ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕНЗОРЕЗИСТОР

Полезная модель может использоваться в качестве чувствительного элемента в датчиках механических величин, прежде всего веса, а также в измерительной технике в прочностных испытаниях для определения напряженного состояния конструкций.
Проведенный поиск выявил известность наклеиваемых фольговых тензорезисторов, включающих закрепленные на подложке чувствительный элемент в виде меандра и контактные площадки («Тензометрия в машиностроении», Москва, «Машиностроение», 1975 г., стр. 76).
В металлической тензометрии (фольговые тензорезисторы) ползучесть тензорезистора зависит от ширины перемычек в чувствительном элементе тензорезистора, имеющем форму меандра. Если ползучесть в готовом весовом тензорезисторном датчике имеет положительный знак, то преобладает ползучесть металла и необходимо увеличить ползучесть тензорезистора, уменьшив ширину перемычек в меандре чувствительного элемента и, наоборот, при отрицательной ползучести весового датчика следует перейти к тензорезисторам с более широкими перемычками. Так подбирается необходимый тип тензорезистора, который используется в дальнейшем на данном упругом элементе с использованием данной технологии наклейки и данного связующего. С изменением даже одного из выше перечисленных параметров может измениться суммарная ползучесть и будет необходимо подбирать новый тип тензорезистора.
Известен также 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 данного технического решения является влияние площадок носителя на рабочую нить, в результате чего искажается передача деформации объекта, что уменьшает точность измерений, а также невозможность контролировать и регулировать величину ползучести тензорезистора.
Известен также наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, взятый в качестве прототипа, и содержащий сформированные на полимерной подложке, носитель из металлической фольги, в виде двух площадок и нити, концы которой выполнены в виде скобообразных элементов, соединенных перемычками с боковыми сторонами каждой из площадок и, выполненные на носителе послойно с повторением его формы, диэлектрическую пленку, тензочувствительную пленку из поликристаллического моносульфида самария и, сформированную на тензочувствительной пленке, металлическую пленку, выполняющую роль контактных площадок, и также повторяющую форму носителя, но с промежутком в средней части нити (патент RU №2505782 от 21.08.2012)
Недостатком прототипа данного технического решения является невозможность контролировать и регулировать величину ползучести тензорезистора.
Необходимость контроля и регулировки может возникнуть у некоторых датчиков механических величин, например, весовых. Когда к упругому элементу тензовесов приложена сила (нагрузка) на длительное время, то деформированное состояние упругого элемента начинает изменяться во времени в направлении действия силы. Это явление называется ползучестью металла. Оно увеличивает деформацию металла и значительно снижает точность измерений, а величина ползучести зависит от сплава, из которого изготовлен упругий элемент. Так ползучесть алюминиевых сплавов значительно выше, чем у стали. Ползучесть металла компенсируют в весовых датчиках ползучестью тензорезисторов, которая имеет противоположный знак по отношению к ползучести металла. Поскольку эти ползучести имеют один и тот же экспоненциальный закон возможна очень хорошая компенсация.
Полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении возможности регулировки величины и знака (в тех случаях, когда это требуется) ползучести.
Ниже при раскрытии полезной модели и рассмотрении ее конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Предлагаемый полупроводниковый тензорезистор, как и указанный, наиболее близкий к нему, известный тензорезистор по патенту №2505782, содержит сформированные на полимерной подложке, носитель из металлической фольги, в виде двух площадок и нити, концы которой выполнены в виде скобообразных элементов, соединенных перемычками с боковыми сторонами каждой из площадок и, выполненные на носителе послойно с повторением его формы, диэлектрическую пленку, тензочувствительную пленку из поликристаллического моносульфида самария и, сформированную на тензочувствительной пленке, металлическую пленку, выполняющую роль контактных площадок, и также повторяющую форму носителя, но с промежутком в средней части нити.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом тензорезисторе, в отличие от наиболее близкого к нему известного, наклеиваемого полупроводникового тензорезистора, скобообразные концы нити носителя, и повторяющих его форму пленок, выполнены каждый с дополнительными перемычками, которые также соединены с боковыми сторонами площадок. Дополнительные перемычки могут быть соединены с боковыми сторонами каждой площадки со смещением относительно ее середины в сторону края тензорезистора или со смещением относительно ее середины в сторону нити (к центру тензорезистора).
Вышеуказанное выполнение скобообразных концов нитей носителя, диэлектрической, тензочувствительной пленок, а также формирование металлической пленки, выполняющей роль контактов, повторяющей форму носителя, но с промежутком в средней части нити, позволяют регулировать и контролировать величину и знак ползучести, путем избирательного обрыва перемычек соединяющих скобы с боковыми сторонами площадок.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где
на фиг. 1 - общий вид полупроводникового тензорезистора (универсальный);
на фиг. 2 - поперечный разрез А-А;
на фиг. 3, 4, 5 - тензорезистор с вариантами обрыва разных перемычек для использования: в прочностных испытаниях, в тензовесах, для научных исследований;
на фиг. 6 - площадка тензорезистора с перемычками, смещенными к внешнему краю в недеформированном состоянии;
на фиг. 7 - та же площадка под действием растягивающей деформации (тонкими линиями состояние на фиг. 6);
на фиг. 8 - та же площадка через некоторое время после проявления ползучести тензорезистора;
на фиг. 9 - вариант тензорезистора для использования в тензовесах, в котором все перемычки скобообразных элементов смешены относительно середин боковых сторон каждой площадки в сторону внешнего края тензорезистора.
Предлагаемый полупроводниковый тензорезистор (фиг. 1-5 и 9) содержит носитель 1 из металлической фольги, выполненный в виде двух площадок 2 и нити 3, концы которой выполнены в виде скобообразных элементов 4, соединенных перемычками 5 с боковыми сторонами каждой из площадок 2. С одной стороны носителя 1 сформирована полимерная подложка 6, а с другой стороны носителя 1 расположены диэлектрическая пленка 7 и тензочувствительная пленка 8 из поликристаллического моносульфида самария, выполненные послойно, при этом пленки 7 и 8 повторяют форму носителя 1. Металлическая пленка 9, выполняющая роль контактов и сформированная на тензочувствительной пленке 8, также повторяет форму носителя 1, но с промежутком (разрывом) в средней части нити 3.
На фиг. 1 представлено универсальное выполнение тензорезистора, когда перемычки 5 скобообразного элемента 4 соединены с боковыми сторонами площадок 2 по обе стороны от их центра и по центру. В зависимости от решаемой задачи, оставляют только нужные перемычки 5, обрезая остальные. Например, оставляя перемычки 5 по центру боковых сторон площадок 2 (фиг. 3), исключаем их влияние на рабочую нить 3 и используем тензорезистор для тензоизмерений; оставляя перемычки 5, смещенные относительно середины площадки 2 в сторону нити 3 (к центру тензорезистора) (фиг. 5), получаем отрицательную ползучесть и можем использовать данный вариант в научных экспериментах; оставляя перемычки 5, смещенные к внешнему краю тензорезистора (фиг. 4), используем его в тензовесах, компенсируя ползучесть элемента тензовесов ползучестью тензорезистора. На фиг. 9 показан вариант тензорезистора для тензовесов, в котором перемычек 5, выполненных со смещением в сторону края тензорезистора, может быть несколько, для контроля и регулирования величины ползучести в процессе работы путем избирательного обрыва перемычек.
Полупроводниковый тензорезистор используется и работает следующим образом.
Рассмотрим вариант использования тензорезистора в тензовесах (фиг. 4), когда остаются перемычки 5, смещенные относительно центра боковых сторон площадок 2 к краю тензорезистора, а остальные перерезаны. Тензорезистор наклеивается на упругий металлический элемент тензовесов (не показан). Вследствие растягивающей деформации в упругом элементе весов проявляется эффект ползучести металла (см. выше - критика прототипа) в результате растягивается наклеенный на него тензорезистор, изменяются продольные размеры площадок 2 (расстояние между противоположными торцами площадки увеличивается под действием растягивающей деформации (ε)) и, соответственно, увеличивается длина рабочей нити 3. Все элементы установленные с помощью клея и деформированные стремятся вернуться в исходное недеформированное состояние, поэтому торец площадки, ближе к которому смещены перемычки 5 скобы 4 через какое-то время переместится ближе к оси площадки 2. Вместе с ним переместится скоба 4 и конец рабочей нити 3, прямой участок рабочей нити 3 станет короче. Это и есть ползучесть тензорезистора, которая компенсирует удлинение этой нити 3 вследствие ползучести упругого элемента (металла). Таким образом, мы установили знак ползучести - соединение скобы с площадкой правее от оси симметрии (ближе к краю тензорезистора) приводит к появлению нормальной ползучести, направленной на уменьшение воспроизведенной деформации. При этом величина ползучести будет зависеть от расстояния места крепления скобы от оси симметрии каждой площадки 2 - чем больше, тем больше ползучесть. При выполнении нескольких перемычек 5 (фиг. 9) с указанным смещением относительно оси, возможно регулирование ползучести, обрывом перемычек 5.
Если же место крепления находится со смещением относительно середины площадки в сторону нити (к центру тензорезистора), ползучесть будет иметь противоположный знак. Это парадоксальное явление мы назвали «отрицательной ползучестью». Оно может быть нужно для каких-либо научных исследований, но для весовой техники не годится.
Таким образом, предложенная конструкция тензорезистора дает возможность регулирования величины и знака (в тех случаях, когда это требуется) ползучести и может быть использована для изготовления тензовесов с компенсированной суммарной ползучестью.