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Efecto piezoresistivo

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

Historia

El cambio de resistencia eléctrica en dispositivos metálicos debido a una carga mecánica aplicada fue descubierto por primera vez en 1856 por Lord Kelvin . Dado que el silicio monocristalino se convirtió en el material elegido para el diseño de circuitos analógicos y digitales , el gran efecto piezorresistivo del 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 espacio interatómico resultantes de la tensión afectan las bandas prohibidas , lo que facilita (o dificulta, 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 piezoresistivo

dónde

∂ρ = Cambio en resistividad
ρ = Resistividad original
ε = Deformación

son constantes.

Piezoresistividad 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 piezoresistivo 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 ;

dónde

Longitud del conductor [m]
A Área transversal del flujo de corriente [m 2 ] [2] : p.207 

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

Efecto piezoresistivo en semiconductores a granel.

El efecto piezoresistivo 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 tanto, se pueden construir galgas extensométricas de semiconductores con un coeficiente de sensibilidad muy alto. Para mediciones de precisión, son más difíciles de manejar que las galgas extensométricas metálicas, porque las galgas extensométricas de semiconductores son generalmente sensibles a las condiciones ambientales (especialmente la temperatura).

Para el silicio, los factores de calibre pueden ser dos órdenes de magnitud mayores que los observados en la mayoría de los metales (Smith 1954). La resistencia del silicio n-conductor cambia principalmente debido a un desplazamiento de los tres pares de valles conductores diferentes. El desplazamiento provoca una redistribución de las portadoras entre valles con diferentes 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 efectivo relacionado con las formas cambiantes de los valles. En el silicio p-conductor los fenómenos son más complejos y también dan lugar a cambios de masa y transferencia de huecos.

Piezorresistencia gigante en estructuras híbridas de metal-silicio.

Se informó de un efecto piezoresistivo gigante, en el que el coeficiente piezoresistivo supera el valor global, para una estructura híbrida microfabricada de silicio y aluminio. [3] El efecto se ha aplicado a tecnologías de sensores basados ​​en silicio. [4]

Efecto piezoresistivo 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 el del silicio a granel. [5] [6] En 2006, se informó piezorresistencia gigante [7] en nanocables de silicio fabricados de abajo hacia arriba : se informó un aumento >30 en el coeficiente piezoresistivo longitudinal en comparación con el silicio en masa. Desde entonces, la sugerencia de una piezorresistencia gigante en las nanoestructuras ha estimulado muchos esfuerzos para comprender físicamente el efecto no sólo en el silicio [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] sino también en otras estructuras funcionales. materiales. [15]

Dispositivos de silicio piezorresistivos

El efecto piezorresistivo de los semiconductores se ha utilizado para dispositivos sensores que emplean todo tipo de materiales semiconductores como el germanio , el silicio policristalino, el silicio amorfo y el silicio monocristalino. Dado que el silicio es hoy el material elegido para los circuitos analógicos y digitales integrados, el uso de dispositivos de silicio piezorresistivos ha despertado 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 piezoresistivo. Muchos dispositivos comerciales, como sensores de presión y sensores de aceleración , emplean el efecto piezoresistivo en el silicio . Pero debido a su magnitud, el efecto piezoresistivo del silicio también ha atraído la atención de la investigación y el desarrollo de todos los demás dispositivos que utilizan silicio monocristalino. Los sensores Hall semiconductores , por ejemplo, fueron capaces de alcanzar su precisión actual sólo 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 piezoresistivo y generalmente se usan para medir la tensión mecánica . Son la forma más simple de dispositivos piezoresistivos.

Fabricación

Los piezorresistores se pueden fabricar utilizando una amplia variedad de materiales piezoresistivos. La forma más simple de sensores de silicio piezoresistivos son las resistencias difusas. Los piezorresistores consisten en pocillos n o p difundidos de dos contactos simples 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 una piezorresistencia de n pozos de silicio.

Física de operación

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 piezoresistor alineado con el eje x como se muestra en la figura puede describirse mediante

donde , I , , y denotan la resistencia libre de tensión, la corriente aplicada, los coeficientes piezoresistivos transversales y longitudinales y los tres componentes de la tensión de tracción, respectivamente. Los coeficientes piezoresistivos 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, eliminando ciertas sensibilidades cruzadas e inconvenientes. Los piezoresistores tienen la desventaja de ser muy sensibles a los cambios de temperatura y, al mismo tiempo, presentan cambios de amplitud de señal dependientes del estrés relativamente pequeños.

Otros dispositivos piezoresistivos

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

Los aficionados utilizan el material de embalaje eléctricamente conductor Velostat para fabricar sensores de presión debido a sus propiedades piezoresistivas y su bajo costo.

Ver también

Referencias

  1. ^ Barlian, AA; Park, W.-T.; Mallón, 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 piezoresistivos" (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 y silicio". Cartas de revisión física . 100 (14): 145501. arXiv : 0803.0655 . Código bibliográfico : 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 piezoresistivo gigante que utiliza una estructura híbrida de metal y semiconductor" . XVI Conferencia Internacional de Microsistemas, Actuadores y Sensores de Estado Sólido. IEEE. pag. 1018-1021. doi :10.1109/transductores.2011.5969160.
  5. ^ Toriyama, T.; Tanimoto, Y.; Sugiyama, S. (2002). "Piezorresistores de nanocables de silicio monocristalino para sensores mecánicos". Revista de sistemas microelectromecánicos . 11 (5). Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE): 605–611. doi :10.1109/jmems.2002.802905. ISSN  1057-7157.
  6. ^ Toriyama, T.; Sugiyama, S. (2003). "Puente de nanocables piezoresistivo de silicio monocristalino". Sensores y Actuadores A: Físicos . 108 (1–3). Elsevier BV: 244–249. doi :10.1016/s0924-4247(03)00269-3. ISSN  0924-4247.
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  15. ^ Ali, Utku Emre; Modi, Gaurav; Agarwal, Ritesh; Bhaskaran, Harish (18 de marzo de 2022). "Modulación de propiedades nanomecánicas en tiempo real como marco para NEMS sintonizables". Comunicaciones de la naturaleza . 13 (1): 1464. Bibcode : 2022NatCo..13.1464A. doi :10.1038/s41467-022-29117-7. ISSN  2041-1723. PMC 8933423 . PMID  35304454.