Полупроводниковые тензорезисторы
Тензорезистивные свойства полупроводникового кремния и германия были обнаружены в 1959 году. В 1960 году началось серийное производство полупроводниковых тензодатчиков.
Основной элемент полупроводникового тензодатчика - сверхтонкая прямоугольная плёнка монокристалла кремния, Прикреплённая для удобства обращения к подложке. Сопротивление кремния превосходит в 103 раз сопротивления константана, используемого в фольгованных датчиках. Поэтому в полупроводниковых тензодатчиках не применяется конфигурация решётки.
Применение полупроводниковых тензорезисторов вместо металлических в датчиках механических величин позволяет на один-два порядка повысить чувствительность и величину выходного сигнала датчиков. Это дает возможность обходиться без усилительной аппаратуры, упрощает конструкцию датчиков, расширяет их рабочие диапазоны.
Наиболее перспективными в тензометрии являются полупроводниковые материалы на основе моносульфида самария SmS.
Их преимущества перед традиционными полупроводниками:
рекордно высокая чувствительность: коэффициент тензочувствительности от 50 (для поликристаллических пленок) до 260 (для монокристаллов), коэффициент всестороннего сжатия до 5,8-Ю-3 МПа-1, линейность тензохарактеристики; низкий ТКС, в климатическом интервале температур возможно достижение нулевого значения ТКС с любой требуемой точностью; чрезвычайно высокая радиационная стойкость; стойкость к внешним воздействиям (предел прочности на сжатие 40кг/мм2, температура плавления ~2200°С).
Наличие у SmS фазового перехода первого рода полупроводник - металл позволяет легко изменять сопротивление, тензочувствительность и температурный коэффициент сопротивления готового тензорезистора, что значительно облегчает балансировку мостовой схемы и регулировку ее параметров при изготовлении датчиков.
Изготовлены и испытаны опытные образцы тонкопленочных полупроводниковых тензорезисторов на основе SmS. Налажено серийное производство таких тензорезисторов. Их применение в датчиках механических величин может поднять на качественно иной уровень технологию изготовления этих датчиков и их использование во всех отраслях техники и экономики.
Перспективы применения сульфида самария в тензометрии. (Справка специалиста)
В настоящее время основным видом датчиков механических величин являются тензорезисторные. В большинстве случаев в качестве чувствительных элементов в них используются металлические тензорезисторы. Основным недостатком таких датчиков являются невысокие выходные сигналы из-за низкой тензочувствительности металлов. Используя полупроводниковые тензорезисторы, можно повысить величину выходного сигнала на Один-два порядка. Это дает возможность обходиться без усилительной аппаратуры, упрощает конструкцию, расширяет рабочие диапазоны датчиков. Однако традиционные полупроводниковые материалы наряду с высокой чувствительностью имеют ряд недостатков, затрудняющих их использование в тензометрии. Главные из таких недостатков - нелинейность характеристик и большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС).
Применение материалов на основе сульфида самария (SmS) позволяет в значительной мере избавиться от недостатков, присущих полупроводниковым датчикам. Тензочувствительность монокристалла SmS достигает 200, поликристаллической пленки - 60, коэффициент пьезосопротивления всестороннего сжатия до 5,8·10-3МПа-1. SmS и материалы на его основе обладают линейной характеристикой (зависимостью относительного изменения сопротивления от деформации), а ТКС этих материалов можно варьировать в широких пределах (+2,5 ÷ -3;3)·10-3 град-1, то есть, возможно, изменение его знака и достижение нулевого значения с любой требуемой точностью. Изотропность тензоэффекта облегчает использование поликристаллических пленок SmS для изготовления полупроводниковых тензорезисторов.
Помимо этого, SmS обладает уникальными физическими свойствами, ставящими его вне конкуренции среди известных полупроводниковых материалов. К таким свойствам относится фазовый переход первого рода полупроводник - металл, который позволяет путем полировки или под давлением частично переводить полупроводниковую пленку в устойчивую металлическую фазу. Таким образом, можно легко изменять сопротивление, Тензочувствительность и температурный коэффициент сопротивления готового тензорезистора, т.е. значительно облегчается балансировка мостовой схемы и регулировка ее параметров при изготовлении датчиков.
Материалы на основе SmS стойки на воздухе, механически достаточно прочны (предел прочности 40 кг/мм2), температура плавления ~2300°С, ТКЛР как у стали - 12·10-6°С-1, отличаются необычайно высокой радиационной стойкостью, могут работать в условиях сильных магнитных полей.
Перспективы применения сульфида самария в качестве материала для термоэлектрических преобразователей. (Справка специалиста)
Многолетний наработанный материал позволяет сделать вывод о высочайшей эффективности применения сульфидов самария в нормальных и экстремальных условиях, причем в условиях высокой радиации и сильных магнитных полей они не имеют себе равных.
Тугоплавкий вырожденный полупроводник SmS (n=1021см-3) - перспективный высокотемпературный материал n-типа для целей прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Высокие значения термоЭДС и электропроводности, наличие протяженного температурного интервала, в котором проводимость и термоЭДС совместно возрастают, при одновременном изменении теплопроводности лишь за счет электронной составляющей позволили оценить значение термоэлектрической эффективности Z=α2·σ/Æ, где α - термоЭДС, σ - электропроводность, Æ - теплопроводность, как наиболее высокую среди традиционных материалов для диапазона температур 700-1500°С, т.е. вплоть до начала собственной проводимости SmS.
Термодинамическая, радиационная и химическая стойкость позволяет использовать термопреобразователи на основе SmS в горячих зонах атомных и химических реакторов в качестве датчиков систем контроля, защиты и управления процессами.
Термодинамическая стабильность бинарной системы SmS, высокая технологичность и простота получения пленок, возможность варьирования термоэлектрических параметров с целью их оптимизации позволят создать высокоэффективные термопреобразователи широкого спектра применения.
Датчик силы (веса) на редкоземельных полупроводниках. Моносульфид самария имеет рекордную тензочувствительность среди известных материалов. По величине коэффициента тензочувствительности этот редкоземельный полупроводник в два с половиной раза превосходит традиционно применяемый в тензометрии кремний как в поликристаллическом, так и в монокристаллическом состоянии. Кроме того, моносульфид самария выгодно отличается от других полупроводников линейностью градуировочной характеристики и меньшим температурным коэффициентом сопротивления.
Использование моносульфида самария в качестве тензочувствительного материала позволяет перейти на интегральную технологию изготовления тензодатчиков. Габариты (площадь) чувствительного элемента может составлять десятые доли квадратного миллиметра. Сопротивление можно выбрать от сотен Ом до сотен кОм. С мостовой схемы, выполненной из поликристаллического моносульфида самария, можно получить выходной сигнал примерно 50 мкВ/В.
Уникальные физические свойства моносульфида самария позволяют значительно упростить измерительную схему тензодатчиков. К таким свойствам относится возможность частичного перевода поликристаллической полупроводниковой пленки в металлическую фазу. При этом можно изменить, тензочувствительность, температурный коэффициент сопротивления и собственно сопротивление тензорезистора.
Традиционная схема тензомоста имеет множество регулировочных элементов: два балансировочных элемента, два элемента температурной компенсации, нормирующий элемент и элемент для компенсации температурного изменения модуля упругости материала упругого элемента. В принципе, все функции, выполняемые указанными выше регулировочными элементами, могут выполнить подготовленные соответствующим образом тензорезисторы. Возможна также не механическая, а электрическая юстировка весового датчика.
Обобщая вышесказанное, можно получить весовой датчик со следующими техническими характеристиками:
- Входное сопротивление 100 -г-100 000 Ом;
- Выходное сопротивление 100 -100 000 Ом;
- Выходной сигнал 50 мВ/В;
- Погрешность измерения 0,001%
Полупроводниковые тензорезистивные датчики с применением моносульфида самария (SmS) Применение новых материалов с уникальными свойствами может определить развитие целых направлений (отраслей) науки и техники. Здесь представляется новый материал, обладающий набором характеристик, которые являются рекордными среди известных материалов.
Моносульфид самария (SmS) обладает самой высокой чувствительностью к деформации (тензочувствительностью) среди известных материалов
Пленку SmS очень легко перевести частично из полупроводниковой фазы в устойчивую металлическую фазу. Таким способом можно плавно изменять ее физические и метрологические характеристики
Применение SmS позволит создать новый класс измерительных приборов (датчики давления- силы, момента, ускорений и т.п.), обладающих высоким выходным сигналом и минимальной погрешностью. Такие приборы могут работать в условиях повышенной радиации и сильных магнитных полей.
Разработанные в настоящее время материалы на основе SMS превосходят существующие полупроводниковые материалы по чувствительности к деформациям, радиационной стойкости, термоэлектрическим параметрам (особенно при высоких температурах), термостойкости (Тпл ~ 2300°C). Кроме того, имеется ряд физических предпосылок для обеспечения
Как показали результаты предварительной проработки„ датчики на SmS работоспособны во всевозможных газообразных, жидких и сыпучих средах, а также в горных породах, в условиях вечной мерзлоты, повышенной радиации и обладают многолетней работоспособностью при заделке; в бетонные конструкции при их заливке. Такие результаты позволяют успешно применять такие датчики в области охраны окружающей среды и безопасности ядерных реакторов.
Полупроводниковые тензорезистивные датчики с применением моносульфида самария (SmS) Моносульфид самария (SmS) обладает самой высокой чувствительностью к деформации (тензочувствительностью) среди известных материалов. В то время как фольговые тензорезисторы имеют тензочувствительность К=2, пленки SmS имеют К=50 и выше.
Разработанные в настоящее время материалы на основе SmS превосходят существующие полупроводниковые материалы не только по чувствительности к деформациям, но и по радиационной стойкости, термоэлектрическим параметрам (особенно при высоких температурах), термостойкости (Тпл~2300"С). Кроме того, имеется ряд физических предпосылок для обеспечения высокой технологичности производства: большая концентрация носителей тока, изотропность эффектов, наличие фазового перехода полупроводник-металл и др.
Как показали результаты предварительной проработки, датчики на SmS работоспособны во всевозможных газообразных, жидких и сыпучих средах, а также в условиях повышенной радиации.
Исследованием моносульфида самария занимались свыше десяти лет. Была разработана технология получения тонкопленочных тензорезисторов из SmS. По данной теме получено более десяти авторских свидетельств.
Применение тензорезисторов из SmS вместо фольговых позволит, в зависимости от конкретных условий работы, получить одно из следующих серьезных преимуществ:
- значительное (на 2-4 порядка) увеличение выходного сигнала тензодатчика, т.е. появляется возможность работать без усилительной аппаратуры;
- значительное снижение рассеиваемой мощности вне зависимости от размеров датчика, т.к. на упругом элементе любой конструкции можно разместить тензорезисторы с высоким сопротивлением (например, применение тензорезисторов из SmS с сопротивлением 500 кОм позволит снизить рассеиваемую мощность в 1000 раз по сравнению с фольговыми, имеющими сопротивление 400 Ом);
- при работе со стандартной усилительной аппаратурой (т.е. при стандартном выходном сигнале) - значительное снижение величины деформации упругого элемента, позволяющее свести к нулю такие важные метрологические характеристики датчика, как нелинейность и гистерезис.