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Piezoresistive effect

The piezoresistive effect is a change in the electrical resistivity of a semiconductor or metal when mechanical strain is applied. In contrast to the piezoelectric effect , the ...

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The piezoresistive effect is a change in the electrical resistivity of a semiconductor or metal when mechanical strain is applied. In contrast to the piezoelectric effect, the piezoresistive effect causes a change only in electrical resistance, not in electric potential.

History

The change of electrical resistance in metal devices due to an applied mechanical load was first discovered in 1856 by Lord Kelvin. With single crystal silicon becoming the material of choice for the design of analog and digital circuits, the large piezoresistive effect in silicon and germanium was first discovered in 1954 (Smith 1954).[1]

Mechanism

In conducting and semi-conducting materials, changes in inter-atomic spacing resulting from strain affect the bandgaps, making it easier (or harder depending on the material and strain) for electrons to be raised into the conduction band. This results in a change in resistivity of the material. Within a certain range of strain this relationship is linear, so that the piezoresistive coefficient

ρσ=(∂ρρ)ε{\displaystyle \rho _{\sigma }={\frac {\left({\frac {\partial \rho }{\rho }}\right)}{\varepsilon }}}

where

∂ρ = Change in resistivity
ρ = Original resistivity
ε = Strain

are constant.

Piezoresistivity in metals

Usually the resistance change in metals is mostly due to the change of geometry resulting from applied mechanical stress. However, even though the piezoresistive effect is small in those cases it is often not negligible. In cases where it is, it can be calculated using the simple resistance equation derived from Ohm's law;

R=ρℓA{\displaystyle R=\rho {\frac {\ell }{A}}\,}

where

ℓ{\displaystyle \ell } Conductor length [m]
A Cross-sectional area of the current flow [m2][2]:p.207

Some metals display piezoresistivity that is much larger than the resistance change due to geometry. In platinum alloys, for instance, piezoresistivity is more than a factor of two larger, combining with the geometry effects to give a strain gauge sensitivity of up to more than three times as large than due to geometry effects alone. Pure nickel's piezoresistivity is -13 times larger, completely dwarfing and even reversing the sign of the geometry-induced resistance change.

Piezoresistive effect in bulk semiconductors

El efecto piezorresistivo de los materiales semiconductores puede ser varios órdenes de magnitud mayor que el efecto geométrico y está presente en materiales como el germanio , el silicio policristalino, el silicio amorfo, el carburo de silicio y el silicio monocristalino. Por lo tanto, se pueden fabricar extensómetros semiconductores con un coeficiente de sensibilidad muy alto. Para mediciones de precisión, son más difíciles de manejar que los extensómetros metálicos, ya que los extensómetros semiconductores suelen ser sensibles a las condiciones ambientales (especialmente a la temperatura).

En el silicio, los factores de calibración pueden ser dos órdenes de magnitud mayores que los observados en la mayoría de los metales (Smith 1954). La resistencia del silicio conductor n cambia principalmente debido a un desplazamiento de los tres pares de valles conductores diferentes. Este desplazamiento provoca una redistribución de los portadores entre valles con distintas movilidades. Esto da como resultado movilidades variables que dependen de la dirección del flujo de corriente. Un efecto menor se debe al cambio de masa efectiva relacionado con la modificación de la forma de los valles. En el silicio conductor p, los fenómenos son más complejos y también dan lugar a cambios de masa y transferencia de huecos.

Piezorresistencia gigante en estructuras híbridas metal-silicio

Se informó de un efecto piezorresistivo gigante —donde el coeficiente piezorresistivo supera el valor del material a granel— en una estructura híbrida de silicio-aluminio microfabricada . [ 3 ] Este efecto se ha aplicado a tecnologías de sensores basadas en silicio. [ 4 ]

Efecto piezorresistivo gigante en nanoestructuras de silicio

Se midió que el coeficiente piezorresistivo longitudinal de los nanocables de silicio fabricados de arriba hacia abajo era un 60 % mayor que en el silicio masivo. [ 5 ] [ 6 ] En 2006, se informó de una piezorresistencia gigante [ 7 ] en nanocables de silicio fabricados de abajo hacia arriba : se informó de un aumento >30 en el coeficiente piezorresistivo longitudinal en comparación con el silicio masivo. La sugerencia de una piezorresistencia gigante en nanoestructuras ha estimulado desde entonces muchos esfuerzos para comprender físicamente el efecto no solo en el silicio [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] sino también en otros materiales funcionales. [ 15 ]

Dispositivos de silicio piezorresistivos

El efecto piezorresistivo de los semiconductores se ha utilizado en dispositivos sensores que emplean diversos materiales semiconductores, como germanio , silicio policristalino, silicio amorfo y silicio monocristalino. Dado que el silicio es actualmente el material preferido para circuitos digitales y analógicos integrados, el uso de dispositivos piezorresistivos de silicio ha despertado gran interés. Esto permite la fácil integración de sensores de tensión con circuitos bipolares y CMOS.

Esto ha permitido el desarrollo de una amplia gama de productos que utilizan el efecto piezorresistivo. Muchos dispositivos comerciales, como sensores de presión y de aceleración , emplean este efecto en el silicio . Sin embargo, debido a su magnitud, el efecto piezorresistivo en el silicio también ha captado la atención de la investigación y el desarrollo para otros dispositivos que utilizan silicio monocristalino. Los sensores Hall semiconductores , por ejemplo, solo lograron su precisión actual tras emplear métodos que eliminan las contribuciones de la señal debidas a la tensión mecánica aplicada.

Piezorresistores

Los piezorresistores son resistencias fabricadas con un material piezorresistivo y se utilizan habitualmente para medir la tensión mecánica . Son la forma más sencilla de dispositivos piezorresistivos.

Fabricación

Los piezorresistores se pueden fabricar utilizando una amplia variedad de materiales piezorresistivos. La forma más simple de sensores piezorresistivos de silicio son las resistencias difusas . Los piezorresistores consisten en dos pozos difusos n o p de contacto simple dentro de un sustrato p o n. Dado que las resistencias cuadradas típicas de estos dispositivos se encuentran en el rango de varios cientos de ohmios, las difusiones p+ o n+ adicionales constituyen un método potencial para facilitar los contactos óhmicos al dispositivo.

Sección transversal esquemática de los elementos básicos de un piezorresistor de silicio con pozo n.

Física del funcionamiento

Para valores de tensión típicos en el rango de MPa, la caída de tensión dependiente de la tensión a lo largo de la resistencia Vr puede considerarse lineal. Una piezorresistencia alineada con el eje x, como se muestra en la figura, puede describirse mediante

 Vr=R0I[1+πLσincógnitaincógnita+πT(σyy+σzz)]{\displaystyle \ V_{r}=R_{0}I[1+\pi _{L}\sigma _{xx}+\pi _{T}(\sigma _{yy}+\sigma _{zz})]}

dóndeR0{\displaystyle R_{0}}, I ,πT{\displaystyle \pi _{T}},πL{\displaystyle \pi _{L}}, yσij{\displaystyle \sigma _{ij}}denotan la resistencia libre de tensión, la corriente aplicada, los coeficientes piezorresistivos transversales y longitudinales, y los tres componentes de tensión de tracción, respectivamente. Los coeficientes piezorresistivos varían significativamente con la orientación del sensor respecto a los ejes cristalográficos y con el perfil de dopaje. A pesar de la considerable sensibilidad a la tensión de las resistencias simples, se prefieren en configuraciones más complejas que eliminan ciertas sensibilidades cruzadas y desventajas. Las piezorresistencias tienen la desventaja de ser altamente sensibles a los cambios de temperatura, a la vez que presentan cambios de amplitud de señal relativamente pequeños dependientes de la tensión.

Otros dispositivos piezorresistivos

En el silicio, el efecto piezorresistivo se utiliza en piezorresistores , transductores, piezo-FET, acelerómetros de estado sólido y transistores bipolares .

El material de embalaje conductor de electricidad Velostat es utilizado por aficionados para fabricar sensores de presión debido a sus propiedades piezorresistivas y su bajo coste.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Barlian, AA; Park, W.-T.; Mallon, JR; Rastegar, AJ; Pruitt, BL (marzo de 2009). " Revisión: Piezorresistencia de semiconductores para microsistemas" . Actas del IEEE . 97 (3): 513– 552. doi : 10.1109/jproc.2009.2013612 . ISSN 0018-9219 . PMC 2829857. PMID 20198118 .   
  2. ↑ Liu, Chang (2006). "Sensores piezorresistivos" (PDF) . Fundamentos de MEMS . Upper Saddle River, NG: Prentice Hall. ISBN 0-13-147286-0Archivado del original (PDF) el 14 de mayo de 2012. Consultado el 3 de marzo de 2013 .
  3. ↑ Rowe, ACH; Donoso-Barrera, A.; Renner, Ch.; Arscott, S. (8 de abril de 2008). "Piezorresistencia gigante a temperatura ambiente en una estructura híbrida metal-silicio". Physical Review Letters . 100 (14) 145501. arXiv : 0803.0655 . Bibcode : 2008PhRvL.100n5501R . doi : 10.1103 / physrevlett.100.145501 . ISSN 0031-9007 . PMID 18518044. S2CID 42265969 .   
  4. ↑ Ngo, H.-D.; Tekin, T.; Vu, T.-C.; Fritz, M.; Kurniawan, W.; Mukhopadhyay, B.; Kolitsch, A.; Schiffer, M.; Lang, K.-D. (2011). Sensor MEMS con efecto piezorresistivo gigante mediante estructura híbrida metal-semiconductor . 16.ª Conferencia Internacional sobre Sensores, Actuadores y Microsistemas de Estado Sólido. IEEE. págs. 1018-1021. doi : 10.1109/transducers.2011.5969160 . 
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  6. ↑ Toriyama, T.; Sugiyama, S. (2003). "Puente de nanocables piezorresistivos de silicio monocristalino". Sensors and Actuators A: Physical . 108 ( 1– 3). Elsevier BV: 244– 249. Bibcode : 2003SeAcA.108..244T . doi : 10.1016/s0924-4247(03)00269-3 . ISSN 0924-4247 . 
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