная пленка из моносульфида самария (SmS) толщиной 0,5÷1 мкм в виде полоски 4 (по меньшей мере, одной). На концах указанной тензочувствительной полоски 4 выполнены металлопленочные контактные площадки 5, осуществляющие с ней электрический контакт. Расстояние между площадками 5 определяет длину рабочей не зашунтированной части полоски 4 и, следовательно, электрическое сопротивление. Полимерная подложка 1 оформлена с другой стороны носителя 2.
Применение тонкой фольги в качестве носителя объясняется тем, что испарение и конденсация пленки моносульфида самария происходит при высоких температурах. Так температура испарителя 2600°÷3000°С. Осаждение диэлектрической 3, тензочувствительной 4 и металлической (контакты 5) пленок на носитель 2 осуществляют при температуре (350÷400°С), которую не выдержит ни одно полимерное связующее, а испарения из полимера при нагревании не позволяют достичь высокого вакуума, поэтому полимерная подложка 1 оформляется с другой стороны носителя 2 после конденсации пленок 3, 4, 5.
Тензорезистор работает, как и любые другие. По соответствующей технологии он наклеивается на поверхность исследуемой детали. Контактные площадки 5 подключаются к измерительной системе, при включении котоирой на тензочувствительную пленку (полоска 4) подается электрическое напряжение. При механических силовых воздействиях деталь деформируется (растягивается или сжимается), при этом растягивается или сжимается и наклеенный на деталь тензорезистор на величину ΔL, получая относительную деформацию ΔL/L, что в свою очередь, приводит к относительному изменению сопротивления (ΔR/R) тензорезистора. Величины ΔL/L и ΔR/R связваны между собой через коэффициент тензочувствительности:
ΔR/R=КΔL/L, где
К - коэффициент тензочувствительности;
ΔL/L - относительная деформация;
ΔR/R - относительное изменение сопротивления.
Измерение величины относительного изменения сопротивления производится с помощью тензоусилителей. При прохождении электрического тока через полоску 4 тензочувствительной пленки происходит ее разогрев, что приводит, в случае использования прототипа, когда носитель выполнен в виде нити (полоски) и имеет маленькую площадь, к такому явлению как дрейф нуля, что в свою очередь отражается на точности измерений. В предложенной конструкции тензорезистора, носитель 2 имеет размеры, а, следовательно, и площадь, значительно большие, чем полоска 4 и, соответственно, поглощает значительно больше тепла, уменьшая ее разогрев и практически, исключая дрейф нуля, что положительно отражается на точности измерений.
Таким образом, конструкция предложенного тензорезистора позволила исключить те негативные явления, которые связаны с некоторым перегревом тензочувствительного элемента, а также исключить снижение точности измерений за счет уменьшения эффекта ползучести вызванного нагревом связующего (подложка).
Следует отметить, что тензорезистор имеет поперечную чувствительность и может применяться только для оснащения тензодатчиков механических величин, а не для измерения деформаций. Надо помнить также о том, что массивный (большой по площади) носитель затрудняет передачу деформации на чувствительный элемент. Комфортные тепловые условия и комфортная передача деформации это взаимно исключающие требования. Бесконечно разнообразные области применения тензометрии, позволяют использовать тензорезисторы с различными характеристиками и все это разнообразие должно находиться в арсенале измеренца. В нашем случае, когда емкий аккумулятор-носитель не позволяет перегреться чувствительному элементу тензорезистора, выгоднее использовать на элементах с плохой теплопроводностью, при наклейке использовать более жесткие клеи, а сам носитель изготавливать из более тонкой фольги и (или) для лучшего сцепления перфорировать его.