книги / Малобазные тензодатчики сопротивления

однако не все из них применяются при изготовлении малобазных тензодатчиков.

Метод вырезания чувствительного элемента из монокристалла широко применяется в практике.

Монокристаллы, применяющиеся для изготовления нитей, представляют собой цилиндрические стержни диаметром от 20 до 60 мму ось которых совпадает с одним из кристаллографических направлений. Обычно это кристаллографическое направление

Монокристалл разрезают по плоскостям, перпендикулярным

оси (111), на цилиндрические темплеты 7, высота которых прибли­ зительно равняется базе тензодатчика. Темплеты сошлифовывают с торцов до заданного размера последовательно грубой и тонкой шлифовкой. Затем темплеты разрезают на пластины 2 плоско­ стями S, проходящими через кристаллографические направле­ ния (111), и (110), и плоскости реза вновь шлифуют. При разрезке монокристаллов и темплетов их рекомендуется приклеивать к сте­ клянной пластинке фталиевым ангидридом, который затем раство­ ряется ацетоном [44].

Нити из полученных пластин могут изготовляться либо меха­ ническим, либо фотолитографическим способом.

Известны два варианта механического способа изготовления. При первом варианте изготовления пластины разрезают на нити параллельно направлению (111). Однако этот вариант широко не распространился, так как он не обеспечивает получения доста­

точно прочной нити малого сечения.

При втором варианте в пластине 7 (рис. 16), приклеенной к стеклянной пластинке 2 фталиевым ангидридом параллельно направлению (111), шлифовкой или электроискровой обработкой 4* 51

вестны случаи применения для выводных проводников проволоки и большего диаметра до 0,4—0,5 мм включительно [46, 52]. В ра­ боте [44] указывается на возможность изготовления выводных про­ водников полупроводниковых тензодатчиков из проволоки диа­ метром 0,1 мм.

Проволочные выводы, применяющиеся при изготовлении тен­ зодатчиков, имеют разнообразное конструктивное исполнение. Они могут быть выполнены в виде прямолинейных отрезков про­ волоки; иногда для облегчения процесса пайки или сварки конец выводного проводника на длине 1,5—2,0 мм отгибают под прямым углом. С этой же целью рекомендуется [10] конец выводного про­ водника обжимать для придания ему формы лопатки. При изготов­ лении малобазных тензодатчиков групповым способом выводные проводники выполняют в виде так называемой гребенки [30], представляющей собой обычную проволочную решетку.

Для изготовления выводов широко применяют медную луже­ ную проволоку [46, 57, 67]. Реже применяют серебряную [46], золотую [43] или никелевую [19, 21] проволоку, а также про­ волоку карма [11]. Золото, применяющееся для изготовления выводных проводников полупроводниковых кремниевых тензо­ датчиков, для исключения возможности образования выпрямля­ ющего контакта желательно [43, 44] легировать 5% сурьмы. В работе [52] указывается на возможность применения для вы­ водных проводников проволоки из того же материала, из которого изготовлена решетка тензодатчика.

Ленточные выводные проводники изготовляют из луженой медной или латунной ленты [46, 47] сечением 0,5 X 0,1 мм. Вывод­ ные проводники тензодатчиков без поперечной чувствительности изготовляют из той же ленты, которая применяется и для изготов­ ления перемычек.

Проволочные и ленточные выводные проводники обычно имеют длину 50—75 мм.

Выводы располагаются либо вдоль, либо поперек решетки тензодатчика. 3. Рузга с целью повышения усталостной прочности места спая рекомендует при измерении деформации в условиях одноосного напряженного состояния располагать выводные про­ водники вдоль тех направлений, по которым отсутствуют дефор­ мации [52]. При соблюдении этого условия выводные проводники должны быть ориентированы относительно продольной оси решетки приблизительно на 1,8 или 2,03 рад (62 или 118°). В этом случае, по данным автора, наблюдается повышение усталостной прочно­ сти по сравнению с припайкой выводных проводников параллельно продольной оси решетки примерно в 2,7 раза. Расположение вы­ водных проводников также существенно влияет на величину ползучести [45].

Выводные проводники присоединяются к решетке пайкой, сваркой или механическим способом.

Пайка выводных проводников

Пайка выводных проводников большей частью выполняется чистым оловом, реже — мягкими припоями на основе олова. Из­ вестны также случаи [И], когда пайку рекомендуется произво­ дить твердыми припоями на основе серебра.

Правильный выбор припоя особенно важен при изготовлении полупроводниковых тензодатчиков. В месте спая выводного про­ водника и чувствительного элемента из полупроводникового ма­ териала должен быть обеспечен чисто омический (невыпрямля­ ющий) электрический контакт. Наиболее просто эта задача может быть решена при введении в олово некоторых присадок. Так, для германия /7-типа чисто омический контакт получается при пайке припоем на основе олова с добавлением 5% индия [температура плавления 503° К (230° С)], а для германия п-типа с добавлением 3% сурьмы [температура плавления 508° К (235° С)].

Пайка производится с применением различных флюсов, спо­ собствующих удалению с поверхности спаиваемых элементов окислов металлов. В качестве флюсов можно использовать ка­ нифоль и ее раствор в спирте, плавленую буру, концентрирован­ ный водный раствор хлористого цинка; с этой же целью изготов­ ляют паяльные пасты различных составов.

Хорошо зарекомендовала себя паяльная паста следующего состава;

Канифоль растворяется в 68,5% спирта, анилин солянокис­ лый — в 31,5%. Оба раствора смешиваются и в смесь добавляется триэтаноламин.

Сварка выводных проводников

Замена пайки выводных проводников на сварку позволяет повы­ сить прочность места спая, что особенно важно при измерении динамических деформаций. Кроме того, применение сварки со­ вершенно необходимо при изготовлении высокотемпературных тензодатчиков.

Известны три способа сварки выводных проводников с решет­ кой тензодатчика.

Электроискровая сварка. Электроискровая сварка является разновидностью электродуговой сварки. Электродами служат привариваемый выводной проводник и тонко заточенный уголь­ ный (графитный) стержень. Напряжение питания электродов за­ висит от материалов свариваемой пары (вывода и решетки). Для сварки медных выводов с константановой решеткой напряжение

проводников, обеспечивающие невыпрямляющий электрический контакт [18, 19, 21, 43, 44].

Широко применяют крепление выводных проводников вжиганием и термокомпрессией, т. е. вдавливанием под нагревом. Тер­ мокомпрессия применима при изготовлении германиевых тензо­ датчиков и кремниевых тензодатчиков p-типа. Хорошие резуль­ таты при изготовлении германиевых тензодатчиков получаются при вплавлении в германий золота. Вплавление выполняют при температуре, незначительно превышающей эвтектическую [44]. При изготовлении кремниевых тензодатчиков /г-типа контактом служит нанесенный на поверхность кремния электролитическим способом слой никеля или эвтектики золото-кремний [44, 43]. Для снижения величины переходного (контактного) сопротивле­ ния рекомендуется перед нанесением контактов производить по­ верхностное насыщение кремния, при этом поверхностная прово­ димость насыщения и примесная проводимость полупроводника должны быть одинакового типа (дырочной или электронной) [18].

Решетку тензодатчика с прикрепленными выводными провод­ никами при некоторых технологических схемах изготовления покрывают слоем связующего, бумагой или фетром; места спая (сварки) заклеивают бумажной полоской, шелком, пропитанным лаком, или липкой лентой.

Изготовленные тензодатчики подвергают выборочной тари­ ровке и последующей аттестации.

Свойства ни одного из известных материалов не отвечают в полной мере всем перечисленным выше требованиям. Поэтому выбор тензочувствительного материала в значительной степени определяется областью применения и назначением тензодатчиков.

Все тензочувствительные материалы можно разделить на семь основных групп: 1) медноникелевые сплавы (константан, коппель, эдванс, эврика); хромоникелевые сплавы (нихром, нихром V, хром В, хромникель, сплав СЛМ); хромоникелевые сплавы с при­ садками (карма, нихром Н80ХЮД); 4) никелехроможелезные сплавы (гловари, нихром I, хром С, цекас, изоэластик, элинвар, хромель); 5) железохромалюминиевые сплавы (железохромалюминиевый сплав № 2, НИМО, сплав Х26ЮФ); 6) благородные металлы и их сплавы (платина, платиноиридий, платинородий); 7) полупроводниковые материалы.

Свойства тензочувствительных материалов (табл. 11) в опре­ деленных пределах могут регулироваться для металлических ма­ териалов термической обработкой [55, 56], а для полупроводни­ ковых материалов — введением присадок и изменением ориента­ ции продольной оси чувствительного элемента в /(-пространстве [43, 44, 59]. Ниже рассмотрены лишь те механические, элек­ трические и тепловые свойства материалов, которые представ­ ляют интерес для тензометрии.

Механические свойства материалов оценивают по их упруго­ прочностным характеристикам. Для полупроводников так же, как и для металлических материалов, существует линейная зави­ симость между напряжением и деформацией в широком интервале температур и нагрузок. Прочность полупроводников пока что не­ достаточно исследована. Однако имеются все основания предпола­ гать, что при ограничении числа дефектов (трещин, дислокаций и т. д.) прочность полупроводников окажется вполне достаточной для изготовления качественных чувствительных элементов [18].

К э л е к т р и ч е с к и м с в о й с т в а м материалов отно­ сятся удельное электрическое сопротивление и чувствительность к деформации.

Удельное электрическое сопротивление определяется концен­ трацией и подвижностью свободных носителей электричества.

Концентрация носителей электричества существенно зависит от уровня потенциальной энергии (ширины запрещенной зоны) электронов. Для металлов и сплавов уровень потенциальной энергии близок к нулю, а для полупроводников составляет 0,01_ 2,00 эв. Отмеченная специфика металлов и полупроводников определяет, в конечном итоге, и особенности их электропровод­ ности.

Во-первых, величина удельного электрического сопротивле­ ния полупроводников на несколько порядков выше, чем металловЭто объясняется тем, что концентрация носителей электричества в металлах по сравнению с полупроводниками очень велика.