Пьезорезистивный эффект

Пьезорезистивный эффект это изменение удельного электросопротивления полупроводника или — металла при механического напряжения приложении . В отличие от пьезоэлектрического эффекта , пьезорезистивный эффект вызывает изменение только электрического сопротивления, а не электрического потенциала .

История

Изменение электрического сопротивления металлических устройств под действием приложенной механической нагрузки было впервые обнаружено в 1856 году лордом Кельвином . Поскольку монокристаллический кремний стал предпочтительным материалом для проектирования аналоговых и цифровых схем , сильный пьезорезистивный эффект в кремнии и германии был впервые обнаружен в 1954 году (Смит, 1954). ^[1]

Механизм

В проводящих и полупроводниковых материалах изменения межатомного расстояния в результате деформации влияют на запрещенную зону , облегчая (или затрудняя, в зависимости от материала и деформации) подъем электронов в зону проводимости . Это приводит к изменению удельного сопротивления материала. В определенном диапазоне деформаций эта зависимость носит линейный характер, так что коэффициент пьезорезистивного сопротивления

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

где

∂ρ = Изменение удельного сопротивления

ρ = исходное удельное сопротивление

е = напряжение

постоянны.

Пьезорезистивность в металлах

Обычно изменение сопротивления металлов происходит в основном из-за изменения геометрии в результате приложенного механического напряжения. Однако, хотя пьезорезистивный эффект в этих случаях невелик, им часто можно пренебречь. В тех случаях, когда это так, его можно рассчитать, используя простое уравнение сопротивления, полученное на основе закона Ома ;

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

где

\ell

Длина проводника [м]

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

Некоторые металлы демонстрируют пьезорезистивное сопротивление, которое намного превышает изменение сопротивления из-за геометрии. Например, в платиновых сплавах пьезорезистивное сопротивление более чем в два раза выше, что в сочетании с эффектами геометрии дает чувствительность тензорезистора более чем в три раза выше, чем из-за одних только эффектов геометрии. Пьезорезистивное сопротивление чистого никеля в -13 раз больше, что полностью затмевает и даже меняет знак изменения сопротивления, вызванного геометрией.

Пьезорезистивный эффект в объемных полупроводниках.

Пьезорезистивный эффект полупроводниковых материалов может на несколько порядков превышать геометрический эффект и присутствует в таких материалах, как германий , поликристаллический кремний, аморфный кремний, карбид кремния и монокристаллический кремний. Следовательно, могут быть созданы полупроводниковые тензорезисторы с очень высоким коэффициентом чувствительности. Для прецизионных измерений с ними труднее обращаться, чем с металлическими тензорезисторами, поскольку полупроводниковые тензорезисторы обычно чувствительны к условиям окружающей среды (особенно к температуре).

Для кремния калибровочные коэффициенты могут быть на два порядка больше, чем у большинства металлов (Смит, 1954). Сопротивление n-проводящего кремния в основном меняется из-за смещения трех разных пар проводящих впадин. Смещение вызывает перераспределение носителей между долинами с разной мобильностью. Это приводит к различной подвижности в зависимости от направления тока. Незначительный эффект обусловлен эффективным изменением массы , связанным с изменением формы впадин. В кремнии с p-проводимостью явления более сложны и также приводят к изменению массы и переносу дырок.

Гигантское пьезосопротивление в гибридных структурах металл-кремний

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

Гигантский пьезорезистивный эффект в кремниевых наноструктурах

Продольный коэффициент пьезорезистивности сверху вниз, изготовленных кремниевых нанопроволок, оказался на 60% больше, чем в объемном кремнии. ^[5]^[6] В 2006 году гигантское пьезосопротивление ^[7] Сообщалось о изготовленных снизу вверх кремниевых нанопроволоках, - сообщалось об увеличении продольного коэффициента пьезорезистивности более чем на 30 по сравнению с объемным кремнием. Предположение о гигантском пьезосопротивлении в наноструктурах с тех пор стимулировало большие усилия по физическому пониманию этого эффекта не только в кремнии. ^[8]^[9]^[10]^[11]^[12]^[13]^[14] но и в других функциональных материалах. ^[15]

Пьезорезистивные кремниевые устройства

Пьезорезистивный эффект полупроводников использовался для сенсорных устройств, в которых используются все виды полупроводниковых материалов, таких как германий , поликристаллический кремний, аморфный кремний и монокристаллический кремний. Поскольку кремний сегодня является предпочтительным материалом 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 разработок всех других устройств, использующих монокристаллический кремний. Полупроводниковые датчики Холла , например, смогли достичь своей нынешней точности только после использования методов, которые устраняют влияние сигнала из-за приложенного механического напряжения.

Пьезорезисторы

Пьезорезисторы — это резисторы, изготовленные из пьезорезистивного материала и обычно используемые для измерения механических стресс . Это простейшая форма пьезорезистивных устройств.

Изготовление

Пьезорезисторы могут быть изготовлены из самых разных пьезорезистивных материалов. Простейшей формой пьезорезистивных кремниевых датчиков являются диффузионные резисторы . Пьезорезисторы состоят из простых двухконтактных диффузионных n- или p-ямок внутри p- или n-подложки. Поскольку типичное прямоугольное сопротивление этих устройств находится в диапазоне нескольких сотен Ом, дополнительная диффузия p+ или n+ plus является потенциальным методом облегчения омического контакта с устройством.

Схематическое сечение основных элементов кремниевого n-луночного пьезорезистора.

Физика работы

Для типичных значений напряжения в диапазоне МПа зависимое от напряжения падение напряжения на резисторе Vr можно считать линейным. Пьезорезистор, ориентированный по оси X, как показано на рисунке, можно описать формулой

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

где $R_{0}$ , я , $\pi _{T}$ , $\pi _{L}$ , и $\sigma _{ij}$ обозначают сопротивление без напряжений, приложенный ток, поперечный и продольный коэффициенты пьезорезистивности и три компонента растягивающего напряжения соответственно. Пьезорезистивные коэффициенты существенно изменяются в зависимости от ориентации датчика относительно кристаллографических осей и профиля легирования. Несмотря на достаточно большую чувствительность простых резисторов к напряжению, их предпочтительно использовать в более сложных конфигурациях, устраняющих определенную перекрестную чувствительность и недостатки. Недостатком пьезорезисторов является высокая чувствительность к изменениям температуры, но при этом они характеризуются сравнительно небольшими относительными изменениями амплитуды сигнала, зависящими от напряжения.

Другие пьезорезистивные устройства

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

Электропроводящий упаковочный материал Velostat используется любителями для изготовления датчиков давления из-за его пьезорезистивных свойств и низкой стоимости.

См. также

Ссылки

^ Барлиан, А.А.; Парк, В.-Т.; Мэллон, младший; Растегар, Эй Джей; Прюитт, Б.Л. (март 2009 г.). «Обзор: Пьезосопротивление полупроводников для микросистем» . Труды IEEE . 97 (3): 513–552. дои : 10.1109/jproc.2009.2013612 . ISSN 0018-9219 . ПМЦ 2829857 . ПМИД 20198118 .
^ Лю, Чанг (2006). «Пьезорезистивные датчики» (PDF) . Основы МЭМС . Река Аппер-Седл, Нью-Йорк: Прентис-Холл. ISBN 0131472860 . Проверено 3 марта 2013 г.
^ Роу, ACH; Доносо-Баррера, А.; Реннер, Ч.; Арскотт, С. (8 апреля 2008 г.). «Гигантское пьезосопротивление при комнатной температуре в гибридной структуре металл-кремний». Письма о физических отзывах . 100 (14): 145501. arXiv : 0803.0655 . Бибкод : 2008PhRvL.100n5501R . дои : 10.1103/physrevlett.100.145501 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 18518044 . S2CID 42265969 .
^ Нго, Х.-Д.; Текин, Т.; Ву, Т.-Ц.; Фриц, М.; Курниаван, В.; Мухопадхьяй, Б.; Колич, А.; Шиффер, М.; Ланг, К.-Д. (2011). МЭМС-датчик с гигантским пьезорезистивным эффектом, использующий гибридную структуру металл-полупроводник . 16-я Международная конференция по твердотельным датчикам, исполнительным механизмам и микросистемам. IEEE. п. 1018-1021. doi : 10.1109/transducers.2011.5969160 .
^ Торияма, Т.; Танимото, Ю.; Сугияма, С. (2002). «Монокристаллические кремниевые нанопроволочные пьезорезисторы для механических датчиков». Журнал микроэлектромеханических систем . 11 (5). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 605–611. дои : 10.1109/jmems.2002.802905 . ISSN 1057-7157 .
^ Торияма, Т.; Сугияма, С. (2003). «Монокристаллический кремниевый пьезорезистивный нанопроволочный мост». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 108 (1–3). Эльзевир Б.В.: 244–249. дои : 10.1016/s0924-4247(03)00269-3 . ISSN 0924-4247 .
^ Он, Ронгруи; Ян, Пейдун (2006). «Эффект гигантского пьезосопротивления в кремниевых нанопроволоках». Природные нанотехнологии . 1 (1). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 42–46. Бибкод : 2006NatNa...1...42H . дои : 10.1038/nnano.2006.53 . ISSN 1748-3387 . ПМИД 18654140 . S2CID 17694712 .
^ Аллен, П. (8 ноября 2012 г.). Исследование электротермомеханических свойств кремниевых нанопроволок для их интеграции в микросистемы (Докторская) (на французском языке). Университет Парижа Юг . Проверено 31 октября 2021 г.
^ Рек, К.; Рихтер, Дж.; Хансен, О.; Томсен, Э.В. (2008). Пьезорезистивный эффект в кремниевых нанопроволоках, изготовленных сверху вниз . 2008 г. 21-я Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам. IEEE. п. 7-17. дои : 10.1109/memsys.2008.4443757 . ISSN 1084-6999 .
^ Ян, Пейдун (2008). «Химия и физика кремниевых нанопроволок». Далтон Транзакции (33). Королевское химическое общество (RSC): 4387–4391. дои : 10.1039/b801440j . ISSN 1477-9226 . ПМИД 18698439 .
^ Милн, Дж.С.; Роу, ACH; Арскотт, С.; Реннер, Ч. (23 ноября 2010 г.). «Эффекты гигантского пьезосопротивления в кремниевых нанопроводах и микропроводах». Письма о физических отзывах . 105 (22): 226802. arXiv : 1010.1633 . Бибкод : 2010PhRvL.105v6802M . дои : 10.1103/physrevlett.105.226802 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 21231411 . S2CID 12201580 .
^ Кумела, А; Мерсье, Д; Дюпре, К; Журдан, Ж; Марку, К; Олье, Э; Перселл, Северная Каролина; Дюраффур, Л. (2 сентября 2011 г.). «Пьезосопротивление подвешенных сверху вниз кремниевых нанопроволок». Нанотехнологии . 22 (39). Издательство IOP: 395701. Бибкод : 2011Nanot..22M5701K . дои : 10.1088/0957-4484/22/39/395701 . ISSN 0957-4484 . ПМИД 21891838 . S2CID 24747354 .
^ Роу, ACH (28 марта 2014 г.). «Пьезосопротивление в кремнии и его наноструктурах». Журнал исследования материалов . 29 (6): 731–744. arXiv : 1309.6445 . Бибкод : 2014JMatR..29..731R . дои : 10.1557/jmr.2014.52 . ISSN 0884-2914 . S2CID 119238891 .
^ МакКларти, ММ; Джегенис, Н.; Годе, М.; Токкафонди, К.; Оссиковски Р.; Воретт, Ф.; Арскотт, С.; Роу, ACH (11 июля 2016 г.). «Геометрические и химические составляющие гигантского пьезосопротивления в кремниевых нанопроволоках». Письма по прикладной физике . 109 (2): 023102. arXiv : 1512.01396 . Бибкод : 2016АпФЛ.109b3102M . дои : 10.1063/1.4955403 . ISSN 0003-6951 . S2CID 119189299 .
^ Али, Утку Эмре; Моди, Гаурав; Агарвал, Ритеш; Бхаскаран, Хариш (18 марта 2022 г.). «Модуляция наномеханических свойств в реальном времени как основа настраиваемой NEMS» . Природные коммуникации . 13 (1): 1464. Бибкод : 2022NatCo..13.1464A . дои : 10.1038/s41467-022-29117-7 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 8933423 . ПМИД 35304454 .

Канда, Ёзо (1991). «Пьезорезистивный эффект кремния». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 28 (2). Эльзевир Б.В.: 83–91. дои : 10.1016/0924-4247(91)85017-i . ISSN 0924-4247 .
С. Миддельхук и С.А. Одет, Кремниевые датчики, Делфт, Нидерланды: Издательство Делфтского университета, 1994.
А.Л. Окно, Технология тензодатчиков, 2-е изд., Лондон, Англия: Elsevier Applied Science, 1992.
Смит, Чарльз С. (1 апреля 1954 г.). «Эффект пьезосопротивления в германии и кремнии». Физический обзор . 94 (1). Американское физическое общество (APS): 42–49. Бибкод : 1954PhRv...94...42S . дои : 10.1103/physrev.94.42 . ISSN 0031-899X .
С.М. Зе, Полупроводниковые датчики, Нью-Йорк: Wiley, 1994.

[1] Барлиан, А.А.; Парк, В.-Т.; Мэллон, младший; Растегар, Эй Джей; Прюитт, Б.Л. (март 2009 г.). «Обзор: Пьезосопротивление полупроводников для микросистем» . Труды IEEE . 97 (3): 513–552. дои : 10.1109/jproc.2009.2013612 . ISSN 0018-9219 . ПМЦ 2829857 . ПМИД 20198118 .

[Liu-2] Лю, Чанг (2006). «Пьезорезистивные датчики» (PDF) . Основы МЭМС . Река Аппер-Седл, Нью-Йорк: Прентис-Холл. ISBN 0131472860 . Проверено 3 марта 2013 г.

[3] Роу, ACH; Доносо-Баррера, А.; Реннер, Ч.; Арскотт, С. (8 апреля 2008 г.). «Гигантское пьезосопротивление при комнатной температуре в гибридной структуре металл-кремний». Письма о физических отзывах . 100 (14): 145501. arXiv : 0803.0655 . Бибкод : 2008PhRvL.100n5501R . дои : 10.1103/physrevlett.100.145501 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 18518044 . S2CID 42265969 .

[4] Нго, Х.-Д.; Текин, Т.; Ву, Т.-Ц.; Фриц, М.; Курниаван, В.; Мухопадхьяй, Б.; Колич, А.; Шиффер, М.; Ланг, К.-Д. (2011). МЭМС-датчик с гигантским пьезорезистивным эффектом, использующий гибридную структуру металл-полупроводник . 16-я Международная конференция по твердотельным датчикам, исполнительным механизмам и микросистемам. IEEE. п. 1018-1021. doi : 10.1109/transducers.2011.5969160 .

[5] Торияма, Т.; Танимото, Ю.; Сугияма, С. (2002). «Монокристаллические кремниевые нанопроволочные пьезорезисторы для механических датчиков». Журнал микроэлектромеханических систем . 11 (5). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 605–611. дои : 10.1109/jmems.2002.802905 . ISSN 1057-7157 .

[6] Торияма, Т.; Сугияма, С. (2003). «Монокристаллический кремниевый пьезорезистивный нанопроволочный мост». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 108 (1–3). Эльзевир Б.В.: 244–249. дои : 10.1016/s0924-4247(03)00269-3 . ISSN 0924-4247 .

[7] Он, Ронгруи; Ян, Пейдун (2006). «Эффект гигантского пьезосопротивления в кремниевых нанопроволоках». Природные нанотехнологии . 1 (1). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 42–46. Бибкод : 2006NatNa...1...42H . дои : 10.1038/nnano.2006.53 . ISSN 1748-3387 . ПМИД 18654140 . S2CID 17694712 .

[8] Аллен, П. (8 ноября 2012 г.). Исследование электротермомеханических свойств кремниевых нанопроволок для их интеграции в микросистемы (Докторская) (на французском языке). Университет Парижа Юг . Проверено 31 октября 2021 г.

[9] Рек, К.; Рихтер, Дж.; Хансен, О.; Томсен, Э.В. (2008). Пьезорезистивный эффект в кремниевых нанопроволоках, изготовленных сверху вниз . 2008 г. 21-я Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам. IEEE. п. 7-17. дои : 10.1109/memsys.2008.4443757 . ISSN 1084-6999 .

[10] Ян, Пейдун (2008). «Химия и физика кремниевых нанопроволок». Далтон Транзакции (33). Королевское химическое общество (RSC): 4387–4391. дои : 10.1039/b801440j . ISSN 1477-9226 . ПМИД 18698439 .

[11] Милн, Дж.С.; Роу, ACH; Арскотт, С.; Реннер, Ч. (23 ноября 2010 г.). «Эффекты гигантского пьезосопротивления в кремниевых нанопроводах и микропроводах». Письма о физических отзывах . 105 (22): 226802. arXiv : 1010.1633 . Бибкод : 2010PhRvL.105v6802M . дои : 10.1103/physrevlett.105.226802 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 21231411 . S2CID 12201580 .

[12] Кумела, А; Мерсье, Д; Дюпре, К; Журдан, Ж; Марку, К; Олье, Э; Перселл, Северная Каролина; Дюраффур, Л. (2 сентября 2011 г.). «Пьезосопротивление подвешенных сверху вниз кремниевых нанопроволок». Нанотехнологии . 22 (39). Издательство IOP: 395701. Бибкод : 2011Nanot..22M5701K . дои : 10.1088/0957-4484/22/39/395701 . ISSN 0957-4484 . ПМИД 21891838 . S2CID 24747354 .

[13] Роу, ACH (28 марта 2014 г.). «Пьезосопротивление в кремнии и его наноструктурах». Журнал исследования материалов . 29 (6): 731–744. arXiv : 1309.6445 . Бибкод : 2014JMatR..29..731R . дои : 10.1557/jmr.2014.52 . ISSN 0884-2914 . S2CID 119238891 .

[14] МакКларти, ММ; Джегенис, Н.; Годе, М.; Токкафонди, К.; Оссиковски Р.; Воретт, Ф.; Арскотт, С.; Роу, ACH (11 июля 2016 г.). «Геометрические и химические составляющие гигантского пьезосопротивления в кремниевых нанопроволоках». Письма по прикладной физике . 109 (2): 023102. arXiv : 1512.01396 . Бибкод : 2016АпФЛ.109b3102M . дои : 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 настраиваемой NEMS» . Природные коммуникации . 13 (1): 1464. Бибкод : 2022NatCo..13.1464A . дои : 10.1038/s41467-022-29117-7 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 8933423 . ПМИД 35304454 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]