Зернистые пьезорезисторы

Основные свойства. Классическим представителем зернистых ПР (без связующего) является угольно-зернистый микрофон. Однако применение этйх датчиков для измерительных целей затруднено из-за плохой воспроизводимости нагрузочной характеристики вследствие хрупкости угольных зерен.

Между тем существует много неугольных ЭП химических соединений, например оксидов, сульфидов, карбидов и др., пригодных для построения ПР с приемлемыми метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Зернистые ПР (рис. 4.4) включают в себя две металлические обкладки 1, между которыми расположен упругий противодействующий элемент 2 в виде кольца, ЧЭ 3 из зернистого ЭП материала, оболочку 4 и выводные провода 5. Применение упругого элемента позволяет не только расширить предел измерений по входному воздействию, но также образовать замкнутую полость для зернистого материала и герметизировать ПР путем приклеивания к упругому элементу обкладок. Настройку ПР производят подбором толщины ЧЭ.

Лучшую повторяемость нагрузочной характеристики имеют ПР из более крупной фракции зерен (0,1—0,4 мм). Мелкая фракция (менее .0,1 мм) при сжатии легко уплотняется и хуже восстанавливает свое первоначальное состояние после снятия нагрузки.

Среди зернистых ЭП материалов для построения ПР особый интерес представляет природный минерал магнетит (магнитный железняк, окись-закись железа). Он отличается относительно большой твердостью, незначительной хрупкостью, высоким удельным сопротивлением и химической инертностью (нерастворимостью в кислотах и щелочах). Кроме того, магнетитовые ПР обладают особым свойством — эффектом опекания зерен при прохождении тока определенной величины с образованием каналов повышенной проводимости. Процесс этот связан с электрическим разрядом между зернами и зависит от усилия сжатия, толщины ЧЭ и приложенного напряжения к ПР. При этом минимальное напряжение, при котором еще не возникает разряда, составляет примерно 2 В/мм.

Из таблицы следует, что ассортимент ЭП зернистых материалов обеспечивает построение ПР с разными начальными сопротивлениями и пределами измерений. Пример нагрузочной характеристики магнетитового ПР показан на рис. 4.5. От характеристики ПР из ЭПБ она отличается меньшей крутизной в начальной области и большей в конечной.

Таблица 4.1 Материал Риом, Д0.     Н кОм кОм Углеграфит 0,2 2 0,01 Магнетит 50 1000 10 Двуокись марган       ца 100 100 4 Пятиокись вана       дия 100 70 2 Окись меди 2000 1000 8 Окись олова 3000 1500 10 Карбонильное желе       зо 3000 160 3 Двуокись титана 1250 15-103 з-ю3 Закись меди 1250 250-Ю3 12-Ю3 Окись кальция 10 000 1500-Ю3 250-Ю3 Окись бериллия 1250 100-Ю3 10-Ю3 Окись алюминия 2500 170-Ю3 7-Ю3 Окись никеля 5000 1500-Ю3 50-Ю3 Окись бария 1250 120-Ю3 2-Ю3

 

Известные ПР из сульфидов, например сульфида свинца, сульфида молибдена, выполняют из порошков путем их прессования. Механизм изменения сопротивления у этих поликристаллических материалов, по утверждению авторов, связан с уменьшением потенциального барьера на границе между зернами вещества под действием давления. У сульфида молибдена, например, при Рном=1,8 МПа Д#/#0=0,46%. Такое относительно малое для ПР изменение сопротивления связано с тем, что эти ПР выполняют из прессованных зерен, у которых основное изменение сопротивления происходит в процессе прессования.

Например, для увеличения стабильности ПР из сульфида свинца в него вводят окись натрия в количестве 0,05—0,015%, а для уменьшения гистерезиса ПР из графитового порошка в него добавляют тальк и резиновую крошку.