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 hồn (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.
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.
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 khơng 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.
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 khơng phụ thuộc vào vật liệu chế tạo, silic có thể truyền khơng 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 cơng 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: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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.