Хистерезисни явления в ТП на базата на SOS
Савченко Е.Г., Стучебников В.М., Устинов А.А. Савченко Е.Г., Стучебников В.М., Устинов А.А.
ХИСТЕРЕЗИС В ТРАНЗЮКТОРИ ЗА НАЛЯГАНЕ НА БАЗА НА СТРУКТУРИТЕ СИЛИЦИЙ ВЪРХУ САПФИР
Анотация. Разглеждат се някои хистерезисни явления в преобразуватели на налягане, базирани на структури силиций върху сапфир, и се обсъждат методи за тяхното намаляване. Направено е сравнение на хистерезисните ефекти на налягането и температурата в стандартни преобразуватели на налягане и устройства, в които чувствителният елемент е свързан към титаниева мембрана с помощта на аморфен титанов припой. Демонстрирани са предимствата на тази технология. Анотация. Разгледани са някои хистерезисни явления в преобразуватели на налягане на базата на структури "силиций върху сапфир" и са обсъдени методите за тяхното намаляване. Извършено е сравнение на хистерезисните ефекти от налягане и температура в стандартни преобразуватели за налягане и устройства, в които чувствителният елемент е свързан с титаниева мембрана чрез аморфна спойка на основата на титан. Показани са ползите от тази технология.
Ключови думи: тензометър, структура силиций върху сапфир, хистерезис на първо натоварване, хистерезис на налягане, температурен хистерезис, аморфна спойка, рентгенофлуоресцентен анализ, микротвърдост. Ключови думи: преобразувател на налягане, структура "Silicon-on-Sapphire" (SOS), аморфна спойка, хистерезис на налягането, хистерезис на температурата, рентгенофлуоресцентен анализ, микротвърдост.
С развитието на устройствата за обработка на сигнали, особено в цифрова форма, редица грешки, присъщи на полупроводниковите тензодатчици (ТР) на налягането, като нелинейност, силна и нелинейна температурна зависимост на началнатаизходен сигнал и чувствителност, подлежат на схемна корекция и не са определящи за точността на сензорите за налягане с полупроводников TC. Съществуват обаче редица компоненти на грешка, които по принцип не могат да бъдат коригирани чрез хардуерни и софтуерни методи. Такива компоненти включват нестабилността на параметрите на TP във времето, както и различни хистерезисни явления под въздействието на налягане и температура, присъщи на TP. В тази статия се разглеждат някои явления на хистерезис, като се използва примерът на TF, широко използван в нашата страна, базиран на хетероепитаксиални структури силиций върху сапфир (SOS) [1], и се обсъждат някои методи за тяхното намаляване. в българския стандарт за датчици за налягане с електрически изходен сигнал [2] е нормирана само една от грешките, свързани с хистерезисните явления - вариацията (разликата в показанията при една и съща стойност на измереното налягане, получена при увеличаване - прав ход - и при намаляване на налягането - обратен ход). В чуждестранната литература този параметър се нарича хистерезис. Както ще се види от следното, препоръчително е да се изолира вариацията при първоначалната (нулева) стойност на измереното налягане: първо, първоначалният изходен сигнал на TP не може да бъде получен с увеличаване на налягането, и второ, тази стойност има редица характеристики. Следователно в бъдеще разликата в първоначалния изходен сигнал на TP между предния и обратния ход ще се нарича хистерезис на натоварване (HL). Не нормализира стандартния и температурен хистерезис, т.е. разликата в показанията на TP при определена температура, получена при нагряване и охлаждане. От особен интерес е така нареченият хистерезис на първото натоварване (GPN), т.е. разликата в първоначалните TP сигнали по време на първия цикъл на натоварване [3]. GOST предписва след инсталирането на сензоранатиснете устройството с максимално измерено налягане в устройството за подаване на налягане, преди да премахнете характеристиката на натоварването; в резултат на това GPN се изключва от TP параметрите. В същото време, при действителното използване на сензори за налягане, те трябва да работят незабавно при първото подаване на налягане, така че ако GPN има забележима стойност, тогава той има неотчетен принос към грешката на измерване. За изследване е използван дизайн с една мембрана [1] за налягане от 4 MPa с мембрани, изработени от различни титанови сплави (VT9, VT14, VT22). Запояването на чувствителни елементи се извършва по обичайната технология със сребросъдържащ припой PSr72, както и аморфен припой на базата на титан STEMET ® [4, 5]. Опитът показва, че хистерезисът на първото натоварване обикновено е по-голям от хистерезиса на следващите натоварвания, които практически не се променят с времето, ако температурата на сензора остава постоянна (фиг.1а). Липсата на значителен хистерезис на второто и следващите натоварвания при фиксирана температура вероятно се дължи на микровтвърдяване, което възниква по време на натоварване.
Ориз. Фиг. 1. Хистерезис на шест натоварвания на TP с номинално налягане при 80 o C след връщане от различни температури.
Стойността на FST зависи от температурата, а за термодвойките, произведени по стандартната технология (чрез запояване на чувствителния елемент към мембраната от титанова сплав с припой PSR72), стойността на FST при отрицателна температура може да бъде значителна (фиг. 2а). В същото време, в температурния диапазон от -40 ... + 800С, стойността на GPN слабо зависи от марката титанова сплав (фиг. 2).
Ориз. Фиг. 2. Хистерезис на първото и второто натоварване на налягането на ТП при различни температури.
FST възниква, когато температурата на HP се промени и колкото по-голяма е промяната в температурата, толкова по-голяма е стойността на FST (фиг. 2,3). Поява на HPN следтемпературните промени могат да се обяснят с термично омекване с промяна на температурата.
Ориз. Фиг. 3. Хистерезис на последователни натоварвания на TC при 40 o C след връщане от различни температури (за HPN след връщане от висока температура, скалата е вдясно).
Хистерезисът на първото натоварване може да бъде значително намален, ако се използва аморфен припой STEMET [5] за свързване на левкосапфир с титаниева сплав (фиг. 1b, фиг. 2b, фиг. 3b). Особено поразително понижение на FST се наблюдава при отрицателна температура (фиг. 2b), както и след връщане от висока температура (фиг. 3b). В същото време големината на вариацията също намалява (фиг. 4).
Ориз. 4. Вариране на TP при различни температури.
Както може да се види от фиг. 4а, вариацията за устройства с припой PSr72 при отрицателна температура също е значително по-голяма, отколкото за TC с припой STEMET. Този факт показва, че физическата природа на изменението, хистерезиса и хистерезиса на първото натоварване е подобна и най-вероятно е свързана с явленията на вискоеластичност и пълзене [6]. Получените данни показват, че стойността на хистерезиса на първото натоварване в TC на базата на SOS с титаниева мембрана в областта на умерените температури е свързана със свойствата на свързващия слой метал-сапфир. Наистина, при запояване с припой PSR72, свързващият слой се оказва рязко нехомогенен: среброто се натрупва близо до границата със сапфира, а медта се концентрира близо до титановата мембрана; съответно микротвърдостта се изменя по дебелината на свързващия слой (фиг. 5 [7]). В областта, където преобладава среброто, микротвърдостта е минимална; вероятно тази част от свързващия слой е отговорна за появата на FPN.
Ориз. Фиг. 5. Разпределение на елементи (а) и микротвърдост (б) в припоения слой.[7]
Напротив, в получения свързващ слойпри запояване с припой STEMET разпределението както на елементите, изграждащи сплавта, така и на микротвърдостта е равномерно, като стойността на микротвърдостта се оказва по-голяма от микротвърдостта на титановата сплав (фиг. 6). Такава повишена якост на свързващия слой предотвратява появата на явления на пълзене в него при механично натоварване.
Ориз. Фиг. 6. Разпределение на елементи (а) и микротвърдост (б) в свързващия слой при запояване със сплавта STEMET.
Ако измерим стойността на началния изходен сигнал при определена температура, се оказва, че стойността на изходния сигнал зависи от това дали достигаме тази температура чрез нагряване или охлаждане (фиг. 7), т.е. по време на температурни цикли стойността на първоначалния изходен сигнал е двусмислена. В резултат на това има температурен хистерезис (TH) [3], който може да се прояви и в невръщане на първоначалния изходен сигнал след нагряване (или охлаждане).
Ориз. Фиг. 7. Температурен хистерезис на налягането TC с мембрани, изработени от различни титанови сплави с различни спойки при 40 ° C, когато температурата се променя в диапазона от -40 ... + 80 ° C.
Както се вижда от фиг. 7, температурният хистерезис за устройства с припой PSr72 е по-голям и има отрицателен знак (т.е. сигналът след -40 o C е по-голям от сигнала след +80 o C), което е свързано с голям GPN на устройства с PSr 72 при ниски температури. Стойността на TG на първоначалния изходен сигнал за TC, произведени по стандартна технология, зависи от класа на сплавта; въпреки че е сравнително малък ( STEMET значително намалява стойността на TG. По този начин използването на аморфна спойка STEMET за свързване на чувствителен елемент с титаниева мембрана прави възможно производството на преобразуватели на налягане, базирани на SOS структури с хистерезисни явления, свързани с натоварването (вариация и GPN) до стойност по-малка от 0,01% ис температурен хистерезис не повече от 0,02%. По-нататъшното намаляване на TH изисква преход към нови материали за мембраната, приемаща налягане; По този начин използването на керамика като мембранен материал намалява TG до стойност под 0,01% [7].
1. Стучебников В.М. SPS структури като материал за тензодатчици на механични величини.: Радиотехника и електроника, 2005, т.50, № 6-стр.678-696.
2. ГОСТ 22520-85. Сензори за налягане, разреждане и диференциално налягане с електрически изходни сигнали GSP. Общи спецификации.
3. Стучебников В.М., Устинов А.А. За устойчивостта на преобразуватели за налягане на базата на SPS структури: XV Международна научно-практическа конференция „Енерго- и ресурсоспестяване. Диагностика - 2013 г.". Димитровград, 2013 - с. 119-122
4. http://stemet.ru/rd.htm STEMET ® е регистрирана търговска марка на MIFI-AMETO
5. Савченко Е.Г., Стучебников В.М. Запояване на чувствителни елементи в преобразуватели за налягане на базата на структури "силиций върху сапфир".: Заваръчно производство, 2013, № 1-с. 23-25.
6. Золотаревски V.S. Механични свойства на металите: Учебник за ВУЗ. 3-то изд. М.: МИСИ, 1998. 400 с.
7. Савченко Е.Г., Светухин В.В., Стучебников В.М., Устинов А.А. Керамични еластични елементи в тензодатчици на базата на SPS структури.: Сензори и системи, 2014, № 10-с.58-62.