7. ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Пьезорезистивные ЭАП основаны на изменении электрического сопротивления при деформациях твердых тел под влиянием внешних механических воздействий. По виду используемых в них явлений они подразделяются на две основные группы:
1) контактные, в которых используется изменение сопротивления электрического контакта от нажатия (между зернами угольного порошка, заполняющего зазор между неподвижным и подвижным электродами или, реже, непосредственно между этими электродами);
2) полупроводниковые, в которых используется изменение сопротивления монокристалла полупроводника
или
-типа) при деформации его кристаллической решетки.
В зависимости от способа осуществления контакта между зернами порошка и способа изготовления полупроводникового рабочего тела и его подложки могут быть построены преобразователи с весьма различными чувствительностями по величине рабочего усилия или перемещения.
Угольные порошковые акустические приемники [мембранные микрофоны, или вибродатчики с подвижным элементом в виде конуса (рис. XI 1.8, а)] отличаются простотой устройства и высокой чувствительностью. Однако их характеристика чувствительности нестабильна и даже при неизменных режимах работы может
меняться на порядок величины. Кроме того, она изменяется при изменении положения преобразователя в пространстве, при изменении температуры или относительной влажности, а также значения тока и длительности его протекания.
Амплитудная характеристика преобразователя нелинейна в рабочем диапазоне амплитуд, так как сопротивление контактов
зависит от давления
приблизительно по закону
где
— коэффициенты, зависящие от физических свойств и размеров контактных поверхностей;
— показатель степени при небольших нажатиях равный
При малых и при больших амплитудах чувствительность резко падает (см. рис. XII.8, б); возникающие при этом нелинейные искажения достигают 10—25%.
Рис. XI 1.8. Пьезорезистивные контактные ЭАП: а — схема устройства угольно-порошкового преобразователя (1 — подвижной электрод; 2 — угольный порошок; 3 — неподвижный электрод; 4 — фетровая шайба); 6 — амплитудная характеристика; в — схема включения (С — развязывающий конденсатор, М — микрофон,
— разделительный трансформатор, R — нагрузка)
Близкий к линейному участок у обычных угольных микрофонов лежит примерно в диапазоне 20—200 мбар.
На рис. XI 1.8, в показана одна из простейших схем включения угольного микрофона.
Полупроводниковые пьезорезистивные ЭАП отличаются значительно большей стабильностью и большим динамическим диапазоном. В пьезорезистивных преобразователях используются обычно монокристаллы германия или кремния с большим количеством присадок (
атомов донора или акцептора на
основного вещества). Если используется благоприятная ориентация монокристалла, то изменение его удельного сопротивления при деформациях можно выразить уравнением
где
удельное сопротивление;
— удельный коэффициент пьезосопротивления;
— механическое напряжение.
Тогда коэффициент тензочувствительности
где
— коэффициент Пуассона;
(здесь Е — модуль упругости).
Зависимость
от
не является линейной и потому коэффициент тензочувствительности зависит от амплитуды сигнала. Однако повторяемость характеристик весьма высока, а усталостная
Рис. XI 1.9. Пьезорезистивные (полупроводниковые) ЭАП: а — схема устройства мембранного приемника давления с кольцевыми пьезорезистивными элементами (1 — корпус; 2 — мембрана; 3 — кольцевые тонкопленочные элементы);
— биморфный элемент
— пластинки из монокристаллов; 2 — клей; 3 — заделка)
прочность у полупроводниковых преобразователей лучше, чем у металлических.
Более совершенны преобразователи с двумя пьезорезистивными элементами. Так, на рис. XI 1.9, а показан датчик давления с двумя кольцевыми тонкопленочными элементами, получаемыми напылением германия
-типа в вакууме (толщина пленки 20 мкм). При соответствующем выборе диаметров колец достигаемый температурный коэффициент составляет 0,3% на 1° С. В пределах 0-90° С изменение коэффициента тензочувствительности равно ±2%. Чтобы получить одинаковый нагрев колец током, толщины колец взяты обратно пропорциональными их диаметрам.
В случае биморфного элемента (рис. XI 1.9, б) термокомпенсация достигается применением двух одинаковых по размерам пластинок монокристалла
и
-типа. Температурная погрешность при использовании германия снижена до
на
при
Еще лучшие результаты получаются с кремниевыми биморфными элементами.