Тензорезистори

Простим тензодатчиком є тензорезистор, який являє собою пластину або стержень напівпровідника з омічними контактами на кінцях. Один кінець пластини закріплюють в нерухомій основі, а на другу діє сила F (рис. 1.7).


Рис. 1.7. Найпростіша конструкція сенсора зусилля

Для характеристики зміну опору деформації використовують коефіцієнт тензочутливості
який являє собою відношення відносної зміни опору до відносної деформації в даному напрямку (l – розмір напівпровідника в напрямку деформації). В тензодатчику при згину міняється довжина стержню, таким чином напрям деформації співпадає з віссю стержня.

Для зменшення впливу температури на величину опору терморезистори виготовляють з мілкодомішкових напівпровідників, у котрих концентрація основних носіїв дорівнює концентрації домішки (використовують домішку, яка дає мілкі рівні енергії у забороненій зоні ) і не залежить від деформації. Тому зміна опору визначається тільки зміною рухливості.

Коефіцієнт тензочутливості для германію і кремнію має найбільше значення порядку 150-175. Знаки для германію і кремнію і напрям деформації, в кожному максимально.
Ge р>0 [111]
n<0 [111]
Si р<0 [111]
n>0 [100] напрямок.

Залежність рухливості від деформації в арсеніді галію n-типу носить більш складний характер. При малих тисках характер електронів з ростом тиску зменшується (m<0) , що пов’язано з переходом електронів з мінімуму [000] в мінімум [100]. При більших тисках , коли мінімум [100] опускається нижче мінімуму [000] рухливість збільшується з ростом тиску (m>0). Але для створення тензодатчиків арсенід галію n-типу практично не використовують із-за малого значення m.

Тензочутливість арсеніду галію p-типу пояснюється тими ж причинами, що германію і кремнію. Відповідно максимальне m спостерігається при деформації у напрямку [111]. Коефіцієнт m>0 має приблизно ту ж величину, що і у германію і кремнію.

Велику тензочутливість мають також деякі напівпровідникові сполуки , наприклад
n-GaSb (m[111]=-226), p-InSb (m[111]=212).
Одним із методів збільшення чутливості тензорезистору є зменшення концентрації домішки.
В напівпровіднику, провідність котрого близька до власної, електропровідність змінюється за рахунок зміни двох величин: u і Еg. Тому зміна електропровідності при деформації, а відповідно величина m, більше.

Але при цьому величина електричної провідності сильно залежить від температури, що приводить до залежності m від температури (рис. 1.8).


Рис. 1.8. Залежності тензочутливості тензорезисторів від температури


Збільшення тензочутливості домішкового напівпровідника можна досягнути компенсуванням його домішкою, яка утворює глибокі рівні у забороненій зоні. В області температур, які відповідають неповній іонізації домішок, електрична провідність напівпровідника залежить від Ен. В Ge і Si , легованих золотом, з ростом тиску величина Ен зменшується. Це по-різному відбувається на їх тензочутливості. Наприклад, в n-Ge n при зтисненні зменшується, що приводить до зменшення електропровідності. Таким чином, зменшуючи G за рахунок зменшення n частково компенсується з ростом G за рахунок зменшення Ен, т.ч. тензочутливість зменшується.

У кремнії n-типу навпаки, un росте при стисканні. Зменшення Ен призводить до додаткового росту електропровідності і тензочутливість росте. Але з ростом тензочутливості напівпровідника за рахунок введення глибоких рівнів також приводить до збільшення залежності опору і m від температури.