ТЕНЗОРЕЗИСТОР НА ОСНОВЕ СУЛЬФИДА САМАРИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к измерению и контролю механических величин, в частности к контролю напряженного состояния различных конструкций и изготовлению датчиков механических величин тензорезисторного типа, и может быть использовано при изготовлении датчиков деформации, силы, давления, перемещения, вибрации и т.п.

В объектах техники нередко возникает задача измерения механических величин. Это случается как на стадии проектирования различных машин, механизмов, конструкций, транспортных средств и др., так и при их эксплуатации. Наиболее часто эта задача решается путем применения методов и средств тензометрии, где основным измерительным устройством является тензорезистор.

Также известен тензорезистор для измерения деформаций, в котором тензочувствительный элемент выполнен на основе тонкой поликристаллической пленки сульфида самария - SmS (а.c. SU №1717946, опубл. 07.03.1989 г.), являющийся аналогом предлагаемого решения. Конструкция его представляет собой диэлектрическую подложку, на которую нанесен тензочувствительный слой из SmS, и металлические контактные площадки, к которым припаяны токовыводы. При деформировании подложки деформируется также слой SmS, электросопротивление которого изменяется прямо пропорционально деформации. Это изменение электросопротивления фиксируется электронной аппаратурой.

Основным недостатком тензорезистора с сульфидом самария является малая величина чувствительности измерений при давлениях 1,0…10^-3 МПа и деформациях К=28 (коэффициент тензочувствительности К определяется как отношение относительного изменения электросопротивления тензорезистора ΔR/R к величине относительной деформации ε, K=(ΔR/R)/ε).

За прототип предлагаемого тензорезистора принят тензорезистор для измерения деформаций на основе поликристаллической тонкой пленки Sm_1-xLn_xS, где Ln=La, Се, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, Y (0<x<0,3) (патент РФ №110472, опубл. 20.12.2011 г.), расположенной на диэлектрической подложке. К пленке присоединены металлические контактные площадки с припаянными токовыводами. Тензорезистор имеет максимальный коэффициент тензочувствительности К=38.

Основным недостатком существующих тензорезисторов является их малый коэффициент тензочувствительности К, приводящий к понижению чувствительности измерений.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения чувствительности измерений тензорезистора.

Выполнение поставленной задачи достигается следующим техническим решением.

Тензорезистор включает диэлектрическую подложку с тензочувствительной пленкой из Sm_1-xEu_xS, где 0,22≤x≤0,50.

Вследствие использования в тензорезисторе слоя твердого раствора Sm_1-xEu_xS происходит увеличение коэффициента тензочувствительности, К.

В ходе экспериментов, проведенных в рамках подготовки технического решения, установлено, что механизм увеличения коэффициента тензочувствительности заключается в следующем. Электроперенос в тонких пленках SmS и твердых растворах на его основе имеет двоякий характер. Во-первых, электроперенос осуществляется за счет электронов, находящихся в зоне проводимости (зонная составляющая). Во-вторых, он осуществляется за счет прыжковой проводимости, когда электроны перескакивают с одного локализованного состояния на другое, соседнее. Удельное электросопротивление при этом выражается следующей формулой, справедливой для любых полупроводников с комбинированным процессом электропереноса:

,

где n₁ и u₁ - концентрация и подвижность электронов в зоне проводимости; n₂, u₂ - концентрация и подвижность перескоковых электронов (прыжковая составляющая).

При малом количестве Eu большую роль в процессе электропроводности в Sm_1-xEu_xS играет прыжковая проводимость (в формуле превалирует второе слагаемое). При увеличении количества Eu доля прыжковой проводимости уменьшается, и величина первого слагаемого в формуле становится больше второго. Это происходит потому, что ионы европия, в отличие от ионов всех остальных лантаноидов, могут находиться в моносульфиде только в двухвалентном состоянии, а для наличия прыжковой проводимости необходимо наличие и двухвалентных, и трехвалентных ионов. Следовательно, зонная проводимость все меньше шунтируется прыжковой. Следует отметить, что за величину тензочувствительности (величину К) рассматриваемых материалов ответственна именно зонная составляющая проводимости, именно она изменяется под действием деформации. При дальнейшем увеличении количества Еu величина К постепенно уменьшается, т.к. EuS обладает малым К. Как видим, исходя из физического механизма влияния добавления Еu в SmS, зависимость величины К от величины x в Sm_1-xEu_xS носит нелинейный характер. Она имеет вид кривой с максимумом (Фиг. 1).

Одной из реализаций решения является тензорезистор, который представляет собой диэлектрическую подложку с нанесенным тензочувствительным слоем в виде поликристаллической пленки с составом Sm_1-xEu_xS, где 0,22≤x≤0,50, и металлическими контактными площадками, расположенными на одной поверхности пленки с припаянными к ним токовыводами.

Тензорезистор работает следующим образом.

Тензорезистор наклеивается либо приваривается к поверхности испытуемого объекта или к поверхности упругого элемента датчика механической величины. Возможно также его помещение внутрь деформируемой среды, например, при заливке бетона или формовке пластмассовой детали. При деформировании поверхности или среды деформируется также подложка тензорезистора. При деформировании подложки деформируется слой полупроводника, состоящего из предлагаемого состава, электросопротивление которого изменяется прямо пропорционально деформации. Это изменение электросопротивления фиксируется отградуированной электронной аппаратурой.

Пример

Для определения положения максимума тензочувствительности были изготовлены несколько партий тонких поликристаллических пленок состава Sm_1-xEu_xS с различными значениями x и проведены измерения значений К при различных х. На стеклянную подложку методом взрывного испарения в вакууме были нанесены семь поликристаллических пленок с составами Sm_1-xEu_xS. При напылении пленок использовались маски, позволившие получить из осаждаемых паров конфигурации тензорезисторов. После осаждения пленок через другую систему масок были напылены контакты из кобальта методом резистивного испарения. Условия напыления всех пленок были идентичны: температура подложки 460°C, температура лодочки ~2500°C, вакуум 10^-6 мм рт.ст. Были распылены семь порошков Sm_1-xEu_xS со значениями x=0,17, x=0,20, x=0,225, x=0,25, x=0,33, x=0,50 и x=1,0, полученных дроблениями объемных образцов. Составы объемных образцов, а также полученных при их испарении пленок контролировались с помощью рентгеноспектрального флюоресцентного анализа, имевшего точность ~10%. В таблице (Табл. 1) приведены параметры полученных тонких пленок. Коэффициент тензочувствительности измерялся при наклейке на стальную калибровочную балку согласно ГОСТ 21616-91. Балка подвергалась изгибу путем нагружения калиброванными грузами. Величина К измерялась по формуле: Κ=ξ/ε, где ξ=ΔR/R - относительное изменение электросопротивления тензорезистора, R, при относительной деформации, равной ε.

Для сравнения в таблице 1 приведены данные для пленки аналога, SmS, напыленной при тех же режимах, а также данные для пленок прототипа, на которых были получены максимальные значения К (составы http://Smo.89Gdo.11S, http://Smo.91Luo.09S). Кроме того, приведены данные для значения x=0,25 из области, где интервалы содержания допирующей примеси, запатентованные в прототипе и в предлагаемом решении, перекрываются. Наблюдается повышение К при допировании европием примерно в полтора-три раза по сравнению с чистым SmS, а также допированным Gd и Lu. Поскольку чувствительность измерений пропорциональна К, полученный результат соответствует задаче, решаемой предлагаемым изобретением, - повышению чувствительности измерений.

В результате исследования выявлено, что при содержании в пленке Еu=(22,0-50,0)% (x=0,22÷0,50) величина К превосходит ее значение у прототипа.

Как видно из таблицы 1 предлагаемое решение позволяет выполнить поставленную задачу повышения чувствительности измерений тензорезистора.

Использование: для изготовления датчиков деформации, силы, давления, перемещения, вибрации. Сущность изобретения заключается в том, что тензорезистор включает диэлектрическую подложку с нанесенной тензочувствительной пленкой из Sm_1-xEu_xS, где 0,22≤x≤0,5. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности измерений тензорезистора. 1 ил., 1 табл.

Тензорезистор, включающий диэлектрическую подложку с нанесенной тензочувствительной пленкой из Sm_1-xEu_xS, где 0,22≤x≤0,50.