ТЕНЗОРЕЗИСТОР (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к измерению и контролю механических величин, в частности, к контролю напряжённого состояния различных конструкций и изготовлению датчиков всевозможных механических величин тензорезисторного типа, и может быть использована при изготовлении датчиков деформации, силы, давления, перемещения, вибрации и т.п.
В объектах техники нередко возникает задача измерения механических величин. Это случается как на стадии проектирования различных машин, механизмов, конструкций, транспортных средств и др., так и при их эксплуатации. Наиболее часто эта задача решается путем применения методов и средств тензометрии, где основным измерительным устройством является тензорезистор.
Основными недостатками существующих тензорезисторов является их малый коэффициент тензочувствительности, зависимость выходного сигнала от температуры, характеризуемая величиной температурного коэффициента сопротивления, приводящая к понижению точности измерений. Коэффициент тензочувствительности К определяется как отношение относительного изменения электросопротивления тензорезистора ΔR/R к величине относительной деформации ε, K=(ΔR/R)/ε. Температурный коэффициент сопротивления α (ТКС) определяется как относительное изменение электросопротивления тензорезистора при изменении температуры на один градус, α=(ΔR/R)/ΔT.
Известен тензорезистор для измерения деформаций и давления, в котором тензочувствительный элемент выполнен на основе тонкой поликристаллической плёнки сульфида самария - SmS (Каминский В.В., Смирнов И.А., Редкоземельные полупроводники в датчиках механических величин, Приборы и системы управления, 1985, №8, с.22-24), обладающий высоким коэффициентом тензочувствительности и хорошей линейностью выходных характеристик в климатическом интервале температур. Конструкция его представляет собой диэлектрическую подложку, на которую нанесён тензочувствительный слой из SmS и металлические контактные площадки, к которым припаяны токовыводы. При деформировании подложки деформируется также слой SmS, электросопротивление которого изменяется прямо пропорционально деформации. Это изменение электросопротивления фиксируется электронной аппаратурой.
*
-3
-1
*
-3
-1
Основным недостатком этого тензорезистора является существенное изменение относительного электросопротивления ΔR/R под действием температуры, так, что температурный коэффициент сопротивления α в климатическом интервале температур меняется от (-210 град) до (-410 град), что приводит к увеличению погрешности измерений.
*
-3
-1
За прототип предлагаемого тензорезистора (варианты) принят тензорезистор для измерения деформаций и давления на основе поликристаллической тонкой плёнки SmS, (а.с. SU №1717946, G01B 7/16, G01B 7/18), расположенной на диэлектрической подложке, к пленке присоединены металлические контактные площадки, с припаянными токовыводами, Тензорезистор имеет высокий коэффициент тензочувствительности К=40, а величину ТКС α=-210 град.
Недостатком его является большая величина температурного коэффициента сопротивления (ТКС), что приводит к погрешности измерений и уменьшению точности.
Предлагаемая полезная модель (варианты) решает задачу повышения точности измерений тензорезистора при сохранении чувствительности.
1-x
x
Задача по первому варианту решается тензорезистором для измерения деформаций и давления, включающим диэлектрическую подложку с нанесённым тензочувствительным слоем в виде поликристаллической пленки, содержащей сульфид самария, и металлическими контактными площадками, расположенными на одной поверхности пленки, с припаянными к ним токовыводами, в котором, согласно полезной модели, тензочувствительный слой выполнен с отверстиями, соединяющими контактные площадки, и имеет состав SmLnS, где Ln - один из элементов: La, Се, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, Y, при 0<x<0,3.
1+z
По второму варианту задача решается тензорезистором для измерения деформаций и давления, включающим диэлектрическую подложку с нанесённым тензочувствительным слоем в виде поликристаллической пленки, содержащей сульфид самария, и металлическими контактными площадками, расположенными на одной поверхности пленки, с припаянными к ним токовыводами, в котором, согласно полезной модели, тензочувствительный слой выполнен с отверстиями, соединяющими контактные площадки, и имеет состав SmS, где 0<z≤0.17.
1-x
x
1-x
x
Как выявили авторы, вследствие использования в тензорезисторе по первому варанту вместо слоя SmS (как в прототипе) слоя твердого раствора SmLnS, где Ln - один из лантаноидов, трёхвалентных в моносульфидах: La, Се, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, Y, и 0<x<0,3, каждый трехвалентный ион лантаноида отдаёт лишний электрон в зону проводимости, при этом повышается степень вырожденности полупроводника n-типа (которым является твердый раствор SmLnS), что приводит к уменьшению зависимости его электросопротивления от температуры, и, соответственно, к уменьшению ТКС тензорезистора и повышению точности измерений. Авторы экспериментально определили, что при х≥0,3 в полупроводнике появляется металлическая фаза, что приводит к ухудшению тензочувствительности.
Однако, авторами также установлено экспериментально, что при допировании вышеуказанными в первом варианте элементами (La, Се, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, Y, при 0<x<0,3) уменьшается электросопротивление R тензорезистора. Этот фактор приводит к снижению точности измерений.
вых
пит
пит
пит
пит
2
Тензорезисторы в измерительных схемах включаются по схеме моста Уинстона. При этом выходной сигнал определяется по формуле: U=(n/4)KεU, где n - количество активных плеч в мосте, К - коэффициент тензочувствительности, ε - величина относительной деформации тензорезистора, U - напряжение питания моста. Таким образом, для повышения выходного сигнала, U должно быть максимальным. Мощность, выделяемая на тензорезисторе (W), связана с напряжением питания и сопротивлением тензорезистора соотношением W~U /R. Понижение R приводит к повышению мощности, выделяющейся на тензорезисторе, его разогреву и изменению величины R за счёт наличия ТКС. Таким образом, если ТКС снижается наряду со снижением R, то положительный эффект увеличения точности измерений снижается.
Казалось бы, эффект уменьшения R может быть устранён за счёт уменьшения толщины плёнки. Однако, как выявлено авторами, для материалов на основе SmS этот путь не годится. Последнее связано с тем, что при уменьшении толщины плёнки решающую роль в процессе электропроводности играет прыжковая проводимость, которая имеет место в приповерхностном слое плёнки материала на основе SmS. Эта проводимость связана с наличием двух- и трёхвалентных ионов редкоземельных элементов. Прыжковая проводимость шунтирует обычную для полупроводников зонную проводимость и, тем самым, подавляет полезные для тензорезисторов полупроводниковые свойства материалов на основе SmS. Это понижает точность измерений.
Для устранения указанного недостатка авторами предложено выполнение системы отверстий (целесообразно - удлиненных, щелевых), вытянутых в направлении между контактными площадками и соединяющими их. Это повышает электросопротивление тензорезисторов (без изменений направления линий тока) и приводит к повышению точности измерений. Выполнение отверстий другой формы технологически нецелесообразно. Ширина и количество отверстий могут выбираться произвольно с учетом площади пленки.
Как выявили авторы, по второму варианту при допировании сульфида самария SmS самарием избыточные ионы самария находятся в трехвалентном состоянии, каждый из них отдаёт избыточный электрон в зону проводимости, что приводит к уменьшению ТКС плёнки и тензорезистора и повышению точности измерений. Ограничение величины z значением 0,17 объясняется тем, что при такой величине заканчивается область гомогенности SmS, и при дальнейшем увеличении z избыточный самарий выделяется в виде отдельных металлических включений. Эти включения различной конфигурации шунтируют полупроводниковый материал чувствительного элемента тензорезистора и ухудшают его полезные полупроводниковые свойства, в частности, величину К.
Авторами установлено, что при допировании по второму варианту избыточным самарием также уменьшается электросопротивление тензорезистора. Этот фактор приводит к снижению точности измерений, поэтому по второму варианту авторами, так же как и по первому, предложено выполнение системы удлиненных (щелевых) отверстий, вытянутых в направлении между контактами и соединяющими их, что повышает электросопротивление тензорезисторов и приводит к повышению точности измерений.
Дополнительным положительным эффектом применения такой формы тензорезисторов является возможность уменьшения разброса электросопротивления тензорезистора в партии. Это достигается тем, что, после установки тензорезистора одна или несколько перемычек, возникающих в результате нанесения системы удлиненных отверстий, могут быть перерезаны оператором, что не только увеличивает электросопротивление, но и уменьшает разброс электросопротивлений тензорезисторов в партии, т.е. увеличивает воспроизводимость и точность измерений.
Предлагаемый тензорезистор схематически показан на Фиг., где:
1 - тензочувствительный слой (пленка);
2 - подложка;
3 - контактные площадки;
4 - токовыводы;
5 - отверстия в тензочувствительном слое (пленке).
Напыление плёнок 1 всех вышеупомянутых твердых растворов по двум вариантам полезной модели может быть осуществлено, например, путем взрывного испарения объёмных образцов необходимого состава и осаждения их на нагретую подложку 2 через маски решётчатой формы, задающие ширину и количество удлиненных отверстий 5 в тензочувствительном слое 1.
Тензорезисторы (варианты) работают следующим образом.
Тензорезистор наклеивается, либо приваривается к поверхности испытуемого объекта или к поверхности упругого элемента датчика механической величины. Возможно также его помещение вовнутрь деформируемой среды. При деформировании поверхности или среды деформируется также подложка тензорезистора. При деформировании подложки деформируется слой полупроводника, состоящего из предлагаемого состава, электросопротивление которого изменяется прямо пропорционально деформации. Это изменение электросопротивления фиксируется отградуированной электронной аппаратурой.
Пример 1.
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
-6
По первому варианту на стеклянную подложку 2 методом взрывного испарения в вакууме были нанесены восемь поликристаллических плёнок 1 с составами SmGdS и SmLuS. При напылении плёнок использовались маски, позволившие получить из осаждаемых паров конфигурации тензорезисторов. При этом четыре плёнки были нанесены через обычную маску (конфигурация, как в прототипе), а другие четыре - через маску с прорезями на месте напыления тензочувствительного слоя, что позволило получить тензорезисторы с предлагаемой новой конфигурацией (Фиг.). После осаждения плёнок через другую систему масок были напылены контакты 3 из кобальта методом резистивного испарения. Условия напыления всех пленок были идентичны: температура подложки 460°С, температура лодочки ~2500°С, вакуум 10 мм рт.ст. Были распылены два порошка SmGdS со значениями х=0,1 и х=0,2, полученных дроблениями объёмных образцов. Были распылены также два порошка SmLuS со значениями х равными 0,1 и 0,2, полученных дроблениями объёмных образцов. Составы объёмных образцов, а также полученных при их испарении плёнок контролировались с помощью рентгеноспектрального флюоресцентного анализа, имевшего точность ~10%. В Таблице 1 приведены параметры полученных тонких плёнок - параметры изготовленных тензорезисторов с составами чувствительного элемента SmGdS и SmLuS. ТКС полученных резисторов измерялся согласно ГОСТ 21616-91, а коэффициент тензочувствительности при наклейке на стальную калибровочную балку - согласно ГОСТ 21616-91.
Для сравнения в таблице приведены данные для плёнки прототипа SmS, напылённой при тех же режимах. Наблюдается понижение ТКС при допировании элементами Gd и Lu примерно в два и более раза по сравнению с чистым SmS при снижении тензочувствительности К на 14-26%. Поскольку точность измерения при прочих равных условиях прямо пропорциональна К и обратно пропорциональна ТКС, полученный результат соответствует задаче, решаемой предлагаемой полезной моделью - повышению точности измерений.
предл
сплош
Как видно, электросопротивление R допированных тензорезисторов, имеющих предлагаемую конфигурацию, примерно в два раза выше, чем R у тех же тензорезисторов, имеющих конфигурацию прототипа. Это соответствует задаче, решаемой предлагаемой полезной моделью - повышению точности измерений. При этом все остальные параметры конфигурации прототипа и предлагаемой конфигурации одинаковы.
Пример 2.
0,6
0,4
0,6
0,4
-4
-1
То же, что в примере 1, но изготовлены образцы плёнок 1 с составами SmGdS и SmLuS, т.е. х≥0,3. Они имели коэффициент тензочувствительности К≈4 и ТКС порядка -10 град. То есть имеется уменьшение ТКС, но при этом резко снижается величина К, что неприемлемо.
Пример 3.
1+z
1+z
-6
По второму варианту на стеклянную подложку 2 методом взрывного испарения в вакууме были нанесены шесть поликристаллических плёнок 1 состава SmS. При этом три плёнки были нанесены через обычную маску (конфигурация, как в прототипе), а другие три - через маску с отверстиями на месте тензочувствительного слоя, что позволило получить тензорезисторы с предлагаемой новой конфигурацией (Фиг.). Условия напыления были одинаковы для всех пленок: температура подложки 450°С, температура лодочки 2500°С, вакуум 10мм рт.ст. Различался только состав порошка распыляемой шихты, имевший значения z 0,05; 0,10 и 0,15. Из полученных плёнок были сформированы тензорезисторы. Определялся температурный коэффициент сопротивления тензорезисторов в ненаклеенном состоянии и их коэффициент тензочувствительности К путём наклейки на калиброванную стальную балку. Результаты - параметры изготовленных тензорезисторов с составом чувствительного элемента SmS - представлены в Таблице 2.
Из данных таблицы следует, что величина ТКС при добавлении избыточного относительно стехиометрического состава самария уменьшается по сравнению с ТКС тензорезистора из чистого SmS (см. Таблицу 1) в 1,7-2,9 раза при снижении тензочувствительности К на 14-23%. Поскольку точность измерения при прочих равных условиях прямо пропорциональна К и обратно пропорциональна ТКС, полученный результат соответствует решению задачи, предлагаемой полезной моделью - повышению точности измерений.
Как мы видим, электросопротивление тензорезисторов, имеющих предлагаемую конфигурацию, примерно в 2 раза выше, чем у тензорезисторов, имеющих конфигурацию прототипа. Это соответствует задаче, решаемой предлагаемой полезной моделью - повышению точности измерений. При этом все остальные параметры конфигурации прототипа и предлагаемой конфигурации одинаковы.
Пример 4.
То же, что в примере 3, но был изготовлен тонкоплёночный образец, при изготовлении которого была использована шихта с избытком самария, соответствующим z=0,20, т.е. с z большим значения из формулы полезной модели 0,17. Параметры полученного таким образом образца также приведены в Таблице 2. Наряду с уменьшением величины ТКС наблюдается резкое снижение коэффициента тензочувствительности до К=5, что неприемлемо.
Пример 5.
2
На стеклянную подложку методом взрывного испарения в вакууме через маски соответствующей конфигурации были нанесены шестнадцать поликристаллических плёночных резисторов, у которых чувствительный элемент представлял собой решётку, состоящую из четырёх параллельных полос поликристаллической плёнки полупроводника (см. Фиг.) с составом . Режимы напыления такие же, как в Примере 1. Полученные тензорезисторы имели сопротивления, указанные в Таблице 3. После этого были использованы дополнительные возможности, предоставляемые предлагаемой конфигурацией тензорезистора, для увеличения электросопротивления и уменьшения разброса величин R в партии тензорезисторов. В Таблице 3 указаны количества перерезанных под микроскопом с помощью скальпеля перемычек для каждого тензорезистора и электросопротивления, полученные в результате. Если начальные сопротивления имели разброс от 74 до 625,4 Ом, то есть в 8,5 раза, то конечные сопротивления имели разброс от 296 до 625,4 Ом, то есть в 2 раза меньше. Таким образом, получается существенное уменьшение разброса R, что приводит к повышению точности и воспроизводимости измерений. Изменилась и величина сопротивлений тензорезисторов в сторону их увеличения: если начальное сопротивление имело в среднем величину 297 Ом, то конечное - 492 Ом. Это снижает мощность, выделяемую на тензорезисторе, согласно соотношению W=U/R, в (1/297)/(1/492)=1,7 раза (при сохранении напряжения питания моста), что также повышает точность измерений.
Таблица 1.
Состав
x
ТКС, 10<sup>-3</sup> град<sup>-1</sup>
К
R<sub>сплош</sub>, ОМ
R<sub>предл</sub>, ОМ
Sm<sub>1-x</sub>Gd<sub>x</sub>S
0,11
-1,0
30
95
180
0,18
-0,8
26
78
152
Sm<sub>1-x</sub>Lu<sub>x</sub>S
0,09
-1,0
31
98
190
0,22
-0,8
28
70
145
SmS
0
-2,0
35
202
-
Таблица 2.
z (Sm<sub>1+z</sub>S)
ТКС, 10<sup>-3</sup> град<sup>-1</sup>
К
R<sub>сплош</sub>, Ом
R<sub>предл</sub>, ОМ
0,05
-1,2
30
120
231
0,10
-0,9
28
105
203
0,15
-0,7
27
91
174
0,20 (в шихте по закладке)
-0,1
5
30
Таблица 3.
Начальное сопротивление, Ом
Количество Перерезанных перемычек
Конечное сопротивление, Ом
249,8
2
500
221,3
2
443
194,7
2
390
512,4
0
512,4
95
3
380
390,4
1
508
226,2
2
453
138
3
552
125,1
3
501
286,1
2
573
625,4
0
625,4
550,1
0
550,1
385,2
1
501
135,5
3
542
540,2
0
540,2
74
3
296