Efecto piezorresistivo

El efecto piezorresistivo es un cambio en la resistividad eléctrica de un semiconductor o metal cuando se le aplica una tensión mecánica. A diferencia del efecto piezoeléctrico, el efecto piezorresistivo provoca un cambio únicamente 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. Con un solo silicio de cristal convirtiéndose en el material de elección para el diseño de circuitos analógicos y digitales, el gran efecto piezoresistivo en silicio y germanio fue descubierto por primera vez en 1954 (Smith 1954).

Mecanismo

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

${\displaystyle \rho _{\sigma {\fnMicroc {\fnMicroc {\parial\rho}{\rho }\right)}{\varepsilon }$

donde

Cambio en la resistividad

ρ = Resistencia original

ε = Strain

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 piezorresistivo es pequeño en esos casos, a menudo no es despreciable. En los casos en que lo es, se puede calcular utilizando la sencilla ecuación de resistencia derivada de la ley de Ohm;

${\displaystyle ¿Qué?$

donde

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

A Superficie transversal del flujo actual [m²]

Algunos metales presentan 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 dos veces mayor, lo que se combina con los efectos de la geometría para dar una sensibilidad del extensómetro hasta tres veces mayor que la debida únicamente a los efectos de la geometría. La piezorresistividad del níquel puro es -13 veces mayor, eclipsando 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 el germanio, el silicio policristalino, el silicio amorfo, el carburo de silicio y el silicio monocristalino. Por lo tanto, se pueden construir galgas extensométricas para semiconductores 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 para semiconductores son generalmente sensibles a las condiciones ambientales (especialmente la temperatura).

En el caso del silicio, los factores de calibración pueden ser dos órdenes de magnitud mayores que los observados en la mayoría de los metales (Smith 1954). La resistencia del silicio conductor de 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 movilidades variables que dependen de la dirección del flujo de corriente. Un efecto menor se debe al cambio de masa efectiva relacionado con el cambio de formas de los valles. En el silicio conductor de p, los fenómenos son más complejos y también dan como resultado cambios de masa y transferencia de huecos.

Pizorresistencia gigante en estructuras híbridas metal-silicio

Se ha informado de un efecto piezorresistivo gigante (en el que el coeficiente piezorresistivo supera el valor en masa) en una estructura híbrida de silicio y aluminio microfabricada. El efecto se ha aplicado a tecnologías de sensores basadas en silicio.

Efecto piezorresistivo gigante en nanoestructuras de silicio

Se ha comprobado que el coeficiente piezorresistivo longitudinal de los nanocables de silicio fabricados de arriba hacia abajo es un 60 % mayor que el del silicio en masa. En 2006, se informó de una piezorresistencia gigante en nanocables de silicio fabricados de abajo hacia arriba: se informó de un aumento de >30% en el coeficiente piezorresistivo longitudinal en comparación con el silicio en masa. La sugerencia de una piezorresistencia gigante en las nanoestructuras ha estimulado desde entonces un gran esfuerzo encaminado a comprender físicamente el efecto no solo en el silicio sino también en otros materiales funcionales.

Dispositivos piezorresistivos de silicio

El efecto piezorresistivo de los semiconductores se ha utilizado en 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 de elección para circuitos analógicos y digitales integrados, el uso de dispositivos piezorresistivos de silicio ha suscitado gran interés. Permite la fácil integración de sensores de tensión con circuitos bipolares y CMOS.

Esto ha hecho posible que exista 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 silicio. Pero debido a su magnitud, el efecto piezorresistivo en 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 debidas a la tensión mecánica aplicada.

Piezorresistores

Los piezorresistores son resistencias fabricadas con un material piezorresistivo y se utilizan habitualmente 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 piezorresistivos de silicio son las resistencias difusas. Los piezorresistores consisten en dos pozos n o p difundidos simples de contacto 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 silicio de n-well.

Física del 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 ${\displaystyle R_{0}$, I, ${\displaystyle \pi _{T}$, ${\displaystyle \pi _{L}$, y ${\displaystyle \sigma _{ij}$ denota la resistencia al estrés, la corriente aplicada, los coeficientes transversales y longitudinales piezoresistivos, y los tres componentes de tensión tensil, respectivamente. Los coeficientes piezoresistivos varían significativamente con la orientación sensorial respecto a los ejes cristalinos y con el perfil de dopaje. A pesar de la sensibilidad de estrés bastante grande de simples resistores, se utilizan preferentemente en configuraciones más complejas eliminando ciertas sensibilidades cruzadas y desventajas. Los Piezoresistors tienen la desventaja de ser altamente sensibles a los cambios de temperatura mientras que presentan cambios de amplitud de señal dependientes de estrés relativamente pequeños.

Otros dispositivos piezorresistivos

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

El material de embalaje conductor de electricidad Velostat es utilizado por aficionados para fabricar sensores de presión debido a sus propiedades piezorresistivas y su bajo coste.