Багатофункційний датчик

Реферат: Багатофункційний датчик містить терморезистор на основі ниткоподібного кристала з кристалографічною орієнтацією [111], згідно з корисною моделлю, додатково містить два тензорезистори з германію n-типу і р-типу провідності, закріплені на підкладці з немагнітного матеріалу паралельно один одному та перпендикулярно до терморезистора з кремнію р-типу провідності. UA 106175 U (54) БАГАТОФУНКЦІЙНИЙ ДАТЧИК UA 106175 U UA 106175 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, а саме до приладів, які можуть одночасно вимірювати деформацію, температуру та магнітне поле, і може використовуватись у термометрії, приладобудуванні, нафтовидобувній промисловості, кріоелектроніці, кріоелектротехніці, ракетній техніці, а також інших галузях народного господарства, де необхідне вимірювання низьких температур в кріоелектроніці, кріоелектротехніці, ракетній техніці, а також та інших галузях народного господарства, де необхідне вимірювання низьких температур. Відомі багатофункційні датчики, які можуть одночасно вимірювати декілька фізичних параметрів, наприклад тиску, вологості й температури або зусилля та температури. Ниткоподібні кристали (НК) кремнію виступають як чутливі елементи цих сенсорів, а це дозволяє спростити їх конструкцію [Алейников А.Ф., Цапенко М.П. Многофункциональные датчики // Н.-т. сб. Измерения, контроль, автоматизация. - 1990. -Вып. 2(74). - С. 50-57]. Однак представлені датчики неможливо використовувати для вимірювання одночасно таких параметрів як деформація, температура та магнітне поле. Найбільш близьким за технічною суттю до заявленого пристрою є багатофункційний датчик для вимірювання деформації, магнітного поля і температури, як вимірювальний елемент якого використовують терморезистор на основі ниткоподібного кристала [Р.І. Байцар, С.С. Варшава, А.В. Прохорович, Є.Ф. Венгер. Багатофункційний датчик. Патент України № 28394 від 16.10.2000 за заявкою 96124638 від 12.12.1996. Бюл. № 5 від 2000]. Однак, даний багатофункційний датчик за рахунок своєї конструкції, виконаної на одному НК, недоліком якого є те, що вимірювані параметри деформація, магнітне поле і температура будуть істотно впливати один на одного, що призводить до погіршення точності вимірювання цих параметрів. Дана конструкція багатофункційного датчика не дозволяє забезпечити температурну компенсацію тензочутливості та температурної залежності чутливості до магнітного поля. Крім того, багатофункційний датчик має малий діапазон вимірювання магнітних полів в межах 0-0,5 Тл і невисоку чутливість до магнітного поля, а також працездатний в інтервалі кліматичних температур 233-333 К, що не дозволяє його використання в кріоелектроніці та ракетній техніці, де температури істотно нижчі. В основу корисної моделі поставлено задачу створити багатофункційний датчик, в якому за рахунок використання трьох чутливих елементів і підбору їх матеріалів підвищується чутливість і точність вимірюваних параметрів деформації, магнітного поля і температури, а також розширюються діапазони їх вимірювання. Поставлена задача вирішується тим, що багатофункційний датчик, який містить терморезистор на основі ниткоподібного кристала з кристалографічною орієнтацією [111], згідно з корисною моделлю, додатково містить два тензорезистори з германію n-типу і р-типу провідності, закріплені на підкладці з немагнітного матеріалу, паралельно один одному та перпендикулярно до терморезистора з кремнію р-типу провідності. Введення додаткових елементів приводить до підвищення чутливості при вимірюванні індукції магнітного поля та розшрення робочого діапазону до 14 Тл. Використання тензорезисторів, коефіцієнт тензочутливості яких за температури 4,2 К досягає 1000-1400, -5 дозволяє суттєво підвищити чутливість багатофункційного датчика у діапазоні деформацій 10 -3 10 відн.од. та температур 4,2-300 К. Для вимірювання температури та забезпечення компенсації температурних похибок (тензочутливості та чутливості до магнітного поля) в заданому інтервалі температур, використовують терморезистор з кремнію р-типу провідності. На Фіг. 1 схематично зображено багатофункційний датчик, де 1, 2-тензорезистори та 3 терморезистор, які закріплені на підкладці - 4. На Фіг. 2 наведено залежність відносної зміни опору від магнітного поля для тензорезисторів 17 -3 на основі НК германію з концентрацією 5×10 см , за температур: І - 4,2 К; II-6 К; III-14 К, IV-24 К; V-42 К, VI – 70 К. На Фіг. 3 наведено залежність відносної зміни опору від деформації для тензорезисторів на 17 -3 основі НК германію з концентрації 5×10 см , за температур: І - 4,2 К; II-6 К; III-14 К, IV-24 К; V42 К, VI – 70 К. 18 -3 На Фіг. 4 наведено температурну залежність опору НК кремнію з концентрацією 5×10 см в інтервалі температур 4,2-300 К. Багатофункційний датчик (Фіг. 1) складається з тензорезисторів 1, 2 для вимірювання деформації і магнітного поля та терморезистора 3 для вимірювання температури і температурної компенсації тензочутливості та температурної залежності чутливості до магнітного поля, які закріплені на підкладці з немагнітного матеріалу 4. Тензорезистори 1 та 2 виконано на основі НК германію n-типу і р-типу провідності відповідно, леговані до концентрації 17 -3 5×10 см сурмою та галієм відповідно, що зазнають деформації стиску або розтягу, а 1 UA 106175 U 5 10 15 20 терморезистор 3 виконано на основі НК кремнію р-типу провідності, легований бором до 18 -3 концентрації 5×10 см . Тензорезистори 1, 2 мають істотну зміну опору від магнітного поля (Фіг. 2) та деформації (Фіг. 3) в інтервалі температур 4,2-70 К. Терморезистор 3 має практично лінійну температурну залежність опору в інтервалі 4,2-300 К (Фіг. 4). Багатофункційний датчик працює так. Тензорезистори 1, 2 та терморезистор 3 закріплені на підкладці 4 таким чином, що тензорезистори 1, 2 відчувають деформацію стиску або розтягу і розміщенні паралельно один одному. Терморезистор 3, який не відчуває деформацію, закріплений у безпосередній близькості до тензорезисторів 1, 2 та розміщений перпендикулярно до них. Під впливом деформації сигнали з тензорезисторів 1, 2 є однаковими за значенням та різними за знаком, а під дією магнітного поля мають сигнали одного знака. Це дозволяє розділити сигнали при вимірюванні деформації та магнітного поля. Використання терморезистора 3 на основі НК кремнію р-типу провідності, забезпечує можливість точної кількісної оцінки температури та її впливу на залежності тензочутливості та температурної чутливості до магнітного поля. Використання тензорезисторів 1, 2 на основі НК германію n-типу і р-типу провідності, 17 -3 легованих сурмою та галієм відповідно, до концентрації 5×10 см , для вимірювання деформації і магнітного поля і терморезистора 3 на основі НК кремнію р-типу, легованого бором 18 -3 до концентрації 5×10 см для вимірювання температури та забезпечення компенсації температурних похибок, закріплених на підкладці з немагнітного матеріалу 4, дозволило підвищити чутливість і точність вимірюваних параметрів, а також розширити діапазони вимірювання деформації, магнітного поля і температури. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 Багатофункційний датчик, який містить терморезистор на основі ниткоподібного кристала з кристалографічною орієнтацією [111], який відрізняється тим, що додатково містить два тензорезистори з германію n-типу і р-типу провідності, закріплені на підкладці з немагнітного матеріалу паралельно один одному та перпендикулярно до терморезистора з кремнію р-типу провідності. 2 UA 106175 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3