Тензорезистор

Тензорезистор — это резистивный датчик механической деформации, электрическое сопротивление которого изменяется пропорционально величине приложенной к нему деформации (растяжения или сжатия). Относится к классу тензометрических преобразователей и широко используется в измерительной технике, автоматике и системах контроля для измерения силы, давления, веса, крутящего момента, перемещения и других физических величин, которые могут быть преобразованы в деформацию упругого элемента.

Принцип действия

Работа тензорезистора основана на тензорезистивном эффекте — явлении изменения электрического сопротивления проводника или полупроводника при его механической деформации. Для металлических тензорезисторов основную роль играет изменение геометрических размеров (длины и площади поперечного сечения) проводника, а также в меньшей степени — изменение удельного сопротивления материала. Для полупроводниковых тензорезисторов доминирующим является пьезорезистивный эффект — изменение подвижности носителей заряда в кристаллической решётке под действием механических напряжений.

Количественно чувствительность тензорезистора характеризуется коэффициентом тензочувствительности (K) — отношением относительного изменения сопротивления к относительному удлинению (деформации):

\[ K = \frac{\Delta R / R}{\Delta L / L} = \frac{\Delta R / R}{\varepsilon} \]

где \( \Delta R \) — изменение сопротивления, \( R \) — начальное сопротивление, \( \Delta L \) — изменение длины, \( L \) — начальная длина, \( \varepsilon \) — относительная деформация.

Для металлических тензорезисторов K обычно составляет 2–4, для полупроводниковых — от 50 до 200 и более.

История

Первые наблюдения тензорезистивного эффекта в металлах были сделаны ещё в XIX веке. В 1856 году Уильям Томсон (лорд Кельвин) обнаружил, что сопротивление металлических проводов изменяется при их растяжении. Однако практическое применение этот эффект нашёл лишь в середине XX века.

В 1938 году американский инженер Артур Клод Рудж (Arthur Claude Ruge) и независимо от него в 1939 году советский учёный В. К. Королёв разработали первые проволочные тензорезисторы, наклеиваемые на исследуемую поверхность. Рудж получил патент на тензодатчик в 1944 году. В 1950-х годах с развитием печатных плат появились фольговые тензорезисторы, которые стали доминирующим типом благодаря высокой точности, стабильности и технологичности. В 1960-х годах началось применение полупроводниковых тензорезисторов на основе кремния и германия, а в 1970-х — интегральных тензорезисторов, встраиваемых в микроэлектромеханические системы (МЭМС).

Классификация

Тензорезисторы классифицируются по нескольким признакам.

По материалу чувствительного элемента

• Металлические:
• Проволочные — из тонкой проволоки (константан, нихром, элинвар), наклеенной на подложку. Устаревший тип, редко применяется в современной технике.
• Фольговые — из тонкой металлической фольги (обычно константан), вытравленной в виде решётки. Наиболее распространённый тип благодаря высокой точности, стабильности, малому гистерезису и возможности массового производства.
• Плёночные — напыляемые в вакууме тонкие плёнки металла или сплава. Используются в специализированных датчиках, например, давления.
• Полупроводниковые:
• Монокристаллические — из монокристаллического кремния или германия. Обладают высокой чувствительностью (K до 200), но значительной нелинейностью и температурной зависимостью.
• Диффузионные — формируются в кремниевой подложке методом диффузии примесей. Используются в интегральных датчиках давления и акселерометрах.
• Поликристаллические (поликремниевые) — из поликристаллического кремния. Компромисс между чувствительностью и стабильностью.

По конструкции

• Наклеиваемые (фольговые, проволочные) — крепятся на поверхность исследуемой детали с помощью специального клея. Самый распространённый тип.
• Свободные (навесные) — не имеют подложки, крепятся между двумя точками. Используются для измерения деформаций в труднодоступных местах или при высоких температурах.
• Интегральные (встраиваемые) — формируются непосредственно на поверхности упругого элемента (мембраны, балки) методами микроэлектроники. Являются основой современных МЭМС-датчиков.

По рабочей температуре

• Низкотемпературные — до –50 °C.
• Стандартные — от –50 °C до +200 °C (большинство фольговых).
• Высокотемпературные — до +800 °C (на основе платины, вольфрама, специальных сплавов).
• Криогенные — до –269 °C.

Устройство и характеристики

Устройство фольгового тензорезистора

Основные элементы:

1. Подложка (основание) — гибкая диэлектрическая плёнка (полиимид, эпоксидная смола, стеклоткань), обеспечивающая изоляцию и механическую поддержку.
2. Чувствительный элемент — решётка из металлической фольги (константан, элинвар, нихром), вытравленная в виде параллельных полосок (петлеобразной формы). Форма решётки обеспечивает максимальную чувствительность к деформации вдоль оси решётки и минимальную — в поперечном направлении.
3. Выводные проводники — медные или никелевые контактные площадки для подключения измерительных проводов.
4. Защитное покрытие — слой лака, полимера или силикона, предохраняющий чувствительный элемент от механических повреждений, влаги и агрессивных сред.

Основные характеристики

• Номинальное сопротивление (R0) — сопротивление при отсутствии деформации. Стандартные значения: 120, 350, 500, 1000 Ом. Наиболее распространены 120 и 350 Ом.
• Коэффициент тензочувствительности (K) — см. выше.
• База тензорезистора (L) — длина активной части решётки (расстояние между крайними точками). Выбирается в зависимости от ожидаемой деформации: чем меньше база, тем точнее измерение локальной деформации, но тем сложнее её измерить. Типовые значения: от 0,2 мм до 100 мм.
• Допустимый ток — максимальный ток, при котором не происходит перегрева и нелинейных искажений. Обычно 5–50 мА.
• Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) — изменение сопротивления при изменении температуры. Для точных измерений требуется температурная компенсация.
• Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) — должен быть согласован с ТКЛР материала исследуемой детали, чтобы избежать дополнительных деформаций.
• Гистерезис — разность показаний при прямом и обратном ходе деформации.
• Ползучесть (крип) — изменение сопротивления во времени при постоянной деформации.

Применение

Тензорезисторы являются ключевыми элементами множества измерительных устройств:

• Весы (тензометрические датчики веса) — от лабораторных до автомобильных и крановых.
• Датчики силы и давления — в промышленных прессах, испытательных стендах, гидравлических системах.
• Акселерометры — в автомобилях (системы подушек безопасности), смартфонах, навигационных системах.
• Тензометры — приборы для измерения деформаций в строительных конструкциях (мосты, здания, плотины), деталях машин, корпусах самолётов и кораблей.
• Измерение крутящего момента — на валах двигателей, редукторов, турбин.
• Медицинская техника — датчики давления крови, дыхания, силы сжатия.
• Робототехника — датчики тактильной обратной связи, усилия захвата.

Схемы включения

Для измерения малых изменений сопротивления тензорезистора (обычно доли процента) используется мостовая схема Уитстона. Она позволяет преобразовать изменение сопротивления в изменение напряжения, которое затем усиливается и оцифровывается.

• Четвертьмостовая схема — один тензорезистор и три прецизионных резистора. Простейшая, но требует температурной компенсации.
• Полумостовая схема — два тензорезистора (рабочий и компенсационный, или два рабочих, включённые встречно). Обеспечивает частичную температурную компенсацию.
• Полномостовая схема — четыре тензорезистора, включённые таким образом, что два из них растягиваются, а два сжимаются. Обеспечивает максимальную чувствительность и полную температурную компенсацию. Используется в большинстве промышленных датчиков.

Интересные факты

• Первый в мире тензорезистор был сделан из проволоки, наклеенной на бумажную подложку.
• Константан (медно-никелевый сплав) является основным материалом для фольговых тензорезисторов благодаря низкому ТКС, высокой стабильности и хорошей свариваемости.
• Полупроводниковые тензорезисторы на основе кремния используются в датчиках давления для автомобилей (например, в системе впуска двигателя).
• Тензорезисторы могут быть изготовлены с очень малой базой (менее 0,2 мм), что позволяет измерять деформации в микроскопических областях, например, в микросхемах.

Источники

1. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. — М.: Мир, 1989.
2. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. — М.: Техносфера, 2005.
3. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. — Л.: Энергоатомиздат, 1991.
4. ГОСТ 21616-91. Тензорезисторы. Общие технические условия.
5. Справочник по тензометрическим датчикам / Под ред. В. В. Клюева. — М.: Машиностроение, 1987.