피에조 저항 효과

피에조 저항 효과는 기계적 변형률이 가해질 때 반도체나 금속의 전기 저항률이 변화하는 것입니다.압전 효과와는 대조적으로 압전 효과는 전위가 아닌 전기 저항에만 변화를 일으킨다.

역사

가해진 기계적 부하로 인한 금속 장치의 전기 저항 변화는 1856년 켈빈 경에 의해 처음 발견되었습니다.단결정 실리콘이 아날로그 및 디지털 회로 설계의 재료가 되면서 실리콘과 게르마늄의 큰 피에조 저항 효과가 1954년에 처음 발견되었습니다(Smith 1954).^[1]

메커니즘

도전성 및 반전도성 재료에서는 스트레인에 의한 원자간 간격의 변화가 밴드갭에 영향을 미쳐 전자가 전도대역 내로 상승하기 쉬워진다(또는 재료와 스트레인에 따라서는 어려워진다).그 결과 재료의 저항률이 변화합니다.변형률의 특정 범위 내에서 이 관계는 선형이다, 그래서 피에조 저항 계수는

\displaystyle \rho _{\frac } = frac {\rho } {\rho } {\varepsilon } }

어디에

∂∂ = 저항률의 변화

∙ = 원래 저항률

∙ = 변형률

일정합니다.

금속의 내압성

일반적으로 금속의 저항 변화는 대부분 적용된 기계적 응력에 기인하는 기하학적 변화 때문입니다.그러나 이러한 경우 피에조 저항 효과가 작더라도 무시할 수 없는 경우가 많습니다.이 경우 옴의 법칙에서 도출된 간단한 저항 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

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

어디에

§

{\displaystyle

\ell

}

도체 길이 [

m

]

A 전류 단면적 [m²]^[2]^{: p.207}

일부 금속은 지오메트리로 인한 저항 변화보다 훨씬 큰 피에조 저항성을 보입니다.예를 들어 백금 합금의 경우 형상 효과와 결합하여 형상 효과만으로 인한 스트레인 게이지 감도의 최대 3배 이상을 얻을 수 있으므로 피에조 저항률은 2배 이상 커집니다.순수한 니켈의 피에조 저항성은 -13배 더 크고, 완전히 왜소하며, 심지어 기하학적 유도 저항 변화의 신호를 반전시킵니다.

벌크 반도체의 압착 저항 효과

반도체 재료의 압착 효과는 기하학적 효과보다 몇 배나 클 수 있으며 게르마늄, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘, 탄화규소 및 단결정 실리콘과 같은 재료에 존재합니다.따라서 감도계수가 매우 높은 반도체 스트레인 게이지를 구축할 수 있다.정밀 측정의 경우 일반적으로 반도체 스트레인 게이지는 환경 조건(특히 온도)에 민감하기 때문에 금속 스트레인 게이지보다 취급하기가 더 어렵습니다.

실리콘의 경우 게이지 인자는 대부분의 금속에서 관측된 크기보다 두 차수가 클 수 있습니다(Smith 1954).n 전도성 실리콘의 저항은 주로 3개의 서로 다른 전도성 밸리 쌍의 이동에 의해 변화합니다.이동으로 인해 이동성이 다른 계곡 사이에 캐리어가 재배포됩니다.이로 인해 전류 흐름에 따라 이동성이 달라집니다.작은 영향은 계곡의 형태 변화와 관련된 효과적인 질량 변화 때문이다.p 전도성 실리콘에서는 이러한 현상이 더 복잡하며 질량 변화와 홀 이동도 발생합니다.

금속-실리콘 하이브리드 구조의 거대한 피에조 저항성

미세조립 실리콘-알루미늄 하이브리드 ^[3]구조에서 압착계수가 부피값을 초과하는 거대한 압착 효과가 보고되었습니다.이 효과는 실리콘 ^[4]기반 센서 기술에 적용됐다.

실리콘 나노구조에서의 거대한 피에조저항효과

하향식 실리콘 나노와이어의 종방향 압저항계수는 벌크 ^[5]^[6]실리콘보다 60% 더 큰 것으로 측정되었습니다.2006년에는 상향식 실리콘 나노와이어에서 거대한 피에조^[7] 내성이 보고되었으며 벌크 실리콘에 비해 세로방향 피에조 저항 계수가 30 이상 증가한 것으로 보고되었습니다.나노 구조에서 거대한 피에조 저항성의 제안은 실리콘뿐만 아니라 다른 기능성 물질에서도 그 효과를 물리적으로 이해하도록 많은 노력을 자극했습니다.^[15]

압저항성 실리콘 소자

반도체의 압착 효과는 게르마늄, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘, 단결정 실리콘 등 모든 종류의 반도체 재료를 사용하는 센서 소자에 사용되어 왔다.실리콘은 오늘날 집적 디지털 및 아날로그 회로에 선택되는 소재이기 때문에 피에저저항성 실리콘 소자의 사용이 큰 관심사였습니다.쌍극 및 CMOS 회로와 스트레스 센서를 쉽게 통합할 수 있습니다.

이를 통해 피에조 저항 효과를 이용한 다양한 제품이 가능해졌다.압력 센서 및 가속도 센서와 같은 많은 상용 장치는 실리콘에 압착 저항 효과를 사용합니다.그러나 그 규모 때문에 실리콘의 압저항 효과는 단결정 실리콘을 사용하는 다른 모든 장치에 대한 연구 개발의 관심을 끌었다.예를 들어 반도체 홀 센서는 기계적 응력에 의한 신호 기여를 제거하는 방법을 채택한 후에야 전류 정밀도를 달성할 수 있었다.

피에조레지스터

피에조레지스터는 피에조저항성 재료로 만들어진 저항체이며 일반적으로 기계적 응력 측정에 사용됩니다.그것들은 가장 단순한 형태의 피에조 저항 장치입니다.

제조

피에조레지스터는 다양한 피에조레지스터 재료를 사용하여 제작할 수 있습니다.압저항 실리콘 센서의 가장 간단한 형태는 확산 저항입니다.피에조레지스터는 p- 또는 n-기판 내에서 확산된 n- 또는 p-웰 두 개의 단순한 접점으로 구성됩니다.이러한 디바이스의 일반적인 사각 저항은 수백 옴의 범위이므로 추가 p+ 또는 n++ 확산은 디바이스에 대한 오믹 접점을 용이하게 하는 잠재적인 방법입니다.

실리콘 n웰 피에조레지스터의 기본 요소의 개략적인 단면.

연산물리학

MPa 범위의 일반적인 응력 값의 경우 저항 Vr에 따른 응력 의존 전압 강하는 선형으로 간주할 수 있습니다.그림과 같이 x축에 정렬된 피에조레지스터는 다음과 같이 기술할 수 있다.

{\displaystyle\V_{r}=R_{0}I [1+\pi _{L}\sigma _{x}+\pi _{T}(\sigma _{y}+\sigma _{z})]

$R_{0}$ 서 R 0 $({$ I, $\pi _{T}$ T {\ $displaystyle$ \ $pi$ _ $T$ }}, $\pi _{L}$ L ${\$ $displaystyle \pi$ _ ${$ $L$ 및 $\sigma _{ij}$ i $\sigma _{ij}$ \ $displaystyle$ \sigma $\sigma _{ij}$ _ ${ij})$ 는 무응력 저항, 인가 전류, 횡방향 및 종방향 피에조절계수 및 세 가지 응력성분을 나타냅니다.vely. 압저항계수는 결정학적 축에 대한 센서 방향과 도핑 프로파일에 따라 크게 다릅니다.단순 저항기의 응력 민감도는 상당히 크지만, 특정 교차 민감도와 단점을 제거하는 보다 복잡한 구성에서 사용하는 것이 바람직하다.피에조레지스터는 상대적으로 작은 상대 응력 의존 신호 진폭 변화를 특징으로 하면서 온도 변화에 매우 민감하다는 단점이 있습니다.

기타 피에조 저항 장치

실리콘에서 압저항 효과는 피에조레지스터, 변환기, 피에조-FET, 고체 가속도계 및 양극성 트랜지스터에 사용됩니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ Barlian, A.A.; Park, W.-T.; Mallon, J.R.; Rastegar, A.J.; Pruitt, B.L. (March 2009). "Review: Semiconductor Piezoresistance for Microsystems". Proceedings of the IEEE. 97 (3): 513–552. doi:10.1109/jproc.2009.2013612. ISSN 0018-9219. PMC 2829857. PMID 20198118.
^ Liu, Chang (2006). "Piezoresistive Sensors" (PDF). Foundations of MEMS. Upper Saddle River, NG: Prentice Hall. ISBN 0131472860. Retrieved March 3, 2013.
^ Rowe, A. C. H.; Donoso-Barrera, A.; Renner, Ch.; Arscott, S. (April 8, 2008). "Giant Room-Temperature Piezoresistance in a Metal-Silicon Hybrid Structure". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 100 (14): 145501. doi:10.1103/physrevlett.100.145501. ISSN 0031-9007.
^ Ngo, H.-D.; Tekin, T.; Vu, T.-C.; Fritz, M.; Kurniawan, W.; Mukhopadhyay, B.; Kolitsch, A.; Schiffer, M.; Lang, K.-D. (2011). MEMS sensor with giant piezoresistive effect using metall-semiconductor hybrid structure. 16th International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference. IEEE. p. 1018-1021. doi:10.1109/transducers.2011.5969160.
^ Toriyama, T.; Tanimoto, Y.; Sugiyama, S. (2002). "Single crystal silicon nano-wire piezoresistors for mechanical sensors". Journal of Microelectromechanical Systems. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 11 (5): 605–611. doi:10.1109/jmems.2002.802905. ISSN 1057-7157.
^ Toriyama, T.; Sugiyama, S. (2003). "Single crystal silicon piezoresistive nano-wire bridge". Sensors and Actuators A: Physical. Elsevier BV. 108 (1–3): 244–249. doi:10.1016/s0924-4247(03)00269-3. ISSN 0924-4247.
^ He, Rongrui; Yang, Peidong (2006). "Giant piezoresistance effect in silicon nanowires". Nature Nanotechnology. Springer Science and Business Media LLC. 1 (1): 42–46. doi:10.1038/nnano.2006.53. ISSN 1748-3387.
^ Allain, P. (November 8, 2012). Étude des propriétés électro-thermo-mécaniques de nanofils en silicium pour leur intégration dans les microsystèmes (Doctoral) (in French). Université Paris Sud. Retrieved October 31, 2021.
^ Reck, K.; Richter, J.; Hansen, O.; Thomsen, E.V. (2008). Piezoresistive effect in top-down fabricated silicon nanowires. 2008 IEEE 21st International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. IEEE. p. 7-17. doi:10.1109/memsys.2008.4443757. ISSN 1084-6999.
^ Yang, Peidong (2008). "Chemistry and physics of silicon nanowire". Dalton Transactions. Royal Society of Chemistry (RSC) (33): 4387-4391. doi:10.1039/b801440j. ISSN 1477-9226.
^ Milne, J. S.; Rowe, A. C. H.; Arscott, S.; Renner, Ch. (November 23, 2010). "Giant Piezoresistance Effects in Silicon Nanowires and Microwires". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 105 (22): 226802. doi:10.1103/physrevlett.105.226802. ISSN 0031-9007.
^ Koumela, A; Mercier, D; Dupré, C; Jourdan, G; Marcoux, C; Ollier, E; Purcell, S T; Duraffourg, L (September 2, 2011). "Piezoresistance of top-down suspended Si nanowires". Nanotechnology. IOP Publishing. 22 (39): 395701. doi:10.1088/0957-4484/22/39/395701. ISSN 0957-4484.
^ Rowe, A.C.H. (March 28, 2014). "Piezoresistance in silicon and its nanostructures". Journal of Materials Research. Springer Science and Business Media LLC. 29 (6): 731–744. doi:10.1557/jmr.2014.52. ISSN 0884-2914.
^ McClarty, M. M.; Jegenyes, N.; Gaudet, M.; Toccafondi, C.; Ossikovski, R.; Vaurette, F.; Arscott, S.; Rowe, A. C. H. (July 11, 2016). "Geometric and chemical components of the giant piezoresistance in silicon nanowires". Applied Physics Letters. AIP Publishing. 109 (2): 023102. doi:10.1063/1.4955403. ISSN 0003-6951.
^ Ali, Utku Emre; Modi, Gaurav; Agarwal, Ritesh; Bhaskaran, Harish (March 18, 2022). "Real-time nanomechanical property modulation as a framework for tunable NEMS". Nature Communications. 13 (1). doi:10.1038/s41467-022-29117-7. ISSN 2041-1723. PMID 35304454.

Kanda, Yozo (1991). "Piezoresistance effect of silicon". Sensors and Actuators A: Physical. Elsevier BV. 28 (2): 83–91. doi:10.1016/0924-4247(91)85017-i. ISSN 0924-4247.
S. Middelhoek and S. Audet, Silicon Sensors, Delft, 네덜란드: Delft University Press, 1994.
A. L. Window, 스트레인 게이지 테크놀로지, 영국 런던, 2차 에디:엘세비어 응용과학, 1992.
Smith, Charles S. (April 1, 1954). "Piezoresistance Effect in Germanium and Silicon". Physical Review. American Physical Society (APS). 94 (1): 42–49. doi:10.1103/physrev.94.42. ISSN 0031-899X.
S. M. Sze, Semiconductor Sensors, 뉴욕: Wiley, 1994.

[1] Barlian, A.A.; Park, W.-T.; Mallon, J.R.; Rastegar, A.J.; Pruitt, B.L. (March 2009). "Review: Semiconductor Piezoresistance for Microsystems". Proceedings of the IEEE. 97 (3): 513–552. doi:10.1109/jproc.2009.2013612. ISSN 0018-9219. PMC 2829857. PMID 20198118.

[Liu-2] Liu, Chang (2006). "Piezoresistive Sensors" (PDF). Foundations of MEMS. Upper Saddle River, NG: Prentice Hall. ISBN 0131472860. Retrieved March 3, 2013.

[3] Rowe, A. C. H.; Donoso-Barrera, A.; Renner, Ch.; Arscott, S. (April 8, 2008). "Giant Room-Temperature Piezoresistance in a Metal-Silicon Hybrid Structure". Physical Review Letters. American Physical Society (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). MEMS sensor with giant piezoresistive effect using metall-semiconductor hybrid structure. 16th International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference. IEEE. p. 1018-1021. doi:10.1109/transducers.2011.5969160.

[5] Toriyama, T.; Tanimoto, Y.; Sugiyama, S. (2002). "Single crystal silicon nano-wire piezoresistors for mechanical sensors". Journal of Microelectromechanical Systems. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 11 (5): 605–611. doi:10.1109/jmems.2002.802905. ISSN 1057-7157.

[6] Toriyama, T.; Sugiyama, S. (2003). "Single crystal silicon piezoresistive nano-wire bridge". Sensors and Actuators A: Physical. Elsevier BV. 108 (1–3): 244–249. doi:10.1016/s0924-4247(03)00269-3. ISSN 0924-4247.

[7] He, Rongrui; Yang, Peidong (2006). "Giant piezoresistance effect in silicon nanowires". Nature Nanotechnology. Springer Science and Business Media LLC. 1 (1): 42–46. doi:10.1038/nnano.2006.53. ISSN 1748-3387.

[8] Allain, P. (November 8, 2012). Étude des propriétés électro-thermo-mécaniques de nanofils en silicium pour leur intégration dans les microsystèmes (Doctoral) (in French). Université Paris Sud. Retrieved October 31, 2021.

[9] Reck, K.; Richter, J.; Hansen, O.; Thomsen, E.V. (2008). Piezoresistive effect in top-down fabricated silicon nanowires. 2008 IEEE 21st International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. IEEE. p. 7-17. doi:10.1109/memsys.2008.4443757. ISSN 1084-6999.

[10] Yang, Peidong (2008). "Chemistry and physics of silicon nanowire". Dalton Transactions. Royal Society of Chemistry (RSC) (33): 4387-4391. doi:10.1039/b801440j. ISSN 1477-9226.

[11] Milne, J. S.; Rowe, A. C. H.; Arscott, S.; Renner, Ch. (November 23, 2010). "Giant Piezoresistance Effects in Silicon Nanowires and Microwires". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 105 (22): 226802. doi:10.1103/physrevlett.105.226802. ISSN 0031-9007.

[12] Koumela, A; Mercier, D; Dupré, C; Jourdan, G; Marcoux, C; Ollier, E; Purcell, S T; Duraffourg, L (September 2, 2011). "Piezoresistance of top-down suspended Si nanowires". Nanotechnology. IOP Publishing. 22 (39): 395701. doi:10.1088/0957-4484/22/39/395701. ISSN 0957-4484.

[13] Rowe, A.C.H. (March 28, 2014). "Piezoresistance in silicon and its nanostructures". Journal of Materials Research. Springer Science and Business Media LLC. 29 (6): 731–744. doi:10.1557/jmr.2014.52. ISSN 0884-2914.

[14] McClarty, M. M.; Jegenyes, N.; Gaudet, M.; Toccafondi, C.; Ossikovski, R.; Vaurette, F.; Arscott, S.; Rowe, A. C. H. (July 11, 2016). "Geometric and chemical components of the giant piezoresistance in silicon nanowires". Applied Physics Letters. AIP Publishing. 109 (2): 023102. doi:10.1063/1.4955403. ISSN 0003-6951.

[15] Ali, Utku Emre; Modi, Gaurav; Agarwal, Ritesh; Bhaskaran, Harish (March 18, 2022). "Real-time nanomechanical property modulation as a framework for tunable NEMS". Nature Communications. 13 (1). doi:10.1038/s41467-022-29117-7. ISSN 2041-1723. PMID 35304454.

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