ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МЕХАНОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Советский патент 1995 года по МПК H01L29/84 G01R9/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в частности при создании датчиков слабых переменных сил.

Цель изобретения стабилизация чувствительности и повышение долговечности преобразователя.

На фиг. 1 приведена конструкция предлагаемого полупроводникового механоэлектрического стабилизированного преобразователя (вариант); на фиг.2 то же (вариант); на фиг.3 -элемент конструкции с микропроводом; на фиг.4 представлена конкретная схема узла прижима преобразователя; на фиг.5 приведена принципиальная электрическая схема включения полупроводникового преобразователя.

Преобразователь содержит стальное основание 1, к которому через прокладку 2 прикреплен держатель 3 микрошара-индентора. Полупроводниковый кристалл 4 с диодной или транзисторной структурой через изолятор 5 прикреплен к основанию 1. Микрошар-индентор прижат к поверхности кристалла силой, созданной натягом второй металлической нитью (проволокой) 6, приваренной к держателю 3. Проволока 6 проходит через специальное отверстие в основании 1 и прикреплена к середине металлической нити 7 узла регулировки силы прижима. Нить изготовлена из того же материала, что и основание 1 и двумя концами 8 приварена к нему. На нить 7 намотан электронагреватель 9 из изолированного нихромового микропровода диаметром порядка 10 мкм. Нагреватель можно создать и напылением нихромовой пленки на покрытую тонким слоем изолятора нить 7. Нить 7 оттянута в середине пружиной 10, другой конец которой зафиксирован к основанию 1 через кронштейн 11 так, что в начальном обесточенном состоянии сила прижима между микрошаром и кристаллом составляет около 30% рабочей силы прижима. Для придания преобразователю необходимой жесткости желательно основание 1 изготовить в виде небольшой чашечки.

По другому варианту конструкции преобразователя 2. Нить 7 узла регулировки силы прижима заменена изогнутой в середине на угол 170-175^оС пластиной 12, а пружина 10 устранена. Жесткая пластина 12 (см.фиг.3) имеет три узких поперечных выреза в середине и у концов. Проволока 6 зафиксирована у ее среднего выреза. На фиг.3 представлен конкретный пример осуществления конструкции пружины 10 и создания механической связи между проволокой 6 и нитью 7, которая концами 8 приварена к основанию 1. Пружина 10 изготовлена плоской и при помощи П-образной скобы 13 прикреплена к цилиндру 14, приваренному к основанию 1. Коротким концом, на котором имеется отверстие 15 для прохождения проволоки 6, пружина 10 оттягивает в середине нить 7, а длинный конец ее прижат в направлении основания 1 хомутом 16. Для точной подстройки начальной силы натяга нити 7 между хомутом 16 и плоской пружиной 10 расположен устанавливаемый вручную микроклин 17. Проволока 6 перекинута через нить 7 (под углом около 90^о) и прикреплена к основанию приклейкой сваренной с ней микросетки 18 к подставке 19, приваренной к основанию. Микросетка увеличивает эффективную склеиваемую поверхность, обеспечивая неподвижное соединение проволоки 6 с основанием 1. Такая конструкция фактически осуществляет жесткое механическое соединение проволоки 6 с нитью без их непосредственного прикрепления, которое не исключается, однако является технически более сложным и для своего осуществления требует определенного мастерства.

Принципиальная электрическая схема возможного включения полупроводникового преобразователя (см. фиг.4) относится к тензодиодному преобразователю. Электрические выводы от держателя 3 микрошара-индентора (или держателя индентора) и полупроводникового кристалла 4 соединены в базовую цепь усилительного транзистора 20 через нагрузочный резистор 21. Электронагреватель 9 включен в эмиттерную цепь и одновременно служит выходной нагрузкой транзистора на выводах 22.

Устройство работает следующим образом.

При включении электрического питания, ввиду малости начального тока тензодиода из-за малого значения начальной силы прижима между индентором и кристаллом, текущий через резистор 21 ток создает значительный ток через нагреватель 9, повышая температуру нити 7 (или пластины 12). Тепловое удлинение нити 7 освобождает пружину 10 и она, натягивая проволоку 6, увеличивает силу прижима, приводя к возрастанию тока тензодиода (тензотранзистора). Этот процесс продолжается недолго, т.к. падение напряжения на нагрузочном резисторе уменьшает базовый ток транзистора и устанавливается определенное состояние равновесия. Ясно, что вместо транзистора может быть использован и микросхемный усилитель. В этом случае стабилизация будет лучше. Основой такого метода стабилизации является то, что чувствительность полупроводникового тензoдиoда или тензотранзистора к регистрируемому сигналу пропорциональна постоянной составляющей тока через этот прибор, поэтому стабилизация тока одновременно стабилизирует и чувствительность полупроводникового преобразователя.

При воздействии на преобразователь внешнего переменного регистрируемого сигнала произойдет изменение силы прижима между индентором и кристаллом и соответствующее изменение тока базы транзистора. Усиленный по току сигнал снимается с выводов 22. Таким образом тот же транзистор также выполняет роль каскада предварительного усиления сигнала, обеспечивая экономичность преобразователя. Желательно этот транзистор располагать в корпусе преобразователя. Т.к. сопротивление электронагревателя 9 порядка 300 Ом, то применение даже длинного соединительного кабеля не приводит к заметному искажению выходного сигнала.

Примененный способ стабилизации чувствительности при помощи механоэлектрической отрицательной обратной связи ограничивает низкочастотную границу преобразователя и начиная от частот 0,2 Гц, амплитудно-частотная характеристика АХЧ преобразования падает. Выше этой частоты АЧХ равномерна до частот около 30 кГц. Ограничение высокочастотной области определяется размерами примененных деталей.

Работа другого конструктивного варианта преобразователя, который представлен на фиг.2, существенно не отличается от описанного. Основное отличие заключается в том, что жесткая пластина 12 тепловой подрегулировки, нагреваясь и удлиняясь, тянет за собой подсоединенную к ее середине проволоку 6, увеличивая силу прижима между индентором и кристаллом. Кроме простоты конструкции в этом варианте расходуемая на нагревателе электрическая мощность почти в 5 раз меньше, чем для вышеописанного варианта.

Элементы тепловой подрегулировки нить 7 и пластина 12 своей механической жесткостью шунтируют тензочувствительный элемент, уменьшают чувствительность преобразователя к регистрируемой силе (но не к перемещению). В первом конструктивном варианте с нитью 7 чувствительность уменьшается почти вдвое, а во втором варианте с пластиной 12 почти в 5 раз. Однако автоматическая стабилизация чувствительности позволяет использовать тензопреобразователь в области его максимальной чувствительности, что невозможно при ручной настройке. Поэтому, несмотря на шунтирующее действие элементов тепловой подрегулировки, в итоге преобразователь оказывается более чувствительным.

Преимуществом описанных устройств является то, что в нерабочем состоянии сила прижима между индентором и кристаллом равна только 30% рабочей силы. Известно, что рабочее давление на кристалл под индентором весьма значительное, что ограничивает срок службы таких преобразователей 2-3 годами. При уменьшении этой силы срок службы возрастает экспоненциально, поэтому в нашем случае он продлевается до 10 лет.

Конкретное представление о данном полупроводниковом преобразователе могут дать следующие цифры. Размер основания около 6 мм. Длина клюва-держателя микрошара 1,5 мм. Длина нити 7 около 5 мм, а диаметр 0,1 мм. Ее прогиб 0,3 мм. При применении германиевого тензодиода рабочая сила прижима 0,02Н, а натяг пружины 10 около 0,15 Н. Ток подогрева нагревателя 9 около 3-8 мА. Чувствительность преобразователя к силе 103 B/Н, а к перемещению 10⁹ В/м. Масса преобразователя 0,4 г. Ударостойкость более 1000 g, рабочий интервал температур от минус 20 до 40^оС.

1. Полупроводниковый механоэлектрический стабилизированный преобразователь, содержащий основание, полупроводниковый кристалл и прижатый к нему индентор, образующие тензодиод или тензотранзистор, держатель индентора, узел регулировки силы прижима индентора к кристаллу и усилитель электрического сигнала, отличающийся тем, что, с целью стабилизации чувствительности преобразователя путем регулирования силы прижима между индентором и кристаллом, он снабжен узлом регулирования силы прижима, выполнен в виде прямой, прикрепленной концами к основанию металлической нити, середина которой между точками крепления оттянута зафиксированной к основанию пружиной и соединена второй металлической нитью с держателем индентора, снабженной электронагревателем, например, в форме равномерно намотанного по всей свободной части нити изолированного микропровода, причем тензодиод или тензотранзистор подключен к входу усилителя, а электронагреватель к выходу, с осуществлением стабилизации постоянной составляющей тока тензопреобразователя отрицательной электромеханической обратной связью и выводом полезного сигнала с электронагревателя. 2. Полупроводниковый механоэлектрический стабилизированный преобразователь, содержащий основание, полупроводниковый кристалл и прижатый к нему индентор, узел регулировки силы прижима индентора к кристаллу, образующие тензодиод или тензотранзистор, держатель индентора и усилитель электрического сигнала, отличающийся тем, что, с целью стабилизации чувствительности преобразователя путем регулирования силы прижима между индентором и кристаллом, узел регулировки силы прижима выполнен в виде жесткого прикрепленного концами к основанию профиля, изогнутого в центре между точками закрепления, под тупым углом к плоскости основания, например плоского с поперечными, расположенными в центре и симметрично по краям у места закрепления пазами-ослабителями, соединенного в центре с держателем индентора металлической нитью, снабженной электронагревателем, например, в форме равномерно намотанного по всей свободной части профиля изолированного микропровода, причем тензодиод или тензотранзистор подключен к входу усилителя, а электронагреватель к выходу, с осуществлением стабилизации постоянной составляющей тока тензопреобразователя отрицательной электромеханической обратной связью и выводом полезного сигнала с электронагревателя. 3. Преобразователь по п.1 или п.2, отличающийся тем, что с целью повышения долговечности преобразователя, статическая сила прижима индентора в обесточенном состоянии выбирается на 20 60% меньше рабочей силы прижима, или пружины имеют параметры, обеспечивающие в обесточенном состоянии статическую силу прижима в пределах от 20% до 60% меньше рабочей силы прижима.