Кіріспе

Физикалық құбылыс

Пьезорезистивтік әсер – механикалық деформация түсірілгенде жартылай өткізгіштің немесе металдың электрлік кедергілігінің өзгеруі. Пьезоэлектрлік әсерден өзгеше, пьезорезистивтік әсер электрлік потенциалда емес, электрлік кедергіде ғана өзгеріске алып келеді.

Тарих

Металл құрылғыларында қолданған механикалық жүктеме салдарынан электр кедергісінің өзгеруі алғаш рет 1856 жылы лорд Келвинмен анықталды. Аналогтық және цифрлық тізбектерді жобалау үшін басты материал болып таңдалған бір кристаллды кремниймен қатар, кремний мен германийдегі күшті пьезорезистивті эффект 1954 жылы (Смит 1954) алғаш рет ашылды.

Үлкен жартылай өткізгіштердегі пізеорезистивтік әсер

Жартылай өткізгіш материалдардың пьезорезистивті әсері геометриялық әсерден бірнеше есе үлкен болуы мүмкін және германий, поликристалды кремний, аморфты кремний, кремний карбиді және монокристалл кремний сияқты материалдарда кездеседі. Сондықтан, өте жоғары сезімталдық коэффициенті бар жартылай өткізгіштік деформация өлшегіштерін жасауға болады. Нақты өлшемдер үшін оларды металл деформация өлшегіштерге қарағанда қолдану қиын, себебі жартылай өткізгіштік деформация өлшегіштер көбінесе қоршаған орта жағдайларына (әсіресе температураға) сезімтал келеді. Кремний үшін өлшегіш коэффициенттер көптеген металдарда байқалатынынан екі рет артық болуы мүмкін (Смит 1954). n-типті өткізгіш кремнийдің кедергісі негізінен үш түрлі өткізгіштік аңғар жұптарының ығысуына байланысты өзгереді. Бұл ығысу әртүрлі жылдамдыққа ие аңғарлар арасында заряд тасымалдаушыларының қайта бөлінуіне алып келеді. Бұл ток ағыны бағытына байланысты жылдамдықтың өзгеруіне себеп болады. Шағын әсер аңғарлардың пішінінің өзгеруімен байланысты тиімді массаның өзгеруінен туындайды. p-типті өткізгіш кремнийдегі құбылыстар күрделірек және массаның өзгеруіне, сондай-ақ бұрыштардың ауысуына әкеледі.

Металл-кремний гибридті құрылымдардағы алып пьезорезистенция

Микрожасалған кремний-алюминий гибридтік құрылымда пьезорезистивтік коэффициенті көлемдік мәнінен артық болатын үлкен пьезорезистивтік әсері байқалды. Бұл әсер кремний негізіндегі сенсорлық технологияларда қолданылған.

Кремний наноструктураларындағы алып пьезорезистивтік әсер

Жоғарыдан төменге қарай жасалған кремний наносымдардың бойлық пьезорезистивтік коэффициенті жаппай кремнийге қарағанда 60%-ға артық екені өлшенді. 2006 жылы төменнен жоғарыға қарай жасалған кремний наносымдардағы үлкен пьезорезистенттілік туралы хабарланды – жаппай кремнийге қарағанда бойлық пьезорезистивтік коэффициенті 30%-дан астам өсті. Наноқұрылымдардағы үлкен пьезорезистенттілік туралы ұсыныс содан бері бұл эффектіні кремнийде ғана емес, сондай-ақ басқа да функционалды материалдарда физикалық тұрғыдан түсінуге көп күш жұмсалды.

Пиезорезистивті кремний құрылғылары

Жартылай өткізгіштердің пьезорезистивті әсері германий, поликристалликалық кремний, аморфты кремний және монокристалды кремний сияқты түрлі жартылай өткізгіш материалдарды қолданатын сенсорлық құрылғыларда пайдаланылған. Кремний бүгінде интегралдық цифрлық және аналогтық тізбектер үшін басым материал болғандықтан, пьезорезистивті кремний құрылғыларын қолдануға зор қызығушылық бар. Ол кернеу сенсорларын биполярлық және CMOS тізбектерімен оңай интеграциялауға мүмкіндік береді. Бұл пьезорезистивті әсерді пайдаланатын кең ауқымды өнімдерді жасауға жол ашты. Қысым сенсорлары және үдеу сенсорлары сияқты көптеген коммерциялық құрылғылар кремнийдегі пьезорезистивті әсерді қолданады. Алайда, оның шамасының арқасында кремнийдегі пьезорезистивті әсер монокристалды кремнийді пайдаланатын басқа құрылғыларды зерттеу және дамытуға да ықпал етті. Мысалы, жартылай өткізгіш Холл сенсорлары қолданған механикалық кернеудің сигналға әсерін жоятын әдістерді енгізгеннен кейін ғана қазіргі дәлдігіне жетті.

Өндiру

Пиезорезисторларды пьезорезистентті материалдардың кең ассортиментін пайдалана отырып жасауға болады. Пиезорезистивті кремний сенсорларының ең қарапайым түрі – диффузиялық резисторлар. Пиезорезисторлар қарапайым екі контактілі диффузиялық n немесе p ұңғымаларынан тұрады, олар p немесе n негізге орналастырылған. Бұл құрылғылардың әдеттегі квадраттық кедергісі бірнеше жүз Ом шамасында болғандықтан, құрылғыға омдық контактілерді жасауды жеңілдету үшін қосымша p+ немесе n+ диффузияларын қолдану мүмкіндігі бар. Кремнийлік n-ұңғымалы пиезорезистордың негізгі элементтерінің схемалық қимасы.

Операцияның физикасы

МПа диапазонындағы қалыпты кернеулер үшін кедергі бойымен кернеуге тәуелді кернеудің төмендеуі Vr сызықтық деп есептелуі мүмкін. Суретте көрсетілгендей, x-осімен бағытталған пьезорезисторды , I, , және арқылы сипаттауға болады, мұнда – кернеусіз кедергі, I – қолданылатын ток, – көлденең және бойлық пьезорезистивтік коэффициенттер, ал – үш созу кернеуінің компоненттері. Пьезорезистивтік коэффициенттер кристаллографиялық осьтерге қатысты сенсордың бағытына және допингтік профильге байланысты айтарлықтай өзгеріп отырады. Қарапайым резисторлардың кернеуге жоғары сезімталдығына қарамастан, олар кейбір қиылысқан сезімталдықтар мен кемшіліктерді жою үшін көбінесе күрделі конфигурацияларда қолданылады. Пьезорезисторлардың кемшілігі – олар температура өзгерісіне өте сезімтал, бірақ салыстырмалы түрде стресске тәуелді сигнал амплитудасының өте аз өзгеруіне ие.

Басқа пиезорезистивті құрылғылар

Кремнийде пьезорезистивтік эффект пьезорезисторларда, түрлендіргіштерде, пьезо FET-терде, қатты күйдегі акселерометрлерде және биполярлы транзисторларда қолданылады. Хоббистер электр өткізгіш Velostat материалының пьезорезистивтік қасиеттері мен төмен құнына байланысты қысым датчиктерін жасау үшін пайдаланады.