тензорезистивный эффект Мауликаева Алина(ТК-11)..


Тензорезистивный эффект
       Тензорезистивный эффект - это изменение удельного электросопротивления твёрдого проводника , полупроводника в результате его деформации.
Входы: деформация
Выходы: электрическое сопротивление
Структурная схема тензорезистивного эффекта имеет вид, показанный на рис. 3.2.

         Тензорезистивный эффект связан с изменением межатомных расстояний при деформации, что влечёт за собой изменение структуры энергетических зон кристалла. Последнее обусловливает изменение концентрации носителей тока (электронов проводимости, дырок), их эффективной массы, перераспределение их между энергетическими максимумами в зоне проводимости и минимумами в валентной зоне. Кроме того, деформация влияет на процессы рассеяния носителей (появление новых дефектов, изменение фононного спектра). Тензорезистивный эффект применяется в  HYPERLINK "http://pusk.by/bse/138982/%D0%A2%D0%B5%D0%BD%D0%B7%D0%BE%D0%B4%D0%B0%D1%82%D1%87%D0%B8%D0%BA" Тензодатчиках сопротивлений, служащих для измерения деформаций.
С тензорезистивным эффектом связано понятие тензорезистора – это полупроводникового резистора, у которого величина сопротивления зависит от механического усилия, сжимающего или растягивающего резистор.
Тензорезисторы основаны на тензорезистивном эффекте, который состоит в том, что сопротивление полупроводника зависит от давления на полупроводник. Материалом для тензорезисторов чаще всего служит кремний, но могут быть и использованы другие полупроводники. К основным параметрам тензорезисторов относятся номинальное сопротивление (от десятков ом до десятков килоом), т.е. сопротивление при отсутствии давления, и коэффициент тензочувствительности, равный отношению относительного изменения сопротивления R/R к относительному изменению длины тензорезистора l/l. Этот коэффициент зависит от вещества полупроводника, типа электропроводимости, удельного сопротивления и направления деформации. У полупроводников n - типа коэффициент тензочувствительности отрицательный, т.е. при возрастании давления сопротивление уменьшается, а у полупроводников p - типа - положительный. Практически этот коэффициент может доходить до сотен со знаком. Для различных тензорезисторов К лежит в пределах от −100 до +200;
предельная деформация тензорезистора.
Тензорезисторы характеризуются ещё предельной допустимой деформацией, которую нельзя превышать во избежание выхода прибора из строя.
Помимо кристаллических тензорезисторов - из кристаллического полупроводника n- или p- типа - могу быть поликристаллические тензорезисторы, у которых при деформации сопротивление дополнительно изменяется за счёт изменения сопротивления контактов между отдельными кристалликами.Полупроводниковые тензодиды работают по принципу изменения вольтамперной характеристики под действием давления. Это изменение связанно с тем, что при деформации изменяется высота потенциального барьера в p - n - переходе. Коэффициент тензочувствительности у тензодиодов достигает сотен и даже тысяч.
Фольгово-пленочные тензорезисторы предназначены для измере ния деформаций деталей машин и конструкций, а также для измерения других механических величин, однозначно связанных с деформацией. Точные исследования напряженных состояний проводятся с помо щью известного метода - тензометрических измерений.
Тензорезисторы являются основой измерений в этой области. Тензорезисторы могут также измерять и преобразовывать разнообраз ные физические величины в электрические сигналы. Из-за этого они нашли широкое применение в датчиках силы, давления, перемещения, ускорения или вращающего момента.
Тензорезисторы позволяют сделать все это следующим образом: -точное измерение напряжения, в определенном месте на поверх ности измеряемого объекта;
-быстрый отклик для скоростных измерений, благодаря компакт ной и легкой структуре;
-хорошая линейность в пределах широкого диапазона напряжений; -измерения в широком диапазоне температур и в неблагоприят ных окружающих средах;
-возможность измерений на удалении для задач мониторинга. Основой тензорезистора служит чувствительный элемент, метал лический или полупроводниковый, сопротивление которого изменяет ся пропорционально напряжению на поверхности измеряемого объек та. Чувствительный элемент выполнен в виде тонких полосок из кон- стантанового сплава и размещен на подложке из полиамида или друго го материала. Сверху решетка покрывается защитной пленкой. Это - классическое представление структуры тензорезистора, готового к применению на поверхности измеряемого объекта. Для соединения с поверхностью объекта измерений, как правило, применяется клей.
Математическое описание.
Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности к, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:
Для жидких материалов, почти не меняющих своего объема в процессе деформации, - ртути, электролитов, - коэффициент тензочувствительности к=2.
R=pl/S=pl^2/V, ΔR=p2lΔl/V => k=(ΔR/R)/( Δl/l)=2
При деформации твердых тел изменение их длины связано с изменением объема, причем изменение объема в зоне упругих деформаций для каждого материала постоянно и характеризуется коэффициентом Пуассона:
μ=-Eb/El= (Δb/b)/( Δl/l), b – поперечный размер проводника квадратного сечения.
При этом к=1+2μ.
В полупроводниковых материалах помимо изменения размера могут изменяться и свойства, а в частности – удельное сопротивление. Поэтому
к=(1+2μ)+m, где m =
При изменении удельного сопротивления коэффициент m >>1+2μ, поэтому для полупроводников к=m и коэффициент m является показателем тензочувствительности.
Практически все полупроводниковые тензорезисторы термочувтвительны. Коэффициент тензочувствительности также зависит от температуры. Зависимость коэффициента чувствительности от температуры нелинейна. Прималых изменениях температуры эту зависимость можно представить линейной:
ΔS=-y(T- T0) S0.
Чувствительность полупроводниковых материалов к деформации в десятки раз превосходит чувствительность проводниковых материалов. В полупроводниках величина m зависит от кристаллографического направления, удельного сопротивления, типа полупроводника: в полупроводниках n – типа тензочувствительность отрицательная, в полупроводниках р – типа – положительная. Для жидких и текучих материалов (ртуть, электролиты в эластичной изоляционной оболочке, пластически деформируемые металлы), в которых напряжения отсутствуют, Δρ/ρ = 0 и деформационный коэффициент равен нулю.
В металлах тензочувствительность порядка единицы, в полупроводниках (например Ge и Si) в десятки и сотни раз больше.
Тензорезистивный эффект проявляется на телах различной геометрической формы и существенно зависит от вида деформации и температуры. На этом эффекте основана работа тензорезистивных ПИП (тензодатчиков), предназначенных для измерения деформации и величин, преобразуемых в деформацию.
Применение.
В отличие от термистора, имеющего десятки различных применений, тензорезисторы применяются почти исключительно для измерения деформаций и механических напряжений. Тензорезистор способен измерять эти величины в очень широком диапазоне значений и в самых разнообразных условиях. С помощью тензорезисторов можно измерять относительное изменение длины, лежащее в пределах от стомиллионной доли процента, до величины 5*10-3.(При относительном удлинении 5*10-3, или 0.5% разрушается подавляющее большинство металлов и сплавов). Тензорезисторы способны измерять деформации, возникающие за десятимиллионные доли секунды, - и следить за медленно, в течении часов, суток, месяцев накапливающимися деформациями в стальных и железобетонных конструкциях. С помощью тензорезисторов деформации могут быть измерены в диапазоне температур -100ºС - 400ºС.
К числу наиболее важных приборов на основе тензорезисторов относятся акселерометры, датчики давления и приборы медицинского и биологического контроля.
Тензорезисторы успешно используются для определения давления крови. Катетеры с тензорезисторами вводятся непосредственно в кровеносные сосуды. Они настолько миниатюрны, что практически не вносят возмущения в ток крови.
Тензорезисторы используются для контроля объема и скорости дыхания в системах телеметрической информации о живых и космических пациентах, для слежения за ритмом сердечных сокращений и давлением непосредственно в сосудах сердца, для контроля усилий, развиваемых в экстремальных условиях спортсменами и космонавтами, для проведения многих других биологических исследованиях.
Задачи:
Найти коэффициент тензочувствительности тензорезистира, если сопротивление до деформации было R=30м, а при деформации изменилось на ΔR=2Ом , его длина изменилась три раза.
Решение: Δl=3l
=0.222222
Ответ: к=0.2222.
При деформации электролиты в виде провода, если он не изменяет своего объема, произошло изменение длины провода на Δl=0.06м. При этом l=0,2м, R=30(ом). Насколько изменился сопротивление при деформации?
Решение:
k=2(для жидких материалов)

Выразим через это выражение ΔR, ΔR=18(ом).
При деформации тензорезистора, его сопротивление увеличилась в 2 раза.
Как изменится его длина?
Решение:
R=pl/S=> l=RS/p; l1=3RS=>l1/l=2
Ответ: длина увеличится в 2 раза.
При деформации метеллического проводника длиной l=0.2м произошло изменение поперечного размера на Δb=-0.0002м и длины на Δl=0.06м. При этом коэффициент тензочувствительности к=7.
Найти поперечный размер проводника b.
Решение:
k=1+2 μ; выразим отсюда μ и найдем его: μ=3
μ=-Eb/El=- (Δb/b)/( Δl/l) => b=(- Δb*l)/(μ* Δl)=0.002м
Ответ: b=0.002м
Коэффициент тензочувствительности зависит от температуры.
Построить зависимость коэффициента тензочувствительности от температуры.
Ответ:

.
Вопросы.
Что такое тэнзорезистивный эффект?
Тензорезистивный эффект – изменение удельного электрического сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их деформации.
Что такое тензорезистор?
Тензорезистор – это полупроводниковый резистор, у которого величина сопротивления зависит от механического усилия, сжимающего или растягивающего резистор.
Что является входом, объектом, выходом тензорезистивного эффекта?
Вход – деформация, относительная деформация, объект – твердые проводники, выход- удельное электрическое сопротивление (изменение).
На какие процессы влияет деформация?
Тензорезистивный эффект связан с изменением межатомных расстояний при деформации, что влечёт за собой изменение структуры энергетических зон кристалла. Деформация также влияет влияет на процессы рассеяния носителей (появление новых дефектов, изменение фононного спектра).
Коэфициент тензочувствительности у полупроводников n-типа и р-типа.
. У полупроводников n - типа коэффициент тензочувствительности отрицательный, т.е. при возрастании давления сопротивление уменьшается, а у полупроводников p - типа - положительный.
Основные параметры тензорезистиров. К основным параметрам тензорезисторов относятся номинальное сопротивление (от десятков ом до десятков килоом), т.е. сопротивление при отсутствии давления, и коэффициент тензочувствительности, равный отношению относительного изменения сопротивления R/R к относительному изменению длины тензорезистора l/l.
7.
От чего зависит проявление тензорезистивного эффекта?
Проявление тензорезистивного эффекта существенно зависит от вида деформации.

Приложенные файлы

  • docx 26675992
    Размер файла: 67 kB Загрузок: 1

Добавить комментарий