10.1.    Тензорезисторы

Полупроводниковым тензорезистором называют преобразователь линейной деформации в изменение активного сопротивления, прин­цип действия которого основан на тензорезистивном эффекте, а чувствительный элемент его выполнен из полупроводника.

Тензорезистор (10.1, а, б) представляет собой полупроводниковую тонкую пластинку или пленку, нанесенную на изоляционную подложку, которая имеет два вывода.

Вид ВАХ полупро­водникового тензорезистора (рис. 10.1, в) зависит от температурной характеристики его сопротивления, каждая точка характеристики соответствует определенной рассеиваемой мощности, а следователь­но, и определенной температуре. ВАХ тензорезистора можно разде­лить на два участка: АБ – восходящая ветвь, от начала координат до точки максимума; БВ – участок с отрицательным наклоном, от точки максимума до точки, соответствующей максимально допусти­мой температуре.

Основными параметрами тензорезистора являются: начальное сопротивление (R) – сопротивление между выводами тензорезистора при нормальной температуре и начальное значение деформации.

Тен­зорезистор представляет собой однородное по удельному сопротив­лению тело постоянного сечения, по­этому

,                                                     (10.1)

где  – удельное сопротивление по­лупроводника; а, b, l – ширина, вы­сота и длина кристалла.

Так как ВАХ тензорезистора нелинейна, начальное сопротивление зависит от значения установившегося тока:. Дифференциальное сопротивление равно: . Его значение на участке АБ характеристи­ки (рис. 10.1, в) положительно, в точке Б равно нулю, а на участке БВ отрица­тельно.

Чувствительность тензорезистора (S) – это отношение прираще­ния выходного сигнала тензорезистора к вызвавшей его деформации, направленной вдоль его главной оси:

,                                                         (10.2)

где  – относительное изменение длины чувствительного эле­мента (деформация).

Чувствительность зависит от типа электропроводности, удель­ного сопротивления материала, уровня деформации. На рис. 10.2 показана зависимость относительного изменения сопротивления кремниевого тензорезистора от относительной деформации для ма­териалов с электропроводностью п- и p-типов.

Температурный коэффициент сопротивления () – это относи­тельное изменение сопротивления при изменении температуры на 1 К (в процентах):

.                           (10.3)

В зависимости от значения удельного сопротивления () может быть как положительным, так и отрицательным.

К предельным режимам тензорезистора относятся:

· максимально допустимая мощность () максимальная мощность рассеяния на тензорезисторе, при которой сохраняется заданная надежность;

· предельная деформация (),  деформация, пре­вышение которой вызывает выход из строя тензорезистора. Значе­ние предельной деформации в основном определяется материалом, площадью поперечного сечения и качеством обработки поверхности.

Для изготовления тензорезисторов применяют германий, крем­ний, арсенид и антимонид галлия. Чаще всего используют кремний вследствие лучшей теплоустойчивости. Одним из основных требо­ваний к материалу является возможно более высокая тензочувствительность. Тензорезисторы изготавливают как из монокристалли­ческого, так и из поликристаллического материалов. Монокристаллы получают методами выращивания и эпитаксии.

Тензорезисторы изготавливают в виде бруска, проволоки, плен­ки. Они могут быть закреплены на подложке и выполнены без под­ложки. Тензорезисторы применяют в датчиках давления, усилий, на­пряжений, в датчиках малых перемещений, датчиках крутящего момента. Включаются тензорезисторы обычно по мостовой или потен­циометрической схеме. Работают они как на постоянном, так и на переменном токе.