Efecto piezorresistivo

fenómeno físico

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El efecto piezorresistivo es un cambio en la resistividad eléctrica de un semiconductor o metal cuando se aplica tensión mecánica . A diferencia del efecto piezoeléctrico , el efecto piezorresistivo provoca un cambio solo en la resistencia eléctrica, no en el potencial eléctrico .

Historia

El cambio de resistencia eléctrica en los dispositivos metálicos debido a una carga mecánica aplicada fue descubierto por primera vez en 1856 por Lord Kelvin . Con el silicio monocristalino convirtiéndose en el material de elección para el diseño de circuitos analógicos y digitales , el gran efecto piezorresistivo en el silicio y el germanio se descubrió por primera vez en 1954 (Smith 1954). ^[1]

Mecanismo

En los materiales conductores y semiconductores, los cambios en el espaciamiento interatómico que resultan de la tensión afectan los huecos de banda , lo que hace más fácil (o más difícil según el material y la tensión) que los electrones se eleven a la banda de conducción . Esto da como resultado un cambio en la resistividad del material. Dentro de un cierto rango de deformación, esta relación es lineal, de modo que el coeficiente piezorresistivo

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

dónde

∂ρ = Cambio en resistividad

ρ = resistividad original

ε = Deformación

es constante.

Piezorresistividad en metales

Por lo general, el cambio de resistencia en los metales se debe principalmente al cambio de geometría resultante de la tensión mecánica aplicada. Sin embargo, aunque el efecto piezorresistivo es pequeño en esos casos, a menudo no es despreciable. En los casos en que lo sea, se puede calcular utilizando la ecuación de resistencia simple derivada de la ley de Ohm ;

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

dónde

${\displaystyle \ell }$ Longitud del conductor [m]

A Área de la sección transversal del flujo de corriente [m²] ^{[2] : p.207}

Algunos metales muestran una piezorresistividad mucho mayor que el cambio de resistencia debido a la geometría. En las aleaciones de platino, por ejemplo, la piezorresistividad es más de un factor de dos más grande, combinándose con los efectos de la geometría para dar una sensibilidad de la galga extensométrica de hasta más de tres veces más grande que debido a los efectos de la geometría solamente. La piezorresistividad del níquel puro es -13 veces mayor, empequeñeciendo por completo e incluso invirtiendo el signo del cambio de resistencia inducido por la geometría.

Efecto piezorresistivo en semiconductores a granel

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

Para el silicio, los factores de calibre pueden ser dos órdenes de magnitudes 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. El desplazamiento provoca una redistribución de los portadores entre valles con diferentes movilidades. Esto da como resultado una movilidad variable que depende de la dirección del flujo de corriente. Un efecto menor se debe al cambio de masa efectivo relacionado con las formas cambiantes de los valles. En el silicio p-conductor, los fenómenos son más complejos y también dan como resultado cambios de masa y transferencia de huecos.

Piezorresistencia gigante en estructuras híbridas de metal-silicio

Se informó un efecto piezorresistivo gigante, donde el coeficiente piezorresistivo excede el valor global, para una estructura híbrida de silicio-aluminio microfabricada . ^[3] El 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% más grande que en el silicio a granel. ^{[5] [6]} En 2006, se informó una piezorresistencia gigante ^[7] en nanocables de silicio fabricados de abajo hacia arriba: se informó un aumento> 30 en el coeficiente piezorresistivo longitudinal en comparación con el silicio a granel. Desde entonces, la sugerencia de una piezorresistencia gigante ha estimulado mucho esfuerzo en la comprensión física del efecto. ^{[8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]}

Dispositivos de silicio piezorresistivos

El efecto piezorresistivo de los semiconductores se ha utilizado para dispositivos sensores que emplean todo tipo de materiales semiconductores como germanio , silicio policristalino, silicio amorfo y silicio monocristalino. Dado que el silicio es hoy en día el material de elección para los circuitos analógicos y digitales integrados, el uso de dispositivos piezorresistivos de silicio ha sido de gran interés. Permite la fácil integración de sensores de estrés con circuitos bipolares y CMOS.

Esto ha permitido una amplia gama de productos que utilizan el efecto piezorresistivo. Muchos dispositivos comerciales, como sensores de presión y sensores de aceleración , emplean el efecto piezorresistivo en el silicio . Pero debido a su magnitud, el efecto piezorresistivo en el silicio también ha atraído la atención de la investigación y el desarrollo de todos los demás dispositivos que utilizan silicio monocristalino. Los sensores Hall de semiconductores , por ejemplo, fueron capaces de lograr su precisión actual solo después de emplear métodos que eliminan las contribuciones de señal debido a la tensión mecánica aplicada.

Piezoresistores

Los piezorresistores son resistencias hechas de un material piezorresistivo y generalmente se utilizan para medir la tensión mecánica . Son la forma más simple de dispositivos piezorresistivos.

Fabricación

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

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

Física de 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. Un piezorresistor alineado con el eje x, como se muestra en la figura, puede describirse mediante

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

donde , I , , , y denotan la resistencia libre de estrés, la corriente aplicada, el transversal y coeficientes piezorresistivos longitudinales, y los tres componentes de la tensión de tracción, respectivamente. Los coeficientes piezorresistivos varían significativamente con la orientación del sensor con respecto a los ejes cristalográficos y con el perfil de dopaje. A pesar de la sensibilidad al estrés bastante grande de las resistencias simples, se usan preferiblemente en configuraciones más complejas que eliminan ciertas sensibilidades cruzadas e inconvenientes. Los piezorresistores tienen la desventaja de ser muy sensibles a los cambios de temperatura mientras presentan cambios de amplitud de señal dependientes de la tensión relativa comparativamente pequeños.${\displaystyle R_{0}}$${\displaystyle \pi _{T}}$${\displaystyle \pi _{L}}$${\displaystyle \sigma _{ij}}$

Otros dispositivos piezorresistivos

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

Ver también

• Piezoelectricidad
• Resistencia eléctrica

Referencias

1. Barliano, 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  0131472860. 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 de metal-silicio". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 100 (14): 145501. doi : 10.1103 / physrevlett.100.145501 . ISSN 0031-9007 . 
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 que utiliza una estructura híbrida de metal-semiconductor . 16ª Conferencia Internacional de Sensores, Actuadores y Microsistemas de Estado Sólido. IEEE. pag. 1018-1021. doi : 10.1109 / transducers.2011.5969160 .
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6. Toriyama, T .; Sugiyama, S. (2003). "Puente nano-alambre piezorresistivo de silicio monocristalino". Sensores y actuadores A: Físicos . Elsevier BV. 108 (1–3): 244–249. doi : 10.1016 / s0924-4247 (03) 00269-3 . ISSN 0924-4247 . 
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9. Reck, K .; Richter, J .; Hansen, O .; Thomsen, EV (2008). Efecto piezorresistivo en nanocables de silicio fabricados de arriba hacia abajo . 2008 IEEE 21st International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. IEEE. pag. 7-17. doi : 10.1109 / memsys.2008.4443757 . ISSN 1084-6999 . 
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