Преобразователи, датчики, сенсоры - Информационный портал © 2011 - 2023 Использование материалов сайта возможно при размещении активной ссылки
Полупроводниковые измерительные преобразователи деформации, температуры и магнитного поля для применения в условиях радиационного облучения, широком диапазоне температур и магнитных полей
Беляков В.А., Горбачук Н.Т., Диденко П.И., Илясов О.В., Ламзин Е.А., Ларионов М.С., Максимов Б.П. , Сычевский С.Е., Филатов О.Г., Фирсов А.А., Шатиль Н.А., (Журнал "Вопросы атомной науки и техники", Серия: Электрофизическая аппаратура, в.3(29), 2005, с.46-54)
Полупроводниковые материалы обладают высокой чувствительностью к различным внешним воздействиям и при разработке на их основе измерительных преобразователей (датчиков) физических величин /15/ стремятся использовать такие материалы и конструкцию чувствительного элемента, чтобы преобразователь максимально реагировал на измеряемый параметр и пренебрежимо мало на остальные. В связи с развитием криогенной техники, атомной энергетики растет спрос на преобразователи работоспособные в диапазоне температур от климатического до криогенного, магнитных полей до 10 Тл и обладающие радиационной устойчивостью /1,4/.
В современном датчикостроении полупроводниковый материал применяется как правило в пленочном виде, преимущества которого заключаются в возможности использования интегральных технологий, создания серий преобразователей с идентичными характеристиками, более низкая стоимость получаемых чувствительных элементов и др.
Нами для создания измерительных преобразователей использованы пленки арсенида галлия на полуизолирующем арсениде галлия, пленки поликремния на подложках из кремния, пленки германия на подложках из арсенида галлия, а также объемный дисперсный германий. Исследования проведены в диапазоне температур 4.2-400 К.
1. Измерительные преобразователи механических деформаций
При измерении механических деформаций с помощью одиночных тензорезисторов в широком диапазоне температур, в условиях сложнонапряженных состояний обьекта, в присутствии магнитных полей, точность измерений значительно снижается /2,3/. Новые возможности в повышении точности измерений открывает использование пленок на изолирующих подложках, когда чувствительный элемент сформирован в виде определенной микросхемы кристаллографически ориентированной, а конструкция преобразователя позволяет устранять поперечную тензочувствительность /4,5/.
Для создания измерительных преобразователей механической деформации использованы пленки поликремния n и р-типа проводимости, толщиной 0.6 мкм и уровнями легирования 10^17 - 5·10^19 см -3 . Легирующей примесью для p-кремния служил бор.
Главная >> Публикации >> Полупроводниковые измерительные преобразователи...
русский / english
• Представлена информация о различных преобразователях и датчиках физических величин, параметров различных физических процессов.
• Электрофизические свойства и эффекты в различных электротехнических материалах.
• Теория, экспериментальые результаты, практическое применение
На рис.1 показано схематическое изображение преобразователя деформации и полярность подключения питания и измерительных приборов. Он состоит из интегрального чувствительного элемента 1, выполненного на основе пленки кремния, осажденной на подложку 2 из монокристаллического кремния со слоем окисла на поверхности. Электрические выводы 3 изготовлены из алюминиевой проволоки d=80мкм, концы которой снабжены полосками металла, поддающегося пайке обычным припоем. Конструкция и интегральное исполнение чувствительного элемента датчика обеспечивают термокомпенсацию основных параметров, компенсацию влияния магнитного поля и отсутствие поперечной тензочувствительности. Размер базы датчика 8мм, входное и выходное электрические сопротивления в зависимости от уровня легирования и толщины пленок 200-3000 Ом, ток питания зависит от величины сопротивления и как правило находится в пределах 1-10мА. Различие в величинах электрического сопротивления датчиков одной партии не превышает 5%, а при необходимости партия датчиков может быть сформирована из практически идентичных по техническим характеристикам. Тензочувствительность при напряжении питания 5В примерно 100мкВ/млн-1. Величина нулевого (начального) выходного сигнала датчика Uо ~ 20мВ и при необходимости может быть подогнана близкой к нулю. Температурная зависимость тензочувствительности не более 0,02%, а Uо ~ 20мкВ/К. Характеристики основных типов преобразователей деформации преведены в таблице I.
Принцип работы тензодатчика заключается в изменении электрического сопротивления резистивных элементов интегральной микросхемы при приложении механической деформации вдоль оси датчика, раскомпенсации микросхемы и появлении, в результате этого, электрического напряжения Uв на измерительных контактах при питании датчика током или напряжением (см. рис.1). Предварительно проградуировав датчик т.е. получив зависимость выходного напряжения Uв величины механической деформации ε в дальнейшем по величине выходного напряжения датчика, жестко закрепленного на объекте, определяют деформацию объекта.
Измерения при постоянной температуре значительно проще, чем в условиях изменяющейся температуры. При постоянной температуре изменение выходного сигнала Uв тензодатчика зависит только от величины деформации вдоль оси датчика и величины тока или напряжения питания (Iп,Uп), максимально допустимые величины которых указваются в паспорте датчика. Максимально допустимые значения Iп или Uп выбираются из условия недостижения нагрева датчика, при котором его показания начинают зависеть от возникающей нестабильности температуры или рассеиваемая на датчике энергия изменяет условия теплообмена в точке измерения. Величины Iп и Uп при необходимости можно уменьшать по сравнению с паспортными значениями. При этом пропорционально уменьшаются и все остальные технические характеристики. Выбор схемы питания (Iп или Uп) принципиального значения не имеет, но может незначительно сказываться на температурной зависимости чувствительности и нулевом (начальном) выходном сигнале. Величина деформации при измерениях в условиях термостабилизации определяется по формуле:
ε = (Uв - Uо)/k (1)
где Uв - выходной сигнал датчика после появления деформации ε иследуемого объекта, Uо - начальный выходной сигнал, который после монтажа датчика на объект может незначительно отличаться от указанного в паспорте, поскольку в паспорте Uо указано для свободного тензодатчика, k =ΔUв /Δε - тензочуствительность датчика.
Для монтажа датчика на объект исследования могут быть использованы широко применяемые в тензометрии клеи БФ-2, BC-350 и другие, обеспечивающие достаточную жесткость монтажа. Допустимость использования данного связующего материала может быть проверена по величине ползучести показаний датчика после нагружения поверочной балки, которая не должна превышать допустимой погрешности измерений.
Измерения при нестабильной температуре усложняются тем, что при этом за счет разницы коэффициентов теплового расширения материалов тензодатчика и обьекта измерений, в наклеенном тензодатчике возникают дополнительные термические напряжения и деформации. Это приводит к изменению нулевого выходного сигнала датчика, измеренного в свободном состоянии. Для того, чтобы избавиться от влияния термонапряжений датчика на точность измерений, рядом с измерительным (рабочим) датчиком устанавливается идентичный датчик сравнения наклеенный на свободную пластинку, изготовленную из материала объекта измерений. При этом для получения величины измеряемой деформации необходимо воспользоваться формулой
ε = [(Uв - Uо) - (Uв1 - Uо1)] / k
где Uв и Uо - соответственно измеренный и нулевой выходной сигналы рабочего датчика при данной температуре Т, Uв1 и Uо1 сооветcтвенно измеренный и нулевой выходной сигналы датчика сравнения при данной температуре Т, k - тензочувствительнoсть при данной температуре. Если нулевые выходные сигналы рабочего датчика и датчика сравнения отличаются незначительно, то вышеприведенная формула упрощается:
ε = (Uв - Uв1)/k
При определении коэффициента тензочувствительности знак деформации сжатия принят отрицательным и это учитывается в паспортных данных на датчик.
- 1 -
Смотрите также:
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ДАТЧИКИ, СЕНСОРЫ
Информация, новости, реклама
