Piezoresistiv effekt

Den piezoresistiva effekten är en förändring i den elektriska resistiviteten hos en halvledare eller metall när mekanisk belastning appliceras. I motsats till den piezoelektriska effekten orsakar den piezoresistiva effekten en förändring endast i det elektriska motståndet, inte i den elektriska potentialen .

Historia

Förändringen av elektriskt motstånd i metallanordningar på grund av en applicerad mekanisk belastning upptäcktes först 1856 av Lord Kelvin . Med enkristallkisel som blev det valda materialet för design av analoga och digitala kretsar , upptäcktes den stora piezoresistiva effekten i kisel och germanium först 1954 (Smith 1954) .

Mekanism

I ledande och halvledande material påverkar förändringar i avståndet mellan atomerna till följd av spänning bandgapen, vilket gör det lättare (eller svårare beroende på material och spänning) för elektroner att lyftas in i ledningsbandet . Detta resulterar i en förändring i materialets resistivitet. Inom ett visst töjningsintervall är detta förhållande linjärt, så att den piezoresistiva koefficienten

var

∂ρ = Ändring i resistivitet
ρ = Ursprunglig resistivitet
ε = Töjning

är konstant.

Piezoresistivitet i metaller

Vanligtvis beror resistansförändringen i metaller mestadels på förändringen av geometrin till följd av applicerad mekanisk påkänning. Men även om den piezoresistiva effekten är liten i dessa fall är den ofta inte försumbar. I de fall det är det kan det beräknas med hjälp av den enkla resistansekvationen som härleds från Ohms lag ;

var

Ledarlängd [m]
A Tvärsnittsarea av strömflödet [m²]

Vissa metaller uppvisar piezoresistivitet som är mycket större än resistansförändringen på grund av geometri. I platinalegeringar, till exempel, är piezoresistiviteten mer än en faktor två större, i kombination med geometrieffekterna för att ge en töjningsmätarekänslighet på upp till mer än tre gånger så stor än på grund av enbart geometrieffekter. Rent nickels piezoresistivitet är -13 gånger större, helt dvärgande och vänder till och med tecknet på den geometriinducerade resistansförändringen.

Piezoresistiv effekt i bulkhalvledare

Den piezoresistiva effekten av halvledarmaterial kan vara flera storleksordningar större än den geometriska effekten och finns i material som germanium , polykristallint kisel, amorft kisel, kiselkarbid och enkristallint kisel. Därför kan halvledartöjningsmätare med en mycket hög känslighetskoefficient byggas. För precisionsmätningar är de svårare att hantera än metalltöjningsgivare, eftersom halvledartöjningsmätare i allmänhet är känsliga för miljöförhållanden (särskilt temperatur).

För kisel kan mätfaktorer vara två storleksordningar större än de som observeras i de flesta metaller (Smith 1954). Resistansen hos n-ledande kisel förändras huvudsakligen på grund av en förskjutning av de tre olika ledande dalparen. Förskjutningen orsakar en omfördelning av bärarna mellan dalar med olika rörlighet. Detta resulterar i varierande rörlighet beroende på strömriktningen. En mindre effekt beror på den effektiva massförändringen relaterad till förändrade former av dalarna. I p-ledande kisel är fenomenen mer komplexa och resulterar även i massförändringar och hålöverföring.

Jätte piezoresistens i metall-kisel-hybridstrukturer

En gigantisk piezoresistiv effekt – där den piezoresistiva koefficienten överstiger bulkvärdet – rapporterades för en mikrotillverkad kisel-aluminium-hybridstruktur. Effekten har applicerats på kiselbaserade sensorteknologier.

Jätte piezoresistiv effekt i kisel nanostrukturer

Den longitudinella piezoresistiva koefficienten för top-down tillverkade kisel nanotrådar uppmättes till att vara 60% större än i bulk kisel. 2006 rapporterades gigantisk piezoresistens i bottom-up -tillverkade kiselnanotrådar - en >30 ökning av den longitudinella piezoresistiva koefficienten jämfört med bulkkisel rapporterades. Förslaget om en gigantisk piezoresistens i nanostrukturer har sedan dess stimulerat mycket ansträngning för en fysisk förståelse av effekten inte bara i kisel utan även i andra funktionella material.

Piezoresistiva silikonenheter

Den piezoresistiva effekten av halvledare har använts för sensorenheter som använder alla typer av halvledarmaterial såsom germanium , polykristallint kisel, amorft kisel och enkristallint kisel. Eftersom kisel idag är det valda materialet för integrerade digitala och analoga kretsar har användningen av piezoresistiva kiselanordningar varit av stort intresse. Det möjliggör enkel integrering av stresssensorer med bipolära och CMOS-kretsar.

Detta har möjliggjort ett brett utbud av produkter som använder den piezoresistiva effekten. Många kommersiella enheter som trycksensorer och accelerationssensorer använder den piezoresistiva effekten i kisel . Men på grund av dess omfattning har den piezoresistiva effekten i kisel också uppmärksammats av forskning och utveckling för alla andra enheter som använder enkristallkisel. Halvledare Hall-sensorer , till exempel, kunde uppnå sin nuvarande precision först efter att ha använt metoder som eliminerar signalbidrag på grund av pålagd mekanisk påkänning.

Piezomotstånd

Piezoresistorer är motstånd gjorda av ett piezoresistivt material och används vanligtvis för mätning av mekanisk spänning . De är den enklaste formen av piezoresistiva enheter.

Tillverkning

Piezoresistorer kan tillverkas med ett stort antal olika piezoresistiva material. Den enklaste formen av piezoresistiva kiselsensorer är diffusa motstånd. Piezoresistorer består av en enkel tvåkontaktsdiffunderad n- eller p-brunn inom ett p- eller n-substrat. Eftersom de typiska kvadratresistanserna för dessa enheter ligger inom intervallet flera hundra ohm, är ytterligare p+ eller n+ plus diffusioner en potentiell metod för att underlätta ohmska kontakter till enheten.

Piezoresistor.jpg

Schematisk tvärsektion av de grundläggande elementen i en kisel n-brunn piezoresistor.

Operationsfysik

För typiska spänningsvärden i MPa -området kan det spänningsberoende spänningsfallet längs motståndet Vr anses vara linjärt. En piezoresistor i linje med x-axeln som visas i figuren kan beskrivas av

där , I , , och betecknar det spänningsfria motståndet, den applicerade strömmen, de tvärgående och longitudinella piezoresistiva koefficienterna respektive de tre dragspänningskomponenterna. De piezoresistiva koefficienterna varierar avsevärt med sensororienteringen med avseende på de kristallografiska axlarna och med dopningsprofilen. Trots den ganska stora spänningskänsligheten hos enkla motstånd, används de företrädesvis i mer komplexa konfigurationer, vilket eliminerar vissa korskänsligheter och nackdelar. Piezoresistorer har nackdelen att vara mycket känsliga för temperaturförändringar samtidigt som de har jämförelsevis små relativa spänningsberoende signalamplitudförändringar.

Andra piezoresistiva enheter

I kisel används den piezoresistiva effekten i piezoresistorer , givare, piezo-FETS, halvledaraccelerometrar och bipolära transistorer .

Se även

  •   Kanda, Yozo (1991). "Piezoresistenseffekt av kisel". Sensorer och ställdon A: Fysiska . Elsevier BV. 28 (2): 83–91. doi : 10.1016/0924-4247(91)85017-i . ISSN 0924-4247 .
  • S. Middelhoek och SA Audet, Silicon Sensors, Delft, Nederländerna: Delft University Press, 1994.
  • AL Window, Strain Gauge Technology, 2:a upplagan, London, England: Elsevier Applied Science, 1992.
  •   Smith, Charles S. (1 april 1954). "Piezoresistenseffekt i germanium och kisel". Fysisk granskning . American Physical Society (APS). 94 (1): 42–49. Bibcode : 1954PhRv...94...42S . doi : 10.1103/physrev.94.42 . ISSN 0031-899X .
  • SM Sze, Semiconductor Sensors, New York: Wiley, 1994.