Was ist ein piezoresistiver Sensor?
Ein piezoresistiver Sensor ist eine Vorrichtung, die Änderungen des spezifischen Widerstands bestimmter Halbleitermaterialien nutzt, wenn sie einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt werden, um eine elektronische Wirkung zu erzielen. Dieses piezoresistive Phänomen beruht auf der Tendenz dieser Materialien, sich in ihren latenten Widerstandseigenschaften zu verändern, wenn sie durch Druck oder Belastung gebogen werden. Dies führt zu einer entsprechenden Änderung des durch das Gerät fließenden elektrischen Stroms, was sich in einer Messung oder Anzeige niederschlägt. Halbleitermaterialien, die üblicherweise in piezoresistiven Bauelementen verwendet werden, sind im Allgemeinen dieselben grundlegenden Metall- und Silikonfamilien, die in den meisten elektronischen Bauteilen verwendet werden. Diese Komponenten sind mit einer Vielzahl von Empfindlichkeitsmerkmalen erhältlich, um den Anforderungen der verschiedenen Branchen gerecht zu werden.
Wenn bestimmte Halbleitermaterialien mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, ändert sich ihr spezifischer Widerstand oder ihre grundlegende Fähigkeit, dem elektrischen Stromfluss entgegenzuwirken. Diese Änderung des Materialwiderstandscharakters ändert offensichtlich seinen spezifischen Widerstandswert. Dies führt zu einem Anstieg oder Abfall des durch das Gerät fließenden Stroms, der dann zur Anzeige oder Messung der damit verbundenen Beanspruchung verwendet wird. Der piezoresistive Effekt wird genutzt, um eine Reihe von durchbiegungsempfindlichen Halbleiterbauelementen zu erzeugen, mit denen spannungsinduzierende Kräfte wie Beschleunigung und Druck aufgezeichnet und gemessen werden.
Diese Art von Sensor besteht typischerweise aus Halbleitersubstraten wie Germanium, polykristallinem Silikon, amorphem Silikon und einkristallinem Silikon. Ein typischer Sensor besteht aus einer druckempfindlichen Halbleitermembran mit mehreren daran angebrachten n + - und p + -Kontakten. Elektrischer Strom wird mit einer Rate durch den Wafer geleitet, die von seinem Widerstand abhängt. Diese Stromübertragung und die sich daraus ergebende Anzeige unterscheiden sich je nach Widerstandsänderung des Bauteils, wenn die Membran Druck ausgesetzt ist. Die Komplexität dieser Sensoren reicht von einfachen Piezowiderständen mit begrenzter Reichweite und Temperaturstabilität bis hin zu hochstabilen und genauen Piezo-FETs.
Der piezoresistive Sensor wird in einer Vielzahl von Anwendungen zur mechanischen Spannungsmessung eingesetzt. Die Automobilindustrie setzt sie als Vakuum- und Drucksensoren oder zur Anzeige von Öl- und Gasständen ein. Sie werden auch im medizinischen Bereich in Geräten wie Blutdruckmessgeräten eingesetzt. Tiefenmesser, die von Tiefseetauchern verwendet werden, verwenden auch piezoresistive Sensortechnologie, um genaue Tiefenmessungen zu erzielen. Diese Geräte werden auch in Flugzeughöhenmessern und Luftdruckmessgeräten eingesetzt.
Druckabhängige Sensoren dieses Typs werden häufig auch in elektronischen Messinstrumenten verwendet, die Schaltungen und Komponenten wie die Wheatstone-Brücke und Bipolartransistoren verwenden. Beschleunigungsmesser, die zur Messung von Positionsorientierung, Beschleunigung und Vibrationskräften verwendet werden, verwenden auch piezoresistive Sensortechnologie, um ihre Messwerte zu erzeugen. Diese Technologie hat auch den Weg in die häusliche Umgebung gefunden, in der viele Geschirrspüler, Staubsauger und Waschmaschinenhersteller sie in ihren Produkten verwenden.