Датчик гидростатического давления на основе микрокристаллов антимонида галлия
Исследовано влияние гидростатического давления (до 5000 бар) на сопротивление нитевидных кристаллов антимонида галлия n-типа, легированных селеном или теллуром. Определена величина коэффициента гидростатического давления для этих кристаллов: КГ = (16,5—20,0)•10⁻⁵ бар⁻¹ при 20°С. Исследовано влияние...
Gespeichert in:
| Datum: | 2015 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2015
|
| Schriftenreihe: | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100543 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Датчик гидростатического давления на основе микрокристаллов антимонида галлия / А.А. Дружинин, И.И. Марьямова, А.П. Кутраков, Н.С. Лях-Кагуй // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2015. — № 4. — С. 19-23. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100543 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1005432025-02-09T09:34:28Z Датчик гидростатического давления на основе микрокристаллов антимонида галлия Датчик гідростатичного тиску на основі мікрокристалів антимоніда галію Sensor of hydrostatic pressure based on gallium antimonide microcrystals Дружинин, А.А. Марьямова, И.И. Кутраков, А.П. Лях-Кагуй, Н.С. Сенсоэлектроника Исследовано влияние гидростатического давления (до 5000 бар) на сопротивление нитевидных кристаллов антимонида галлия n-типа, легированных селеном или теллуром. Определена величина коэффициента гидростатического давления для этих кристаллов: КГ = (16,5—20,0)•10⁻⁵ бар⁻¹ при 20°С. Исследовано влияние температуры в диапазоне от –60 до +60°С на сопротивление и коэффициент КГ этих кристаллов. Рассмотрена возможность уменьшения температурной зависимости сопротивления путем закрепления чувствительного элемента датчика на подложках из различных материалов с различным коэффициентом линейного термического расширения. Приведена конструкция разработанного датчика и его основные характеристики. Досліджено вплив гідростатичного тиску (до 5000 бар) на опір ниткоподібних кристалів антимоніда галію n-типу, легованих селеном або телуром. Визначено величину коефіцієнта гідростатичного тиску для цих кристалів: КГ = (16,5—20,0)∙10⁻⁵ бар⁻¹ при 20°С. Досліджено вплив температури в діапазоні від –60 до +60°С на опір та на коефіцієнт КГ цих кристалів. Розглянуто можливість зменшення температурної залежності опору шляхом закріплення чутливого елемента датчика на підкладках з різних матеріалів з різним коефіцієнтом лінійного термічного розширення. Наведено конструкцію розробленого датчика і його основні характеристики Effect of hydrostatic pressure up to 5000 bar on the resistance of n-type antimonide gallium whiskers doped by Se or Te was studied. Coefficient of hydrostatic pressure for this crystals was determined, it equals Kh = (16,5—20,0)•10⁻⁵ bar⁻¹ at 20°N. Temperature dependence of resistance and coefficient Kh for this crystals in the temperature range ±60°N was studied. Design of the developed hydrostatic pressure sensor based on GaSb whiskers and its characteristics are presented. 2015 Article Датчик гидростатического давления на основе микрокристаллов антимонида галлия / А.А. Дружинин, И.И. Марьямова, А.П. Кутраков, Н.С. Лях-Кагуй // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2015. — № 4. — С. 19-23. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 2225-5818 DOI: 10.15222/TKEA2015.4.19 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100543 621.315.592 ru Технология и конструирование в электронной аппаратуре application/pdf Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Сенсоэлектроника Сенсоэлектроника |
| spellingShingle |
Сенсоэлектроника Сенсоэлектроника Дружинин, А.А. Марьямова, И.И. Кутраков, А.П. Лях-Кагуй, Н.С. Датчик гидростатического давления на основе микрокристаллов антимонида галлия Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| description |
Исследовано влияние гидростатического давления (до 5000 бар) на сопротивление нитевидных кристаллов антимонида галлия n-типа, легированных селеном или теллуром. Определена величина коэффициента гидростатического давления для этих кристаллов: КГ = (16,5—20,0)•10⁻⁵ бар⁻¹ при 20°С. Исследовано влияние температуры в диапазоне от –60 до +60°С на сопротивление и коэффициент КГ этих кристаллов. Рассмотрена возможность уменьшения температурной зависимости сопротивления путем закрепления чувствительного элемента датчика на подложках из различных материалов с различным коэффициентом линейного термического расширения. Приведена конструкция разработанного датчика и его основные характеристики. |
| format |
Article |
| author |
Дружинин, А.А. Марьямова, И.И. Кутраков, А.П. Лях-Кагуй, Н.С. |
| author_facet |
Дружинин, А.А. Марьямова, И.И. Кутраков, А.П. Лях-Кагуй, Н.С. |
| author_sort |
Дружинин, А.А. |
| title |
Датчик гидростатического давления на основе микрокристаллов антимонида галлия |
| title_short |
Датчик гидростатического давления на основе микрокристаллов антимонида галлия |
| title_full |
Датчик гидростатического давления на основе микрокристаллов антимонида галлия |
| title_fullStr |
Датчик гидростатического давления на основе микрокристаллов антимонида галлия |
| title_full_unstemmed |
Датчик гидростатического давления на основе микрокристаллов антимонида галлия |
| title_sort |
датчик гидростатического давления на основе микрокристаллов антимонида галлия |
| publisher |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Сенсоэлектроника |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100543 |
| citation_txt |
Датчик гидростатического давления на основе микрокристаллов антимонида галлия / А.А. Дружинин, И.И. Марьямова, А.П. Кутраков, Н.С. Лях-Кагуй // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2015. — № 4. — С. 19-23. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| work_keys_str_mv |
AT družininaa datčikgidrostatičeskogodavleniânaosnovemikrokristallovantimonidagalliâ AT marʹâmovaii datčikgidrostatičeskogodavleniânaosnovemikrokristallovantimonidagalliâ AT kutrakovap datčikgidrostatičeskogodavleniânaosnovemikrokristallovantimonidagalliâ AT lâhkagujns datčikgidrostatičeskogodavleniânaosnovemikrokristallovantimonidagalliâ AT družininaa datčikgídrostatičnogotiskunaosnovímíkrokristalívantimonídagalíû AT marʹâmovaii datčikgídrostatičnogotiskunaosnovímíkrokristalívantimonídagalíû AT kutrakovap datčikgídrostatičnogotiskunaosnovímíkrokristalívantimonídagalíû AT lâhkagujns datčikgídrostatičnogotiskunaosnovímíkrokristalívantimonídagalíû AT družininaa sensorofhydrostaticpressurebasedongalliumantimonidemicrocrystals AT marʹâmovaii sensorofhydrostaticpressurebasedongalliumantimonidemicrocrystals AT kutrakovap sensorofhydrostaticpressurebasedongalliumantimonidemicrocrystals AT lâhkagujns sensorofhydrostaticpressurebasedongalliumantimonidemicrocrystals |
| first_indexed |
2025-11-25T06:19:44Z |
| last_indexed |
2025-11-25T06:19:44Z |
| _version_ |
1849742164767014912 |
| fulltext |
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 4
19
ÑåíÑîýëåêòðîíèêà
ISSN 2225-5818
ÓÄÊ 621.315.592
Ä. ò. í. А. А. Äружинин, к. ò. í. и. и. МАрьяМовА, к. ò. í. А. П. КутрАКов,
к. ò. í. н. С. Лях-КАгуй
Óêðàèíà, Нàцèîíàëьíыé óíèâåðñèòåò «Льâîâñêàÿ ïîëèòåõíèêà»
E-mail: druzh@polynet.lviv.ua
ÄаÒчиÊ гиÄросÒаÒичесÊого ÄавЛеНия
На осНове миÊроÊрисÒаЛЛов
аНÒимоНиÄа гаЛЛия
в íàñòîÿщåå âðåмÿ êðåмíèé è ãåðмàíèé, ñà-
мыå ðàñïðîñòðàíåííыå мàòåðèàëы â ïðîèзâîд-
ñòâå дèñêðåòíыõ ïîëóïðîâîдíèêîâыõ ïðèбîðîâ
è èíòåãðàëьíыõ ñõåм, íå âñåãдà óдîâëåòâîðÿюò
âñåм òðåбîâàíèÿм, ïðåдъÿâëÿåмым ê чóâñòâè-
òåëьíым ýëåмåíòàм дàòчèêîâ мåõàíèчåñêèõ âå-
ëèчèí. Пîýòîмó âïîëíå зàêîíîмåðíым ÿâëÿåò-
ñÿ ïîèñê è èññëåдîâàíèå ñâîéñòâ дðóãèõ ïîëó-
ïðîâîдíèêîâыõ мàòåðèàëîâ дëÿ èñïîëьзîâàíèÿ
èõ â êàчåñòâå чóâñòâèòåëьíыõ ýëåмåíòîâ òàêèõ
дàòчèêîâ. Äëÿ ýòîé цåëè ïåðñïåêòèâíымè ÿâëÿ-
юòñÿ ïîëóïðîâîдíèêîâыå ñîåдèíåíèÿ А3в5 [1].
Äëÿ èзмåðåíèÿ âыñîêèõ дàâëåíèé èñïîëьзó-
юòñÿ дàòчèêè, â êîòîðыõ дàâëåíèå èзмåðÿåмîé
ñðåды âîñïðèíèмàåòñÿ мåмбðàíîé, íà êîòîðîé
ðàñïîëîжåíы òåíзîðåзèñòîðы, âыïîëíåííыå ïî
ðàзëèчíîé òåõíîëîãèè. в êàчåñòâå ïðèмåðà мîж-
íî ïðèâåñòè îбщåïðîмышëåííыå дàòчèêè дàâ-
ëåíèÿ òèïà DMP 304 êîмïàíèè BD Sensors [2],
êîòîðыå ïðåдíàзíàчåíы дëÿ èзмåðåíèÿ ñâåðõ-
âыñîêèõ дàâëåíèé (дî 6000 бàð). Òåíзîмîдóëь
ýòèõ дàòчèêîâ âыïîëíåí èз мîíîêðèñòàëëèчå-
ñêîãî êðåмíèÿ, â êîòîðîм ñфîðмèðîâàí мîñò èз
дèффóзèîííыõ òåíзîðåзèñòîðîâ, à ñòàëьíàÿ мåм-
бðàíà ïðèâàðèâàåòñÿ ê êîðïóñó òåíзîмîëóëÿ.
Ê íåдîñòàòêàм мåмбðàííыõ дàòчèêîâ дàâëå-
íèÿ мîжíî îòíåñòè ñëîжíîñòь êîíñòðóêцèè, à
òàêжå мàëîå быñòðîдåéñòâèå è óзêèé дèàïàзîí
èзмåðÿåмыõ дàâëåíèé, îбóñëîâëåííыé êîíñòðóê-
òèâíымè îñîбåííîñòÿмè мåмбðàíы, à дàòчèêîâ
òåíзîмåòðèчåñêîãî òèïà ñ ðàзëèчíымè óïðóãè-
мè ýëåмåíòàмè — åщå è ãèñòåðåзèñ è íåëèíåé-
íîñòь âыõîдíыõ õàðàêòåðèñòèê, îбóñëîâëåííыå
íåñîâåðшåíñòâîм мåõàíèчåñêèõ ñâîéñòâ óïðóãèõ
ýëåмåíòîâ è ñâÿзóющåãî дëÿ êðåïëåíèÿ òåíзîðå-
зèñòîðîâ íà óïðóãèõ ýëåмåíòàõ.
исследоваíо влияíие гидросòаòического давлеíия (до 5000 бар) íа сопроòивлеíие íиòевидíых кри-
сòаллов аíòимоíида галлия n-òипа, легироваííых селеíом или òеллуром. определеíа величиíа ко-
эффициеíòа гидросòаòического давлеíия для эòих крисòаллов: Кг = (16,5—20,0)∙10–5 бар–1 при
20°С. Исследовано влияние температуры в диапазоне от –60 до +60°С на сопротивление и коэффи-
циеíò Кг этих кристаллов. Рассмотрена возможность уменьшения температурной зависимости
сопротивления путем закрепления чувствительного элемента датчика на подложках из различ-
ных материалов с различным коэффициентом линейного термического расширения. Приведена кон-
струкция разработанного датчика и его основные характеристики.
Клþчевые слова: аíòимоíид галлия, даòчик, гидросòаòическое давлеíие.
Äëÿ èзмåðåíèÿ бîëьшèõ зíàчåíèé дàâëåíèÿ,
дîñòèãàющèõ òыñÿч бàð, цåëåñîîбðàзíî èñïîëь-
зîâàòь дàòчèêè ãèдðîñòàòèчåñêîãî дàâëåíèÿ, êî-
òîðыå íå òðåбóюò ñîздàíèÿ ñëîжíыõ êîíñòðóê-
цèé ñ óïðóãèмè ýëåмåíòàмè, ïîñêîëьêó дàâëå-
íèå чåðåз жèдêîñòь ïåðåдàåòñÿ íåïîñðåдñòâåííî
íà чóâñòâèòåëьíыé ýëåмåíò дàòчèêà.
изâåñòíы дàòчèêè âñåñòîðîííåãî дàâëåíèÿ íà
îñíîâå òâåðдыõ ðàñòâîðîâ àðñåíèдà ãàëëèÿ è àëю-
мèíèÿ AlxGa1–xAs [3—5]. в òî жå âðåмÿ, ñóдÿ ïî
ëèòåðàòóðíым дàííым [6—8], мîжíî ñдåëàòь âы-
âîд î дîñòàòîчíî âыñîêîé чóâñòâèòåëьíîñòè àí-
òèмîíèдà ãàëëèÿ n-òèïà ïðîâîдèмîñòè ê ãèдðî-
ñòàòèчåñêîмó дàâëåíèю. иñõîдÿ èз ýòîãî, íàмè
быëè ïðîâåдåíы èññëåдîâàíèÿ, íàïðàâëåííыå íà
ñîздàíèå дàòчèêà ãèдðîñòàòèчåñêîãî дàâëåíèÿ íà
îñíîâå àíòèмîíèдà ãàëëèÿ.
èсследование влияния гидростатического
давления на параметры нитевидных
кристаллов GaSb
Нèòåâèдíыå êðèñòàëëы (НÊ) GaSb n-òèïà,
âыðàщåííыå мåòîдîм õèмèчåñêèõ ãàзîòðàí-
ñïîðòíыõ ðåàêцèé, ïîдâåðãàëèñь âîздåéñòâèю
ãèдðîñòàòèчåñêîãî дàâëåíèÿ â ñïåцèàëьíî èзãî-
òîâëåííîм ñîñóдå дàâëåíèÿ. Äàâëåíèå ñîздàâà-
ëîñь â óñòàíîâêå âыñîêîãî дàâëåíèÿ ÓвÄ-15000
(ã. Êèåâ, зàâîд «Эòàëîí»).
из ãðàдóèðîâîчíыõ õàðàêòåðèñòèê, ïðèâå-
дåííыõ íà рис. 1, а, âèдíî, чòî дëÿ НÊ GaSb,
ëåãèðîâàííыõ òåëëóðîм è ñåëåíîм, ïðè êîмíàò-
íîé òåмïåðàòóðå (т = 20°С) зависимость отно-
ñèòåëьíîãî èзмåíåíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ îò âåëèчè-
íы ãèдðîñòàòèчåñêîãî дàâëåíèÿ â èññëåдîâàííîм
дèàïàзîíå дàâëåíèé (дî 5000 бàð) íîñèò ëèíåé-
íыé õàðàêòåð.
DOI: 10.15222/TKEA2015.4.19
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 4
20
ÑåíÑîýëåêòðîíèêà
ISSN 2225-5818
Êîýффèцèåíò ãèдðîñòàòèчåñêîãî дàâëåíèÿ
ðàññчèòыâàëñÿ ñ èñïîëьзîâàíèåм ýòèõ дàííыõ
ïî фîðмóëå
Ã
0
1 ( )
,
R P
Ê
Ð R
(1)
ãдå р — ãèдðîñòàòèчåñêîå дàâëåíèå;
R0 — íàчàëьíîå ñîïðîòèâëåíèå êðèñòàëëà;
ΔR(P) — èзмåíåíèå ñîïðîòèâëåíèÿ êðèñòàëëà ïîд
âîздåéñòâèåм ãèдðîñòàòèчåñêîãî дàâëå-
íèÿ, ΔR(P)=R(P)–R0.
Зíàчåíèÿ êîýффèцèåíòà ãèдðîñòàòèчåñêîãî
дàвления при 20°С, определенные из этих ха-
рактеристик, составляют 16,5∙10–5 бàð–1 дëÿ НÊ
GaSb, легированных теллуром, и 20∙10–5 бàð–1
дëÿ НÊ GaSb, ëåãèðîâàííыõ ñåëåíîм.
Äàëåå èññëåдîâàëàñь зàâèñèмîñòь êîýффèцè-
åíòà ãèдðîñòàòèчåñêîãî дàâëåíèÿ Кг îò òåмïåðà-
туры в диапазоне от –60 до +60°С. Из приве-
дåííыõ íà рис. 2 ðåзóëьòàòîâ âèдíî, чòî ñ ïî-
âышåíèåм òåмïåðàòóðы чóâñòâèòåëьíîñòь îбðàз-
цîâ óмåíьшàåòñÿ.
Òåмïåðàòóðíыé êîýффèцèåíò чóâñòâèòåëьíî-
ñòè ê ãèдðîñòàòèчåñêîмó дàâëåíèю âычèñëÿëñÿ
ñ èñïîëьзîâàíèåм ðèñ. 2 ïî фîðмóëå
Ã
à 0
( )1
( )
K Ò
S
Ò Ê Ò
,
ãдå ΔКг(т)=Кг(т)–Кг(т0);
Δт=т–т0.
Äëÿ êðèñòàëëîâ, ëåãèðîâàííыõ òåëëóðîм,
быëè ïîëóчåíы зíàчåíèÿ S = –(0,4...0,5)%∙°С–1.
Äëÿ НÊ GaSb, ëåãèðîâàííыõ ñåëåíîм, íàбëю-
дàåòñÿ бîëåå ñèëьíàÿ зàâèñèмîñòь êîýффèцèåí-
òà ãèдðîñòàòèчåñêîãî дàâëåíèÿ îò òåмïåðàòóðы,
â ýòîм ñëóчàå S = –(0,70...0,95)%∙°С–1.
из ïðèâåдåííыõ íà ðèñ. 1, б дàííыõ âèдíî,
что в диапазоне от –60 до +60°С, кристаллы,
ëåãèðîâàííыå ñåëåíîм, èмåюò бîëåå ñëàбóю зà-
âèñèмîñòь ñîïðîòèâëåíèÿ îò òåмïåðàòóðы, чåм
ëåãèðîâàííыå òåëëóðîм. Òåмïåðàòóðíыé êîýф-
фèцèåíò ñîïðîòèâëåíèÿ (òêÑ) îïðåдåëÿëñÿ
ïî фîðмóëå
0
1 ( )
Ò
RÒ
R
,
ãдå ΔR(т)=R(т)–R0.
Äëÿ êðèñòàëëîâ, ëåãèðîâàííыõ òåëëóðîм,
быëè ïîëóчåíы зíàчåíèÿ α=0,5...0,7 %∙°С–1,
ëåãèðîâàííыõ ñåëåíîм — α=0,30...0,41 %∙°С–1.
Cëåдóåò îòмåòèòь, чòî òåмïåðàòóðíàÿ зàâèñè-
мîñòь ñîïðîòèâëåíèÿ НÊ GaSb, à ñëåдîâàòåëь-
íî, è âåëèчèíà èõ ÒÊс îïðåдåëÿюòñÿ â îñíîâ-
íîм êîíцåíòðàцèåé ëåãèðóющåé ïðèмåñè — ñå-
ëåíà èëè òåëëóðà, à зíàчèò, èзмåíÿÿ åå, мîжíî
ïîдîбðàòь êðèñòàëëы GaSb ñ îïòèмàëьíîé òåм-
ïåðàòóðíîé зàâèñèмîñòью ñîïðîòèâëåíèÿ.
сîïðîòèâëåíèå чóâñòâèòåëьíыõ ýëåмåíòîâ —
НÊ GaSb — â зíàчèòåëьíîé ñòåïåíè зàâèñèò îò
зíàчåíèÿ òîêà І, ïðîòåêàющåãî чåðåз êðèñòàëë,
ò. å. îò ðàññåèâàåмîé íà чóâñòâèòåëьíîм ýëåмåí-
òå мîщíîñòè (рис. 3). Пîâышåíèå ñîïðîòèâëå-
íèÿ, îбóñëîâëåííîå ñàмîðàзîãðåâîм чóâñòâèòåëь-
íыõ ýëåмåíòîâ, íàõîдÿщèõñÿ â âîздóшíîé ñðåдå,
íàчèíàåòñÿ ïðè мîщíîñòè ðàññåèâàíèÿ ïðèмåð-
рèñ. 1. Зàâèñèмîñòè îòíîñèòåëьíîãî èзмåíåíèÿ ñî-
ïðîòèâëåíèÿ НÊ GaSb n-òèïà, ëåãèðîâàííыõ òåëëó-
ðîм (1) è ñåëåíîм (2), îò ãèдðîñòàòèчåñêîãî дàâëå-
íèÿ (а) è îò òåмïåðàòóðы (б)
à)
DR
(р
)/
R
0∙
10
0%
,
%
120
100
80
60
40
20
0 1000 2000 3000 4000 P, бàð
т=20°С
2
1
б)
DR
(т
)/
R
(2
0°
С
)∙
10
0%
,
%
30
20
10
0
–10
–20
–30
–40
–50
1
2
–60 –40 –20 0 20 40 т, °С
рèñ. 2. Òåмïåðàòóðíàÿ зàâèñèмîñòь îòíîñèòåëьíî-
ãî зíàчåíèÿ êîýффèцèåíòà ãèдðîñòàòèчåñêîãî дàâ-
ëåíèÿ НÊ GaSb n-òèïà, ëåãèðîâàííыõ òåëëóðîм (1)
è ñåëåíîм (2)
К
г(
т
)/
К
г(
20
°С
)∙
10
0%
,
%
180
160
140
120
100
80
2
1
–60 –40 –20 0 20 40 т, °С
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 4
21
ÑåíÑîýëåêòðîíèêà
ISSN 2225-5818
но 1∙10–3 Вт, в жидкой среде — при 1∙10–2 вò.
Эòî îãðàíèчèâàåò зíàчåíèå ðàбîчåãî òîêà âåëè-
чèíîé 3 ма â ïåðâîм ñëóчàå è 10 ма âî âòîðîм
ïðè óñëîâèè, чòî ñîïðîòèâëåíèå êðèñòàëëîâ íå
ïðåâышàåò 100 ом.
ðазработка датчика гидростатического
давления на основе íê GaSb
Быëî ðàзðàбîòàíî íåñêîëьêî âàðèàíòîâ êîí-
ñòðóêцèè дàòчèêà ãèдðîñòàòèчåñêîãî дàâëåíèÿ ñ
чóâñòâèòåëьíым ýëåмåíòîм (Чý) íà îñíîâå àí-
òèмîíèдà ãàëëèÿ, îдíà èз êîòîðыõ ïðèâåдåíà
íà рис. 4. Äàòчèê ïðåдñòàâëÿåò ñîбîé мåòàëëè-
чåñêèé êîðïóñ 1, чåðåз òåëî êîòîðîãî ïðîõîдèò
èзîëèðîâàííыé ãåðмåòèчíыé òîêîâыâîд 2. Äëÿ
зàщèòы чóâñòâèòåëьíîãî ýëåмåíòà 3 îò мåõàíè-
чåñêèõ ïîâðåждåíèé èñïîëьзîâàí зàщèòíыé êîë-
ïàчîê 4, èзãîòîâëåííыé èз òåфëîíà.
рåзóëьòàòы ãðàдóèðîâêè дàòчèêà, êîòîðàÿ
ïðîâîдèëàñь ïðè І=1 ма, ïðèâåдåíы íà рис. 5.
из ãðàфèêîâ ñëåдóåò, чòî â зàâèñèмîñòè îò óñëî-
âèé ýêñïëóàòàцèè ñõåмы ïðåîбðàзîâàíèÿ èзмå-
íåíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ â âыõîдíîé ñèãíàë дàòчè-
êà òðåбóюò îбåñïåчåíèÿ òåðмîêîмïåíñàцèè âы-
õîдíыõ õàðàêòåðèñòèê.
Óмåíьшèòь òåмïåðàòóðíóю зàâèñèмîñòь ñî-
ïðîòèâëåíèÿ дàòчèêà ãèдðîñòàòèчåñêîãî дàâëå-
íèÿ мîжíî ïóòåм зàêðåïëåíèÿ чóâñòâèòåëьíîãî
ýëåмåíòà íà ïîдëîжêå èз мàòåðèàëà ñ ñîîòâåò-
ñòâóющèм êîýффèцèåíòîм òåðмèчåñêîãî ëèíåé-
íîãî ðàñшèðåíèÿ αL, îòëèчàющèмñÿ îò αL НÊ
GaSb, равного 6,2∙10–6 °С–1.
Нà рис. 6 ïðèâåдåíы òåмïåðàòóðíыå зàâèñèмî-
ñòè îòíîñèòåëьíîãî èзмåíåíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ чóâ-
ñòâèòåëьíыõ ýëåмåíòîâ дàòчèêîâ дàâëåíèÿ — ñâî-
бîдíыõ è зàêðåïëåííыõ íà ðàзëèчíыõ ïîдëîж-
êàõ, à èмåííî: èз ñòàëè (αL=12∙10–6 °С–1), íèêåëÿ
(αL=13∙10–6 °С–1), мåдè (αL=16,7∙10–6 °С–1) è дю-
ðàëюмèíèÿ (αL=23∙10–6 °С–1). Здåñь âèдíî, чòî
ïðè зàêðåïëåíèè чЭ íà ïîдëîжêå мîжåò èзмå-
íÿòьñÿ íå òîëьêî зíàчåíèå òåмïåðàòóðíîãî êîýф-
фèцèåíòà ñîïðîòèâëåíèÿ, íî è åãî зíàê (íà ïîд-
ëîжêå èз дюðàëюмèíèÿ, êðèâàÿ 5). Нàèмåíьшèé
ТКС — примерно 0,05 %∙°С–1 — ïîëóчåí ïðè
èñïîëьзîâàíèè мåдíîé ïîдëîжêè.
Äëÿ бîëåå ïîëíîé êîмïåíñàцèè òåмïåðàòóð-
íîé ïîãðåшíîñòè дîïîëíèòåëьíî мîжíî èñïîëь-
зîâàòь дàòчèê òåмïåðàòóðы íà îñíîâå НÊ êðåм-
рèñ. 3. Зàâèñèмîñòь îòíîñèòåëьíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ
НÊ GaSb n-òèïà îò ðàññåèâàåмîé мîщíîñòè â ðàз-
ëèчíыõ ñðåдàõ:
1 — â âîздóõå; 2 — â òåõíèчåñêîм мàñëå
R
(І
)/
R
(1
м
А
)∙
10
0%
,
%
120
115
110
105
100
1
2
10–4 10–3 10–2 W, вò
рèñ. 4. Êîíñòðóêцèÿ (а) è âíåшíèé âèд (б) дàòчèêà
ãèдðîñòàòèчåñêîãî дàâëåíèÿ:
1 — êîðïóñ; 2 — òîêîâыâîд; 3 — чóâñòâèòåëьíыé ýëå-
мåíò; 4 — зàщèòíыé êîëïàчîê
à) б)
2
1
3
4
рèñ. 5. Зàâèñèмîñòь ñîïðîòèâëåíèÿ чЭ дàòчèêà îò
давления при разных значениях температуры (в °С):
1 — 0; 2 — 20; 3 — 40; 4 — 60
R
,
о
м
480
440
400
360
320
280
240
200
4
0 1000 2000 3000 4000 р, бàð
1
2
3
рèñ. 6. Òåмïåðàòóðíàÿ зàâèñèмîñòь îòíîñèòåëьíîãî
èзмåíåíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ чЭ дàòчèêà íà îñíîâå НÊ
GaSb n-òèïà â ñâîбîдíîм ñîñòîÿíèè (1) è ïðè åãî зà-
êðåïëåíèè íà ïîдëîжêàõ èз ñòàëè (2), íèêåëÿ (3),
мåдè (4) è дюðàëюмèíèÿ (5)
DR
(т
)/
R
(2
0°
С
)∙
10
0%
,
%
20
10
0
–10
–20
–30
4
–60 –40 –20 0 20 40 т, °С
1
2
3
5
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 4
22
ÑåíÑîýëåêòðîíèêà
ISSN 2225-5818
зàâèñèмîñòь чóâñòâèòåëьíîñòè âыõîдíîãî ñèãíà-
ëà дàòчèêà óмåíьшàåòñÿ ïî ñðàâíåíèю ñ ñèммå-
òðèчíîé ñõåмîé ïîчòè íà ïîðÿдîê.
Заключение
Пðîâåдåííыå èññëåдîâàíèÿ óêàзыâàюò íà
ïåðñïåêòèâíîñòь дàòчèêîâ ãèдðîñòàòèчåñêîãî
дàâëåíèÿ íà îñíîâå íèòåâèдíыõ êðèñòàëëîâ àí-
òèмîíèдà ãàëëèÿ n-òèïà. Пðè èзмåðåíèè âы-
ñîêèõ дàâëåíèé òàêèå дàòчèêè èмåюò îïðåдå-
ëåííыå ïðåèмóщåñòâà ïî ñðàâíåíèю ñ дàòчèêà-
мè дàâëåíèÿ ñ ïîëóïðîâîдíèêîâымè òåíзîðåзè-
ñòîðàмè, зàêðåïëåííымè íà óïðóãèõ ýëåмåíòàõ
[2, 4, 9], à èмåííî:
— ñóщåñòâåííîå óïðîщåíèå êîíñòðóêцèè дàò-
чèêà зà ñчåò îòñóòñòâèÿ óïðóãèõ ýëåмåíòîâ è íå-
îбõîдèмîñòè êðåïëåíèÿ íà íèõ òåíзîðåзèñòîðîâ;
— âыñîêàÿ чóâñòâèòåëьíîñòь ê дàâëåíèю (èз-
менение сопротивления примерно на 18—20% на
1000 бàð), ïîñòîÿííàÿ â шèðîêîм дèàïàзîíå âы-
ñîêèõ дàâëåíèé;
— óëóчшåíèå мåòðîëîãèчåñêèõ õàðàêòåðè-
ñòèê дàòчèêà зà ñчåò îòñóòñòâèÿ ãèñòåðåзèñà.
сëåдóåò îòмåòèòь, чòî ðàзðàбîòàííыé дàòчèê
дàâëåíèÿ ïî ñâîèм ïàðàмåòðàм (чóâñòâèòåëь-
íîñòь, дèàïàзîí èзмåðÿåмыõ дàâëåíèé) íå óñòó-
ïàåò дàòчèêàм âñåñòîðîííåãî дàâëåíèÿ íà îñíî-
âå òâåðдыõ ðàñòâîðîâ àðñåíèдà ãàëëèÿ è àëю-
мèíèÿ [3], à òåõíîëîãèÿ åãî èзãîòîâëåíèÿ зíà-
чèòåëьíî ïðîщå, чåм дàòчèêà, îïèñàííîãî â [4].
Äàòчèê мîжåò íàéòè ïðèмåíåíèå дëÿ èзмåðåíèÿ
âыñîêèõ è ýêñòðåмàëьíî âыñîêèõ дàâëåíèé ðà-
бîчèõ жèдêîñòåé ãèдðàâëèчåñêèõ ñèñòåм, дëÿ
èññëåдîâàíèÿ ïðîцåññîâ ñ âыñîêèм дàâëåíèåм â
õèмèчåñêîé è íåфòåõèмèчåñêîé ïðîмышëåííî-
ñòè, èзмåðåíèÿ дàâëåíèÿ бóðîâîãî ðàñòâîðà è дð.
исПоЛЬЗоваННЫе исÒочНиÊи
1. Äðóжèíіí а. о., мàð’ÿмîâà І. Й., Êóòðàêîâ о. П.
Äàòчèêè мåõàíічíèõ âåëèчèí íà îñíîâі íèòêîïîдібíèõ
êðèñòàëіâ êðåмíію, ãåðмàíію òà ñïîëóê а3в5.— Льâіâ:
вèдàâíèцòâî Льâіâñьêîї ïîëіòåõíіêè, 2015.
2. http://www.bdsensors.ua/products/product_info.
php?id=39
3. Бåðíîòàñ Ê. Э. Пîëóïðîâîдíèêîâыé дàòчèê èмïóëьñ-
íîãî дàâëåíèÿ // Фèзèêà ãîðåíèÿ è âзðыâà.— 1986. —Ò. 22,
¹ 2.— с. 133—135.
4. Êðèâîðîòîâ Н. П., изààê Ò. и., рîмàñь Л. м. è дð.
мèêðîýëåêòðîííыå ñåíñîðы дàâëåíèÿ // вåñòíèê Òîмñêîãî
госуниверситета.— 2005.— № 285.— С. 139—147.
5. Шèмêÿâèчóñ ч. с. Пåðâèчíыå ïðåîбðàзîâàòåëè дàâëå-
íèÿ íà îñíîâå àðñåíèдîâ ãàëëèÿ-àëюмèíèÿ // Пðèбîðы è ñè-
ñòåмы. Óïðàâëåíèå, êîíòðîëь, дèàãíîñòèêà.— 2004.— ¹ 2.—
С. 35—37.
6. Sagar A. Experimental investigation of conduction band
of GaSb // Phys. Rev.— 1960.— Vol. 117.— P. 93—100. —
DOI: 10.1103/PhysRev.117.93
7. Keyes R. W., Pollak M. Effect of hydrostatic pressure
on the piezoresistance of i-InSb, p-InSb and n-GaSb // Phys.
Rev.— 1960.— Vol. 118.— P. 1001—1007.— DOI: 10.1103/
PhysRev.118.1001
8. Sagar A., Pollak M., Keyes R. W. Effects of high
hydrostatic pressure on the electrical properties of n-type GaSb
// Bull. Amer. Phys. Soc. — 1960.— Vol. 5, N 1.— P. 63.
9. оñàдчèé е. П. Пðîåêòèðîâàíèå дàòчèêîâ дëÿ èзмåðå-
ния механических величин.— Москва: Машиностроение, 1979.
Äаòа посòуплеíия рукописи
в редакциþ 25.05 2015 г.
Рис. 7. Зависимость выходного сигнала датчика от
дàâëåíèÿ (а) è åãî òåмïåðàòóðíыå õàðàêòåðèñòè-
êè (б) дëÿ àñèммåòðèчíîé (1) è ñèммåòðèчíîé (2)
мîñòîâîé ñõåмы
à)
U
,
м
в
700
600
500
400
300
200
100
0 1000 2000 3000 4000 P, бàð
1
2
б)
U
(т
)/
U
(2
0°
С
)∙
10
0%
,
%
120
115
110
105
100
95
90
85
1
2
–40 –20 0 20 40 т, °С
íèÿ р-òèïà ïðîâîдèмîñòè, êîòîðыé íå чóâñòâèòå-
ëåí ê ãèдðîñòàòèчåñêîмó дàâëåíèю. еãî íåîбõî-
дèмî зàêðåïëÿòь â íåïîñðåдñòâåííîé бëèзîñòè îò
чóâñòâèòåëьíîãî ýëåмåíòà дàòчèêà дàâëåíèÿ. Пðè
ýòîм íåîбõîдèмî óчèòыâàòь òî, чòî ñîïðîòèâëå-
íèå чЭ ïðè мàêñèмàëьíîм дàâëåíèè (5000 бàð)
èзмåíÿåòñÿ бîëåå чåм â дâà ðàзà ïðè âêëючåíèè
åãî â мîñòîâóю ñõåмó, à зàâèñèмîñòь âыõîдíîãî
ñèãíàëà îò дàâëåíèÿ èмååò íåëèíåéíыé õàðàê-
òåð. Эòîò íåдîñòàòîê мîжíî óñòðàíèòь, èñïîëь-
зóÿ дëÿ ïèòàíèÿ мîñòîâîé ñõåмы èñòîчíèê ïîñòî-
ÿííîãî òîêà èëè àñèммåòðèчíóю мîñòîâóю ñõåмó.
в ðàññмàòðèâàåмîм дàòчèêå îбà чóâñòâè-
òåëьíыõ ýëåмåíòà âêëючåíы â мîñòîâóю ñõåмó
ñ êîýффèцèåíòîм àñèммåòðèè n=9. Äëÿ ïîâы-
шåíèÿ чóâñòâèòåëьíîñòè àñèммåòðèчíîãî мîñòà
íàïðÿжåíèå ïèòàíèÿ U íåîбõîдèмî óâåëèчèòь
в (1+n)/2 ðàзà îòíîñèòåëьíî íàïðÿжåíèÿ ïèòà-
íèÿ ñèммåòðèчíîãî мîñòà (ýòî ñëåдóåò èз óñëî-
âèÿ ðàâåíñòâà дîïóñòèмîé мîщíîñòè ðàññåÿíèÿ
íà чЭ â ñõåмàõ ñèммåòðèчíîãî è àñèммåòðèч-
íîãî мîñòîâ). выõîдíыå õàðàêòåðèñòèêè дàòчè-
êà ãèдðîñòàòèчåñêîãî дàâëåíèÿ, ïðèâåдåííыå íà
рис. 7, ñâèдåòåëьñòâóюò î цåëåñîîбðàзíîñòè ïðè-
мåíåíèÿ àñèммåòðèчíîãî мîñòà: òåмïåðàòóðíàÿ
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2015, ¹ 4
23
ÑåíÑîýëåêòðîíèêà
ISSN 2225-5818
А. о. ÄружинІн, І. й. МАр’яМовА, о. П. КутрАКов, н. С. Лях-КАгуй
Óêðàїíà, Нàціîíàëьíèé óíіâåðñèòåò «Льâіâñьêà ïîëіòåõíіêà»
E-mail: druzh@polynet.lviv.ua
ÄаÒчиÊ гІÄросÒаÒичНого ÒисÊÓ На осНовІ мІÊроÊрисÒаЛІв
аНÒимоНІÄа гаЛІю
Досліджено вплив гідростатичного тиску (до 5000 бар) на опір ниткоподібних кристалів антимоніда
галію n-типу, легованих селеном або телуром. Визначено величину коефіцієнта гідростатичного
òиску для цих крисòалів: Кг = (16,5—20,0)∙10–5 бар–1 при 20°С. Досліджено вплив температури
в діапазоні від –60 до +60°С на опір та на коефіцієнт Кг цих кристалів. Розглянуто можливість
зменшення температурної залежності опору шляхом закріплення чутливого елемента датчика на
підкладках з різних матеріалів з різним коефіцієнтом лінійного термічного розширення. Наведено
конструкцію розробленого датчика і його основні характеристики.
Ключові слова: антимонід галію, датчик, гідростатичний тиск.
A. A. DRUzhinin, i. i. MARyAMovA,
A. P. KUtRAKov, n. S. LiAKh-KAgUy
Ukraine, Ukraine, Lviv National University «Lviv Polytechnic»
E-mail: druzh@polynet.lviv.ua
SENSOR OF HYDROSTATIC PRESSURE BASED ON GALLIUM ANTIMONIDE
MICROCRYSTALS
Currently, silicon and germanium, the most common materials in the production of discrete semiconductor
devices and integrated circuits, do not always meet all the requirements to the sensing elements of mechanical
quantities sensors. therefore, it is logical to research the properties of other semiconductor materials that could
be used as sensing elements in such sensors. A3B5 semiconductor compounds seem promising for such purpose.
Effect of hydrostatic pressure up to 5000 bar on the resistance of n-type antimonide gallium whiskers doped
by Se or te was studied. Coefficient of hydrostatic pressure for this crystals was determined, it equals Kh =
(16,5—20,0)∙10–5 bar–1 at 20°С. temperature dependence of resistance and coefficient Kh for this crystals
in the temperature range ±60°С was studied. Design of the developed hydrostatic pressure sensor based on
gaSb whiskers and its characteristics are presented. the possibility to decrease the temperature dependence
of sensitive element resistance by mounting gaSb whiskers on the substrates fabricated from materials with
different temperature coefficient of expansion was examined. it was shown that mounting of gaSb crystals
on Cu substrate gives the optimal result, in this case the temperature coefficient decrease to 0,05%•°С–1, that
leads to decrease of output temperature dependence. the main advantages of developed pressure sensor are:
the simplified design in comparison with pressure sensors with strain gauges mounted on spring elements;
the high sensitivity to pressure that is constant in the wide pressure range; the improvement of sensors
metrological characteristics owing to hysteresis absence. the possible application fields of developed sensors
are measuring of high and extremely high pressure, chemical and oil industries, measuring of pressure in oil
bore-holes, investigation of explosive processes.
Keywords: gallium antimonide, sensor, hydrostatic pressure.
DOI: 10.15222/TKEA2015.4.19
UDC 621.315.592
REFERENCES
1. Druzhinin A. O., Mar’yamova I. I., Kutrakov O. P.
Datchiki mekhanichnikh velichin na osnovi nitkopodibnikh
kristaliv kremniyu, germaniyu ta spoluk А3в5 [Sensors of
mechanical quantities based on whiskers of silicon, germanium
and compounds а3в5]. Lviv Polytechnic Publishing House,
2015, 232 p. (Ukr)
2. http://www.bdsensors.ua/products/product_info.
php?id=39
3. Bernotas K. E., Gritsyus A. A., Zhilenis S. G.,
Petrovskii Ch. K. Semiconductor impulsive pressure sensor.
Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1986, vol. 22, iss.
2, pp. 256-258. DOI: 10.1007/BF00749276
4. Krivorotov N. P., Izaak T. I., Romas L. M., Svinolupov
Yu. G., Stchogol S. S. Microelectronic pressure sensors. tomsk
State University Journal, 2005, no. 285, pp. 139-147. (Rus)
5. Shimkyavichus Ch. S. [Pressure transducers based
on gallium-aluminum arsenide]. instruments and Systems:
Monitoring, Control, and Diagnostics, 2004, no. 2, pp. 35-
37. (Rus)
6. Sagar A. Experimental investigation of conduction band
of GaSb. Physical Review, 1960, vol. 117, pp. 93-100. DOI:
10.1103/PhysRev.117.93
7. Keyes R. W., Pollak M. Effect of hydrostatic pressure
on the piezoresistance of i-InSb, p-InSb and n-GaSb. Physical
Review, 1960, vol. 118, pp. 1001-1007. DOI: 10.1103/
PhysRev.118.1001
8. Sagar A., Pollak M., Keyes R. W. Effects of high hy-
drostatic pressure on the electrical properties of n-type GaSb.
Bulletin of the American Physical Society, 1960, vol. 5,
no. 1, pp. 63.
9. Osadchii E. P. Proektirovanie datchikov dlya izme-
reniya mekhanicheskikh velichin [Design of sensors for mea-
suring mechanical values]. Moscow, Mechanical Engineering,
1979, 480 p. (Rus)
|