Полупроводниковый пьезорезистивный преобразователь силы Советский патент 1983 года по МПК G01L1/18 

Изобретение относится к технике электрического измерения неэлектрических величин, в частности к устройствам для преобразования силы в электрический сигнал. Известен полупроводниковый пьезо электрический преобразователь силы, индентор которого жестко соединен с мембраной преобразователя и плоской пружиной, на свободный конец которой через упругую связку опирается регулировочный винт JL . Недостатком этого устройства является возникновение изгибающего момента в зоне закрепления индентор с плоской пр5 жиной при создании пер воначального нерабочего усилия. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является полупроводниковый пьезореэистивный преобразователь силы,.содержащий расположенные в корпусе полупроводниковую структуру, индентор и прижи ное устройство, состоящее из двухплоских пружин с расположенным между ними шаром 23 Недостатком такого устройства является возникновение дополнительн перекосов в контакте между кончиком индентора и полупроводниковой пьезр резистивной структурой при созданий первоначального нерабочего усилия. Целью изобретения является йовышени.е точности за счет устранения перекосов между индентором и полупроводниковой структурой. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе силы, содержащем расположенные в корпусе полупроводниковую структуру, индентор и прижимное устройство, состояEiee из двух плоских пружин с расположенным между ними ша:ром, центр шара совмещен с осью инденто ра с помощью самоцентрирующего упора, жестко связанного с корпусом На фиг. 1 представлена конструкция преобразователя} на фиг. 2 электрическая схема соединения прёо ра зователя) на фиг« 3 - .семейства вольт-амперных характеристик; на фиг. 4 - нагрузочная характеристика преобразователя на фиг. 5 - сечени А-А на фиг. 1. ЙС7Луп рово;цниковый пьезорестивный преобразователь силы состоит из корпуса 1, на котором через изолирующую втулку 2 закреплён индентор изготовленный из металлокерамическо го твердого сплава, содержащего 90% карбида вольфрама и 10% кобальта {ма:рки ВК10) с радиусом загругления сферическсУго кончика 30 мкм. Сферическим кончиком индентор 3 соприкасается с полупроводниковой пьезорезистивнОй структурой 4, изготовленной в виде пластинки из монокрис таллического германия ориентации (III iс электронной проводимостью, легированного сурьмой с удельным электрическим; сопротивлением 3.10- Ом.м (марки ГЭС-3). Индентор 3 и полупроводниковая, пьезорезистивная структура 4 образуют пьезодиод.. Полупр1оводниковая пьезОрезистивная структура 4 закреплена на плоской пружине 5, крторая перпендикулярна к оси индентора 3. На корпусе 1 одним концом, закреплена также плоская пружина 6 параллельно пружине 5. Между плоскими пружинами 5 и б свободно установлен шар 7. Зазор между пружинами 5 и 6 устанавливается прокладкой 8, высота Которой равна диаметру шара 7..Прокладка 8 имеет выступ 9, который своим цилиндрическим тор- ° цОм 1.0 фиг. 5) соприкасается с шаром 7. Длина выступа 9 выбирается так,, чтобы центр шара 7 совмещался с осью индентора 3. На корпусе 1 установлен регулировочный винт 11, головка которого соприкасается со свободньви концом пружины б. Плоские пружины 5 и б с шаром 7 и винтом 11 составляют прижимное устройство преобразователя, предназначенное для создания первоначального .нерабочего усилия в контакте индентор-полупроводниковая.пьезорезистивная структура. С помощью выводов 12 и 13 преобразователь соединяется с внешней электрической схемой.. При использовании других видов полупроводниковых пьезорезистивных структур количество и места сое динения в ыводов отличаются. При этом преобразователь соединяется с соот|ветЬтвующей электрической схемой. Преобразователь соединен по схеме неуравновешенного моста, одним из плеч Которого является пьезодиод. Мост состоит из одинаковых постоянных Сопротивлений 14 и 15 и переменного сопротивления 16. Мост питается от источника постоянного тока 17. Отрицательный потенциал подключен к индентору 3. Выводы 18 и 19 рабочей диагрналй моста соединены с изкери-; тельным или регистрирующим прибором 20При ввинчивании регулировочного винта 11 его головка .изгибает сво- . бодный конец пружины 6 и создает усилие, пропорциональное перемещению, от этого усилия в зоне соприкосно-, вения пружины 6 с шаром 7 возникают сила и изгибающий момент.. Равнодействующая этой силы направлена в центр шара 7. Действующая на шар 7 сила Уравнове.шивается опорными реакциями/ возникающими от пружины 5 и выступа 9, которые направлены к цент шара 7. Действие шара 7 на пружину 5.направлено перпендикулярно к

плоскости пружины 5 и сойпадает а осью индентора (центр шара и ось индентора совмещены). Шао 7, составляя шарнирное соединение с пружиной 6 (установлен свободно &ез заделки), не воспринимает изгибающий момент ц возникающий в зоне соприкрснования пружины б с шаром 7. Таким образом, на контакт индентор-полупроводниковая пьезорезистивная структура, в определенным коэффициентом передачи, зависящим от размеров пружины и расположения опор, всегда передается только усилие (без изгибающих моментов }, переходящее через ось индентора 3. Таким образом устраняется возможность перемещения или перекот; сов между индентором.и полупровод-. никовой пьезорезистивной структурой при создании первоначального нерабочего усилия. Рабочее усилие Р передается на преобразователь в зоне

.соприкосновения шара 7 с пружиной 6. Рабочее усилие, .например, в микро фоне, создается с помощью мембраны, которая со своим центром соединена с преобразователем силы в точке приложения усилия.

Преобразователь работает следующим образом.

При ввинчивании винта 11 в контакте пьезодиода создается перво: начальное нерабочее усилие (н.а фиг. 1 и 2 показано стрелкой, обозначенной буквой F ). При этом на вольт-амперных характеристиках (ВАХ) пьезодиода (фиг. 3) при обратном смещении напряжения от приложенного усилия появляются участки 21 с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОСД)N -типа и участки с насыщением тока (горизонтальные участки на ВАХ). Наличие участков с оде сопровождается повышением пьезо чувстрительности участков насыщения тока (до 100 мА/Н). С помощью регулировочного винта 11 в контакте создается усилие величиной 0,272Н. На семействе ВАХ этому значению усилия соответствует кривая 22, а на сило-токовой характеристике (СТХ) точка, обозначенная кружком. В этой точке графикСТХ имеет перегиб, по обеим сторонам которого до велич1 иы усилия +2.10 Н (крестики на фиг. 43

зависи1мор ть тока от усилия линейна „ с нелинё1 ными искажениями до il% 4 На BAJt этим значениям силы

соответствуют кривые 23 .и 24. При изменении усилия больше указанного пьезочувствительность падает, нелинейные искажения резко возрастают jf При значении усилия 0,29JH (на фиг. 3

5 кривая 25)исчезает пьезочувствительность, а при значении усилия 0,.19Н (на фиг. 3 кривая 2б) пьезочувствительность резко падает. При этом исчезает также участок 21 с ОДС на

0 ВАХ. Дифференциальное сопротивление ; на участках насыщения тока составляет не менее 200 кОм в интервале обратного смещения от 10В до ЗОВ. После создания необходимого первоначального нерабочего усилия F в контакте пьезодиода с помощью переменного сопротивления 16 баллансируется мост, т.е. срезается постоянная составляющая выходного сигнала,

Q возникающего от первоначальногонерабочего усилия FO . При наличии рабочего усилия F происходит разбаланс моста,.и прибор 20 показывает или регистрируе.т выходной сигнал

5 моста в Ьиде тока или напряжения, пропорционального рабочему усилию F . Чтобы обеспечить линейное преобразование рабочего усилия F величины питающего моста и сопротивлений 14 и 15. подбирают.так, чтобы нагру0зочная кривая 27 пересекла вольтамперные характеристики 24 и 23 на участках насып1ения тока. При постоянном рабочем УСИЛ11И F на , моста появляется пропорциональный

5 усилию электрический сигнал постоянной величины, а при переменном усилии появляется перемен.ныйсигнал.

Использование полупроводникового пьезорезистивного преобразователя

0 силы в измерительной т.ехнике по сравнению с прототипом исключает технологичеркий брак при настройке преобразователя, упрощая при этом настройку и сокращая ее время.

5 Выполнение полупроводникового

пьезорезистивного преобразователя силы в виде самостоятельного элемента, не зависящего от. конкретной конструкции датчика,: позволяет унифицировать детали и узлы датчи0|Ков измерения различных физических. величин. Все это приводит к снижению себестоимости как полупроводникового пьезорезистивного преобразователя,, так и датчиков .и-устройств, постро5

енных на его основе.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИЛЫ, . содержащий расположенные в корпусе полупроводниковую структуру, индентор и прижимное устройство, состр ящее из двух плоских пружин с расположенным между ними шаром, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения точности за счет устранения перекосов между индентором.и полупроводниковой структурой, центр шара совмещен с осью индентора с помощью Сс1моцентрирующего упора, жестко связанного с корпусом. i эо х :п