НАКЛЕИВАЕМЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕНЗОРЕЗИСТОР (ВАРИАНТЫ)
PASTE-ON SEMICONDUCTOR STRAIN GAGE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как в прочностных испытаниях для определения напряженного состояния конструкций, так и в качестве чувствительного элемента в датчиках механических величин (силы, давления, веса, перемещения и т.д.).
Известен тензорезистор (SU 1717946 G01B 7/16, 7/18, опубл. 07.03.1992) [1], содержащий тензочувствительную полоску из моносульфида самария, контактные площадки и диэлектрическую подложку из силикатного стекла.
Недостатком такого решения является ограниченная область применения: определение напряженного состояния внутри массы бетона или других затвердевающих материалов.
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. М.: Машиностроение, 1968, стр.47-50) [2].
Тензочувствительная пленка, выполненная из висмута, имеет низкую тензочувствительность.
К предлагаемому изобретению по обоим вариантам наиболее близко техническое решение по заявке №2011125614 от 23.06.2011 (решение о выдаче патента от 11.05.2012) [3], представляющее собой 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.
Недостатком прототипа является влияние площадок носителя на рабочую нить, в результате чего искажается передача деформации объекта, что уменьшает точность измерений.
Изобретение по обоим вариантам направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении точности измерений за счет исключения искажающего влияния площадок носителя на деформацию рабочей нити, на которой сформирован тензочувствительный элемент.
Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении его конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Предлагаемый наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор по первому варианту, как и указанный наиболее близкий к нему известный тензорезистор по заявке [3], содержит 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 металлическую пленку, выполняющую роль контактов и сформированную на тензочувствительной пленке.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом тензорезисторе по первому варианту, в отличие от наиболее близкого к нему известного наклеиваемого полупроводникового тензорезистора, концы нитей носителя и повторяющих его форму диэлектрической и тензочувствительной пленок выполнены в виде скобообразного элемента, концы которого соединены с серединами боковых сторон площадок, при этом металлическая пленка, сформированная на тензочувствительной пленке, также повторяет форму носителя, но с промежутком в средней части нити.
Таким образом, в предлагаемом наклеиваемом полупроводниковом тензорезисторе по первому варианту вышеуказанное выполнение нитей носителя, диэлектрической, тензочувствительной пленок, а также формирование металлической пленки, выполняющей роль контактов, повторяющей форму носителя, но с промежутком в средней части нити, позволяют исключить искажающее влияние площадок носителя на деформацию рабочей нити, что в свою очередь приводит к повышению точности измерений.
Предлагаемый наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор по второму варианту, как и указанный наиболее близкий к нему известный тензорезистор по заявке [3], содержит 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 металлическую пленку, выполняющую роль контактов и сформированную на тензочувствительной пленке.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом тензорезисторе по второму варианту, в отличие от наиболее близкого к нему известного, наклеиваемого полупроводникового тензорезистора, нити носителя и повторяющих его форму диэлектрической и тензочувствительной пленок выполнены с симметрично расположенными, поперечными полосками на их концах, при этом металлическая пленка также повторяет форму носителя, но с промежутком в средней части нити.
Таким образом, в предлагаемом тензорезисторе по второму варианту, как и в тензорезисторе по первому варианту, выполнение поперечных элементов (поперечные полоски или скобообразные элементы) позволяет исключить искажающее влияние на размер рабочей нити, влияющее на точность измерений, и, соответственно, повысить ее.
Количество указанных полосок определяется при разработке тензорезистора и зависит от требований к его габаритам.
Выполнение на концах нити скобообразных элементов, соединенных с серединами боковых сторон площадок (вариант 1) позволяет получить тензорезистор с меньшим продольным размером по сравнению с тензорезистором по варианту 2, где на концах нити выполнены поперечные полоски, в тоже время он имеет большие размеры по ширине. Таким образом, тензорезисторы по 1-му варианту удобнее использовать в местах наклейки, где есть ограничения по длине, а по 2-му варианту - ограничения по ширине тензорезистора.
Предлагаемое изобретение иллюстрируются чертежами, на которых показаны:
- на фиг.1 - общий вид тензорезистора по первому варианту;
- на фиг.2 - продольный разрез А-А тензорезистора по первому варианту;
- на фиг.3 - общий вид тензорезистора по второму варианту;
- на фиг.4 - поперечный разрез Б-Б тензорезистора по второму варианту;
- на фиг.5 - механизм влияния площадок на нить тензорезистора на примере прототипа в статичном состоянии и под действием поперечной деформации (тонкие линии);
- на фиг.6 и 7 - тензорезисторы по вариантам 1 и 2 в статичном состоянии и под действием поперечной деформации (тонкие линии).
Предлагаемый наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, в случае его выполнения по первому варианту, иллюстрируемому фигурами 1, 2, содержит носитель 1, выполненный из тонкой (3÷10 мкм) металлической (например, константан) фольги. С одной стороны носителя 1 сформирована полимерная подложка 2, выполненная, например, из лака ВЛ-931 толщиной 20÷30 мкм. На другой стороне носителя 1 сформирована диэлектрическая разделительная пленка 3 (например, моноокись кремния SiO) толщиной (1+3 мкм). На диэлектрической пленке 3 выполнена тензочувствительная пленка 4 из поликристаллического моносульфида самария (SmS) толщиной 0,5÷1 мкм. На тензочувствительной пленке 4 сформирована, выполняющая роль контактов, металлическая пленка 5, например, из никеля толщиной 1-2 мкм. Носитель 1 после литографических операций представляет собой нить 6 шириной 50÷200 мкм с площадками 7 на ее концах, при этом концы нити 6 носителя 1 выполнены в виде скобообразного элемента 8, концы которого соединены с серединами боковых сторон площадок 7. Осажденные на носитель 1 в вакууме последовательно диэлектрическая 3 и тензочувствительная 4 пленки также повторяют его форму. Металлическая пленка 5, также повторяет форму носителя 1, но с промежутком (разрывом) нити в ее средней части.
В случае выполнения по второму варианту, который иллюстрируется фигурами 3, 4, предлагаемый тензорезистор, как и при выполнении по первому варианту, содержит носитель 9, выполненный из тонкой (3÷10 мкм) металлической (например, константан) фольги. С одной стороны носителя 9 сформирована полимерная подложка 10, выполненная, например, из лака ВЛ-931 толщиной 20÷30 мкм. На другой стороне носителя 9 сформирована диэлектрическая разделительная пленка 11 (например, моноокись кремния SiO) толщиной (1÷3 мкм). На диэлектрической пленке 11 выполнена тензочувствительная пленка 12 из поликристаллического моносульфида самария (SmS) толщиной 0,5÷1 мкм. На тензочувствительной пленке 12 сформирована выполняющая роль контактов металлическая пленка 13, например, из никеля толщиной 1-2 мкм. Носитель 9 после литографических операций представляет собой нить 14 шириной 50÷200 мкм с площадками 15 на ее концах, при этом концы нити 14 носителя 9 выполнены поперечными полосками 16. Полоски 16 расположены симметрично по обе стороны нити 14. Количество указанных полосок определяется при разработке тензорезистора и зависит от требований к его габаритам. Осажденные на носитель 9 в вакууме последовательно диэлектрическая 11 и тензочувствительная 12 пленки также повторяют его форму. Металлическая пленка 13 также повторяет форму носителя 9, но с промежутком (разрывом) нити в ее средней части.
Предлагаемый тензорезистор в обоих вариантах его выполнения используется и работает следующим образом.
1
Для начала рассмотрим механизм влияния площадок на нить тензорезистора на примере прототипа (фиг.5). По соответствующей технологии он наклеивается на поверхность исследуемой детали. Если наклеенный тензорезистор подвергнуть воздействию одноосного деформационного поля, как это изображено на фиг.5 (тонкие линии), то механизм воздействия площадок на рабочую нить тензорезистора будет наиболее нагляден. Пусть растягивающая деформация ε одноосного поля действует на тензорезистор в поперечном направлении, а в продольном ε=0, тогда площадки растянутся в поперечном направлении на величину B·ε, а в продольном сожмутся на величину Lµ·ε, где µ - коэффициент Пуассона материала носителя. Изменение размеров площадок происходит симметрично относительно центральной оси «0», и, как видим, в результате, изменившие размеры площадки растянут рабочую нить. В данном примере тензорезистор покажет наличие растягивающей деформации объекта, которой в действительности нет. Мы не будем здесь рассматривать более сложные напряженные состояния объекта, но практически можно всегда отметить искажающее влияние площадок. Так, на градуировочном стенде можно обнаружить парадоксальные вещи, например наличие поперечной чувствительности, когда ее не должно быть, или отрицательную ползучесть.
Теперь, в свете изложенного, можно понять, почему предлагаемый по первому варианту тензорезистор (фиг.6) не подвержен искажающему влиянию площадок 7. Последние могут изменять свои размеры только относительно поперечной оси симметрии площадок «0». Края площадок 7 перемещаются относительно этой оси, но так как рабочая нить 6 с помощью скобообразных элементов 8 соединяется с боковыми сторонами площадок 7 именно на оси «0», перемещения периферийных частей площадок 7 не влияют на продольные размеры рабочей нити 6 тензорезистора.
В случае выполнения тензорезистора по второму варианту, при воздействии поперечного усилия (фиг.7), площадки 15 также изменяют свои размеры, края площадок 15 перемещаются относительно поперечной оси симметрии площадок «0», но так как на концах нити 14 выполнены поперечные полоски 16, то они не дают возможности нити 14 растягиваться, изменяя свои размеры вслед за площадками 15 и соответственно перемещения площадок 15 не влияют на рабочую часть нити 13.
Предлагаемый тензорезистор по обоим вариантам работает так же, как и любые другие, т.е. будучи наклеен на объект, он повторяет его деформацию ΔL/L, изменяя электрическое сопротивление ΔR/R. Эти величины связаны между собой посредством коэффициента тензочувствительности К:
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 (не показаны).
Таким образом, вышеуказанное выполнение наклеиваемых тензорезисторов по первому и второму вариантам позволяет исключить деформирующее влияние площадок на нить в процессе работы, что в свою очередь приводит к повышению точности измерений.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР SU 1717946, G01B 7/16, 7/18, опубл. 07.03.1992.
2. Д.Т. Анкудинов, К.Н. Мамаев. Малобазные тензодатчики сопротивления. М.: Машиностроение, 1968, стр.47-50.
3. Заявка №2011125614 от 23.06.2011 (решение о выдаче патента от 11.05.2012).