Piezorezistence polovodičů rozšiřuje možnosti elektrického měření síly a hmotnosti

Piezorezistence polovodičů rozšiřuje možnosti elektrického měření síly a hmotnosti

Článek porovnává základní vlastnosti polovodičových a fóliových tenzometrů z hlediska jejich využití k měření sil a hmotností v průmyslu.

1. Úvod
Jednou z pozoruhodných vlastností polovodičů je piezorezistence. Je důsledkem specifické struktury energetických pásů polovodičů a projevuje se výraznou závislostí měrného elektrického odporu monokrystalu polovodiče na deformaci v určitých krystalografických směrech. Objevil ji v roce 1954 americký fyzik C. S. Smith u germania a křemíku [1].

Z hlediska použití k výrobě odporových tenzometrů má nejvýhodnější souhrn vlastností monokrystalický křemík, který je však křehký jako sklo. Technická praxe vyžaduje odporové tenzometry odolné namáhání v tahu na úrovni konstrukčních ocelí. Vývoj postupů výroby křemíkových tenzometrů dostatečně odolných tahové deformaci a s přiměřeně „pevně“ připojenými kovovými vývody byl v USA dokončen pět let po objevu piezorezistence [2]. Výhodné vlastnosti křemíkových tenzometrů a časová náročnost jejich vývoje zřejmě byly důvodem zákazu prodeje potenciálním nepřátelům.

Během šedesátých let dvacátého století se k vlastní výrobě křemíkových tenzometrů dopracovaly postupně Japonsko a koncern Philips. V bývalém sovětském bloku to byl Výzkumný a zkušební letecký ústav v Praze, který v roce 1974 zavedl v nynějším Zlíně jejich výrobu pro letecký průmysl, včetně zkoušení podle celosvětově nejpřísnější normy – americké NAS 942 [3]. Zemí s vlastní výrobou křemíkových tenzometrů je nyní na světě méně než deset.

2. Vlastnosti polovodičových tenzometrů
V porovnání s kovovými fóliovými tenzometry mají křemíkové tenzometry tyto výhody:

• 60 až 80krát větší deformační citlivost,
• prahovou citlivost 5·10^–10 při poměru signálu k šumu 10 : 1,
• šířku tenzometrů několik desetin milimetru,
• větší odolnost proti dynamickému namáhání,
• poskytují stabilní signál i v mezním stavu (obr. 1).

Protože jsou samonosné, polovodičové tenzometry nepotřebují a obvykle ani nemají nosnou podložku. Nevýhodou je tudíž větší časová náročnost, neboť na pružném členu je třeba před nalepením tenzometru vytvořit elektricky izolující vrstvu z vytvrzeného lepidla. Ostatní omezení polovodičových tenzometrů se neprojevují ve snímačích, ale jen v experimentální analýze napjatosti [5].

3. Princip a uspořádání tenzometrického snímače
Pružný člen ve snímači převede působící sílu (tíhu jako výsledek působení gravitace na těleso určité hmotnosti, sílu vzniklou působením tlaku na membránu, setrvačnou sílu vyvolanou působením zrychlení apod.) na úměrně velkou deformaci své měřicí části. Odporové tenzometry, nalepené na měřicí části pružného členu, převedou vzniklou deformaci na elektrický signál (změnu odporu).

Teplotní závislost měřicího systému se výrazně zmenší při zapojení tenzometrů do Wheatstoneova můstku. Dva tenzometry v můstku lze přitom nahradit stabilními rezistory, teplotně nezávislými, ovšem za cenu polovičního měřicího signálu.

S tvarově jednoduchými pružnými členy se dosáhne přesnosti měření řádu 10^–3 v těchto měřicích rozsazích:

• od 0,001 N (0,1 g) do 2 kN (200 kg): jednostranně vetknutý ohybový nosník,
• od 20 N (2 kg) do 10 000 N (1 000 kg): ohybový nosník na dvou podporách,
• od 5 kN (500 kg) do 500 kN (50 t): sloupky,
• od 500 kN (50 t) do 5 MN (500 t): prstence.

Převodní charakteristiku snímačů lze linearizovat úpravou tvarů pružných členů nebo přídavnými elektrickými obvody.

4. Návrh a výroba tenzometrických snímačů
Konstrukční návrh snímače se řídí zejména požadavky:

• přesnosti,
• stability charakteristik,
• rozmezí pracovních teplot,
• odolnosti proti rušivým vlivům,
• agresivity pracovního prostředí,
• intenzity zatěžování a přetěžování,
• životnosti.

Z hlediska přesnosti je důležitá i volba materiálu pružného členu snímače a jeho zpracování zaručující velkou stálost rozměrů. Změny o velikosti ±0,001 mm na 1 m (±1·10^–6), způsobené např. uvolňováním vnitřních pnutí, vyvolají nestabilitu nulové hodnoty snímače o velikosti ±0,01 až ±0,2 %. Potřebné stability rozměrů řádu 10^–7 lze dosáhnout u konstrukčních ocelí tříd 14, 15 a 16 a vytvrditelných korozivzdorných ocelí tepelně zpracovaných na pevnost 1 000 až 1 800 MPa. Pro malé síly jsou výhodné beryliová bronz a vytvrditelné slitiny hliníku.

5. Použití snímačů síly
Nejrozsáhlejší uplatnění nacházejí dva typy snímačů síly. Jsou to:

1. Snímače s přesnostmi 0,03 až 0,05 %, jež jsou určeny pro vážení. Vyrábí je mnoho renomovaných výrobců, a to v dostatečném sortimentu, s fóliovými tenzometry a životností kolem milionu cyklů jmenovitého zatížení. Zpravidla se nevyvíjí pro konkrétní aplikaci, ale nakupují se v sériovém provedení.

2. Snímače pro technologická měření s přesnostmi řádu desetin procenta. Zde se vyplatí volit typ snímače s ohledem na provozní podmínky, protože pořizovací cena snímačů s fóliovými kovovými i křemíkovými tenzometry je přibližně stejná.

Tab. 1. Charakteristiky tenzometrických snímačů síly a hmotnosti

Charakteristiky snímačů síly a hmotnosti potřebné pro tuto volbu jsou uvedeny v tab. 1. Z tabulky je zřejmé, že piezorezistentní snímače je výhodné použít v podmínkách:

• převažujícího zatěžovaní nad 80 % jmenovitého měřicího rozsahu snímače,
• zatěžování velkou frekvencí převážně nad 70 % jmenovitého měřicího rozsahu,
• častého přetěžování nad 150 % jmenovitého rozsahu,
• vyšší úrovně rušivých elektrických a magnetických vlivů,
• vzdálenosti snímačů a vyhodnocovacího zařízení řádově stovky metrů,
• zvýšených požadavků na životnost a spolehlivost snímačů,
• omezené kapacity zdroje energie (o řád nižší potřebný příkon je výhodný zejména při napájení z akumulátoru).

S křemíkovými tenzometry lze snáze docílit menších rozměrů snímačů sil a jejich větší tuhosti. Silové jištění stroje nebo zařízení je často možné zajistit osazením některé jeho součásti křemíkovými tenzometry.

Ladislav Hrubant, Jan Hrubant,
VTS Zlín