пьезорезистивный эффект - это изменение удельного электрического сопротивления из полупроводника или металла при приложении механической деформации. В отличие от пьезоэлектрического эффекта, пьезорезистивный эффект вызывает изменение только электрического сопротивления, но не электрического потенциала.
Изменение электрического сопротивления в металлических устройствах из-за прикладываемая механическая нагрузка была впервые обнаружена в 1856 г. лордом Кельвином. Когда монокристалл кремний стал предпочтительным материалом для создания аналоговых и цифровых схем, большой пьезорезистивный эффект в кремнии и германии был впервые обнаружен в 1954 году (Smith 1954).
В проводящих и полупроводниковых материалах изменения межатомного расстояния в результате деформации влияют на запрещенную зону, что упрощает (или усложняет в зависимости от материала и деформации).), чтобы электроны поднялись в зону проводимости . Это приводит к изменению удельного сопротивления материала. В пределах определенного диапазона деформации это соотношение является линейным, так что пьезорезистивный коэффициент
где
постоянно.
Обычно изменение сопротивления в металлах в основном происходит из-за изменения геометрии в результате приложенного механического напряжения. Однако, даже если пьезорезистивный эффект в этих случаях невелик, им нельзя пренебречь. В тех случаях, когда это так, его можно рассчитать с помощью простого уравнения сопротивления, выведенного из закона Ома ;
где
Отображение некоторых металлов пьезорезистивность намного больше, чем изменение сопротивления из-за геометрии. В платиновых сплавах, например, пьезорезистивность более чем в два раза больше, что в сочетании с геометрическими эффектами дает чувствительность тензодатчика более чем в три раза выше, чем из-за только геометрических эффектов. Пьезорезистивность чистого никеля в -13 раз больше, что полностью затмевает и даже меняет знак изменения сопротивления, вызванного геометрией.
Пьезорезистивный эффект полупроводниковых материалов может быть на несколько порядков больше, чем геометрический эффект, и присутствует в таких материалах, как германий, поликристаллический кремний, аморфный кремний, карбид кремния и монокристаллический кремний. Следовательно, могут быть созданы полупроводниковые тензодатчики с очень высоким коэффициентом чувствительности. Для прецизионных измерений с ними труднее работать, чем с металлическими тензодатчиками, поскольку полупроводниковые тензодатчики обычно чувствительны к условиям окружающей среды (особенно к температуре).
Для кремния калибровочные коэффициенты могут быть на два порядка больше, чем наблюдаемые для большинства металлов (Smith 1954). Сопротивление n-проводящего кремния в основном изменяется из-за сдвига трех различных пар проводящих долин. Сдвиг вызывает перераспределение носителей между долинами с разной подвижностью. Это приводит к изменению подвижности в зависимости от направления тока. Незначительный эффект связан с изменением эффективной массы, связанным с изменением формы впадин. В кремнии p-проводимости явления более сложны и также приводят к изменениям массы и переносу дырок.
Сообщалось о гигантском пьезорезистивном эффекте, когда пьезорезистивный коэффициент превышает объемное значение, для микроизготовленной гибридной кремний-алюминиевой гибридной структуры.. Эффект был применен к сенсорным технологиям на основе кремния.
Продольный пьезорезистивный коэффициент нисходящих кремниевых нанопроволок оказался на 60% больше, чем объемный кремний. В 2006 году сообщалось о гигантском пьезосопротивлении в восходящих кремниевых нанопроволоках - сообщалось об увеличении продольного пьезорезистивного коэффициента на>30 по сравнению с объемным кремнием. Предположение о гигантском пьезосопротивлении с тех пор стимулировало большие усилия к физическому пониманию этого эффекта.
Пьезорезистивный эффект полупроводников был использован для сенсорных устройств, использующих все виды полупроводников. материалы, такие как германий, поликристаллический кремний, аморфный кремний и монокристаллический кремний. Поскольку сегодня кремний является предпочтительным материалом для интегральных цифровых и аналоговых схем, использование пьезорезистивных кремниевых устройств вызывает большой интерес. Это позволяет легко интегрировать датчики напряжения с биполярными и КМОП схемами.
Благодаря этому появился широкий спектр продуктов, использующих пьезорезистивный эффект. Многие коммерческие устройства, такие как датчики давления и датчики ускорения, используют пьезорезистивный эффект в кремнии. Но из-за своей величины пьезорезистивный эффект в кремнии также привлек внимание исследователей и разработчиков всех других устройств, использующих монокристаллический кремний. Полупроводниковые датчики Холла, например, смогли достичь своей текущей точности только после использования методов, которые исключают влияние сигнала из-за приложенного механического напряжения.
Пьезорезисторы - это резисторы, изготовленные из пьезорезистивного материала, которые обычно используются для измерения механических напряжений. Это простейшая форма пьезорезистивных устройств.
Пьезорезисторы могут быть изготовлены с использованием широкого разнообразия пьезорезистивных материалов. Самой простой формой пьезорезистивных кремниевых сенсоров являются. Пьезорезисторы состоят из простых двухконтактных диффузионных n- или p-лунок внутри p- или n-подложки. Поскольку типичные квадратные сопротивления этих устройств находятся в диапазоне нескольких сотен Ом, дополнительная диффузия p + или n + plus является потенциальным методом для облегчения омических контактов с устройством.
Схематический разрез основных элементов кремниевого n-луночного пьезорезистора.
Для типичных значений напряжения в диапазоне МПа зависимое от напряжения падение напряжения вдоль резистора Vr можно рассматривать как линейное. Пьезорезистор, выровненный по оси x, как показано на рисунке, может быть описан как
где , I, , и обозначают сопротивление без напряжений, приложенный ток, поперечный и продольный пьезорезистивные коэффициенты и три составляющие растягивающего напряжения соответственно. Пьезорезистивные коэффициенты существенно изменяются в зависимости от ориентации сенсора относительно кристаллографических осей и профиля легирования. Несмотря на довольно большую чувствительность к нагрузкам простых резисторов, их предпочтительно использовать в более сложных конфигурациях, устраняющих определенные перекрестные чувствительности и недостатки. Недостатком пьезорезисторов является их высокая чувствительность к изменениям температуры при сравнительно небольших изменениях амплитуды сигнала в зависимости от относительного напряжения.
В кремнии пьезорезистивный эффект используется в пьезорезисторах, преобразователях, пьезо-полевых транзисторах, твердотельных акселерометрах и биполярные транзисторы.