Материаловедение

Тензорезистивные материалы

Тензорезистивными материалами (тензорезисторами) называются электропроводящие материалы, у которых наблюдается тензорезистивный эффект (пьезосопротивление) – явление, заключающееся в изменении электрического сопротивления материала под действием механических деформаций.

Этот эффект наблюдается как в металлах, так и в полупроводниках, однако особенно ярко он выражен в полупроводниках (открыт американским физиком Ч. Смитом в 1954 г. в германии Ge и кремнии Si).

Тензорезистивный эффект обусловлен изменениями внутренней структуры материалов, происходящими в результате деформационных сдвигов в кристаллической решетке, вызывающих изменения расстояний между атомами.

В полупроводниках изменение расстояний между атомами при деформации приводит к изменению ширины запрещенной зоны. При этом ширина запрещенной зоны может быть выражена соотношением

ЕG(X) = ЕG(0) – βХ,

где ЕG(0) – ширина запрещенной зоны недеформированного полупроводника;

β – барический коэффициент сопротивления, характеризующий чувствительность электрического сопротивления материала R к изменению давления ∆Р (β = (∆R/R)/∆Р);

X – механическое напряжение.

Вследствие изменения ширины запрещенной зоны изменяется концентрация носителей заряда в зоне проводимости. В свою очередь, изменение концентрации, а также подвижности носителей заряда под действием деформации вызывает изменение удельного электрического сопротивления полупроводника, т.е. имеет место тензорезистивный эффект:

ρ(Х) = ρ0(1 + πlХ),

где ρ0 – удельное электрическое сопротивление полупроводника до деформации;

πl – продольный коэффициент пьезосопротивления (характеризуется параметрами кристаллической решетки, кристаллографическим направлением и типом проводимости полупроводника).

Тензорезистивный эффект лежит в основе работы датчиков деформации (тензодатчиков), которые служат для измерения деформаций и механических напряжений в деталях машин и механизмов. Они также используются для измерения других механических величин (давления, силы, веса, деформации, крутящего момента, перемещения, ускорения, вибрации и др.), которые предварительно преобразуются в деформацию.

Схема тензодатчика

Рис. 1. Схема тензодатчика из полупроводниковой пластины

Простейший по конструкции полупроводниковый тензодатчик представляет собой пластинку из тензорезистивного полупроводника с омическими контактами на концах (рис. 1). Один конец пластины закреплен в неподвижном основании, на другой действует сила F. Для характеристики изменения сопротивления при деформации используется коэффициент тензочувствительности α, равный отношению относительного изменения сопротивления ∆R/R к относительной деформации ∆l/l в данном направлении:

α = (∆R/R)/(∆l/l),

где l – размер полупроводника в направлении деформации.

На рис. 2 показана конструкция тензодатчика на основе тонкопленочного полупроводникового тензорезистора, который наклеивается на упругий элемент датчика.

Конструкция тензодатчика на основе тонкопленочного полупроводникового тензорезистора

Рис. 2. Конструкция тензодатчика на основе тонкопленочного полупроводникового тензорезистора

Основные части конструкции датчика: полупроводниковый слой (сульфид самария SmS) размером 0,4×0,6 мм (тензорезистор); металлические электроды (алюминий, никель) размерами 0,8×0,8 мм (выводы тензорезистора); изоляционный слой (моноокись кремния SiO) толщиной 3 мкм для изолирования датчика от подложки; подложка из фольги (константан) толщиной 3 мкм. Тензорезистор имеет одинаковую чувствительность как по оси Х, так и по оси Y. Датчики такого типа могут быть установлены (наклеены) непосредственно на эксплуатируемом объекте, например, на несущих конструкциях для контроля степени их загрузки, на креплении режущего инструмента для контроля усилий при обработке материалов, на корпусах объектов, подвергающихся критическим нагрузкам в процессе эксплуатации и пр.

Конструкция тензодатчика

Рис. 3. Конструкция тензодатчика: 1 – упругий элемент; – тензорезистор; 3 – корпус; 4 – кабельный разъем

На рис. 3 показана конструкция тензодатчика, основными частями которого являются: упругий элемент – тело воспринимающее нагрузку; конструктивно изготовлен в виде стержня, кольца, консоли и т.п.; тензорезистор – фольговый или проволочный резистор, приклеенный к упругому элементу; изменяет свое сопротивление пропорционально деформации упругого элемента, которая, в свою очередь, пропорциональна нагрузке; корпус – служит для защиты упругого элемента и тензорезистора от механических повреждений и влияния окружающей среды; кабельный разъем – служит для подключения тензодатчика к электроизмерительному прибору при помощи кабеля.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *