Пьезорезистивный эффект

Физическое явление

Пьезорезистивный эффект — это изменение электрического сопротивления полупроводника или металла при приложении механической деформации . В отличие от пьезоэлектрического эффекта , пьезорезистивный эффект вызывает изменение только электрического сопротивления, но не электрического потенциала .

История

Изменение электрического сопротивления в металлических устройствах из-за приложенной механической нагрузки было впервые обнаружено в 1856 году лордом Кельвином . Поскольку монокристаллический кремний стал основным материалом для проектирования аналоговых и цифровых схем , большой пьезорезистивный эффект в кремнии и германии был впервые обнаружен в 1954 году (Смит, 1954). ^[1]

Механизм

В проводящих и полупроводниковых материалах изменения межатомного расстояния, возникающие в результате деформации, влияют на запрещенные зоны , облегчая (или затрудняя в зависимости от материала и деформации) подъем электронов в зону проводимости . Это приводит к изменению удельного сопротивления материала. В определенном диапазоне деформации эта зависимость линейна, так что пьезорезистивный коэффициент

${\displaystyle \rho _{\sigma }={\frac {\left({\frac {\partial \rho }{\rho }}\right)}{\varepsilon }}}$

где

∂ρ = Изменение удельного сопротивления

ρ = Исходное удельное сопротивление

ε = Деформация

являются постоянными.

Пьезорезистивность в металлах

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 мал, он часто не является незначительным. В тех случаях, когда это так, его можно рассчитать с помощью простого уравнения сопротивления, полученного из закона Ома ;

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

где

${\displaystyle \ell }$Длина проводника [м]

A Площадь поперечного сечения потока тока [м ² ] ^{[2] : стр.207}

Некоторые металлы демонстрируют пьезорезистивность, которая намного больше, чем изменение сопротивления из-за геометрии. Например, в сплавах платины пьезорезистивность более чем в два раза больше, что в сочетании с эффектами геометрии дает чувствительность тензодатчика более чем в три раза больше, чем из-за одних только эффектов геометрии. Пьезорезистивность чистого никеля в -13 раз больше, полностью затмевая и даже меняя знак изменения сопротивления, вызванного геометрией.

Пьезорезистивный эффект в объемных полупроводниках

Пьезорезистивный эффект полупроводниковых материалов может быть на несколько порядков больше геометрического эффекта и присутствует в таких материалах, как германий , поликристаллический кремний, аморфный кремний, карбид кремния и монокристаллический кремний. Следовательно, можно построить полупроводниковые тензодатчики с очень высоким коэффициентом чувствительности. Для точных измерений с ними сложнее обращаться, чем с металлическими тензодатчиками, поскольку полупроводниковые тензодатчики, как правило, чувствительны к условиям окружающей среды (особенно к температуре).

Для кремния калибровочные факторы могут быть на два порядка больше, чем наблюдаемые в большинстве металлов (Смит, 1954). Сопротивление n-проводящего кремния в основном изменяется из-за смещения трех различных пар проводящих долин. Смещение вызывает перераспределение носителей между долинами с различной подвижностью. Это приводит к изменению подвижности в зависимости от направления тока. Незначительный эффект обусловлен эффективным изменением массы , связанным с изменением формы долин. В p-проводящем кремнии явления более сложные и также приводят к изменению массы и переносу дырок.

Гигантское пьезосопротивление в гибридных структурах металл-кремний

Гигантский пьезорезистивный эффект, когда пьезорезистивный коэффициент превышает объемное значение, был зарегистрирован для микроизготовленной кремниево-алюминиевой гибридной структуры. ^[3] Эффект был применен к сенсорным технологиям на основе кремния. ^[4]

Гигантский пьезорезистивный эффект в кремниевых наноструктурах

Продольный пьезорезистивный коэффициент изготовленных сверху вниз кремниевых нанопроводов был измерен и оказался на 60% больше, чем в объемном кремнии. ^{[5] [6]} В 2006 году было сообщено о гигантском пьезорезистивном эффекте ^{[7] в изготовленных} снизу вверх кремниевых нанопроводах – было сообщено о >30 увеличении продольного пьезорезистивного коэффициента по сравнению с объемным кремнием. Предположение о гигантском пьезорезистивном эффекте в наноструктурах с тех пор стимулировало много усилий для физического понимания эффекта не только в кремнии ^{[8] [9] [10] [11] [12] [13] [14],} но и в других функциональных материалах. ^[15]

Пьезорезистивные кремниевые приборы

Пьезорезистивный эффект полупроводников использовался для сенсорных устройств, использующих все виды полупроводниковых материалов, таких как германий , поликристаллический кремний, аморфный кремний и монокристаллический кремний. Поскольку кремний сегодня является материалом выбора для интегральных цифровых и аналоговых схем, использование пьезорезистивных кремниевых устройств представляет большой интерес. Это позволяет легко интегрировать датчики напряжения с биполярными и КМОП-схемами.

Это позволило создать 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 для всех других устройств, использующих монокристаллический кремний. Полупроводниковые датчики Холла , например, смогли достичь своей текущей точности только после использования методов, которые устраняют вклады сигнала из-за приложенного механического напряжения.

Пьезорезисторы

Пьезорезисторы — это резисторы, изготовленные из пьезорезистивного материала, и обычно используются для измерения механического напряжения . Они являются простейшей формой пьезорезистивных устройств.

Изготовление

Пьезорезисторы могут быть изготовлены с использованием широкого спектра пьезорезистивных материалов. Простейшей формой пьезорезистивных кремниевых датчиков являются диффузные резисторы. Пьезорезисторы состоят из простых двухконтактных диффузных n- или p-карманов внутри p- или n-подложки. Поскольку типичные квадратные сопротивления этих устройств находятся в диапазоне нескольких сотен Ом, дополнительные диффузии p+ или n+ plus являются потенциальным методом облегчения омических контактов с устройством.

Схематическое поперечное сечение основных элементов кремниевого n-карманного пьезорезистора.

Физика работы

Для типичных значений напряжения в диапазоне МПа падение напряжения, зависящее от напряжения вдоль резистора Vr, можно считать линейным. Пьезорезистор, выровненный по оси x, как показано на рисунке, можно описать следующим образом:

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

где , I , , , и обозначают сопротивление без напряжения, приложенный ток, поперечный и продольный коэффициенты пьезорезистивности и три компонента растягивающего напряжения соответственно. Коэффициенты пьезорезистивности значительно изменяются в зависимости от ориентации датчика относительно кристаллографических осей и профиля легирования. Несмотря на довольно большую чувствительность к напряжению 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 относительных изменениях амплитуды сигнала, зависящих от напряжения. ${\displaystyle R_{0}}$ ${\displaystyle \pi _{T}}$ ${\displaystyle \pi _{L}}$ ${\displaystyle \sigma _{ij}}$

Другие пьезорезистивные устройства

В кремнии пьезорезистивный эффект используется в пьезорезисторах , преобразователях, пьезоэлектрических полевых транзисторах, твердотельных акселерометрах и биполярных транзисторах .

Электропроводящий упаковочный материал Velostat используется любителями для изготовления датчиков давления благодаря его пьезорезистивным свойствам и низкой стоимости.

Смотрите также

• Пьезоэлектричество
• Электрическое сопротивление

Ссылки

1. Barlian, AA; Park, W.-T.; Mallon, JR; Rastegar, AJ; Pruitt, BL (март 2009). «Обзор: Пьезорезистивность полупроводников для микросистем». Труды IEEE . 97 (3): 513–552. doi :10.1109/jproc.2009.2013612. ISSN  0018-9219. PMC 2829857.  PMID 20198118  .
2. Лю, Чан (2006). "Пьезорезистивные датчики" (PDF) . Основы MEMS . Верхняя Сэддл-Ривер, Нью-Гэмпшир: Prentice Hall. ISBN 0131472860. Получено 3 марта 2013 г. .
3. Rowe, ACH; Donoso-Barrera, A.; Renner, Ch.; Arscott, S. (8 апреля 2008 г.). "Гигантское пьезосопротивление при комнатной температуре в гибридной структуре металл-кремний". 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). Датчик MEMS с гигантским пьезорезистивным эффектом с использованием гибридной структуры металл-полупроводник . 16-я Международная конференция по твердотельным датчикам, приводам и микросистемам. IEEE. стр. 1018-1021. doi :10.1109/transducers.2011.5969160.
5. Торияма, Т.; Танимото, И.; Сугияма, С. (2002). «Монокристаллические кремниевые нанопроволочные пьезорезисторы для механических датчиков». Журнал микроэлектромеханических систем . 11 (5). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 605–611. doi :10.1109/jmems.2002.802905. ISSN  1057-7157.
6. Торияма, Т.; Сугияма, С. (2003). «Монокристаллический кремниевый пьезорезистивный нанопроводной мост». Датчики и приводы A: Физические . 108 (1–3). Elsevier BV: 244–249. doi :10.1016/s0924-4247(03)00269-3. ISSN  0924-4247.
7. He, Rongrui; Yang, Peidong (2006). «Эффект гигантского пьезосопротивления в кремниевых нанопроводах». Nature Nanotechnology . 1 (1). Springer Science and Business Media LLC: 42–46. Bibcode : 2006NatNa...1...42H. doi : 10.1038/nnano.2006.53. ISSN  1748-3387. PMID  18654140. S2CID  17694712.
8. Аллен, П. (8 ноября 2012 г.). «Этюд свойств электротермомеханики нанофилов и кремния для интеграции в микросистемы» (докторская степень) (на французском языке). Университет Париж-Юг . Проверено 31 октября 2021 г.
9. Рек, К.; Рихтер, Дж.; Хансен, О.; Томсен, Э.В. (2008). Пьезорезистивный эффект в кремниевых нанопроводах, изготовленных сверху вниз . 2008 IEEE 21-я Международная конференция по микроэлектромеханическим системам. IEEE. стр. 7-17. doi :10.1109/memsys.2008.4443757. ISSN  1084-6999.
10. Yang, Peidong (2008). «Химия и физика кремниевой нанопроволоки». Dalton Transactions (33). Королевское химическое общество (RSC): 4387–4391. doi :10.1039/b801440j. ISSN  1477-9226. PMID  18698439.
11. Milne, JS; Rowe, ACH; Arscott, S.; Renner, Ch. (23 ноября 2010 г.). "Эффекты гигантского пьезорезистивности в кремниевых нанопроводах и микропроводах". Physical Review Letters . 105 (22): 226802. arXiv : 1010.1633 . Bibcode :2010PhRvL.105v6802M. doi :10.1103/physrevlett.105.226802. ISSN  0031-9007. PMID  21231411. S2CID  12201580.
12. Koumela, A; Mercier, D; Dupré, C; Jourdan, G; Marcoux, C; Ollier, E; Purcell, ST; Duraffourg, L (2 сентября 2011 г.). "Piezoresistance of top-down suspension Si nanowires". Нанотехнология . 22 (39). IOP Publishing: 395701. Bibcode : 2011Nanot..22M5701K. doi : 10.1088/0957-4484/22/39/395701. ISSN  0957-4484. PMID  21891838. S2CID  24747354.
13. Rowe, ACH (28 марта 2014 г.). «Пьезосопротивление в кремнии и его наноструктурах». Journal of Materials Research . 29 (6): 731–744. arXiv : 1309.6445 . Bibcode : 2014JMatR..29..731R. doi : 10.1557/jmr.2014.52. ISSN  0884-2914. S2CID  119238891.
14. McClarty, MM; Jegenyes, N.; Gaudet, M.; Toccafondi, C.; Ossikovski, R.; Vaurette, F.; Arscott, S.; Rowe, ACH (11 июля 2016 г.). «Геометрические и химические компоненты гигантского пьезосопротивления в кремниевых нанопроводах». Applied Physics Letters . 109 (2): 023102. arXiv : 1512.01396 . Bibcode : 2016ApPhL.109b3102M. doi : 10.1063/1.4955403. ISSN  0003-6951. S2CID  119189299.
15. Али, Утку Эмре; Моди, Гаурав; Агарвал, Ритеш; Бхаскаран, Хариш (18 марта 2022 г.). «Модуляция наномеханических свойств в реальном времени как основа для настраиваемых НЭМС». Nature Communications . 13 (1): 1464. Bibcode :2022NatCo..13.1464A. doi :10.1038/s41467-022-29117-7. ISSN  2041-1723. PMC 8933423 . PMID  35304454. 

• Канда, Йозо (1991). «Эффект пьезорезистивности кремния». Датчики и приводы A: Физические . 28 (2). Elsevier BV: 83–91. doi :10.1016/0924-4247(91)85017-i. ISSN  0924-4247.
• С. Мидделхук и С.А. Оде, Кремниевые датчики, Делфт, Нидерланды: Издательство Делфтского университета, 1994.
• AL Window, Технология тензодатчиков, 2-е изд., Лондон, Англия: Elsevier Applied Science, 1992.
• Смит, Чарльз С. (1 апреля 1954 г.). «Эффект пьезорезистивности в германии и кремнии». Physical Review . 94 (1). Американское физическое общество (APS): 42–49. Bibcode :1954PhRv...94...42S. doi :10.1103/physrev.94.42. ISSN  0031-899X.
• SM Sze, Полупроводниковые датчики, Нью-Йорк: Wiley, 1994.