CZUJNIKI W OPARCIU O EFEKT PIEZOREZYSTANCYJNY (tensometry, czujniki ciśnienia) Przyłożone naprężenie powoduje zmianę rezystancji  = F/A  = x/x R/R naprężenie odkształcenie zmiana rezystancji (stress) (strain) W zakresie odkształceń sprężystych obowiązuje prawo Hooke`a . Dla pręta: E - moduł sprężystości podłużnej (Younga)

Drut metalowy zmieniający R pod wpływem naprężenia  Ponieważ stąd Wprowadzając liczbę Poissona 

Otrzymuje się Definicja stałej czułości tensometrycznej (ang. gauge factor GF): Jest to stała materiałowa Dla większości metali ktε = ΔR/R jest bardzo małe, rzędu 0.2%.

Wymagania stawiane tensometrom metalowym: duże R duży wsp. czułości tensometr. kt niski TWR duża wytrzymałość mechaniczna Charakterystyki dla: manganinu (linia ciągła), kt = 2 konstantanu (linia przerywana), kt = 0.8 Manganin – stop o składzie: 84%Cu + 12%Mn + 4%Ni Konstantan: 60%Cu + 40%Ni

Przykłady tensometrów metalowych Drutowy (początkowy etap w rozwoju technologii tensometrów) wężykowy zygzakowaty

Przykłady tensometrów metalowych Foliowe (trawiona folia metaliczna na nośniku) Rozetowe Cienkowarstwowe

Półprzewodnikowe czujniki piezorezystancyjne Różnią się od tensometrów metalicznych wielkością kt , który jest ok. 50 razy większy niż dla metali (typ. wart. 100). Wady: nieliniowość, kt zależy od  silna zależność od temp. mniejszy zakres . Zasada działania: Współcz. kt dla danego półprz. zależy od orientacji krystalograficznej, rodzaju domieszkowania. W tym przyp. istotne są zmiany /

równoległe (anizotropia – opis tensorowy). Naprężenia powodują zmianę struktury pasmowej a tym samym zmianę koncentracji nośników i ich ruchliwości. Rezystywność ulega zmianie a ponadto wektor gęstości prądu j i pola elektrycznego E przestają być równoległe (anizotropia – opis tensorowy). П- tensor współcz. piezorezystywności σ - naprężenie Struktura pasmowa krzemu (energia w funkcji wektora falowego) ilustrująca skośną przerwę energetyczną

Przykłady tensometrów półprzewodnikowych Tensometry nadrukowane na belce Tensometr półprzewodnikowy Si

Zaletą krzemu jest zmiana znaku efektu w zależności od rodzaju domieszkowania W zal. od kier. działania naprężenia wzgl. kier. gęstości prądu rozróżnia się efekt podłużny i poprzeczny

Efekt podłużny Efekt poprzeczny Współczynniki 11 i 12 zależą od rodzaju półprzewodnika i położenia piezorezystora na płytce krystalicznej.

Mostkowe układy pomiarowe piezorezystorów Mostek z dwoma ramionami aktywnymi εt - rozciąganie εc - ściskanie

Mostek z czterema ramionami aktywnymi (zwiększenie czułości, kompensacja wpływu temperatury)

Kompensacja nieliniowości w piezorezystorach półprzewodnikowych Piezorezystory n-Si oraz p-Si Pełny mostek skompensowany

Membranowe czujniki ciśnienia Zaletą membran krzemowych jest liniowa zależność odkształcenia od naprężenia aż do granicy pękania (w praktyce odkształcenia są rzędu 0.1%). Przyłożenie ciśnienia (różnicy ciśnień) daje charakterystyczny rozkład naprężeń w membranie

Efekt ten wykorzystuje się w konstrukcji piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia. Poprzez dyfuzję lub implantację wytwarza się mostkowy układ piezorezystorów na membranie (np. krzemowej).

Membranowe czujniki ciśnienia Przekrój i budowa piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia oraz konstrukcja membrany czujnika wraz z rozmieszczeniem piezorezystorów Układ wzmacniający do odczytu sygnału z mostka utworzonego przez 4 piezorezystory W. Maziarz, "Współczesne czujniki ciśnienia", Elektronik, styczeń 2002.

Membranowe czujniki ciśnienia – X-ducer firmy Motorola Piezorezystor krzemowy (implantacja jonowa) osadzony na krawędzi membrany jest jej integralną częścią. Nie występują żadne dodatkowe efekty temperaturowe związane z różnymi rozszerzalnościami termicznymi membrany i piezorezystora, ale wymagana jest kompensacja termiczna przyrządu. Nacisk powoduje powstanie w piezoelemencie poprzecznego pola elektrycznego, które jest wykrywane jako zmiana napięcia na wyjściu piezorezystora (doprowadzenia 2 i 4). Konstrukcja membrany krzemowej w czujniku X-ducer firmy Motorola W. Maziarz, "Współczesne czujniki ciśnienia", Elektronik, styczeń 2002.

Piezoelektryczny czujnik przyśpieszenia

Zintegrowany poli-SiGe piezorezystancyjny czujnik ciśnienia Pierwszy zintegrowany czujnik ciśnienia z poli-SiGe wytworzony bezpośrednio nad własnym układem odczytowym. Poli- SiGe – obiecujący, bo ma odpowiednie własności mechaniczne i możliwa jest obróbka w niższych temp. niż dla poli-Si, co umożliwia post-processing na układach CMOS. Technologia MEMS i CMOS Integracja: membrana poli- SiGe (250x250µm2) + 4 piezoelementy + wzm. pomiarowy; połączenia międzywarstwowe - miedź, przelotki – wolfram IMEC International, Belgia Bazuje na technologii CMOS 0.13 µm Czułość piezoelementu: 2.5 mV/V/bar Czułość mikrosystemu:158 mV/V/bar http://www2.imec.be/be_en/press/imec-news/imecsigememsoncucmos.html