Главная \ Полезная информация \ Общие сведения о тензорезисторах

Полезная информация

« Назад

Общие сведения о тензорезисторах  

Основным элементом тензодатчика является тензорезистор. Он наилучшим образом удовлетворяет критерию стоимость-эффективность. Тензорезисторы широко используются в качестве чувствительного элемента датчиков для измерения сил, давления.

Историческая справка

На тензоэффект впервые обратил внимание Кельвин в 1856 году. Со временем проволочные тензорезисторы были вытеснены фольгованными. Полупроводниковые тензорезисторы были получены в результате побочного исследования, и получили широкое распространение в 60-е годы.

Конфигурация 

Рассмотрим конфигурацию тензорезистора на примере полупроводникового SmS. Он состоит из:

  • элемента чувствительного к деформации;
  • подложки;
  • тонкой плёнки, которая является изолятором и несущей основой для чувствительного элемента;
  • контактных площадок для присоединения выводных проводов.

ТР - копия

Рисунок 1. Тензорезистор - фронтальный вид

ТР

Рисунок 2. Тензорезистор - боковой вид

Элемент, чувствительный к деформации, представляет собой решётку, которая вытравлена способом фотолитографии или отштампована из очень тонкого листа металлической фольги толщиной 2,5 мкм. Конфигурация выбирается таким образом, чтобы обеспечить сопротивление равное 100 Ом при достаточно малой длине и ширине. Выпускаются датчики, длина которых меняется в диапазоне от 2 до 150 мкм. Выпускаются датчики  специального назначения (мембранные датчики давления, напряжения, датчики деформации сдвига).

Основными характеристиками этих преобразователей являются:

  1. Температурная и временная стабильность.
  2. Погрешность измерения деформации, которая не должна превышать Δll= 1 мкм/м в диапазоне ±5%(±50000мкм/м).
  3. Длина и ширина датчика должны быть достаточно малы для адекватного измерения деформации в точке.
  4. Инерционность датчика должна быть мала для регистрации высоких частот динамических процессов.
  5. Линейность отклика датчика в пределах всего диапазона.
  6. Экономичность датчика и сопряженных с ним устройств.
  7. Минимальные требования к квалификации обслуживающего персонала для установки и проведения измерений.
  8. Фольговые датчики характеризуются предельной деформацией ±5%.

Материалы, наиболее используемые в тензорезисторах

Материал Состав, % SR в области
упругой деформации
Кокстантант 45Ni,55Cu 2,1
Карма 74Ni,20Cr,3Al,3Fe 2,0
Изоэластик 36Ni,8Cr,0.5Mo,55.5Fe 3,6
Нихром V 80Ni,20Cr 2,1
Платиновольфрам 92Pt,8W 4,0
Армюр Д 70Fe,20Cr,10Al 2,0


Физика изменения удельного сопротивления при деформации материала: деформация материалов связана с деформацией решётки. При этом изменяется положение уровня Ферми, что сказывается на концентрации свободных электронов.

Особенности материалов:

1. Константан – используется в большинстве тензорезисторов, благодаря неизменности тензочувствительности и отсутствию существенных изменений при переходе от упругих деформаций к пластическим. Он обладает высоким удельным сопротивлением  и температурной стабильностью.

2. Сплав карма – по сравнению с константаном обладает рядом преимуществ:

  • может быть скомпенсирован температурно в более широком диапазоне температур;
  • никеле-хромовая основа сплава обеспечивает тензорезисторам более высокие усталостные характеристики;
  • сплав проявляет более высокую временную стабильность, а, следовательно, предпочтителен при измерении статических деформаций на протяжении длительного времени (от нескольких месяцев до нескольких лет);

Недостаток:

  • Трудность пайки выводных проводников к контактным площадкам датчика.

3. Изоластик – обладает высокой тензочувствительностью и наиболее высокими усталостными характеристиками, однако он исключительно чувствителен к температуре, а, следовательно, его сфера применения ограничена или динамическими измерениями, или статическими, при которых нестабильность, связанная с температурой, не имеет значения.

4. Нихром V, платиновольфрам, армюр Д - применяют в узкоспециальных приложениях, связанных с высокими температурами, при которых приобретают существенное значение устойчивости к окислительным процессам.

Несущая основа

В качестве несущей основы применяются следующие материалы материалы:

  • акриловые;
  • полиамидные;
  • фенольные;
  • эпоксидно-стеклянные;
  • бумага;
  • эпоксидные;
  • эпоксидно-полиамидные;
  • эпоксидно-фенольные;
  • фенольно-стеклянные.

В большинстве случаев применяется полиамидная плёнка, отличающаяся прочностью, гибкостью и совместимостью с большинством связующих.

Применяется также плёнка с эпоксидной смолы. Её особенностями являются линейно-упругое поведение материала и отсутствие гистерезиса.

Полимеры, армированные стекловолокном, применяются в датчиках для работ в циклических деформациях.

В датчиках, работающих при повышенных температурах, используются основы из эпоксидных и фенольных смол, армированных стекловолокном.