Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2000
Тип роботи:
Інші
Предмет:
Метрологія
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Національний університет "Львівська політехніка"
ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ТЕНЗОМЕТРІВ
ІНСТРУКЦІЯ
до лабораторної роботи № 1
з курсу "Технологія та конструювання засобів вимірювання"
для студентів базового напрямку 6.0913. -
"Метрологія та вимірювальна техніка"
ЗАТВЕРДЖЕНО
на засіданні кафедри
метрології, стандартизації
та сертифікації
Протокол № 1
від 27 серпня 2000 р.
Львівська політехніка 2000
Технологія виготовлення тензометрів.
Інструкція до лабораторної роботи № 1 з курсу "Технологія та конструювання засобів вимірювання" для студентів базового напрямку 6.0913 - "Метрологія та вимірювальна техніка" / Укл. Р.І.Байцар, Г.С.Байцар. - Львів: Вид-во Нац. ун-ту "Львівська політехніка" 2000. – 29 с. .
Укладачі: Байцар Роман Іванович, д.т.н., с.н.с.
Байцар Ганна Степанівна, к.ф.-м.н., с.н.с.
Відповідальний за випуск: П.Г.Столярчук, д.т.н., проф.
Рецензент: Р.В.Бичківський, д.т.н., проф.
Навчальне видання
ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ТЕНЗОМЕТРІВ
І Н С Т Р У К Ц І Я
до лабораторної роботи № 1
з курсу "Технологія та конструювання засобів вимірювання"
для студентів базового напрямку 6.0913 -
"Метрологія та вимірювальна техніка"
Укладачі: Байцар Роман Іванович
Байцар Ганна Степанівна
Мета роботи - ознайомитися з принципом побудови та особливостями технології виготовлення різних видів тензорезисторів, способами їх закріплення на пружному елементі (підкладці). Засвоїти методику застосування монокристалічних тензорезисторів для вимірювання деформацій (механічних напружень).
1. ЗМІСТ РОБОТИ
1.1. Ознайомитися з видами деформацій та їх вимірюванням.
1.2. Ознайомитися з принципом побудови, технологією виготовлення різних видів тензорезисторів та їх характеристиками.
1.3. Засвоїти технологічні операції виготовлення тензорезисторів з напівпровідникових ниткоподібних монокристалів (НК).
1.4. Виготовити тензорезистор із НК та закріпити його на консольній балці рівного опору згину.
1.5. Виконати необхідні виміри та розрахунки і побудувати графічні залежності.
1.6. Оформити звіт.
2. ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
Під дією зовнішніх впливів окремі точки реального тіла змінюють своє положення у просторі, що може зумовити зміну розмірів і (або) форми тіла, тобто до його деформації. Якщо при навантаженні тіла відносне розміщення його точок не змінюється, то у цьому випадку деформація відсутня - тіло переміщується як жорстке ціле (абсолютно тверде тіло). Отже деформація завжди зумовлена переміщенням точок тіла, але переміщення не обов'язково супроводжується деформацією. Тому при вивченні деформації важливі відносні переміщення точок тіла, які викликають зміну його розмірів і форми.
У теорії деформації вводяться поняття лінійної та кутової деформації. Лінійну деформацію або відносне видовження визначають як відношення приросту довжини елементарного відрізка ((dl) до його довжини dl:
( = ((dl)/dl.
Кутовою деформацією або зсувом ( називають зміну першопочаткового прямого кута між двома елементарними відрізками. Сукупність лінійних та кутових деформацій для можливих напрямків елементарних відрізків, які проходять через вибрану точку, характеризує деформований стан у точці.
Нехай довжина відрізка lo в результаті однорідної деформації розтягу стає рівною l. Тоді відносна деформація визначається:
( = (l-lo)/lo = (l/lo.
Для вимірювання деформацій на поверхні елементів конструкцій використовують тензорезистори. Такі вимірювання особливо необхідні, коли об'єкт вимірювання має складну форму.
2.1. Тензорезистори опору
В основу роботи тензорезистора покладена залежність омічного опору R провідника від його довжини l, питомого опору ( та перерізу S:
R = ( l/S,
де ( - питомий опір матеріалу чутливого елемента тензорезистора; l і S – відповідно, довжина і площа поперечного перерізу провідника чутливого елемента тензорезистора.
При дії на тензорезистор механічних зусиль відбувається зміна геометричних розмірів l і S, а також зміна структури матеріалу, що змінює (. Це викликає зміну опору тензорезистора, який у відносних одиницях має вигляд:
(R = (R/R = (l/l -(S/S + ((/(,
де (l, (S i (( - абсолютна зміна відповідного параметра під впливом механічних зусиль.
Як відомо, у межах справедливості закону Гука, коли сили деформації пружного тіла пропорційні прикладеній силі, відносна зміна діаметра провідника тензорезистора
(d =(d/d,
де (d - абсолютна зміна діаметру, пов'язана з його відносним повздовжнім видовженням (l=(l/l залежністю
( lo =-(( l ,
де ( - коефіцієнт Пуасона.
Тоді
(S =(S/S = 2((l/l ,
і
(R = (1+2()(l/l =((/(.
Зміну питомого опору провідника під дією розтягуючої або стискуючої деформації називають тензорезистивним ефектом. Він характеризується тензочутливістю, яка встановлює зв'язок між відносною зміною опору і відносною деформацією у напрямку вимірювань. Коефіцієнт тензочутливості тензорезистора.
k=(R/(( = (1+2()+.
У цьому виразі є дві складові (1+2() - складова, зумовлена зміною опору тензорезистора внаслідок зміни геометричних розмірів його чутливого елемента;
- складова, зумовлена зміною питомого опору матеріалу чутливого елемента, пов'язаного зі зміною його фізичних властивостей.
Як матеріал для чутливого елементу використовують провідники і напівпровідники.
Для провідникових матеріалів ( (1+2() ,
тому коефіцієнт тензочутливості визначається в основному першою складовою і знаходиться в межах 0,7...4.
Для напівпровідникових матеріалів >> (1+2() ,
тому для них k знаходиться в межах 50...200 у залежності від орієнтації чутливого елементу відносно кристалографічного напрямку матеріалу напівпровідника, причому для напівпровідника n-типу має від'ємний, а для p-типу - додатний знак.
2.1.1. Дротяні тензорезистори
Матеріалом для дротяних тензорезисторів можуть бути константан, ніхром, елінвар і едванс.
Тензометричний дріт повинен мати:
- лінійну залежність між деформацією і зміною опору в досить широкому температурному інтервалі;
- великий питомий опір, що дозволяє одержати малобазові тензорезистори з досить великим опором;
- малий температурний коефіцієнт питомого опору; високу і стабільну чутливість до деформації;
- відсутність гістерезису, що забезпечує відтворюваність результатів.
У тензовимірювальній техніці найбільше поширення одержали тензорезистори з спеціального константанового тензометричного мікродроту діаметром 0,012-0,5 мм. Коефіцієнт тензочутливості не змінюється аж до руйнування.
Схема приклеєного тензорезистора показана на рис.1. Чутливий елемент тензорезистора виконаний у вигляді петлеподібної решітки із тонкого дроту і розміщується на підкладці (основі) тензорезистора, яка електрично ізолює решітку від матеріалу деталі, що випробовується. Матеріал основи повинен мати добру гнучкість, механічну міцність, вологостійкість та ізоляційні властивості, високу стабільність властивостей у заданому температурному інтервалі, відсутність гістерезису та повзучості. Цим вимогам відповідає, за нормальної вологості і температурі 70-90 оС, тонкий (біля 0,05 мм) папір. Як основу для терморезисторів використовують папіросний папір. Крім паперу застосовують плівки, виготовлені із полімеризуючих клеїв або лаків (наприклад, клей БФ-2 і ВС-10Т, електроізоляційний лак ВЛ-931, циакрін та спеціальні композиції). Така основа має кращу вологостійкість та великий електроопір ізоляції. Плівкова основа характеризується стабільністю показів тензорезисторів із часом, її повзучість у два-три рази менша, ніж паперової. При проведенні тривалих вимірювань статичних деформацій рекомендують застосовувати тензорезистори на плівковій основі.
Рис.1. Схема дротяного петлевого тензорезистора:
1 – підкладка (основа), 2 – клеєвий шар, 3 – чутлива гратка,
4 – виводи, L – загальна довжина, B – ширина.
2.1.2. Фольгові тензорезистори
Для проведення тензометричних вимірювань широко застосовують фольгові тензорезистори. Чутливий елемент (решітка) виготовляють із тонколистового металу (фольги) товщиною 2-10 мкм. Найкращим матеріалом для фольгових тензорезисторів є фольга із сплаву золото-срібло та мідь-нікель. Опір тензорезисторів, виготовлених із цих матеріалів, становить 55-250 Ом. Однак, звичайно, для масового виробництва використовують такий самий матеріал, що і для дротяних, - переважно константан - для звичайних температур і ніхром - для підвищених (біля 300 оС).
Рис.2. Схема тензорезистора з фольговим чутливим елементом:
1 – чутлива гратка, 2 – виводи, 3 – підкладка (основа),
4 – клеєвий шар, L – загальна довжина, B – ширина.
Фольгові тензорезистори порівняно з петлевими дротяними мають кращі метрологічні характеристики і дозволяють створювати тензорезистори з будь-якою конфігурацією чутливої решітки. На відміну від дротяних, фольгові тензорезистори мають чутливий елемент (решітку) не круглого, а прямокутного перерізу і малу товщину. Це дозволяє збільшити площу контакту з поверхнею досліджуваного об'єкту, що робить надійнішим з'єднання тензорезистора з об'єктом дослідження, покращує передачу деформації до чутливої решітки, підвищує стабільність та надійність вимірювань. Завдяки великій площі дотику решітки фольгового тензорезистора з досліджуваним об'єктом тензорезистор добре розсіює тепло, що дозволяє збільшити струм живлення мостової схеми, підвищити її чутливість, а також розширити діапазон робочих температур. Типовий приклад фольгового тензорезистора наведений на рис.2. Передбачені на краях решітки ширші ділянки провідника гарантують малу чутливість фольгового тензорезистора у напрямку впоперек решітки, оскільки опір товстих ділянок провідника має відносно мале значення.
Фольгові тензорезистори виготовляють із базами 0,3 мм і більше, а процес виготовлення фольгових тензорезисторів відрізняється високою точністю. Чутливий елемент (решітка) фольгового тензорезистора виготовляють шляхом травлення решітки на тонкій металевій фользі або штампуванням із фольги прецизійним штампом.
У тензовимірюваннях застосовують фольгові титанові тензорезистори, виготовлені із фольги титанового сплаву. Коефіцієнт тензочутливості титанового тензорезистора k=0,2. Ці тензорезистори можуть працювати в агресивних середовищах при температурі до 300 оС і використовуватися для вимірювання відносних деформацій 9-11%. Для основи фольгових тензорезисторів застосовують плівку зі синтетичної смоли (товщина плівкової основи тензорезистора 30-40 мкм), а також папір, просочений клеєм (товщина паперової основи 80-100 мкм). Залежність від кількості чутливих решіток, розміщених на одній основі, фольгові тензорезистори поділяються на одно- і багатоелементні.
2.1.3. Плівкові тензорезистори
Широке застосування одержали плівкові тензорезистори, виготовлені шляхом вакуумного розпилення тензочутливого матеріалу з наступною конденсацією його на підкладці. Плівкові тензорезистори виготовляють як провідникові (сурма, вісмут) так і напівпровідникові (германій, антимонід індію). Для підкладок використовують тонкі предметні скельця, слюду і плексиглас. Величина коефіцієнта тензочутливості при кімнатній температурі залежить від матеріалу підкладки, а також від товщини плівки (рис.3). Плівки вісмуту осаджували на поверхню підкладки з високим упорядкуванням і з площиною (0001), паралельною до поверхні підкладки. Плівки InSb мали орієнтацію (111) паралельну до поверхні підкладки. Термообробка при 200 оС приводить до значного збільшення розмірів зерна і до підвищення ступені орієнтації. Плівки InSb напилені на предметні скельця мікроскопу товщиною 9000 мали коефіцієнт тензочутливості - 20. У плівках з товщиною 1000 коефіцієнт тензочутливості змінювався від +2 до +10, як і слід було очікувати, для тензочутливості міжгранульного опору, який домінує у тонких острівкових плівках.
Рис.3. Вимірювання повздовжнього (L та поперечного (T
коефіцієнтів тензочутливості.
Внаслідок труднощів, які виникають при одержанні відтворюваних і стабільних тонкоплівкових тензорезисторів, їх застосування є дуже обмежене. Однак, для деяких застосувань, переваги, які пов'язані з малими розмірами і доступністю виготовлення, можуть бути важливішими, ніж недоліки. Тонкі плівки платини або хрому напилювали на підкладки, які складаються із молібденової стрічки товщиною 0,127 мм, покритої шаром оксиду алюмінію товщиною 2,5.10-2 мм і зверху - статитом такої самої товщини. У цій комбінації досягають високий питомий опір при 600 оС. Таких чотири резистори наносилися на підкладку у вигляді мостової схеми, щоби скомпенсувати зміну опору з температурою. Одну пару елементів піддавали повздовжній деформації і тоді на виході мостової схеми з'являвся сигнал. Залежно від температури і товщини металевої плівки коефіцієнти тензочутливості становили 1 або 2. У платинових плівок вони були більшими, ніж у плівок хрому, але чутливіші до зміни температури. На плівках вісмуту, напилених на шар епоксидної смоли товщиною 0,01 мм, був досягнутий коефіцієнт тензочутливості від 10 до 20.
Тензорезистори на основі плівок кремнію, хоча і мали коефіцієнт тензочутливості 50 при 200 оС, однак, за високих температур вони менш чутливі і значно менш стабільні.
2.1.4. Напівпровідникові тензорезистори
Як чутливий елемент у напівпровідникових тензорезисторах використовують монокристалічний напівпровідник товщиною 20-50 мкм, завширшки до 0,5 мм і завдовжки 2-12 мм. Із досліджених напівпровідникових матеріалів найпридатнішими для тензорезисторів визнані кремній та германій, але можуть використовуватися також інші. Залежно від властивостей напівпровідникових матеріалів механічні та електричні характеристики тензорезисторів можна змінювати у широких межах. За однакових геометричних розмірів опір тензорезисторів залежить від концентрації домішок у кристалі і може змінюватися від десятків омів до десятків кілоомів. При цьому коефіцієнт тензочутливості також залежить від типу і кількості домішок; він змінюється від -100 до 200 і більше. Високий коефіцієнт тензочутливості дозволяє одержувати на виході мостової схеми сигнал порядку декількох вольт потужністю у сотні міліват, що деколи дозволяє не застосовувати дорогі та складні підсилювачі.
Основна відмінність напівпровідникових тензорезисторів від дротяних полягає у великій (до 50 %) зміні їх питомого опору при деформації.
Залежно від матеріалу, кристалографічного напрямку, питомого опору і типу провідності, які визначаються кількістю і складом домішок, змінюються властивості та характеристики напівпровідникових тензорезисторів. У германії n- і p- типів провідності найбільший тензоефект спостерігають у напрямку [111], у кремнії n-типу - у напрямку [100], а р-типу - у напрямку [111]. Напівпровідникові тензорезистори р-типу провідності мають додатний знак тензоефекту, n-типу - від'ємний. Германієві тензорезистори за експлуатаційними параметрами поступаються кремнієвим тензорезисторам і тому мають обмежене застосування.
Напівпровідникові тензорезистори застосовують для вимірювання малих деформацій, а також у перетворювачах механічних величин як чутливі елементи. При використанні напівпровідникових тензорезисторів необхідно враховувати обмежений діапазон деформування, і залежність опору від чутливості і температури. Задовільна лінійна залежність відносної зміни опору від відносної деформації зберігається до ( = ( 10-3. Залежність опору від температури для напівпровідникового тензорезистора показана на рис.4.
Рис.4. Залежність чутливості напівпровідникового (1) і дротяного (2) тензорезисторів від температури.
Основними перевагами напівпровідникових тензорезисторів є висока чутливість і малі габаритні розміри чутливого елемента, а недоліком - залежність чутливості від температури.
Якщо температурний коефіцієнт чутливості для провідникових тензорезисторів дуже малий (~ -0,00003 K-1), то для напівпровідникових тензорезисторів він становить ~0,0016 К-1.
Значний інтерес викликає застосування для напівпровідникових тензорезисторів, ниткоподібних монокристалів кремнію, вирощених із газової фази, які мають високу структурну досконалість і витримують деформації до 1 %.
Для НК монокристалів кремнію характерною є залежність границі міцності і граничної пружної деформації від діаметра. Якщо для кристалів діаметром 8-15 мкм пружна деформація ~1 % є середнім значенням, то для кристалів із діаметром 40-50 мкм, середнім значенням деформації є 0,4 - 0,5 %. Тому для виготовлення тензодатчиків, розрахованих на деформації 0,6 - 0,7 % необхідно індивідуально відбирати кристали.
Важливе значення має створення контактів до кремнієвих тензорезисторів. Був розроблений метод точкової імпульсної приварки мікродроту (золото, платина, алюміній діаметром 20-40 мкм) у поєднанні з одночасним підігрівом кристалу. Створені таким чином контакти були омічними, а також мали добрі механічні властивості і зберігали часову стабільність та стабільність у процесі деформування давача.
Згідно з умовами застосування тензодавачів виникає потреба закріплення їх на підкладках. Підкладками у цьому випадку можуть бути склотканина, папіросний папір, просочений різними клеями (ВЛ-931, БФ-2) та плівки цих клеїв. Однією із вимог до підкладки є її товщина, тому що зі зменшенням товщини підкладки збільшується можливість передачі деформації від тіла до давача, а отже і вимірювальні характеристики давачів деформації в цілому. Властивості клею суттєво впливають на коефіцієнт тензочутливості, величину деформації, зв'язок між коефіцієнтом тензочутливості і температурою, тобто лінійність і гістерезис, температурний дрейф "нуля", повзучість та ін.
На основі ниткоподібних монокристалів кремнію з (=0,02 Ом.см створені тензорезистори з коефіцієнтом тензочутливості ~120 і температурним коефіцієнтом опору (ТКО) в межах 0,10-0,15 %/оС. Слід відзначити, що змінюючи величину питомого опору вихідного матеріалу, можна в широких межах змінювати значення параметрів тензорезисторів.
Досить широке застосування при створенні тензорезисторів знаходить епітаксійна та дифузійна технології.
2.2. Характеристики тензорезисторів
До основних характеристик тензорезисторів, крім згаданих вище (база, номінальний опір, статичні характеристики і чутливість), належать: повзучість, механічний гістерезис, гранична деформація, функція впливу температури на чутливість, допустиме значення вимірюваного струму та інші.
Повзучість проявляться у вигляді зміни вихідного сигналу з часом при заданому і незмінному значеннях деформації і визначається:
(п = ((l /(l ,
де ((l - приведена до входу зміна вихідного сигналу при заданій відносній деформації (l
Причиною повзучості є недосконалість основи і клею. В межах пружного діапазону деформацій, повзучість більшості тензорезисторів не перевищує 0,5 -1 % за першу годину після приклеювання і, відповідно, 1-1,5 % за 6 годин.
Механічний гістерезис, як і повзучість, зумовлені недосконалістю основи і клею. Визначають його як різницю між значеннями вихідного сигналу тензорезистора , які одержані для одного і того самого значення деформації при плавному її збільшенні і при плавному зменшенні до заданого значення.
Гранична деформація - максимально допустима деформація, зумовлена тим, що матеріал тензорезистора можна піддавати механічним напруженням, які не перевищують границі пружних деформацій. Згідно закону Гука
( = Е( ,
де ( - механічна напруга в матеріалі; Е - модуль пружності матеріалу.
Ураховуючи реальні значення ( і Е бачимо, що гранична деформація для провідникових тензорезисторів не перевищує, як правило, 1 % а для напівпровідникових - 0,1 %.
Допустиме значення вимірюваного струму - максимальне значення сили струму через тензорезистор, за якого його перегрів не перевищує заданого значення (звичайно становить 5-10 мА залежно від конструкції і номінального опору тензорезистора).
Уявна деформація, яка зумовлена зміною оточуючої температури на ((, визначається виразом:
((l = [(/k + ((д - (п)](( ,
де ( - ТКО матеріалу чутливого елементу; (д, (п- температурні коефіцієнти лінійного розширення, відповідно, досліджуваної деталі і тензорезистора.
ТКО константану, залежно від домішок, може мати будь-яке значення в межах ( 30.10-6 К-1, причому, у відносно невеликому інтервалі температур, значення ТКО забезпечується з похибкою ((l = l,5.10-6 К-1. Це дозволить виготовляти термокомпенсовані тензорезистори, для яких уявна деформація у діапазоні 20-100 оС не перевищує ( (0,5-1,0).10-6 К-1.
Компенсація температурної похибки напівпровідникових тензорезисторів затруднена.
Особливістю приклеюваних тензорезисторів є те, що вони не можуть бути переклеєні з об'єкта на об'єкт і, як наслідок, не завжди може бути визначена статична характеристика перетворення тензорезистора. У цьому випадку визначають чутливість одного або декількох тензорезисторів із тої самої партії і приписують її значення всім тензорезисторам цієї партії. Практика показує, що похибка від неідентичності звичайно знаходиться у межах 1-5 %. Якщо є можливість градуювання тензорезистора безпосередньо на досліджуваному об'єкті, то похибка може бути знижена до 0,2-0,5 %.
2.3. Тарування тензорезисторів
Для визначення коефіцієнта тензочутливості тензорезисторів проводять їх тарування. Для цього використовують тарувальні пристрої, основу яких становить пружній елемент, який дозволяє відтворювати за допомогою навантаження задану деформацію. Звичайно пружний елемент виготовляють у вигляді балки сталого перерізу, яка піддається згину (рис.5 а,б), або балки рівного опору згину (рис.6).
Рис.5. Схема тарувального пристрою з балкою постійного перерізу для визначення тензочутливості:
а - при навантаженні симетричними силами,
б – зі зміною положення сил і опор.
У першому випадку (рис.5а) балка розміщується на двох опорах і навантажується симетричними силами. Між опорами балка піддається чистому згину, який спричиняє рівномірну деформацію робочої ділянки довжиною l. Це дозволяє наклеювати тензорезистор у будь-якому місці по всій довжині між опорами. Відносну деформацію зовнішніх волокон визначають через прогин f на середині балки.
( = 4fh/l2 ,
де h – товщина (висота) балки.
Якщо використовується схема тарувального пристрою з розміщенням опор, як показано на рис.5б, то відносну деформацію зовнішніх волокон визначають так :
( = l2hf/(3l2-4a2).
При цьому для вимірювання стріли прогину f використовують індикатор переміщень годинникового типу з ціною поділки 0,01; 0,002 і 0,001 мм.
Рис.6. Схема тарувального пристрою з консольною балкою
змінного перерізу для визначення тензочутливості.
У другому випадку (рис.6), якщо у тарувальному пристрої використовують пружний елемент у вигляді балки рівного опору згину, відносну деформацію зовнішніх волокон визначають за формулою
( = fh/l2.
Ширина пружного елементу тарувального пристрою становить 20-30 мм, що дозволить наклеювати декілька тензорезисторів. Висоту балки беруть рівною 8 – 10 мм, що дозволить усунути похибки, які виникають за рахунок товщини клею та інших факторів.
Точність відтворення деформації на тарувальному пристрої залежить від точності виготовлення пружного елемента (балки). Балка повинна бути досконало виконана - з допусками на непаралельність не більше + 0,0025 мм і за товщиною не більше ( 0,01 мм. За більших допусків збільшуються похибки визначення тензочутливості. Тензорезистори наклеюють на робочу ділянку з тої ж самої партії, що і робочі тензорезистори, наклеєні на досліджуваний об'єкт.
За результатами вимірювань ( і (R за формулою
k =((R/R)/(
визначають середній коефіцієнт тензочутливості, який встановлюють сталим для всієї партії використаних тензорезисторів. У деяких випадках, наприклад у силовимірювальних пристроях і прогинометрах, тарування здійснюють безпосередньо на деталях.
3. ЗАВДАННЯ І ПРАКТИЧНІ ВКАЗІВКИ
З ВИКОНАННЯ РОБОТИ
3.1. Ознайомлення з технологією вирощування ниткоподібних ( НК ) монокристалів кремнію
Метод одержання ниткоподібних кристалів у закритій ампулі з газової фази полягає у наступному. Ампулу, виготовлену з вакуумного кварцу, завантажують наважкою вихідного Si (одержаного методом Чохральського). Туди ж вноситься бром, який виконує роль транспортуючого агента і розчинника вихідного Si з розрахунку ~ 5 мг на 1 см3 об'єму ампули (рис. 7). Завантажену ампулу відкачують до тиску 10-5 мм рт.ст., при цьому, під час відкачки ампула розміщується у рідкому азоті для запобігання відкачки парів, зокрема, брому. Після відкачки ампулу відпаюють і розміщують в електричній печі для термообробки. Положення ампули в печі вибирають таким, щоби температура зони розчинення була (1100 оС, а зони кристалізації ( 850 оС. Тиск парів брому за цих температур становить 3-4 атм.
Рис.7. Схема технологічного процесу вирощування НК.
Під час термообробки в ампулі протікають хімічні реакції, які приводять до росту кристалів Si у "холодній" частині ампули (зоні кристалізації). Поверхня граней вирощених НК Si не має ніяких дефектів, на ній спостерігаються тільки сходинки росту (рис.8), які покращують склеювання тензорезистора з підкладкою (деталлю).
Рис.8. Поверхня граней ниткоподібного кристалу
(ступені росту).
Порівняно з технологією виготовлення тензорезисторів методом випилювання за описаної технології, відпадає необхідність у додаткових трудомістких операціях із механічної та хімічної обробки Si для одержання чутливих елементів необхідних розмірів. Крім того, при цьому способі, порівняно з технологією механічної обробки, у декілька десятків разів зростає коефіцієнт використання Si і з'являється можливість керувати концентрацією домішки у НК Si у процесі росту, шляхом уведення в ампулу різних наважок легуючого матеріалу.
Таким чином, НК Si p-типу, вирощені з газової фази можуть безпосередньо, без будь-яких додаткових технологічних операцій застосовуватися як чутливі елементи тензорезисторів, оскільки:
- геометричні розміри НК відповідають необхідним розмірам чутливих елементів для напівпровідникових тензорезисторів;
- НК можна вирощувати у заданому кристалографічному напрямку, який відповідає напрямку максимальної тензочутливості для вибраного напівпровідникового матеріалу;
- завдяки високій структурній досконалості, механічна міцність напівпровідникових НК у багато разів перевищує міцність об'ємних напівпровідникових монокристалів і наближається до теоретичної межі міцності вибраного напівпровідникового матеріалу;
- монокристалічність НК забезпечує стабільність характеристик чутливих елементів на їх основі;
- зручність монтажу тензорезисторів на пружних елементах мініатюрних перетворювачів різноманітної конфігурації.
3.2. Відбір кристалів
Для виготовлення тензорезисторів під мікроскопом відбирають НК Si завтовщки від 10 до 50 мкм і завдовжки від 1 до 5 мм, з однаковим по довжині поперечним перерізом. Мікрофотографія поперечного перерізу НК Si наведена на рис.9. Кристали повинні мати високу поверхневу досконалість, оскільки під час роботи вони піддаються значним статичним і динамічним навантаженням. Для відбору кристалів за лінійними розмірами використовують окуляр з діоптрійним наведенням і шкалою. Вимірювання проводять з точністю до 0.1 мм. Для вимірювання діаметра використовують вимірювальний мікроскоп.
Рис.9. Поперечний переріз НК Si.
Загалом, з точки зору вибору матеріалу, повинні виконуватися такі вимоги:
- залежність R = f(() для забезпечення необхідного коефіцієнта тензочутливості повинна бути достатньо стрімкою і лінійною;
- температурний коефіцієнт опору і тензочутливості повинен бути якомога меншим;
- початковий опір повинен бути не дуже великим (щоб вимірювальний струм не розігрівав кристал), з іншого боку, надто малий опір призводить до збільшення похибки за рахунок провідників;
- кристал повинен бути у рівновазі, щоб температурні та деформаційні режими не призводили до небажаних змін його електричних властивостей, тобто щоб він був стабільним.
Крім цих вимог, суттєвими є технологічність виготовлення чутливого елемента і порівняно низька вартість.
3.3. Створення омічних контактів до кристалів
Як вже відзначалося вище, при виготовленні тензорезисторів має місце створення омічних контактів до чутливого елементу. Це означає, що на контакті не відбувається інжекція та є лінійна залежність струму від напруги при будь-якій полярності. Контакт не повинен вносити додаткового опору. У цьому випадку до контакту метал-напівпровідник ставиться ряд специфічних вимог:
- опір контакту повинен бути мінімальним, оскільки опір є основним робочим параметром тензорезистора;
- контакт повинен бути механічно міцним, бо під час роботи на тензорезистор діють значні механічні напруження;
- контакт повинен зберігати стабільність під час роботи тензорезистора, щоб забезпечити тривалу його роботу;
- значення температурних коефіцієнтів лінійного розширення напівпровідника і матеріалу контакту повинні бути якомога ближчими, щоб уникнути небезпечних механічних напружень у місцях контакту;
- контакт повинен мати високу температуру плавлення для роботи при підвищених температурах, а також стабільність опору після термоциклювання.
Контакти до чутливих елементів тензорезисторів створюють методами вплавлення, термокомпресії, напилення, електрохімічного або хімічного осадження, зварювання за допомогою лазерного променя. Контактними матеріалами служать золото, алюміній, нікель, позолочений ковар та ін., які найбільше задовольняють наступні вимоги:
- утворюють у напівпровіднику домішкові центри відповідного типу або є нейтральним;
- характеризуються високою розчинністю у кристалічній гратці напівпровідника;
- добре змочують поверхню напівпровідника;
- мають високу тепло- та електропровідність;
- мають температурний коефіцієнт лінійного розширення рівний або близький до аналогічного коефіцієнта напівпровідника.
Омічні контакти до НК Si р-типу створюються методом імпульсного зварювання платинового мікродроту з кристалом і з одночасним підігрівом цілого кристала. Нагрів здійснюється до температури нижчої ніж температура евтектики, і у момент пропускання зварювального імпульсу досягається температура, необхідна для утворення евтектики кремній-платина.
Іншим, зручнішим, способом створення контактів до тонких кристалів є дугове зварювання.
Схема установки для приварки контактів цим методом показана на рис.10. Вона містить джерело живлення 1 постійного струму Б5-43, мікроскоп 2 типу МБС-9, графітовий електрод 3, тримач мікрдроту 4, чашка 5 заповнена спиртом, у якому знаходиться кристал. Напруга джерела живлення, струм і час зварювання вибираються таким, щоб під дією електричної дуги відбувалося локальне розплавлення платини у місці контакту. Платина утворює з кремнієм найбільш тугоплавку евтектику (830 оС).
Рис.10. Схема установки для приварки контактів до НК.
3.4. Розрахунок тензорезисторів за
температурним коефіцієнтом опору
У загальному випадку температурний коефіцієнт опору (() є функцією температури і визначається за двома точками з температурного інтервалу:
( = 100 % ,
де (R/RT1 -відносна зміна опору тензорезистора при вимірюванні температури в інтервалі від Т1 до Т2:
(Т = Т2 - Т1.
Похибка визначення ( буде залежати від точності підтримання температури Т1 та Т2 у термостаті (термокамері).
Відхилення ТКО тензорезистора від середнього значення не повинно перевищувати 10 %.
3.5. Закріплення напівпровідникових
тензорезисторів на об'єкті вимірювання
У цьому технологічному процесі необхідно враховувати основні властивості тензометрів, які визначаються клеями (зв'язувачами), а саме: коефіцієнт тензочутливості, зв'язок між коефіцієнтом тензочутливості і температурою, а також рівнем деформації, тобто лінійність, гістерезис, температурний дрейф "нуля", повзучість. Виходячи з вимог, які ставляться у тензометрії, найбільш придатними є такі клеї:
- винилофлексовий лак (ВЛ);
- бутварно-феноло-формальдегідний клей БФ;
- ацето-целулоїдний клей;
- циакрін;
- епоксидні або фенольні смоли.
Застосування цих клеїв зумовлене тим, що, по-перше, неможливо провадити термообробку досліджуваної деталі внаслідок великих габаритних розмірів та інших специфічних умов, пов'язаних із конструкцією деталі, по-друге, необхідне швидке фіксування чутливого елемента на деталі, внаслідок неможливості застосування фіксуючих пристроїв, по-третє, час відведений на підготовку до вимірювань є обмежений.
3.5.1. Підготовка поверхні
Поверхня повинна бути не дуже гладкою, абсолютно чистою і знежиреною. Гладкі або поліровані поверхні зачищають дрібнозернистим наждачним папером (зернистість 6-10) у різних напрямках. Чистою тканиною або ватним тампоном, змоченим у чотирихлористому вуглеці або ацетоні, протирають поверхню склеювання до повного видалення забруднень. (Всі операції з тензорезисторами здійснюють чистим пінцетом. Набір необхідних інструментів, а також клеї повинні бути приготовані завчасно.) Наклеюваний тензорезистор також повинен бути чистим.
Наклеювання тензорезисторів
1. На попередньо оброблену поверхню за допомогою чистого пензлика або шпателя наносять тонкий шар клею.
2. Для запобігання контактування напівпровідникового елемента з поверхнею приклеювання на клей накладають і злегка притискають вирізану паперову прокладку (товщина паперу не повинна перевищувати 40 мкм). Можна застосовувати також тонкий шар склотканини, що особливо доцільно при підвищених температурах. Папір повинен бути пористим і гігроскопічним.
3. На папір пінцетом накладають напівпровідниковий елемент - тензорезистор і злегка притискають його до поверхні.
4. На тензорезистор наносять ще одну краплину клею, яку злегка розгладжують. При цьому слідкують за тим, щоби тензорезистор зберігав своє положення.
Отвердівання (Полімеризація)
Використовуючи клей БФ-2 необхідно дотримуватися інструкції щодо температурного режиму і часу термообробки, а саме: після нанесення на поверхню клей витримують на повітрі упродовж двох годин, потім нагрівають зі швидкістю 1,5-2 град./хв до температури +120 оС і витримують 2 години; після чого нагрівають з тією ж швидкістю до +180 оС і витримують ще 2 години.
Клей ВС-10Т полімеризують у наступному режимі: витримують 1 годину на повітрі за кімнатної температури, нагрівають до +180 о С і витримують 2 години.
У деяких клеїв під дією вологи погіршується опір ізоляції, тому наклеєний тензорезистор покривають захисним лаком, який наносять на тензорезистор пензликом і висушують при кімнатній температурі протягом чотирьох годин.
Контроль
Випробовують тензорезистор на провідність - вимірюють його опір і контролюють ізоляційний опір (на нижче 10 МОм). Для цього розпаюють контактні платинові струмовідводи до ламелей із попередньо підготовленими струмовиводами на вимірювальні прилади. Вимірювання проводять у двох напрямках струму. Розбіжність не повинна перевищувати 0,5 Ом.
Контроль повзучості тензорезистора при температурі Т оС здійснюють за формулою:
ПТ оС = 100 % ,
де - опір приклеєного недеформованого тензорезистора,
- опір тензорезистора, який змінюється відразу після навантаження тарувальної балки (виникає деформація (),
- опір тензорезистора, виміряний за час t після прикладання до тарувальної балки деформації.
При контролі дії механічного навантаження на тензорезистор (при деформації ~ 1.10-3 відн.од.) зміна його опору не повинна перевищувати 10 %. У цьому випадку передача деформації від об'єкта вимірювання до тензорезистора вважається нормальною.
4. ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ТЕНЗОМЕТРІВ НА ПІДКЛАДЦІ
Для забезпечення зручності практичного застосування тензометрів їх виготовляють за технологією, яка містить наступні операції:
1. Виготовлення підкладок.
Тонкий папір (товщиною 0,05 мм) затискають в оправці, натягують і просочують клеєм БФ-2. Термообробку провадять за температур 25 оС - 1 год., 130 оС - 1 год., 140 оС - 2 год. З просоченого клеєм паперу вирізають смужки розміром 3х12 мм
2. Закріплення тензорезисторів на підкладці.
Під мікроскопом на смужку (підкладку) наносять тонкий шар клею шириною 1 мм, на який кладуть тензорезистор і витримують при кімнатній температурі 2 години.
3. Виготовлення струмовідводів.
Залужують мідну відпалену стрічку товщиною 25 мкм і шириною ~ 1 мм на обох кінцях і приклеюють одним з кінців до підкладки на віддалі 2 мм від кінців тензорезистора. Витримують при кімнатній температурі 2 години.
4. Розпаювання контактних мікродротин від тензорезистора до мідних струмовідводів.
5. Термообробка підкладки з наклеєним терморезистором здійснюється у термостаті з використанням спеціальних фторопластових оправок.
5. ЗМІСТ ЗВІТУ
Мета роботи
Технічне застосування тензорезисторів
Технологія виготовлення напівпровідникових тензорезисторів
Закріплення напівпровідникових тензорезисторів на об'єкті вимірювання.
Побудова графіку залежності опору тензорезистора від струму.
Часова залежність повзучості приклеєних тензорезисторів різної довжини.
Температурна залежність часової повзучості приклеєного тензорезистора.
Схема установки для досліджень характеристик напівпровідникових тензорезисторів.
Градуювальна характеристика тензорезистора приклеєного на консольній балці.
Висновки.
6. КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
Який принцип дії тензоперетворювача?
Технологічні способи одержання напівпровідникових тензорезисторів.
Види тензорезисторів та їх характеристики.
Способи створення омічних контактів до тензорезисторів.
Як розрахувати температурний коефіцієнт опору?
Як визначити повзучість тензорезисторів?
З чим пов'язане застосування тензометрів на підкладці? Особливості технології їх виготовлення.
Указати основні чинники які визначають величину повзучості приклеєних тензорезисторів.
Як впливає величина робочого струму на роботу тензорезистора?
ЛІТЕРАТУРА
1. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений. Справочное пособие. - К.:Наукова думка, 1981. - 583 с.
2. Технология тонких пленок. Справочник. Под ред. Л.Майссела, Р.Глэнга. – М.:”Сов.радио”,1977, - 768 с.
3. Полищук Е.С. Измерительные преобразователи - К.: Вища школа, 1981. - 296 с.
4. Эрлер В., Вальтер Л. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами. - М.:Мир, 1974. - 285 с.
5. Байцар Р.І., Островська А.С., Островський І.П. Вплив легування на електричні параметри ниткоподібних кристалів Si p-типу, вирощених методом ХТР // Вісник ДУ "Львівська політехніка" Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки № 297, 1995. - С.3-11.
6. Байцар Р.І., Варшава С.С., Пелех Л.М. Тензометричні дослідження багатошарових модельних форм// У кн.: Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій. Випуск 3, 1998. -С.252-254.
7. Байцар Р.І., Островський І.П., Троць Т.Я. Визначення робочого струму тензорезистора вимірювального перетворювача //Вісник ДУ"Львівська політехніка" Автоматика, вимірювання та керування. №366, 1999. - С.159-161.
8. Фомица Л.Н., Субматова Р.А. Измерение напряжений в железобетонных конструкциях. К.: "Будівельник" ,1994. -168 с.
9. Байцар Р.І., Троць Т.Я., Гінгін М.П. Склокристалічні цементи - конструкційні матеріали напівпровідникових струнних тензометрів //Зб. наук. праць "Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій".Вип.4, 2000. - С.239-242.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора