Тензорезисторы и их применение для исследования медико-биологических сигналов

Физические основы тензорезистивного эффекта

В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.

Сопротивление провода R, имеющего поперечное сечение S, длину L и удельное сопротивление р, определяется выражением:

При растяжении такого провода площадь его поперечного сечения уменьшается, что приводит к увеличению полного сопротивления провода. Кроме того, поскольку при деформации изменяется кристаллическая решётка (структура материала провода), может также изменяться и его удельное сопротивление, что, как правило, приводит к ещё большему увеличению сопротивления. Оба эффекта учтены в следующем выражении:

AR.

где — = 8_Г — относительное изменение сопротивления; p = -(AD/D)/.

А.

/(AL /I) — коэффициент Пуассона; s_L = AL /1 — относительное изменение длины; e_D=AD/D — относительное изменение диаметра; 8_р = Ар / р — относительное изменение удельного сопротивления.

Первый член в правой части (4.2) соответствует геометрическим изменениям, второй — изменению удельного сопротивления при деформации (пьезорезистивный эффект).

Для того чтобы можно было сравнивать рабочие характеристики различных тензочувствительных материалов, вводится коэффициент тензочувствительности материалов (часто называемый также чувствительностью к деформации). Он определяется как:

Для большинства металлов коэффициент Пуассона равен приблизительно 0,3; поэтому G > 1,6. В таблице 4.1 приведены коэффициенты тензочувствительности и температурные коэффициенты сопротивления для различных тензочувствительных материалов. Обратим внимание, что для полупроводниковых материалов коэффициент тензочувствительности в 50…70 раз больше, чем для металлов.

Таблица 4.1

Коэффициенты тензочувствительности и температурные коэффициенты сопротивления для различных тензочувствительных материалов.

Кроме того, если коэффициент тензочувствительности металла определяется в основном изменениями размеров датчика, то в случае полупроводника доминирующую роль играет пьезорезистивный эффект. Преимущество полупроводниковых тензодатчиков — более высокое значение коэффициента тензочувствительности; к сожалению, эта положительная характеристика «компенсируется» слишком большим температурным коэффициентом сопротивления.

При всём многообразии задач, решаемых с помощью тензорезисторов, можно выделить две основные области их использования.

К первой области относятся исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях. Для этих задач характерны значительное число точек тензометрирования, широкие диапазоны параметров окружающей среды, а также невозможность градуировки измерительных каналов. Основной причиной погрешности в этих случаях является разброс параметров тензорезиторов R и G вокруг средних для этой партии значений, погрешность измерения составляет 2…10%.

Вторая область — применение тензорезисторов для измерения механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента. В этом случае датчики градуируются в измеряемой величине, а погрешности измерений лежат в диапазоне 0,5…0,05%. При измерении динамических деформаций величина максимальной деформации для проволочных тензорезисторов не должна превышать e_L < 0,1%, для полупроводниковых e_L < 0,2%, так как при больших деформациях резко понижается надёжность тензорезисторов.

Для крепления тензорезисторов к детали чаще всего используется клей. Креплению должно уделяться очень большое внимание, так как именно через плёнку клея происходит передача деформации с детали в тензорезистор и теплоотдача в деталь.

Нарушение технологии может привести к весьма существенным погрешностям, вызываемым ползучестью клея. В результате ползучести измеряемая деформация уменьшается по абсолютной величине. Значение погрешности зависит от технологии приклейки, температуры, величины деформации, в лучшем случае составляя 0,05…0,2%.

Из сравнения температурных возможностей тензочувствительного материала и клея видно, что ограничение температурного диапазона обуславливается прежде всего клеем. Поэтому для крепления высокотемпературных тензорезисторов применяют неорганические фосфатные цементы и жаростойкие окислы алюминия, наносимые на деталь методом газопламенного напыления. При таком креплении температурный диапазон ограничивается не ползучестью крепления с повышением температуры, а ухудшением изоляционных свойств цемента или окиси алюминия. Рабочий диапазон тензорезисторов ограничен температурой 350…600 °С при статических деформациях и 600…800 °С при динамических деформациях.