Физическая суть тензорезистивного эффекта

Тема № 4

«Физические эффекты, используемые для преобразования механических воздействий в немеханические величины»

Лекция №1

«Тензорезистивный эффект, его применения»

Физическая суть тензорезистивного эффекта

Конструкции тензорезисторов

Погрешности тензорезисторных датчиков и измерительных приборов на их основе

Физическая суть тензорезистивного эффекта

Явление тензоэффекта заключается в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации.

Тензорезистивный эффект связан с изменением межатомных расстояний при деформации, что влечёт за собой изменение структуры энергетических зон кристалла. Последнее обусловливает изменение концентрации носителей тока (электронов проводимости, дырок), их эффективной массы. Кроме того, деформация влияет на процессы рассеяния носителей (появление новых дефектов, изменение фононного спектра).

Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности k, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:

,

где - относительное изменение сопротивления проводника;

- относительное изменение длины проводника.

Для жидких металлов, практически не меняющих своего объёма в процессе деформации (ртути, электролитов) коэффициент тензочувствительности k=2. Это становится понятным, если вспомнить, что сопротивление проводника при постоянном объёме зависит от квадрата его длины:

; ,

откуда

,

где S – площадь поперечного сечения проводника;

V – объём проводника;

ρ – удельное сопротивление материала проводника.

При деформации твёрдых тел изменение их длины связано с изменением объёма, причём величина изменения объёма в зоне упругих деформаций для каждого материала постоянна и характеризуется коэффициентом Пуассона

,

где - относительная величина поперечной деформации;

b – поперечный размер проводника квадратного сечения (или радиус для круглого).

В этом случае и .

Учитывая, что , получаем: ,

а коэффициент тензочувствительности .

Коэффициент Пуассона μ для металлов имеет значения 0,24 – 0,4. Следовательно, значение коэффициента тензочувствительности k для большинства металлов не должен выходить за пределы 1,48 - 1,8. Однако значения k для различных материалов, определённые экспериментально, выходят за указанные пределы как в ту, так и в другую сторону. Это свидетельствует о том, что при деформации проводника, помимо изменения его геометрических размеров, изменяются и его свойства, в частности величина его удельного сопротивления ρ. Поэтому значение коэффициента тензочувствительности в общем случае должно быть выражено как

.

где - величина, характеризующая изменение сопротивления, связанное с изменением геометрических размеров (длина и сечение) проводника;

-изменение удельного сопротивления материала, связанное с изменением его физических свойств.

Для металлов значение m составляет небольшую долю от величины . Для полупроводниковых материалов, наоборот, , и для них без особой ошибки можно считать, что .

Поиск по сайту: