5.6. ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИЕМНИКИ ЗВУКА И ВИБРАЦИЙ

Из большого числа возможных видов параметрических приемников на практике применяются емкостные и полупроводниковые пьезорезистивные приемники. О емкостном параметрическом приемнике сказано в параграфе 4.15 в связи с конденсаторным микрофоном-преобразователем обратимого типа. Здесь остановимся только на пьезорезистивных приемниках.

Как упоминалось выше, коэффициент преобразования для некоторых полупроводниковых приборов оказывается весьма значительным. Начальный ток полупроводникового диода или коллекторный ток транзистора связан экспоненциальной зависимостью с энергией запрещенной зоны, и малые изменения энергии запрещенной зоны приводят к пропорциональному изменению начального тока. Для получения возможно больших деформаций переходного слоя, а с ними и энергии запрещенной зоны в первых пьезорезистивных полупроводниковых приемниках усилие от (механико-акустической системы передавалось через острие иглы на плоскую поверхность кристалла с малой глубиной залегания переходного слоя. Большие местные механические напряжения под концом иглы оказывались в зоне переходного слоя.

На этом принципе построен пьезорезистивный полупроводниковый акселерометр (рис. 5.11). Чувствительным элементом является германиевый планарный транзистор. Инерционная масса

Рис. 5.11. Пьезорезисшшшй полупроводниковый параметрический акселерометр: а — схематическое изображение, эквивалентная схема механической части 1 — транзистор, 2 — игла

Рис. 5.12. Зависимость коллекторного тока и токовой пьезореэистивной чувствительности от силы поджатая иглы

рается через иглу на кристалл. С основанием прибора она соединена пружинным корпусом, имеющим гибкость С помощью натяжения корпуса можно установить начальную силу поджатия иглы к кристаллу. Характер зависимости коллекторного тока от силы поджатия показан на рис. 5.12.

Около некоторого значения силы поджатия изменение тока с силой поджатия максимально, т. е. чувствительность (прибора (максимальна. При действии переменных ускорений на основание прибора сила поджатия изменяется пропорционально ускорению массы Упругость контакта иглы с кристаллом зависит от силы поджатия. Для иглы из упругого материала со сферической поверхностью острия малого радиуса, опирающегося на упругую плоскую поверхность, эту упругость можно рассчитать. Она оказывается пропорциональной силе поджатия в степени 1/3. Это означает, вообще говоря, что пьезополупроводниковый преобразователь такого типа — прибор с нелинейной механической подвижной системой. Однако поскольку степень зависимости упругости от силы невелика, то при начальной силе поджатия во много раз большей, чем силы, возникающие при измеряемых ускорениях, можно считать, что суммарная упругость корпуса и опоры иглы, связывающая массу с основанием, постоянна. Тогда эквивалентная схема механической системы акселерометра приобретает простой вид, изображенный на рис. 5.116. Из этой схемы видно, что амплитуда усилия, действующего на кристалл, связана с амплитудой ускорения основания прибора соотношением:

с — гибкость пружинного корпуса; гибкость контакта, собственная частота системы.

Из (5.38) видно, что пропорционально на частотах ниже резонанса. На резонансе возрастает до величины, определяемой затуханием механической системы, не учтенным в Практически возрастает на резонансе в 3—4 раза по сравнению с областью низких частот, если не ввести специального демпфирующего устройства.

Отдаваемое акселерометром полезное напряжение на внешней нагрузке зависит от величины начального тока коллектора так как с ростом этого тока растет и Начальный ток коллектора устанавливается (соответствующим выбором тока базы. Электрический режим и величина начального поджатия подбираются так, чтобы в заданном диапазоне амплитуд и частот измеряемых ускорений получить максимум чувствительности.

В экспериментальных образцах приборов, при радиусе закругления острия иглы силе поджатия и начальном токе коллектора в зависимости от нагружающей массы на нагрузке чувствительность прибора составляет от до Прочность прибора допускает ускорение основания,

в зависимости от величины нагружающей массы, от до Резонансная частота соответственно составляет примерно Собственные шумы прибора в полосе 1 Гц на частоте 100 Гц эквивалентны ускорению При равномерном спектре напряжения шумов в полосе напряжение шума будет эквивалентно

Таким образом, прибор пригоден для измерения малых ускорений вибраций в сравнительно широком диапазоне частот и, что очень важно, обладает небольшим частотнонезависимым собственным сопротивлением в области инфразвука вплоть до «нулевых» частот. В этих отношениях он превосходит пьезоэлектрические акселерометры. Следует, однако, отметить, что нажим с помощью иглы создает очень большие местные напряжения в чувствительном элементе, из-за чего прибор выдерживает гораздо меньшие перегрузки, чем пьезоэлектрические акселерометры на основе пьезокерамических материалов, а также создает трудности сохранения неизменным начального поджатая. Получить в микрофонах усилие столь же большое, как и в акселерометрах, затруднительно, и условия работы контакта становятся менее благоприятными.

Рис. 5.13. Пьезорезистивный полупроводник авый микрофон: 1 — диафрагма; 2 — чувствительный элемент — германиевая кристаллическая пластинка; 3 — консольная балочка

Остановимся на недавно предложенной конструкции микрофона с плоским полупроводниковым диодом в качестве чувствительного элемента, укрепленным на изгибающейся консольной балочке и работающим на сжатие (растяжение) (рис. 5.13). Чувствительный элемент наклеивается около основания балочки, где кривизна при ее изгибе максимальная и растяжение (сжатие) поверхности балочки также максимально. Поскольку полезный сигнал с чувствительного элемента пропорционален его деформации, механическая система микрофона — приемника давления должна иметь чисто упругое сопротивление в рабочем диапазоне частот. Это накладывает ограничение на достижимую величину гибкости диафрагмы, которая должна иметь собственную частоту выше крайней верхней частоты рабочего диапазона микрофона. Если гибкость диафрагмы задана, то гибкость консольной балочки можно оптимизировать так, чтобы получить максимальную чувствительность микрофона. Чувствительность микрофона с помощью может быть представлена в виде:

где К — коэффициент пропорциональности, зависящий от величины сопротивления нагрузки и вида схемы включения.

Деформация чувствительного элемента пропорциональна расстоянию его средней плоскости от нейтральной плоскости консольной балочки и кривизны ее при изгибе. Кривизну, как обычно принимается в теории несильного изгиба, примем равной второй производной от линии упругого изгиба (рис. 5.13):

Форма линии изгиба в области частот вплоть до первого резонанса балочки практически такая же, как и при статическом изгибе силой, приложенной к ее свободному концу:

прогиб конца балочки, который связан с нагружающей силой соотношением:

- эквивалентная сосредоточенная гибкость балки (см. параграф 2.8); а то же, для диафрагмы; см. рис. 5.13. На основании (5.40), (5.41) и (5.42) получим:

Выражение (5.43) имеет максимум при

Для чувствительности микрофона, включенного на согласованное нагрузочное сопротивление, получим окончательно:

Это выражение получено без учета влияния упругости полупроводникового чувствительного элемента, которая немного увеличивает упругость балочки а также без учета того, что кривизна балочки меняется с удалением от места заделки, вследствие чего деформация полупроводникового элемента несколько меньше, чем принятая нами в расчет. Учет этих поправок не меняет существа расчета и может быть проведен без оообого труда.

В промышленном образце такого микрофона применена балочка длиной и толщиной Полупроводниковый элемент имеет толщину и длину Цилиндрическая жесткость балочки площадь диафрагмы ее гибкость собственное сопротивление микрофона Максимальный допустимый ток — При питании током около расчет по дает чувствительность примерно при