Efekt piezorezystancyjny

Efekt piezorezystancyjny to zmiana oporności elektrycznej półprzewodnika lub metalu pod wpływem naprężenia mechanicznego . W przeciwieństwie do efektu piezoelektrycznego , efekt piezorezystancyjny powoduje zmianę jedynie oporu elektrycznego, a nie potencjału elektrycznego .

Historia

Zmiana oporności elektrycznej w urządzeniach metalowych pod wpływem przyłożonego obciążenia mechanicznego została po raz pierwszy odkryta w 1856 roku przez Lorda Kelvina . Ponieważ monokrystaliczny krzem stał się materiałem wybieranym do projektowania obwodów analogowych i cyfrowych , duży efekt piezorezystancyjny w krzemie i germanie odkryto po raz pierwszy w 1954 r. (Smith 1954).

Mechanizm

W materiałach przewodzących i półprzewodnikowych zmiany odstępów międzyatomowych wynikające z odkształcenia wpływają na pasma wzbronione , ułatwiając (lub utrudniając, w zależności od materiału i odkształcenia) podniesienie elektronów do pasma przewodnictwa . Powoduje to zmianę rezystywności materiału. W pewnym zakresie odkształceń zależność ta jest liniowa, tak że współczynnik piezorezystancyjny

{\ Displaystyle \ rho _ {\ sigma} = {\ Frac {\ lewo ({\ Frac {\ częściowe \ rho} {\ rho}} \ prawo)} {\ varepsilon}} }

Gdzie

∂ρ = zmiana rezystywności

ρ = pierwotna rezystywność

ε = odkształcenie

jest stała.

Piezorezystywność w metalach

Zwykle zmiana rezystancji metali wynika głównie ze zmiany geometrii wynikającej z przyłożonego naprężenia mechanicznego. Jednakże, chociaż efekt piezorezystancyjny jest w tych przypadkach niewielki, często nie można go pominąć. W przypadkach, gdy tak jest, można go obliczyć za pomocą prostego równania rezystancji wyprowadzonego z prawa Ohma ;

{\ Displaystyle R = \ rho {\ Frac {\ ell} {A}} \,}

Gdzie

{\ displaystyle \ ell}

Długość przewodu [m]

A Pole przekroju poprzecznego przepływu prądu [m²]

Niektóre metale wykazują piezorezystywność znacznie większą niż zmiana rezystancji wynikająca z geometrii. Na przykład w stopach platyny piezorezystywność jest ponad dwukrotnie większa, co w połączeniu z efektami geometrii daje czułość tensometru nawet ponad trzykrotnie większą niż wynika to z samych efektów geometrii. Piezorezystywność czystego niklu jest -13 razy większa, całkowicie karłowata, a nawet odwracająca znak zmiany rezystancji wywołanej geometrią.

Efekt piezorezystancyjny w półprzewodnikach masowych

Efekt piezorezystancyjny materiałów półprzewodnikowych może być o kilka rzędów wielkości większy niż efekt geometryczny i występuje w materiałach takich jak german , krzem polikrystaliczny, krzem amorficzny, węglik krzemu i krzem monokrystaliczny. Dzięki temu można budować tensometry półprzewodnikowe o bardzo wysokim współczynniku czułości. W przypadku precyzyjnych pomiarów są one trudniejsze w obsłudze niż tensometry metalowe, ponieważ tensometry półprzewodnikowe są na ogół wrażliwe na warunki środowiskowe (zwłaszcza temperaturę).

W przypadku krzemu współczynniki grubości mogą być o dwa rzędy wielkości większe niż te obserwowane dla większości metali (Smith 1954). Opór przewodzącego n zmienia się głównie w wyniku przesunięcia trzech różnych par dolin przewodzących. Przesunięcie powoduje redystrybucję przewoźników pomiędzy dolinami o różnej mobilności. Powoduje to zmienną ruchliwość w zależności od kierunku przepływu prądu. Niewielki efekt wynika ze masy efektywnej związanej ze zmianą kształtu dolin. W p-przewodnictwie krzemie zjawiska są bardziej złożone i powodują także zmiany masy i przenoszenie dziur.

Gigantyczna piezorezystancja w strukturach hybrydowych metal-krzem

wykonanej z mikrofabrykatu odnotowano gigantyczny efekt piezorezystancyjny, w którym współczynnik piezorezystancyjny przekracza wartość objętościową . Efekt ten zastosowano w technologiach czujników opartych na krzemie.

Gigantyczny efekt piezorezystancyjny w nanostrukturach krzemu

Zmierzono, że wzdłużny współczynnik piezorezystancyjny nanodrutów krzemowych wytwarzanych od góry do dołu był o 60% większy niż w krzemie masowym. W 2006 roku zgłoszono gigantyczną piezorezystancję w nanodrutach krzemowych wytwarzanych metodą oddolną - odnotowano ponad 30-krotny wzrost podłużnego współczynnika piezorezystancyjnego w porównaniu z krzemem masowym. Od tego czasu sugestia dotycząca gigantycznej piezorezystancji w nanostrukturach pobudziła wiele wysiłków w kierunku fizycznego zrozumienia efektu nie tylko w krzemie, ale także w innych materiałach funkcjonalnych.

Piezorezystancyjne urządzenia krzemowe

Efekt piezorezystancyjny półprzewodników został wykorzystany w czujnikach wykorzystujących wszelkiego rodzaju materiały półprzewodnikowe, takie jak german , krzem polikrystaliczny, krzem amorficzny i krzem monokrystaliczny. Ponieważ krzem jest obecnie materiałem wybieranym do scalonych obwodów cyfrowych i analogowych, dużym zainteresowaniem cieszy się zastosowanie piezorezystancyjnych urządzeń krzemowych. Umożliwia łatwą integrację czujników stresu z obwodami bipolarnymi i CMOS.

Umożliwiło to szeroką gamę produktów wykorzystujących efekt piezorezystancyjny. Wiele komercyjnych urządzeń, takich jak czujniki ciśnienia i czujniki przyspieszenia , wykorzystuje efekt piezorezystancyjny w krzemie . Jednak ze względu na swoją wielkość efekt piezorezystancyjny w krzemie przyciągnął również uwagę badań i rozwoju wszystkich innych urządzeń wykorzystujących monokrystaliczny krzem. półprzewodnikowe czujniki Halla były w stanie osiągnąć swoją obecną precyzję dopiero po zastosowaniu metod eliminujących udział sygnału w wyniku przyłożonego naprężenia mechanicznego.

Piezorezystory

Piezorezystory to rezystory wykonane z materiału piezorezystancyjnego i zwykle używane do pomiaru naprężeń mechanicznych . Są najprostszą formą urządzeń piezorezystancyjnych.

Produkcja

Piezorezystory można wytwarzać przy użyciu szerokiej gamy materiałów piezorezystancyjnych. Najprostszą formą piezorezystancyjnych czujników krzemowych są rezystory rozproszone. Piezorezystory składają się z prostych, dwukontaktowych, rozproszonych studzienek n lub p w podłożu p lub n. Ponieważ typowe rezystancje kwadratowe tych urządzeń mieszczą się w zakresie kilkuset omów, dodatkową dyfuzją p+ lub n+ plus stanowią potencjalną metodę ułatwiającą kontakt omowy z urządzeniem.

Schematyczny przekrój podstawowych elementów krzemowego piezorezystora n-studzienkowego.

Fizyka działania

Dla typowych wartości naprężeń w zakresie MPa , zależny od naprężeń spadek napięcia na rezystorze Vr można uznać za liniowy. Piezorezystor ustawiony w jednej linii z osią x, jak pokazano na rysunku, można opisać wzorem

{\ Displaystyle \ V_ {r} = R_ {0} ja [1+ \ pi _ {L} \ sigma _{xx}+\pi _{T}(\sigma _{yy}+\sigma _{zz})]}

gdzie ${\ Displaystyle R_ {0}}$ , ja , ${\ Displaystyle \ pi _ {T}}$ , ${\ Displaystyle \ pi _ {L}}$ i ${\ displaystyle \ sigma _ { ij}}$ oznaczają odpowiednio opór bez naprężeń, przyłożony prąd, poprzeczne i wzdłużne współczynniki piezorezystancyjne oraz trzy składowe naprężenia rozciągającego. Współczynniki piezorezystancyjne różnią się znacznie w zależności od orientacji czujnika względem osi krystalograficznych i profilu domieszkowania. Pomimo dość dużej wrażliwości prostych rezystorów na naprężenia, preferuje się je stosować w bardziej złożonych konfiguracjach, eliminując pewne wrażliwości krzyżowe i wady. Piezorezystory mają tę wadę, że są bardzo wrażliwe na zmiany temperatury, a jednocześnie charakteryzują się stosunkowo małymi względnymi zmianami amplitudy sygnału zależnymi od naprężenia.

Inne urządzenia piezorezystancyjne

W krzemie efekt piezorezystancyjny jest stosowany w piezorezystorach , przetwornikach, piezo-FETS, akcelerometrach półprzewodnikowych i tranzystorach bipolarnych .

Zobacz też

Kanda, Yozo (1991). „Efekt piezorezystancyjny krzemu”. Czujniki i elementy wykonawcze A: Fizyczne . Elsevier BV. 28 (2): 83–91. doi : 10.1016/0924-4247(91)85017-i . ISSN 0924-4247 .
S. Middelhoek i SA Audet, Silicon Sensors, Delft, Holandia: Delft University Press, 1994.
AL Window, Strain Gauge Technology, wydanie 2, Londyn, Anglia: Elsevier Applied Science, 1992.
Smith, Charles S. (1 kwietnia 1954). „Efekt piezorezystancyjny w germanie i krzemie”. Przegląd fizyczny . Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne (APS). 94 (1): 42–49. Kod Bib : 1954PhRv...94...42S . doi : 10.1103/physrev.94.42 . ISSN 0031-899X .
SM Sze, czujniki półprzewodnikowe, Nowy Jork: Wiley, 1994.