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压阻效应

压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。不同于压电效应,压阻效应只产生阻抗变化,并不会产生电荷。

历史

凯尔文(Lord Kelvin)在公元1856年第一次发现金属的阻抗在施加机械性负荷时会产生改变。到了公元1954年,正当单晶逐渐成为类比及数位电路设计的材料的选择时,第一次在硅及中发现高度的压阻效应(Smith 1954)。

机制

压阻性元件的感度可由其程度因子的表示:

其中 和 R 分别代表器件长度及阻抗的相对增量。


金属中的压阻效应

在金属感知器中的压阻效应,纯粹是由于施加于其上的机械应力所产生感知器的几何形状改变所造成的,从这个几何上的压阻效应而衍生出程度因子(gauge factors) (Window 1992):

其中 代表与材料相关的泊松比

尽管这个数值相对于其它材料的压阻效应来说是相当小,金属压阻器(即张力计)成功地在广泛应用领域中被使用着 (Window 1992))。

半导体中的压阻效应

半导体材料中的压阻效应远大于金属在几何上的压阻效应,在锗、多晶硅非晶硅碳化硅及单晶硅中都可发现压阻效应的存在。

硅中的压阻效应

硅的电阻变化不单是来自与应力有关的几何形变,而且也来自材料本身与应力相关的电阻,这使得其程度因子大于金属数百倍之多 (Smith 1954)。N型硅的电阻变化主要是由于其三个导带谷对的位移所造成不同迁移率的导带谷间的载子重新分布,进而使得电子在不同流动方向上的迁移率发生改变。其次是由于来自与导带谷形状的改变相关的等效质量(effective mass)的变化。在P型硅中,此现象变得更复杂,而且也导致等效质量改变及电洞转换。

硅元件中的压阻效应

压阻效应已经被广泛应用于各种半导体材料制作而成的感知器中,这些材料包括:、多晶硅、非晶硅及单晶硅。由于硅是现今在数位及类比集成电路(IC)的材料,以硅制作而成的压阻性元件的应用就变得非常有意义,这使得将应力感知器容易整合于双极性及互补式金氧半导体线路中,进而使得压阻效应被应用于广泛的商品化产品之中,如:压力感知器及加速度感知器。另一方面,也由于硅的压阻效应的显著,使得其它在单晶硅元件的研发方面无法忽略此效应的存在,例如,半导体霍耳感知器就必须采取某些方法,将来自外加机械应力的讯号贡献消除之后,才能达到其该具有的电流精确度。

压电阻器

压电阻器最基本压阻性元件,以压阻性材料制作而成的电阻,通常用于机械性应力的量测。

制作

许多不同种类的压阻性材料都可用来制作压电阻,最简单形式的硅压阻感知器是扩散电阻。此压电阻是以扩散的方式在P型(N型)的硅基板上制作具有两个接点的N型(P型)井所组成,由于这些元件的面电阻约在数百欧姆的范围,为了便于欧姆接触的制作,还必须在接点位置上额外扩散P+(N+)杂质于P型(N型)井中。

运作原理

对于在百万帕斯卡(MPa)等级的应力,应力与电阻上所产生的电压降Vr的关系可视为线性,如上图所示,在与X轴方向上的压电阻上的电压可以下面的数学式来描述:


其中I 以及 分别为无应力下的电阻、外加电流、横向压阻系数、纵向压阻系数以及x,y,z三个方向上的张力分量。

压电系数会随着该感知器相对于晶轴方向以及杂质掺杂浓度分布而有很大的差异。尽管此种简单的电阻具有相当大的应力感度,在应用上还是会采用较复杂的组态,以消除对某些噪声干扰的敏感度及其它缺点。压电阻应用在与过小应力相关的信号振幅变化时,具有对温度变化相当敏感的缺点。

其它压阻性元件

硅的压阻效应被应用在压电阻器、惠斯登桥、X-Ducers、piezo-FETS、固态加速规以及双极性晶体管等元件上。

参见


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