Высокотемпературный полупроводниковый тензорезистор
HIGH-TEMPERATURE SEMICONDUCTOR STRAIN GAGE

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к высокотемпературным полупроводниковым тензорезисторам, используемым как чувствительные элементы в датчиках, применяемых для измерения и контроля деформаций (напряжений) в деталях любого энергетического оборудования, двигателей внутреннего сгорания и других машин, работающих в условиях воздействия высоких температур, при циклических теплосменах и длительном стационарном режиме.
Наиболее близким по конструкции и достигаемому результату является высокотемпературный полупроводниковый тензорезистор, содержащий тензочувствительную пленку, сформированную из поликристаллического моносульфида самария, закрепленную между металлическими контактными площадками и установленную с возможностью взаимодействия с испытываемым объектом.
/RU 129214 U1 МПК G01B 1/00 Опубликовано: 20.06.2013/
Известная конструкция тензорезистора, представляет собой тонкую поликристаллическую пленку, сформированную на жестком носителе и отделена от чувствительного элемента диэлектрической пленкой. Носитель с тензорезистором размещается на поверхности исследуемого объекта с помощью переходных элементов (клеи, лаки и т.п.). Недостатками такой конструкции является значительная погрешность измерения, связанная с наличием в соединении промежуточных элементов - клея, носителя, укрывного слоя, искажающих картину деформаций поверхности объекта испытаний.
Задача изобретения - создание конструкции тензорезистора, исключающей необходимость размещения промежуточных элементов, искажающих картину деформаций, между тензочувствительным элементом и поверхностью объекта испытаний.
Ожидаемый технический результат - уменьшение искажений напряжений, действующих на поверхности объекта испытаний, повышение надежности и долговечности конструкции, повышение рабочей температуры, уменьшение размеров тензорезистора, снижение массы элементов, измерение максимального уровня напряжений в месте расположения тензочувствительной пленки независимо от направления растяжения-сжатия поверхности относительно расположения тензорезистора.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в известном высокотемпературном полупроводниковом тензорезисторе, содержащем тензочувствительную пленку, сформированную из поликристаллического моносульфида самария, закрепленную между металлическими контактными площадками и установленную с возможностью взаимодействия с испытываемым объектом, по предложению, тензочувствительная пленка сформирована непосредственно на поверхности испытываемого объекта и имеет мелкокристаллическую дефектную структуру с прыжковой проводимостью. Тензорезистор может быть снабжен диэлектрической пленкой, расположенной под металлическими контактными площадками, а испытываемый объект выполнен из металла или композита.
В предложенном решении исключаются промежуточные элементы между объектом испытания и тензочувствительным элементом (подложка, лаки, клеи и т.д.).
Тензочувствительную пленку из поликристаллического моносульфида самария непосредственно на поверхности испытываемого объекта формируют, например, ионно-лучевым распылением при различных температурах исследуемого объекта. Тонкие пленки сульфида самария, полученные из газовой фазы, содержат меньшее, в сравнении со стехиометрическим, количество серы, что приводит к образованию мелкокристаллической дефектной структуры с вакансиями в подрешетке серы. При этом в пленках, полученных при температурах исследуемого объекта около 410 К, концентрация таких дефектов выше, что существенно снижает величину и температурный коэффициент удельного электрического сопротивления пленки. При более низких температурах объекта концентрация вакансий в подрешетке серы уменьшается, и температурная зависимость электросопротивления приобретает полупроводниковый характер. Наилучшая температурная зависимость электрического сопротивления тонких пленок SmS достигается в диапазоне температур 200-300 К, в них преобладают механизмы «прыжковой проводимости». Кроме того при соприкосновении на поверхности испытываемого объекта и тензочувствительной пленки начнутся диффузионные процессы взаимодействия металлов с образованием кристаллических твердых растворов, что обеспечивает жесткость соединений и значительно уменьшает погрешность измерений.
Фиг. 1 - схема высокотемпературного полупроводникового тензорезистора.
Фиг. 2 - схема высокотемпературного полупроводникового тензорезистора с диэлектрическим вставками.
Конструкция полупроводникового тензорезистора содержит тонкую поликристаллическую пленку моносульфида самария 1, являющуюся тензочувствительным элементом, пленка сформирована на поверхности объекта испытаний 2. В непосредственном контакте с тензочувствительным элементом 1 на поверхности объекта испытаний 2 установлены контактные площадки 3 для присоединения к ним проводов 4. Если объект испытаний 2 состоит из токопроводящего вещества (металла), то контактные площадки 3 отделяются от поверхности объекта испытаний 2 слоем диэлектрика 5.
Датчик работает следующим образом.
При деформации объекта испытаний 2 на его поверхности возникают сжимающие (растягивающие) напряжения, приводящие к изменению длины участка поверхности, на котором расположен тензорезистор, следовательно, к изменению длины тензочувствительного элемента 1. При этом меняется расстояние между атомами кристаллической решетки материала тензочувствительного элемента 1, следовательно, меняются силы взаимодействия между атомами. Это вызывает изменение энергии образования электронно-дырочной пары в материале. В примесном полупроводнике деформация приводит к изменению расстояния между атомом примеси и окружающими его атомами кристаллической решетки. При этом меняется энергия ионизации, то есть изменяется сопротивление тензочувствительного элемента 1. Изменение сопротивления полупроводникового тензорезистора на основе моносульфида самария имеет линейную зависимость изменения сопротивления от деформации, таким образом, по изменению сопротивления тензочувствительного элемента (ilR), измеренного с помощью измерительной аппаратуры (Ом), определяется относительное удлинение (ilL) участка поверхности объекта исследования (мм) через формулу K=(ilR/R)/(ilL/L), где К - коэффициент тензочувствительности (для моносульфида самария К=30…100), R - измеренное сопротивление (для моносульфида самария R=0,2…20,0 кОм), L - длина тензочувствительного элемента вдоль оси растяжения (сжатия). По относительному удлинению участка поверхности объекта исследования пересчетом определяется величина действующих на этом участке напряжений. Тензочувствительный элемент 1 связан с измерительной аппаратурой с помощью проводов 4. Для связи проводов 4 с тензочувствительным элементом 1 на поверхности объекта испытаний формируются контактные площадки 3, позволяющие разместить место приварки (припайки) проводов без риска повреждения тензочувствительного элемента во время приварки (припайки) и испытаний. В случае когда объект испытаний выполнен из токопроводящего материала (металла), контактные площадки 3 формируются на слое диэлектрика 5, предварительно сформированном на поверхности объекта испытаний 2 в зоне расположения тензорезистора площадки.
Применение тензорезистора позволяет уменьшить искажения напряжений, действующих на поверхности объекта испытаний, повысить надежность и долговечность конструкции, повысить рабочую температуру, уменьшить размеры тензорезистора, снизить массу элементов, измерять максимальный уровень напряжений в месте расположения тензочувствительной пленки независимо от направления растяжения-сжатия поверхности относительно расположения тензорезистора.