Полупроводниковый пьезорезистивный преобразователь силы

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИЛЫ, . содержащий расположенные в корпусе полупроводниковую структуру, индентор и прижимное устройство, состр ящее из двух плоских пружин с расположенным между ними шаром, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения точности за счет устранения перекосов между индентором.и полупроводниковой структурой, центр шара совмещен с осью индентора с помощью Сс1моцентрирующего упора, жестко связанного с корпусом. i эо х :п

СОЮЗ GOBETCHHX

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (П) з(5)) 6 01 Ь 1 18 ъ

„r "():;

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABT0PGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3251193/18-10 (22) 25.02 ° 81 (46) 15.09.83. Бюл. 9 34 (.72) В.С.уриханян

:(53) 531.781(088.8) (56) 1. Патент Великобритании

М 1051550, кл. H 1 К, 1966.

Ф 2. Авторское свидетельство АЗССР

9 920407, кл. 6 01. Ь 1/18, 1979

:(прототип). (54 ) (57 ) полупроводниковый пьезоРЕЗИСТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИЛЫ, содержащий расположенные в корпусе полупроводниковую структуру, индентор и прижимное устройство, состоящее из двух плоских пружин с расположенным между ними шаром, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности за счет устранения перекосов между индентором и полупроводниковой структурой, центр шара совмещен с осью индентора с помощью самоцентрирующего упора, жестко свнзанного с корпусом.

1041885

При ввинчивании регулировочного винта 11 его головка, изгибает сво бодный конец пружины 6 и создает усилие, пропорциональное перемещению, от этого усилия в зоне соприкосно-, вения пружины 6 с шаром 7 возникают сила и изгибающий момент., Равнодействующая этой силы направлена в центр шара 7. Действующая на шар 7 сила уравновешивается опорнымк реакциями, возникающими от пружины Б и выступа

9, которые направлены к центру шара 7. Действие шара 7 на пружину

5 направлено перпендикулярно к.Изобретение относится к технике электрического измерения неэлектрических величин, в частности к устройствам для преобразования силы з электрический сигнал.

Известен полупроводниковый пьезоэлектрический преобразователь силы, индентор котороге жестко соединен с мембраной преобразователя и плоской пружиной, на свободный конец кото-: рой через упругую связку опирается 10 регулировочный винт 51) .

Недостатком этого устройства является возникновение изгибающего момента в зоне закрепления индентора с плоской пружиной при создании пер- 15 воначального нерабочего усилия.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является полупроводниковый пьезореэистивный преобразователь силы,.содержащий расположенные в корпусе полупроводниковую структуру, индентор и прижим- ное устройство, состоящее -из двухплоских пружин с расположенным между ними шаром . P) .

Недостатком такого .устройства является возникновение дополнительным перекосов в контакте между кончиком индентора и полупроводниковой пьезорезистивной структурой при создании первоначального нерабочего- усилия.

Целью изобретения является повышение точности эа счет устранения перекосов между индентором и полупроводниковой структурой.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе силы, содержащем расположенные .в корпусе .. полупроводниковую структуру, индентор и прижимное устройство, состоящее иэ . двух . плоских пружин с 40 расположенным между ними шаром, центр шара совмещен с осью индентора с помощью самоцентрирующего упора, жестко связанного с корпусом

На фиг. 1 представлена конструк- 45 ция преобразователя, на.фиг. 2 - электрическая схема соединения преоб разователя, на фиг. 3 - .семейства вольт-амперных характеристик) на фиг. 4 — нагруэочная характеристика преобразователя, на фиг. 5 - сечение

A-A на фиг. 1.

1 -г

Йолупроводниковый пьезорестивный преобразователь силы состоит из корпуса 1, на котором через изоли-,,55 рующую втулку..2 закреплен индентор 3„I . изготовленный иэ металлокерамического твердого сплава, содержащего 90%. карбида вольфрама и 10Ъ кобальта (марки BK10) с радиусом загругления 60 сферического кончика 30 мкм. Сфери-, ческим. кончиком индентор 3 соприка-: сается с полупроводниковой пьезорезистивной структурой 4,.изготовленной в виде пластинки as монокрис- g5 таллического германия ориентации (EII ,с электронной проводимостью, легированного сурьмой с удельным элект рическим;:сопротивлением 3.10 Ом.м (марки ГЭС-3). Индентор 3 и полупроводниковая, пьезорезистивная структура 4 образуют пьезодиод. Полупроводниковая пьезорезистивная структура 4 закреплена на плоской пружине

Б, крторая перпендикулярна к оси индентора 3. На корпусе 1 одним кон,цом, закреплена также плоская пружина 6 параллельно пружине 5. Между плоскими пружинами 5 и. 6 свободно установлен шар 7. Зазор между пружинами 5 и 6 устанавливается прокладкой 8, высота которой равна диаметру шара 7..Прокладка 8 имеет выступ 9, который своим цилиндрическим тор|цом 10 .(фиг. 5) соприкасается с шаром 7. Длина выступа 9 выбирается так, чтобы центр шара 7 совмещался с осью индентора 3. На корпусе 1 установлен регулировочный винт 11, головка которого соприкасается со свободныч концом пружины б. Плос.

- кие пружины 5 и 6 с шаром 7 и винтом 11 составляют прижимное устройство преобразователя, предназначенное для создания йервоначального .нерабочего усилия в контакте индентор-полупроводниковая.пьезорезистивная структура. С помощью выводов 12 и 13 преобразователь соединяется с внешней электрической схемой., При использовании других видов полупроводниковых пьезорезистивных структур количество и места соединения выводов отличаются. При этом йреобразозатель соединяется с соот ветствующей электрической схемой.

Преобразователь соединен по схеме неуравновешенного моста, одним из плеч которого является пьезодиод.

Мост .состоит из одинаковых постоянных сопротивлений 14 и 15 и переменного сопротивления 16. Мост питается от источника постоянного тока 17. Отрицательный потенциал подключен к инден-. тору 3. Выводы 18 и 19 рабочей диагойали моста соединены с измери-., тельным или регистрирующим прибором 20 . соответствуют кривые 23 .и 24. При изменении усилия больше указанного пьезочувствительность падает, нелинейные искажения резко возрастают

При значении усилия 0,2 Н (на фиг. 3 кривая 25)исчезает пьезочувствительность, а при значении усилия 0,.19Н (на фиг. 3 кривая 26) пьезочувствйтельность резко падает. При этом исчезает также участок 21 с ОДС на

ВАХ. Дифференциальное сопротивление на участках насыщения тока составляет не менее 200 кОм в интервале обратного смещения от 10В до ЗОВ.

После создания необходимого первоначального нерабочего усилия F в контакте пьезодиода с помощью переменного сопротивления 16 баллансируется мост, т.е ° срезается постоянная составляющая выхбдного сигнала, возникающего от первоначального нерабочего усилия F . При наличии рабочего усилия Р происходит разбаланс моста,.и прибор 20 показывает или регистрирует выходной сигнал моста в Ьиде тока или напряжения, пропорционального рабочему усилию F ..

Чтобы обеспечить линейное преобразование рабочего усилия Р величины питающего моста и сопротивлений

14 и 15.подбирают,так, чтобы нагрузочная кривая Z7 пересекла вольтамперные характеристйки 24 и 23 на участках насыщения тока. При постоянном рабочем усилии F на выходе моста появляется пропорциональный усилию электрический сигнал постоянной величины, а при переменном усилии появляется переменный сигнал.

Использование полупроводникового пьезорезистивного преобразователя силы в измерительной технике по сравнению с прототипом исключает технологический брак при настройке преобразователя, упрощая при этом настройку и сокращая ее время.

Выполнение полупроводникового пьезорезистивного преобразователя силы в виде самостоятельного элемента, не зависящего от.конкретной конструкции датчика,:позволяет унифицировать детали и узлы датчиков измерения различных физических величин. Все это приводит к снижению себестоимости как полупроводникового пьезоразистивного преобразователя, так и датчиков .и.устройств, постро-. енных на его основе . :V.p

- . -.Px81. Я

3 104188 плоскости пружины 5 и совпадает с. осью индентора (центр шара и ось индентора совмещены). Шар 7, составляя шарнирное соединение с пружиной 6 (установлен свободно ез заделки), не воспринимает изгибающий момент, возникающий в зоне соприкоснования:у пружины 6 с шаром 7. Таким образом., на контакт индентор-полупроводни-. ковая пьезорезистивная структура, а". определенным коэффициентом передачи, 10 . зависящим от размеров пружины и расположения опор, всегда передается .только усилие (без изгибающих момен" тов), переходящее через ось инден-. тора 3. Таким образом устраняется возможность перемещения или переко-,. сов между индентором.и полупровод-. никовой пьезорезистивной структурой при создании первоначального нерабочего усилия. Рабочее усилие Р перЕдается на преобразователь в зоне ,соприкосновения шара 7 с пружиной 6.

Рабочее усилие, например, в микро фоне, создается с помощью мембраны, которая со своим центром соединена с преобразователем силы в точке приложения усилия.

Преобразователь работает следующим образом.

При ввинчивании винта 11 в кон.такте пьезодиода создается перво...начальное нерабочее усилие (на фиг. 1 и 2 показано стрелкой, обозначенной буквой F ). При этом на вольт-амперных характеристиках-.

- (BAR) пьезодиода (фиг. 3) при обрат- 35 ном смещении напряжения от приложенного усилия появляются участки 21 с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОСД) Й -типа и участки с насыщением тока (горизонтальные 4() участки на BAX). Наличие участков. с

ОДС сопровождается повышением пьезо.чувствительности участков насыщечия тока (до 100 мй/Н). С помощью регу- .. лировочного винта 11 в контакге .. 45 создается усилие величиной 0„272Н.

На семействе BAX этому значению усилия. соответствует кривая 22, а на сило-токовой. характеристике (CTX) точка, обозначенная кружком. В этой точке график СТХ имеет перегиб, по обеим сторонам которого до величины усилия 2.10 Н (крестики на фиг.:(4.) зависимость тока от.усилия HHå6ààà с нелийеййыми искажениями до

«+1%. На BAR этим, значениям силы 55

4Х с

Ъ

47иЕ г

-0 . Lg8 РД5

vms, 4Ъ» Ф

Составитель A. Северин

Редактор С. Тимохина ТехредМ.Гергель Корректор В. Бутяга. .Заказ 7116/42 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государствейного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4