Особенности применения полупроводниковых тензо- и барорезисторов на основе сульфида самария

Тензо- и барорезисторы являются одними из наиболее широко применяемых на практике приборов для проведения прочностных исследований материалов и конструкций. Наибольшей чувствительностью к деформации и давлениям обладают полупроводниковые тензорезисторы. Из них оптимальными, на наш взгляд, являются полупроводниковые тензорезисторы на основе сульфида самария (SmS), поскольку они превосходят все остальные по чувствительности, линейности характеристик, радиационной стойкости, а также обладают высокой термостойкостью ( Т пл. ~ 2300 ºC). Дополнительным преимуществом тензорезисторов на основе SmS являются изотропность тензорези-стивного эффекта, наличие контролируемого фазового перехода полупроводник—металл, большая концентрация свободных носителей заряда и технологически удобная величина температурного коэффициента линейного расширения (12·10^–6 град^–1, практически как у стали). Перечисленные особенности свойств открывают новые специфические возможности при применении данных тензорези-сторов. Их описанию и посвящена настоящая работа.

КОНСТРУКЦИЯ И ПАРАМЕТРЫ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ SmS

Особенности применения полупроводниковых тонкопленочных тензорезисторов на основе SmS рассмотрим на примере одной из их разновидностей — тензорезистора типа П1. На его основе изготавливаются датчики всевозможных механических величин — давления, силы, веса, деформа- ции, момента, перемещения, ускорения, вибрации и др. — путем наклеивания тензорезистора П1 на упругие элементы этих датчиков (мембраны, балки, опоры и т. п.). Датчики на основе тензорези-сторов П1 могут быть также сформированы (наклеены) непосредственно на эксплуатируемом или исследуемом объекте, например на различных несущих конструкциях для контроля степени их загрузки, на креплении режущего инструмента для контроля усилий при обработке материалов, на корпусах и оболочках объектов, подвергающихся околокритическим нагрузкам в процессе эксплуатации и пр.

Конструкция тензорезистора П1 представлена на рис. 1. Здесь 1 — поликристаллический слой SmS размером 0.4 × 0.6 мм (тензочувствительная область); 2 — контакты из алюминия и никеля размерами 0.8 × 0.8 мм (выводы тензорезистора);

Рис. 1. Конструкция тензорезистора типа П1.

1 — поликристаллический слой SmS; 2 — контакты (выводы тензорезистора); 3 — слой моноокиси кремния; 4 — подложка

3 — слой моноокиси кремния толщиной 3÷5 мкм для обеспечения изоляции датчика от подложки; 4 — подложка из константановой фольги толщиной 3 мкм.

Тензорезистор имеет одинаковую чувствительность как по оси Х, так и по оси Y.

Основные параметры тензорезистора:

Температура эксплуатации, ºС

Электрическое сопротивление,^*) R , Ом

Температурный коэффициент сопротивления² ) (ТКС), а =

A R

R -A T

1/°С

Коэффициент тензочувстви-

*) rz   AR тельности, ) K =----,

R - £

( £ = A l/l — относительная деформация)

Поперечная тензочувстви-тельность относительно продольной, %

Эффективный коэффициент тензочувствительности*)

± 120

100–50 000

0–0.004

15–90

до 180

ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА ТЕНЗОРЕЗИСТОРА

Поскольку тензорезистор П1 имеет одинаковую чувствительность как по оси X, так и по оси Y, величина K эфф. зависит от формы упругого элемента и места расположения на нем тензорезистора (см. рис. 2). При наклейке на балку, ленту, опору (рис. 2, а) K эфф. = K = 15÷90; при размещении тен-зорезистора на консольной балке вблизи места заделки (рис. 2, б) K эфф. = 1.3 K = 20 ^ 120; при размещении в центре мембраны (рис. 2, в) K эфф. = 2 K = = 30 ^ 180.

Наклейку тензорезисторов П1 производят по той же методике и с помощью тех же клеев, которые применяются в общей тензометрии, использующей обычные металлические тензорезисторы, например клей Z70 фирмы HBM, эпоксидный компаунд ЭД-20 и др. Необходимым условием является максимальная жесткость клея. Припайку выводов к тензорезистору желательно выполнить после его наклейки. Следует отметить, что наклейку тензорезисторов на основе SmS можно осуществлять и на изогнутые поверхности с радиусом кривизны ~10 мм.

Рис. 2. Различные варианты монтажа тензорезисто-ра П1 на упругих элементах.

Форма упругого элемента: а — балка, лента, опора;

б — консоль; в — мембрана

Рис. 3. Калибровочная характеристика тензорезистора на основе SmS (тип П1), работающего в режиме барорезистора, при Т = 300 К (а) и барическая зависимость логарифма электросопротивления тонкопленочного барорезистора на основе SmS на стеклянной подложке (б)

Рис. 4. Температурная зависимость электросопротивления тонкопленочного барорезистора на основе SmS.

R = 156 Ом при Т = 25 ºC, α = 1.36·10^–3 град^–1

Эти же резисторы могут быть использованы в режиме барорезисторов для измерения импульсного и гидростатического давлений в диапазоне 1÷ 2·103 МПа в газообразных, жидких, сыпучих и пластичных средах при температурах от –270 до +230 ºС (см. рис. 3, а). Такие барорезисторы имеют чувствительность к давлению (барический ко- kR эффициент сопротивления, БКС) в = ^ ^ =

= (1÷3)·10–3 1/МПа, быстродействие 1 мкс, размеры от 1 × 0.5 × 0.1 мм.

Существующая технология позволяет наносить тензорезисторы типа П1 и на стеклянные подложки. Это позволяет использовать их для измерения локальных всесторонних давлений в бетонах, грунтах и горных породах, а также при проведении низкотемпературных натурных испытаний в исследованиях прочности оболочек. В последнем случае измеряется давление, создаваемое замерзшей водой в замкнутых объемах [1]. Применялись такие барорезисторы и как датчики напряженного состояния в композитных материалах и пластиках [2]. На рис. 3, б, приведена барическая зависимость логарифма электросопротивления барорезистора на стеклянной подложке, а на рис. 4 — его температурная зависимость. Обращает на себя внимание высокая степень линейности изменения логарифма электросопротивления при изменении давления и вариации температуры в климатическом интервале (см. рис. 3, 4). Физической причиной такого поведения электросопротивления датчиков при изменении температуры и давления является активационный характер электропереноса в SmS, при котором в результате изменения давления или температуры в материале заметно меняется только концентрация свободных носителей тока (электронов проводимости), в то время как их подвижность остается практически постоянной [3, 4]. Линейность логарифмических зависимостей электросопротивления барорезисторов от давления и температуры существенно упрощает вычисление давления и повышает надежность результата.

Чувствительность электросопротивления тензо-и барорезисторов к всестороннему сжатию зависит не только от технологии выращивания чувствительного слоя SmS-датчика, но и в большой степени от материала подложки, на которой он сформирован. Действительно, чем выше сжимаемость подложки по координатам плоскости пленки, тем выше объемная сжимаемость пленки Δ V / V . Изменение удельного объема пленки является линейной функцией всестороннего сжатия Р и в нашем случае может быть описано следующей формулой:

р ( 1

A V / V = - '1 , + 2[1 — (Vsms + 2 "Vs )]f, Es L E SmS J где Esj , νs , ESjmS , νSmS — модули Юнга и коэффициенты Пуассона подложки и пленки SmS соответственно. Как показано в [5], изменение логарифма электросопротивления SmS пропорционально изменению объема образца, т. е. величине ΔV / V, что и объясняет зависимость величины БКС от материала подложки.

Рис. 5. Температурные зависимости коэффициента тензочувствительности тонкопленочного тензорези-стора на основе SmS с K = 50, снятые в двух циклах. 1 — первый цикл, γ 1 = –1.22·10^–3 град^–1; 2 — второй цикл, γ 2 = –1.16·10^–3 град^–1

C

Рис. 6. Зависимости электросопротивления барорезистора от давления при различных температурах (а) и температурная зависимость барического коэффициента сопротивления (б).

1 — T = 23 ºC, β = –1.64·10^–3 1/МПа; 2 — T = 70 ºC, β = –1.60·10^–3 1/МПа; 3 — T = 120 ºC, β = –1.54·10^–3 1/МПа; 4 — T = 170 ºC, β = –1.46·10^–3 1/МПа

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕНЗО-И БАРОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

Было исследовано поведение главного параметра тензорезистора — коэффициента тензочув-ствительности при повышенных температурах. Полученные результаты для двух циклов измерения — до 100 ºС и 120 ºС — представлены на рис. 5. Значения температурного коэффициента тензочувствительности у = A K ( K -A T ) составили –1.22·10^–3 и –1.16·10^–3 град^–1. Эта сравнительно небольшая разница в величинах объясняется не различием в температурных диапазонах измерения, а погрешностью самих измерений.

Таким образом, можно считать, что при повышении температуры мы имеем некоторое снижение коэффициента тензочувствительности тензо-резисторов на основе SmS. Для данного тензоре-зистора γ ~ –1.2·10^–3град^–1.

Было исследовано также поведение БКС тонкопленочных барорезисторов на основе SmS на стеклянной подложке при повышенных температурах. На рис. 6, а, представлены барические зависимости электросопротивления таких резисторов, снятые при различных температурах. Наблюдается некоторое снижение БКС с температурой (рис. 6, б). При этом температурный коэффициент чувствительности, полученный из рис. 6, б, составляет около –7·10–4град–1.

На рис. 7 продемонстрированы возможности барорезисторов на основе SmS по предельным рабочим температурам. Измерялись величины БКС на двух барорезисторах при комнатной и предельно высокой температурах. Измерения проводились в автономных поршневых камерах высокого давления в среде термоустойчивой и химически инертной полиэтилсилоксановой жидкости ПЭС-5 [6, 7]. В результате проведенных экспериментов установлена работоспособность барорезисторов до Т = 225 ºC. Эта величина определяется не температурной или химической стабильностью пленки SmS, а лишь температурой плавления припоя токовыводов, и поэтому может быть существенно увеличена при необходимости — согласно нашим экспериментальным данным, вплоть до 400 ºC.

Рис. 7. Барические зависимости электросопротивления двух барорезисторов (1 и 2) на основе SmS при комнатной (I, T = 19–24 ºC) и предельно высокой (II, T = 220–225 ºC) рабочих температурах.

β 1 = –1.45·10^–3 1/МПа при Т = 24 ºC; β 1 = –1.16× ×10^–3 1/МПа при Т = 220–225 ºC; β 2 = –1.49× ×10^–3 1/МПа при Т = 19 ºC; β 2 = –1.16·10^–3 1/МПа при Т = 220–225 ºC

Рис. 8. Зависимость коэффициента тензочувстви-тельности тензорезистора на основе SmS от величины электросопротивления при полировке

ВОЗМОЖНОСТИ РЕГУЛИРОВКИ ПАРАМЕТРОВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ SmS

Известен фазовый переход полупроводник— металл, который происходит в приповерхностном слое образцов SmS при их полировке. При полировке тонких пленок SmS происходит существенное изменение их электрических свойств.

Это может быть использовано на практике для регулировки электросопротивления, коэффициента тензочувствительности и температурного коэффициента сопротивления тензо- и барорезисторов. Такая технологическая операция полезна для уменьшения разброса параметров в партии готовых резисторов, а также для балансировки тензо-резисторных мостов датчиков механических величин на основе SmS [8, 9].

Проводились эксперименты по определению предельной температуры, до которой возможно применение тензорезисторов, электросопротивление которых откорректировано с помощью фазового перехода полупроводник—металл в приповерхностном слое. На основании результатов экспериментов можно сделать вывод, что откорректированные таким образом тензорезисторы работоспособны до температур не менее 160 ºC. При этом сохраняется стабильность их параметров, электросопротивления и ТКС. Помимо этого, была проверена стабильность отрегулированных таким образом тензорезисторов по их коэффициенту тен-зочувствительности. Эксперимент проводился на тонкопленочных тензорезисторах на стеклянной подложке с толщиной слоя SmS ~ 0.5 мкм. Электросопротивление тензорезистора ступенчато уменьшалось с помощью полировки, и после каждого шага проводилось измерение коэффициента тензочувствительности. На рис. 8 представлена зависимость коэффициента тензочувствительно-сти от электросопротивления тензорезистора при его уменьшении полировкой. Из рис. 8 следует, что при уменьшении сопротивления тензорези-стора полировкой, мы имеем лишь некоторое незначительное уменьшение коэффициента тензо-чувствительности ( A K / A R = 1.77 - 10 - 2 Ом ^{- 1}, или ( A K / K )^ A R / R ) « 0.25).

ВЫВОДЫ

Таким образом, с помощью тензо- и барорезисторов на основе SmS могут решаться практически любые задачи, связанные с исследованиями прочности, разрушения материалов и конструкций, конструированием датчиков всевозможных механических величин. Как показывают наши экспериментальные результаты, интервал рабочих температур таких резисторов от –120 до +225 ºC, а рабочих давлений — до 2·10–3 МПа. При применении резисторов на основе SmS необходимо учитывать описанные выше особенности их свойств и поведения параметров.

Работа выполнена при поддержке ООО "Эс эм Эс тензо" (Санкт-Петербург).