استرین گیج های نیمه هادی:

به غیر از کرنش سنج فلزی، انواع دیگری از کرنش سنج های مقاومتی نیز وجود دارد. کرنش سنج های نیمه هادی به این گروه تعلق دارند و دامنه کاربرد استرین گیج ها را در فناوری و صنعت گسترش می دهند. اصل اندازه گیری بر اساس اثر مقاومتی پیزو رسانای نیمه هادی است که توسط سی اس اسمیت در سال 1954 کشف شد. در ابتدا از ژرمانیوم برای ساخت این گیج ها استفاده می شد که بعدا سیلیکون جایگزین آن شد. در ساختار، استرین گیج های نیمه هادی اساسا مشابه گیج های فلزی هستند. عنصر اندازه گیری شامل نواری به عرض چند دهم میلی متر و ضخامت چند صدم میلی متر است که روی یک فویل حامل عایق ثابت شده و با پایه های اتصال ارائه می شود. با استفاده از یک سیم نازک طلایی به عنوان اتصال بین عنصر نیمه هادی و نوارهای اتصال از اثرات دیود جلوگیری می شود.

فاکتور گیج برای کرنش سنج های نیمه هادی معمولی موجود، یعنی نسبت بین کرنش اندازه گیری شده و سیگنال داده شده توسط استرین گیج، حدود پنجاه تا شصت برابر کرنش سنج های فلزی است. بنابراین، آنها عمدتا در ساخت مبدل ها برای اندازه‌گیری مقادیر فیزیکی استفاده می‌شوند. کرنش سنج های نیمه هادی به طور گسترده ای در تحلیل تنش تجربی استفاده نمی شوند و دلایل مختلفی برای این امر وجود دارد:

• ویژگی های غیر خطی استرین گیج نیمه هادی که برای اندازه گیری های دقت بالا نیاز به تصحیح دارد.
• استرین گیج های نیمه هادی به طور قابل ملاحظه ای گران تر از انواع فلزی هستند.
• حتی زمانی که حساسیت بیشتر در نظر گرفته شود، اثرات نامطلوب وابسته به دما با استرین گیج های نیمه هادی شدیدتر از فلزی است و جبران این اثرات دشوارتر است.
• به دلیل ماهیت شکننده بودن نیمه هادی، حمل و نقل آن دشوارتر است.

از سوی دیگر حساسیت بالا دلیلی برای استفاده از کرنش سنج های نیمه هادی برای اندازه گیری کرنش های بسیار کوچک است. سیگنال بزرگ داده شده توسط این نوع کرنش سنج در حضور میدان های تداخلی قوی از مزیت خاصی برخوردار است. علاوه بر استرین گیج های معمول، انواع دیگری از آنها مانند گیج های خازنی، پیزوالکتریک، فوتوالاستیک و گیج های مکانیکی وجود دارند که در اینجا ما راجع به آنها صحبت نخواهیم کرد.

اصول کار استرین گیج ها:

در اندازه گیری کرنش توسط استرین گیج ها، فرض بر این است که کرنش ایجاد شده روس سطح جسم تحت تست، بدون هیچ تلفاتی به گیج منتقل می شود. این امر نیازمند یک پیوند یا اتصال نزدیک و محکم بین گیج و جسم تحت تست است. این پیوند محکم بین استرین گیج و جسم مورد نظر توسط یک چسب مناسب ایجاد می شود. یعنی استرین گیج توسط چسب های مخصوص روی سطح مور نظر چسبانده می شود. سایر مواد و روش‌های پیوند عمدتا به کاربردهای خاص محدود می‌شوند، مانند اتصال سرامیکی برای رنج های دمایی بالا و جوش نقطه‌ای برای جوش زدن گیج به فولاد و غیره. هر دوی این فرآیندها به کرنش سنج‌های خاصی نیاز دارند.

با استرین گیج های مقاومتی ، که تنها نوع مورد بررسی در اینجا هستند، کرنشی که از جسم اندازه گیری به استرین گیج منتقل می شود باعث تغییر در مقاومت الکتریکی آن می شود. در مقدمه به دو نوع کرنش سنج مقاومتی اشاره شد، یعنی کرنش سنج فلزی و کرنش سنج نیمه هادی. اصول کار این دو نوع گیج باهم متفاوت است که در ادامه تک تک آنها بررسی خواهد شد.

اصول کار استرین گیج های فلزی:

اصول کار کرنش سنج های فلزی بر اساس رابطه بین کرنش و مقاومت الکتریکی هادی است که توسط وتستون و تامسون کشف شد. هر رسانای الکتریکی با تنش های مکانیکی مانند نیروهای کششی یا فشاری مقاومت خود را تغییر می دهد. بخشی از این تغییر مقاومت تا حدی به دلیل تغییر شکل هادی و بخشی از آن به دلیل تغییر در مقاومت ویژه Q ماده هادی در نتیجه تغییرات ریزساختاری است. این فرآیند توسط رابطه زیر توصیف می شود.

که در آن:

R : مقاومت الکتریکی

ε: کرنش

v : نسبت پواسن

Q : مقاومت ویژه ماده

نتایج تحقیق در مورد مواد مختلف در قالب مقالات زیادی منتشر شده است. نمودار شکل 5 که از این مقالات معتبر استخراج شده است، در این نمودار منحنی هایی که به صورت عدد نام گذاری شده اند، نسبت تغییرات مقاومت الکتریکی به کرنش، یعنی S (شیب) را نشان می دهند.

این اندازه‌گیری‌ها روی سیم‌هایی که آزادانه تنش دارند انجام شد.

این نمودار به دو ویژگی مهم اشاره می کند:

1. تفاوت های قابل توجهی در شیب اولیه منحنی ها وجود دارد. این شیب از 6.5+ برای پلاتین-ایریدیوم تا 10- برای نیکل گسترش می یابد. این تفاوت ها را می توان با تغییرات مشخص در تغییر مقاومت به دلیل ریزساختار توضیح داد.

2. در سطوح معینی از کرنش، شیب آن منحنی هایی تغییر می کند که شیب اولیه آنها از مقدار 2 بیشتر بود. این تغییر برای سطوح مختلف کرنش و همیشه در انتقال از شرایط تغییر شکل الاستیک به تغییر شکل پلاستیک رخ می دهد. اگر فرض شود که در ناحیه تغییر شکل پلاستیک نسبت پواسون مقدار v = 0.5 در یک حجم ثابت داشته باشد، آنگاه قسمت هندسی معادله (1)، یعنی:

نشان می دهد که سهم بخش ریزساختار در رابطه (1)، یعنی dQ/Q صفر است.

بنابراین موادی که جذابیت خاصی دارند آنهایی هستند که شیب مشخصه اولیه آنها

باشد. و این مقدار را در کل ناحیه الاستیک حفظ کند. این ویژگی در برخی از آلیاژها یافت می شود و بنابراین این آلیاژها برای ساخت استرین گیج ترجیح داده می شوند.

استرین گیج های نیمه هادی:

همانند استرین گیج های فلزی، اصول اندازه گیری کرنش سنج های نیمه هادی بر اساس تغییر مقاومت الکتریکی است، اما بر خلاف کرنش سنج های فلزی، رابطه کرنش-مقاومت عمدتا به دلیل تغییر در تحرک الکترون های نیمه هادی است. سهم بخش هندسی رابطه (1) در گیج های نیمه هادی کمتر از 2% می باشد.

در حال حاضر فقط از سیلیکون برای ساخت استرین گیج های نیمه هادی استفاده می شود. به منظور دستیابی به خلوص مورد نیاز، عمل خالص سازی در کریستال را تا مرتبه 1 در برابر 10¹⁰ اتم سیلیکون انجام می دهند، سپس اتم های ناخالصی خاصی به شبکه کریستالی اضافه می شوند. این فرآیند به عنوان "دوپینگ" شناخته می شود. اتم های سه ظرفیتی، به عنوان گیرنده هایی، برای دوپ کردن سیلیکون چهار ظرفیتی استفاده می شوند، به عنوان مثال. بور یا گالیم که ماده نیمه هادی p را بدست می دهد. اگر از اتم های پنج ظرفیتی استفاده شود، مانند فسفر یا آرسنیک، به خاطر وجود الکترونهای اضافی در آن ، نیمه هادی نوع n به دست می آید. درجه دوپینگ میزان هدایت الکتریکی را در نیمه هادی های نوع N و P تعیین می کند. ویژگی تک کریستال هایی که به این ترتیب تهیه می شوند این است که مقاومت الکتریکی آنها تحت تأثیر کرنش تغییر می کند و قدرت این اثر در سه محور شبکه کریستالی متفاوت است. یعنی این اثر در کریستال ناهمسانگرد است. برای کرنش مثبت در سیلیکون نوع p یک تغییر مثبت مقاومت در محور <111> اتفاق می افتد و با سیلیکون نوع N تغییر منفی در محور <100> رخ می دهد. با کرنش منفی این اثر معکوس می شود. این تأثیرات در جهات ذکر شده کاملا محسوس است و در سایر جهات محوری بسیار ضعیف تر است.

از شکل 6 می توان دریافت که فاکتور گیج، تغییر مقاومت در رابطه با کرنش، به رسانایی سیلیکون و در نتیجه به درجه دوپینگ بستگی دارد.

کرنش سنج های نیمه هادی از این رابطه تبعیت می کنند.

که در آن پارامترهای K ، ε ، T و C مشخصه ها و ویژگی های گیج های نیمه هادی را تعیین می کنند.

سیستم های اندازه گیری:

کرنش های اندازه گیری شده با استرین گیج ها معمولا بسیار کوچک هستند. در نتیجه تغییرات مقاومت نیز در گیج ها بسیار کوچک است و نمی توان مستقیما آنها را مثلا با یک اهم متر اندازه گیری کرد. بنابراین استرین ‌گیج باید در یک سیستم اندازه‌گیری گنجانده شود که در آن تعیین دقیق تغییر مقاومت استرین ‌گیج امکان‌پذیر باشد.

اولین بلوک در سیستم توسط خود استرین گیج تشکیل می شود. این بلوک کرنش مکانیکی را به مقاومت الکتریکی تبدیل می کند.

جزء دوم در سیستم یک مدار اندازه گیری است که در اینجا به عنوان یک پل وتستون به همراه یک کرنش سنج در یک بازوی آن نشان داده شده است. هم کرنش سنج و هم مدار اندازه‌گیری در مفهوم فیزیکی اجزای غیرفعال هستند. برای به دست آوردن یک سیگنال مفید باید انرژی به آنها منتقل شود. این انرژی کمکی از یک منبع جداگانه گرفته می شود. معمولا از یک ولتاژ الکتریکی ثابت استفاده می شود، اما می توان از جریان ثابت نیز استفاده کرد. هنگامی که مقاومت کرنش سنج به دلیل یک کرنش تغییر می کند، مدار پل تقارن خود را از دست می دهد و نامتعادل می شود. یک ولتاژ در خروجی پل به دست می آید که متناسب با عدم تعادل پل است.

یک تقویت کننده به عنوان سومین جزء در سیستم اندازه گیری گنجانده شده است که ولتاژ خروجی پل را تا سطح مناسب برای نشان دادن آن تقویت می کند. گاهی اوقات تقویت کننده ها طوری طراحی می شوند که جریان خروجی متناسب با ولتاژ خروجی پل ارائه دهند، اما برخی از مدل ها می توانند هم خروجی ولتاژ و هم جریان را ارائه دهند. در تقویت کننده های خطی، ولتاژ خروجی یا جریان خروجی متناسب با ولتاژ ورودی تقویت کننده است که ولتاژ خروجی پل نیز می باشد و این به نوبه خود متناسب با کرنش اندازه گیری شده است.

چهارمین جزء در سیستم اندازه گیری، نمایشگر است. نمایشگر سیگنال خروجی تقویت کننده را به شکلی تبدیل می کند که توسط انسان قابل فهم باشد. در ساده ترین حالت این امر می تواند توسط یک ولت متر یا یک آمپرمتر انجام گیرد و یا توسط یک نمایشگر دیجیتال، ارقام اندازه گیری شده به نمایش گذاشته می شود. اگر نیاز باشد که تغییرات کرنش با زمان نشان داده شود، همانند چیزی که در فرآیندهای دینامیکی با آن روبه رو هستیم، در این صورت یک سیستم ضبط کننده داده های اندازه گیری(دیتالاگر)، بهتر از یک نمایشگر خواهد بود که صرفا فقط مقدار اندازه گیری شده را نمایش می دهد. بعضی از تقویت کننده ها این ویژگی را دارند که هر دوی این سیستم ها را می توان به آنها متصل کرد، این امر در شکل 7 نشان داده شده است.

توضیحات بالا در مورد سیستم اندازه گیری، فقط نمای کلی آن را تشریح می کند. در عمل این سیستم توسط ابزارهای دیگر مانند اسکنرها، فیلترها، ضبط کننده های مقادیر پیک سیگنال ، Limit سوئیچ ها، ابزارهای ضبط کننده حالت گذر و ... ، گسترش داده می شود. دستگاه های پردازش داده دیجیتال هم می توانند به جای نمایشگر به سیستم متصل شوند و این امر انعطاف پذیری سیستم را به شدت بیشتر می کند.