Piezorezistivní účinek - Piezoresistive effect
Tento článek obsahuje seznam obecných Reference, ale zůstává z velké části neověřený, protože postrádá dostatečné odpovídající vložené citace.Březen 2013) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) ( |
The piezorezistivní účinek je změna v Elektrický odpor a polovodič nebo kov když mechanické namáhání je použito. Na rozdíl od piezoelektrický jev piezorezistivní účinek způsobí změnu pouze v elektrickém odporu, nikoli v elektrický potenciál.
Dějiny
Změna elektrického odporu v kovových zařízeních v důsledku aplikovaného mechanického zatížení byla poprvé objevena v roce 1856 Lord Kelvin. S monokrystalem křemík se stal materiálem volby pro návrh analogových a digitální obvody, velký piezorezistivní účinek v křemíku a germániu byl poprvé objeven v roce 1954 (Smith 1954).[1]
Mechanismus
U vodivých a polovodivých materiálů ovlivňují změny v meziatomových rozestupech vyplývající z přetvoření bandgaps, což usnadňuje (nebo zhoršuje v závislosti na materiálu a napětí), aby se elektrony zvedly do vodivé pásmo. To má za následek změnu měrného odporu materiálu. V určitém rozsahu přetvoření je tento vztah lineární, takže piezorezistivní koeficient
kde
- ∂ρ = Změna měrného odporu
- ρ = původní měrný odpor
- ε = kmen
je konstantní.
Piezorezistivita v kovech
Změna odporu v kovech je obvykle způsobena změnou geometrie v důsledku aplikovaného mechanického namáhání. Přestože je piezorezistivní účinek v těchto případech malý, často není zanedbatelný. V případech, kdy je, lze jej vypočítat pomocí jednoduché rovnice odporu odvozené z Ohmův zákon;
kde
- Délka vodiče [m]
- A Průřez aktuálního proudu [m²][2]:207
Některé kovy vykazují piezorezistivitu, která je mnohem větší než změna odporu v důsledku geometrie. Například u slitin platiny je piezorezistivita více než dvojnásobně větší, v kombinaci s geometrickými efekty poskytuje citlivost tenzometru až třikrát větší než v důsledku samotných geometrických efektů. Piezorezistivita čistého niklu je -13krát větší, zcela zakrslá a dokonce zvrácená znamením změny odporu vyvolané geometrií.
Piezorezistivní účinek v hromadných polovodičích
Piezorezistivní účinek polovodičových materiálů může být o několik řádů větší než geometrický efekt a je přítomen v materiálech jako germanium, polykrystalický křemík, amorfní křemík, karbid křemíku a monokrystalický křemík. Lze tedy sestavit polovodičové tenzometry s velmi vysokým koeficientem citlivosti. Pro přesná měření je obtížnější s nimi manipulovat než s kovovými tenzometry, protože polovodičové tenzometry jsou obecně citlivé na podmínky prostředí (zejména teplota).
Pro křemík, měřicí faktory mohou být o dva řády větší než ty, které byly pozorovány u většiny kovů (Smith 1954). Odpor n-vedení křemík se mění hlavně kvůli posunu tří různých párů vodivých údolí. Řazení způsobí přerozdělení nosičů mezi údolími s různými mobilitami. To má za následek různé pohyblivosti v závislosti na směru toku proudu. Menší účinek je způsoben efektivní hmotnost změna související se změnou tvarů údolí. v p-vedení křemík jevy jsou složitější a také vedou k hromadným změnám a přenosu děr.
Obrovská piezorezistence v hybridních strukturách kov-křemík
Obrovský piezorezistivní efekt - kde piezorezistivní koeficient přesahuje objemovou hodnotu - byl hlášen pro mikrofabrikované křemíko-hliníková hybridní struktura.[3] Efekt byl aplikován na technologie senzorů na bázi křemíku.[4]
Obrovský piezorezistivní účinek v křemíkových nanostrukturách
Podélný piezorezistivní koeficient vzhůru nohama vyrobený křemík nanodráty Bylo naměřeno, že je o 60% větší než u sypkého křemíku.[5][6]V roce 2006 obří piezorezistence[7] byl zaznamenán v zdola nahoru vyrobený křemík nanodráty - bylo hlášeno> 30 zvýšení podélného piezorezistivního koeficientu ve srovnání s objemovým křemíkem. Návrh obří piezorezistence od té doby podnítil velké úsilí k fyzickému porozumění účinku.[8][9][10][11][12][13][14]
Piezorezistivní křemíková zařízení
Piezorezistivní účinek polovodičů byl použit pro senzorová zařízení využívající všechny druhy polovodičových materiálů, jako jsou germanium, polykrystalický křemík, amorfní křemík a monokrystalický křemík. Vzhledem k tomu, že křemík je dnes materiálem pro výběr integrovaných digitálních a analogových obvodů, bylo velmi důležité použít piezorezistivní křemíková zařízení. Umožňuje snadnou integraci zátěžových senzorů s bipolárními a CMOS obvody.
To umožnilo širokou škálu produktů využívajících piezorezistivní efekt. Mnoho komerčních zařízení, jako je tlakové senzory a akcelerace senzory využívají piezorezistivní efekt v křemík. Ale díky své velikosti piezorezistivní účinek v křemíku přitahoval pozornost výzkumu a vývoje pro všechna ostatní zařízení používající monokrystalický křemík. Polovodič Hallovy senzory například byli schopni dosáhnout své současné přesnosti až po použití metod, které eliminují příspěvky signálu v důsledku aplikovaného mechanického namáhání.
Piezorezistory
Piezorezistory jsou rezistory vyrobené z piezorezistivního materiálu a obvykle se používají k měření mechanickýchstres. Jedná se o nejjednodušší formu piezorezistivních zařízení.
Výroba
Piezorezistory lze vyrobit za použití široké škály piezorezistivních materiálů. Nejjednodušší forma piezorezistivních křemíkových senzorů je rozptýlené odpory. Piezorezistory se skládají z jednoduchých dvou kontaktních difundovaných n- nebo p-jamek v p- nebo n-substrátu. Protože typické čtvercové odpory těchto zařízení jsou v rozmezí několika stovek ohmů, další difúze p + nebo n + plus jsou potenciální metodou k usnadnění ohmických kontaktů se zařízením.
Schematický řez základními prvky piezorezistoru křemíkového n-jamku.
Fyzika provozu
Pro typické hodnoty napětí v MPa rozsah napěťově závislého poklesu napětí podél odporu Vr, lze považovat za lineární. Piezorezistor zarovnaný s osou x, jak je znázorněno na obrázku, lze popsat
kde , Já, , , a označte odpor bez napětí, aplikovaný proud, příčné a podélné piezorezistivní koeficienty a tři složky tahového napětí. Piezorezistivní koeficienty se významně liší podle orientace senzoru vzhledem ke krystalografickým osám a dopingového profilu. Navzdory poměrně velké citlivosti na napětí u jednoduchých rezistorů se s výhodou používají ve složitějších konfiguracích, které vylučují určité křížové citlivosti a nevýhody. Piezorezistory mají tu nevýhodu, že jsou vysoce citlivé na změny teploty a zároveň mají relativně malé změny amplitudy signálu závislé na relativním stresu.
Další piezorezistivní zařízení
V křemíku se piezorezistivní účinek používá v piezorezistory, převodníky, piezo-FETS, pevné skupenství akcelerometry a bipolární tranzistory.
Viz také
Reference
- ^ Barlian, A.A .; Park, W.-T .; Mallon, J. R.; Rastegar, A.J .; Pruitt, B.L. (Březen 2009). „Recenze: Semiconductor Piezoresistance for Microsystems“. Sborník IEEE. 97 (3): 513–552. doi:10.1109 / jproc.2009.2013612. ISSN 0018-9219. PMC 2829857. PMID 20198118.
- ^ Liu, Chang (2006). "Piezorezistivní senzory" (PDF). Základy MEMS. Upper Saddle River, NG: Prentice Hall. ISBN 0131472860. Citováno 3. března 2013.
- ^ A. C. H. Rowe, A. Donoso-Barrera, Ch. Renner a S. Arscott: „Obří piezorezistence při pokojové teplotě v hybridní struktuře kov-křemík“ Phys. Rev. Lett. 100, 145501 (2008)doi:10.1103 / PhysRevLett.100.145501
- ^ Ngo, HD, Tekin, T., Vu, TC, Fritz, M., Kurniawan, W., Mukhopadhyay, B., Kolitsch A., Schifferand M. Lang, KD, „Senzor MEMS s obrovským piezorezistivním účinkem využívajícím kovový polovodič hybridní struktura “Konference polovodičových senzorů, akčních členů a mikrosystémů (PŘEVODOVKY), 16. mezinárodní konference v roce 2011. IEEE, 2011. s. 1018-1021. doi:10.1103 / 10.1109 / PŘEVODOVKY.2011.5969160
- ^ T. Turiyama, Y. Tanimoto, S. Sugiyama. „Monokrystalické křemíkové nanodrátové piezorezistory pro mechanické senzory“, J. MEMS 11, 605-611 (2002)
- ^ T. Toriyama, S. Sugiyama, „Monokrystalický křemíkový piezorezistentní namodrátový most“, Sensors and Actuators A 108, 244-249 (2003)
- ^ R. On, P. Yang. Obrovský efekt piezorezistence v křemíkových nanodrátech, Přírodní nanotechnologie 1, s. 42-46, 2006
- ^ P. Allain, doktorská práce: Étude des propriétés électro-thermo-mécaniques de nanofils en silicium pour leur intégration dans les microsystèmes
- ^ K. Reck, J. Richter, O. Hansen, E.V. Thomsen „Piezorezistivní účinek na křemíkové nanodráty vyrobené shora dolů“, Proc. MEMS, str.7, 17, 2008
- ^ P. Yang. "Chemie a fyzika křemíkových nanodrátů". Dalton Trans. p. 4387-4391 (2008)
- ^ J.S. Milne, A.C.H. Rowe, S. Arscott, C. Renner, „Účinky obrovské piezorezistence v křemíkových nanodrátech a mikrodrátech“, Phy. Rev. 105, 22, (2010)doi:10.1103 / PhysRevLett.105.226802
- ^ A. Koumela, D. Mercier, C. Dupré, G. Jourdan, C. Marcoux, E. Ollier, S. T. Purcell et L. Duraffourg, „Piezoresistance top-down suspend Si nanowires“, Nanotechnologie 22 395701, 2011
- ^ ACH Rowe, „Piezorezistence v křemíku a jeho nanostrukturách“, J. Materials Research 29, 731-744 (2014)doi:10.1557 / jmr.2014.52
- ^ M.M. McClarty, N. Jegenyes, M. Gaudet, C. Toccafondi, R. Ossikovski, F. Vaurette, S. Arscott a A.C.H. Rowe, „Geometrické a chemické složky obrovské piezorezistence v křemíkových nanodrátech“ Appl. Phys. Lett. 109, 023102 (2016)doi:10.1063/1.4955403
- Y. Kanda, „Piezoresistance Effect of Silicon,“ Sens. Actuators, sv. A28, č. 2, s. 83–91, 1991.
- S. Middelhoek a S. A. Audet, Silicon Sensors, Delft, Nizozemsko: Delft University Press, 1994.
- A. L. Window, Strain Gauge Technology, 2. vydání, Londýn, Anglie: Elsevier Applied Science, 1992.
- C. S. Smith, „Piezoresistance Effect in Germanium and Silicon,“ Phys. Rev., sv. 94, č. 1, s. 42–49, 1954.
- S. M. Sze, Semiconductor Sensors, New York: Wiley, 1994.
- A. A. Barlian, W.-T. Park, J. R. Mallon, A. J. Rastegar a B. L. Pruitt, „Recenze: Semiconductor Piezoresistance for Microsystems“, Proc. IEEE, sv. 97, č. 3, s. 513–552, 2009.