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.