Напівпровідниковий тензодавач на основі гетероструктури (Te-GaAs)

 

Відомо, що р-п переходи є чутливими до деформацій, однак більш чутливими є напівпровідникові гетероструктури. Розроблений давач є сплавною гетероструктурою, що складається із центрального циліндричного тензорезистора TP і охоплюючого його коаксіального TP. Центральний TP виконаний із тугоплавкого напівпровідника (HK GaAs n-типу), а коаксіальний TP виконаний із легкоплавкого (трубчастий кристал Те р-типу). Сплавлення здійснюють пропусканням імпульсу струму через центральний TP. Параметри імпульсу (амплітуда, тривалість) забезпечують плавлення ннзькоплавкого TP. Кращі результати, як з точки зору керування режимами, так і якістю одержаних гетероструктур (коефіцієнт випрямлення), одержані при сплавленні напівпровідників за допомогою розряду конденсатора в атмосфері інертного газу. Рахуючи час (t) виділення теплоти Q адекватним часу її передачі низьконлавкому напівпровіднику шляхом теплопровідності і використовуючи рівняння теплопровідності для порожнистого циліндра:

(12)

де k - коефіцієнт теплопровідності (5 кал/см² с-град), d1/d2 = 1,5 -відношення діаметрів порожнистого циліндра, Т_пл = (723 K) - температура плавлення Те, визначаємо τ, який становить 3,5W⁶ с.

 

При дії деформації на обидва тензочутливі елементи їх кристалічні ґратки деформуються узгоджено, що збільшує корисний сигнал. Крім того, виникаючі дефекти зосереджуються

у вузькому шарі р-n переходу, в результаті чого є перевищення чутливості у 4 рази. При використанні вказаних пар напівпровідників неузгодженість кристалічних ґраток становить 4,5 % (II до осі C) і 22,8 % (перп. до осі C), що забезпечує підвищену чутливість до поперечних деформацій, а також до гідростатичного тиску. Деякі гетероструктури (Te-Ge, Te-Si, Ge-GaAs, Si-GaAs) відомі як чутливі елементи фотодетекторів. Дана гетероструктура описана вперше. Переріз давача показаний нижче (рис.14), де 1-циліндричний TP, 2 - коаксіальний TP, 3 - р-n перехід.

 

Сенсор для одночасного вимірювання деформації і

Температури

 

Відомі тензотермодавачі, виготовлені з металевих дротин, які містять тензочутливий елемент та охоплюючий його термочутливий елемент. Їх недоліком є низька чутливість та значні габарити. Більш мініатюрним є малобазний тензодавач з ниткоподібного кристала, який містить тензочутливі області n- і р-типу, і р-n перехід між ними, що використовується для вимірювання температури.

Розроблено сенсор, що містить тензочутливий елемент трубчастої форми 1, ізоляційне покриття 2, термочутливий елемент 3, струмопідводи до тензочутливого 4,5 і термочутливого 6,7 елементів. Схема включає також вимірювальний прилад 8, перемикач 9 (рис.15).

 

 

Рис. 15. Схема давана для одночасного вимірювання деформації та температури

 

Термочутливий елемент виготовляли з ниткоподібного кристала телуру трубчастої форми. Коефіцієнт його тензочутливості високий (>|100|) у широкому інтервалі температур. Як термочутливий елемент використовували HK GaP(0,4)As(0,6), легований сіркою, який як терморезистор працює в інтервалі температур 173-473 K.

Перемикач 9 дозволяє використовувати один і той самий цифровий прилад 8 (В7-16) для вимірювання опорів елементів 1 і 3. Давачі повинні бути попередньо проградуйовані. Термочутливий елемент не зазнає впливу деформації, так як знаходиться у порожнині тензочутливого елемента, що підвищує точність вимірювання.

 

Багатофункціональний сенсор

 

Відомі багатофункціональні давачі для одночасного вимірювання декількох фізичних параметрів, наприклад, зусилля і температури, або тиску, температури і вологості. Чутливими елементами можуть бути ниткоподібні кристали кремнію, що спрощує конструкцію давачів, забезпечує мініатюризацію. Серед описаних давачів відсутні давачі для одночасного вимірювання таких параметрів, як деформація, температура і магнітне поле. Відомі давачі з ниткоподібних монокристалів напівпровідників групи АзВз для одночасного вимірювати магнітного поля і температ. Проте, такі давачі не можуть вимірювати третій параметр - деформацію. Ще один тип багатофункціонального давача з НІС кремнію призначений для вимірювання деформації і температури. Він містить ЧЕ з HK Si із сформованим на ньому перпендикулярним р-п переходом і трьома точковими контактами, причому частина ЧЕ р-типу служить давачем деформації (зусилля), а ділянка з р-n переходом - давачем температури. Проте, у зв'язку з нездатністю вимірювати магнітне поле, він має обмежені функціональні можливості. Крім цього, давач має недостатню точність виміру температури, оскільки р-п перехід, зазнає впливу деформації і може змінювати свої параметри.

У запропонованому багатофункціональному давачі ЧЕ виготовлений з голчастого монокристала твердого розчину Si_1-хGe_x складу х = 0,05, легованого Zn, з питомим опором ~ 0,5 Ом*см. Сам ЧЕ складається з трьох частин, утворених точковими контактами так, що частина з сторони більшого поперечного перерізу використана як давач деформації, середня -як давач температури, і частина зі сторони вістря - як давач магнітного потія. Оптимпошша геометрія дяиача, тобто співвідношення частин ЧЕ, яке складає 3:2:1.

Виконання ЧЕ з голчастого монокристала твердого розчину Si_1-хGe_x складу х - 0,05, легованого, з питомим опором ~0.5 Ом*м забезпечує високу чутливість давача деформації з коефіцієнтом тензочутливості K >100, його невелику температурну зміну (~ 10 % в інтервалі 293-353 K). Для давача тепераіури наведені вище параметри дають лінійну залежність опору від температури з темпера гурним коефіцієнтом опору ~ +0,4 %1/К, що підвищує точність вимірювань. Наявність нелінійної S-подібної ВЛХ одного з конгактів і її чутливості до впливу магнітного поля, зокрема величини індукції В, забезпечує можливість її використання в давачі. Цьому сприяє голчаста форма ЧЕ і зміщення даного контакту до вістря кристала. Оптимальна чутливість давача магнітного поля та лінійна залежність ΔU = f(B) має місце при вказаних вище параметрах ЧЕ та співвідношенні його частин 3:2:1. Позитивний ефект забезпечується теж мінімальною величиною мапгітоопору ЧЕ (<0,1 %), завдяки чому магнітне поле не впливає на покази давачів деформації і температури.

На рис.16,а представлена схема давача. Давач містить ЧЕ 1, що складається з трьох частин, утворених чотирма точковими контактами 2,3,4,5 так, що товстіша частина 2-3 використана як давач деформації, середня 3-4 - як давач температури і тонша 4-5 - як давач магнітного поля.

Загальна довжина ЧЕ складає 8-15мм, середній ефективний діаметр ~ 50 мкм. Точкові контакти 2-5 створені методом електроімпульсного приварювання Pt -мікродроту діаметром ЗО мкм. Контакти 2 і 5 розташовують безпосередньо біля основи і вістря ЧЕ, контакт 3 - посередині ЧЕ, а контакт 4 -зміщено до вістря ЧЕ, тобто на віддалі від нього ~ на 1/6 1 (1-довжина ЧЕ).

Використовують давач таким чином. Розташовують ЧЕ зконтактами на пружному елементі, приклеюючи його частину 2-3 за допомогою клею ВЛ-931, або БФ-2, за стандартною методикою. Градуюють його як тензорезистор, задаючи пружному елементу певного ступеня деформації є і вимірюючи зміну опору цифровим приладом (В7-16А). При роботі у широкому температурному діапазоні необхідне градуюваїшя давача деформації AR/Ro ⁼ %) при різних температурах, тобто одержання залежності K = f(T). Опісля градуюють давач температури (частіша 3-4 ЧЕ), і одержують залежність R(T). Для даною ЧЕ ця залежність є достатньо лінійною для двох га'дціапазонів - 233-273 K і 273-333 K - з чутливістю ΔR/DT -1,2-1,5 Ом/К, що дозволяє вимірювати температуру з точністю ± 0,1 K. І, вкінці, градуюють давач магнітного поля, пропускаючи стабілізований струмживлення через контакти 3 і 4 (як і у давачі температури), але вимірюють спад напруги між контактами 4 і 5, тобто опір розтікання контакту 4. У нашому випадку, задаючи робочий струм 10 = 2-3 мА і вибираючи робочу точку біля максимуму напруги S-подібної BAX, одержали лінійну залежність приросту напруги від індукції магнітного поля AU -f(B) з чутливістю у = ΔU/ΔB ~ 500 мВ/Тл. Для роботи у температурному діапазоні необхідно проградуювати давач при різних T, тобто визначити коефіцієнти P = Δγ/ΔТ.

Одержавши відповідні залежності (графічні або аналітичні) для давача деформації - ΔR/Ro - f(s), температури - R = f(T), магнітного поля - ΔU = f(B), маємо можливість одним давачем вимірювати 3 параметри: деформацію, температуру і магнітне поле. Зауважимо, що при цьому використовуємо один цифровий вимірювальнім прилад, а лінійність градуювальнігх характеристик полегшує процес вимірювання і підвищує точність. Номінали опорів давачів 300-500 Ом зручні для реєстрації, а чутливість давача магнітного поля значно вища, ніж у давача Холла, що дозволяє вимірювати слабі магнітні поля.

 

Розрахункова частина