Cảm biến áp trở silic

Hình 14.3: Đầu đo chế tạo bằng các mẫu cắt Đầu đo khuếch tán: điện trở của đầu đo chế tạo bằng cách khuếch tán tạp chất vào một tấm đế đơn tinh thể silic pha tạp.. Hình 14.4: Đầu đo loại

Cảm biến áp trở silic

Bởi:

Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Đầu đo bán dẫn được làm bằng đơn tinh thể silic pha tạp Cấu tạo của chúng phụ thuộc các chế tạo

Đầu đo loại cắt: chế tạo bằng các mẩu cắt từ tấm đơn tinh thể silic pha tạp có sơ đồ cấu tạo như hình 14.3 Các mẫu cắt đơn tinh thể được lấy song song với đường chéo của tinh thể lập phương đối với silic loại P và song song với cạnh lập phương nếu là silic loại N Mẫu cắt có chiều dài từ 0,1 mm đến vài mm và chiều dày cỡ 10-2mm Các mẫu cắt được dán trên đế cách điện bằng nhựa

Hình 14.3: Đầu đo chế tạo bằng các mẫu cắt

Đầu đo khuếch tán: điện trở của đầu đo chế tạo bằng cách khuếch tán tạp chất vào một tấm đế đơn tinh thể silic pha tạp Sơ đồ cấu tạo của loại này trình bày trên hình 14.4

Hình 14.4: Đầu đo loại khuếch tán

Điện trở loại N nhận được bằng cách khuếch tán vào đế silic loại P một tạp chất thuộc nhóm V trong bảng tuần hoàn (như P, Sb), còn điện trở loại P khuếch tán tạp chất thuộc

nhóm III (như Ga, In) vào đế silic loại N Chuyển tiếp giữa đế và vùng khuếch tán tạo nên một điot và luôn được phân cực ngược (vùng P âm hơn vùng N) để cho điện trở của cảm biến cách biệt với đế silic

Biến thiên điện trở của đầu đo bán dẫn xác định bởi công thức tương tự đầu đo kim loại:

Đối với đầu đo bán dẫn, biến thiên điện trở suất do tác dụng của ứng lực có dạng:

Trong đó p là hệ số áp điện trở, s là ứng lực tác dụng

Vậy:

(14.8)

và hệ số đầu đo:

(14.9)

Thông thường K = 100 - 200

Các đặc trưng chủ yếu

Đối với đầu đo bán dẫn, độ pha tạp là yếu tố quyết định đến các đặc trưng của chúng

- Điện trở: ảnh hưởng của độ pha tạp: khi tăng độ pha tạp, mật độ hạt dẫn trong vật liệu

tăng lênvà điện trở suất của nó giảm xuống Biểu thức chung của điện trở suất có dạng:

q - giá trị tuyệt đối của điện tích điện trở hoặc lỗ trống

n, p - mật độ điện tử và lỗ trống tự do

μn, μp - độ linh động của điện tử và lỗ trống.

Hình 14.5: Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nồng độ pha tạp và nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt độ: khi nhiệt độ nhỏ hơn 120oC hệ số nhiệt điện trở có giá trị dương và giảm dần khi độ pha tạp tăng lên Ở nhiệt độ cao hệ số nhiệt điện trở có giá trị

âm và không phụ thuộc vào độ pha tạp

- Hệ số đầu đo K:

Ảnh hưởng của độ pha tạp: Hệ số đầu đo phụ thuộc vào độ pha tạp, khi độ pha tạp tăng

lên, hệ số đầu đo giảm (hình 14.6)

Hình 14.6: Sự phụ thuộc của K vào độ pha tạp

Ảnh hưởng của độ biến dạng: Hệ số đầu đo phụ thuộc vào độ biến dạng, quan hệ có

dạng:

Tuy nhiên với độ biến dạng dưới một giá trị cực đại nào đó có thể coi K không đổi ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng hệ số đầu đo giảm, tuy nhiên khi độ pha tạp lớn (cỡ Nd= 1020cm-3) hệ số đầu đo ít phụ thuộc nhiệt độ

Đầu đo trong chế độ động

Khi đo biến dạng trong chế độ động, đầu đo phải thoả mãn một số yêu cầu nhất định như tần số sử dụng tối đa, giới hạn mỏi

Tần số sử dụng tối đa

Tần số của đầu đo không phụ thuộc vào vật liệu chế tạo, silic có thể truyền không suy giảm các dao động với tần số lớn hơn 106 Hz Tuy nhiên tần số làm việc lại phụ thuộc vào phương pháp gắn đầu đo và kích thước của nó

Để cho các biến dạng đo được gần như đồng bộ trong phạm vi của đầu đo, chiều dài l của các nhánh phải nhỏ hơn nhiều lần bước sóng ? của dao động cơ học

Quan hệ giữa kích thước l và chiều dài bước sóng phải thoả mãn điều kiện:

Chiều dài bước sóng λ của dao động cơ học được xác định bởi công thức:

(14.10)

Trong đó v là vận tốc truyền sóng và f là tần số dao động

Y - là môđun Young

ν - hệ số poisson

d - trọng lượng riêng vật liệu chế tạo dây

Vậy tần số cực đại fmax của dao động khi chiều dài nhánh của đầu đo là l bằng:

Giới hạn mỏi

Biến dạng nhiều lần làm tăng điện trở đầu đo do hiệu ứng mỏi, hiệu ứng này càng lớn khi biên độ biến dạng càng lớn

Giới hạn mỏi được xác định bởi số chu kỳ biến dạng N với biên độ cho trước gây nên biến thiên điện trở bằng 10-4 ứng với chu kỳ biến dạng giả định Đối với biên độ biến dạng cỡ ±2.10-3 giới hạn mỏi nằm trong khoảng từ 104(constantan) đến 108(isoelastic) chu kỳ