Первичный измерительный преобразователь упругих деформаций Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.3.032:539.23

ПЕРВИЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ

© А.В. Кочетков, А.П. Королев, В.П. Шелохвостов, В.Н. Чернышов

Kochclkov A.V.. Koroljcv А.P., Shclokhvostov V.P., Chernyshov V.N. Primary initial transformer for elastic deformations measurement. In the paper the construction, technique of calculation of physical properties of the primary initial transformer of clastic deformation as a controlled unit on the basis of MOS - structure fulfilled according to the planar solid state technology is offered.

В настоящее время широкое применение в измерительной технике находят первичные измерительные преобразователи (ПИП) на монокристаллическнх полупроводниках IV группы периодической системы. Для измерения пластической деформации предлагается структура ПИП на монокристаллнческом кремнии. Такие преобразователи характеризуются высокой чувствительностью, совместимостью с интегральной технологией, малыми размерами, воспроизводимостью результатов.

Предлагаемое устройство, как предполагается, позволит значительно повысить точность измерений за счет введения автоматической термокомпенсации измерительной системы.

Преобразователь деформаций представляет собой полевую структуру (металл - оксид кремния - кремний). выполненную по стандартной планарной технологии. Такая же структура рассматривалась в [1] как датчик температуры. Эта структура чувствительна и к механическим напряжениям, следовательно, ее можно применять для измерения упругой и пластической деформации.

В основу принципа работы положены электрофизические процессы, происходящие в структуре полупроводника под действием механических напряжений. Для получения математической модели датчика используются фундаментальные положения физики полупроводников, посредством которых модель выходной характеристики адаптируется для разрабатываемого датчика. Сопротивление проводящего канала преобразователя /? = р— , где Л и 5 - соответственно длина и

площадь поперечного сечения канала. 5 = .V- z, где .г и 2 - глубина и ширина канала. Подставив эти выражения в закон Ома, получим:

вижность носителей заряда в канале преобразователя. Таким образом, выражение (1) принимает вид:

/ =

U ■ х• z q-np.

(2)

Из физики полупроводников [2] известно, что результирующая подвижность носителей (ц) определяется по формуле:

ц =

1 1

— + —

{.Vi Ц/

4-І

(3)

где |.1/ - подвижность, определяемая рассеянием на акустических фононах; ц,- - подвижность, обусловленная рассеянием на ионизированных атомах примеси.

Подвижность, определяемую рассеянием на акустических фононах, находим по формуле [2]:

Ц/

■JSnqh^C/,

3Ellsn/2{kTf/2

(4)

где (I - заряд носителей; Сц - механическая деформация; - смещение края зоны проводимости на единицу деформации кристаллической решетки; Т -температура; к - постоянная Больцмана: И - постоянная Планка.

Подвижность, обусловленная рассеянием на ионизированных атомах примеси, определяется выражением [2]:

/ =

U • X’ z р L

(1)

Удельное сопротивление (р) можно записать через

1 1

удельную проводимость (5): р = — =-----------, где q -

5 q^n■\l

заряд носителя, п - концентрация носителей, ц под-

64л/я(А-7)^

Ndqym/^2

/ ■ ( > 2" \

In 1 + 12 neskT і/

\ , Ы', >

(5)

Подставив (4) и (5) в формулу (3) для результирующей подвижности, получим:

Ц =

ЪЕ^пУг(кТ^г

■JSnqh^C,/

N ла^т'1 +-----—-------—In

64VneJ(2*rp

1 +

f \2 \2nzskT

q2N$

Следовательно, выражение (2) принимает конечный вид:

Uixqi

/ = -

4$kqh*Ci[ 64л/ле^(2А'7)^

In

■ \ 2 У\

1 + 12ле,А-7'

Это выражение описывает зависимость выходного тока от степени деформации.

Как известно, полупроводник чувствителен к изменениям температуры. Поэтому, при измерениях деформации необходимо учитывать влияние этого фактора. Как показывает эксперимент, с увеличением температуры увеличивается значение выходного тока преобразователя при одинаковых механических нагрузках. Увеличение температуры на I °С приводит к увеличению выходного тока на 0,2 мкА, что составляет, примерно, 0,7-0,8 % от показания датчика. Такое значение погрешности, обусловленной влиянием температуры, уже существенно. Следовательно, для увеличения точ-

ности необходимо вводить в схему измерения давления элементы, обеспечивающие термокомпенсацию.

В статьях [1] и [3] описан принцип использования предлагаемой структуры для измерения температуры, проведено математическое моделирование электрофизических процессов, происходящих под действием температуры, приведены результаты моделирования. Таким образом, если изготовить в одном технологическом процессе два таких преобразователя, то они абсолютно одинаково будут реагировать на изменения температуры. Для автоматической корректировки измерительной системы два одинаковых преобразователя следует включить в мостовую схему. Один из них участвует в измерении деформации, другой остается нена-груженным, но влияние температуры на них одинаково. Если с выхода нагруженного преобразователя через цепь обратной связи подать импульсный сигнал на управляющий изолированный электрод недогруженного, то система становится саморегулирующейся.

Предложенное устройство обладает термокомпен-сацией, что позволяет повысить точность при измерениях давления, напряжений и деформаций.

ЛИТЕРАТУРА

1. Koroljev А.P.. Shelokhvoslov I'V. Chmyshov V.N. Semiconductor

Primary Initial Transformer Design for Heat Values Measurement.

Tambov: Transactions of Tambov State Technical University, 1999.

V. 5. № 4. P. 536-542.

2. Зп С. Фишка полупроводниковых приборов. М.: Мир. 1984. 33 с.

3. Королев AM.. Шелахвостов В.П.. Чернышов В П. // Вест». ТГУ.

Сер. Петсств. н технич. науки. Тамбов, 2000. Т. 5. Вып. 2-3.

С. 334-337.