Piézorésistance

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La piézorésistance est le changement de conductibilité d'un matériau du à une contrainte mécanique.

Sommaire

1 Histoire
2 Mecanisme
- 2.1 Piézorésistance des métaux
- 2.2 Piézorésistance dans les semi-conducteurs
  - 2.2.1 Piézorésistance du silicium
3 Piézorésistance des capteurs en silicium
- 3.1 Piézorésistance ou piézorésistor
4 Bibliographie

[modifier] Histoire

Le changement de résistance électrique d'un mlétal du à une contrainte mécanique a été pour la première fois découverte par Lord Kelvin en 1856. La piézorésistance dans les semi-conducteurs a été découverte sur un cristal de silicone en 1954 (Smith 1954).

[modifier] Mecanisme

La sensibilité d'un appareil piézorésistant a comme caractéristique :

$\ K = (dR/R)/\epsilon _L$

où $\ \epsilon _L\$ et R représente respectivement la variation relative de longueur et la résistance.

[modifier] Piézorésistance des métaux

La piézorésistance d'un capteur métalique est du au changement de géométrie due à la contrainte mécanique. Ce facteur géométrique du capteur se représente par la varaible K(Window 1992):

$\ K = 1 + 2\nu$

où $\ \nu$ représente le coefficien de Poisson du matériau.

Même si les variations sont relativement faibles elles permettent d'utiliser ces capteurs (jauge de contrainte) sur une large gamme d'utilisation (Window 1992).

[modifier] Piézorésistance dans les semi-conducteurs

La variable K d'un semi conducteur peut-être cent fois supérieur à celle des métaux. Les semi conducteurs généralement utilisés sont le germanium et le silicium (amorphe ou cristalisé).

[modifier] Piézorésistance du silicium

Une contrainte appliquée sur du silicium va modifier sa conductibilité pour deux raisons : sa variation géométrique mais aussi sur la conductibilité intrasèque du matériau. Il en résulte un amplitude bien plus importante que pour des capteur métaliques (Smith 1954).

[modifier] Piézorésistance des capteurs en silicium

La piézorésistance des semi-conducteurs a été utilisé avec un grand nombre de matériaux (germanium, silicium policristalin ou amorphe... Le silicium étant aujourd'hui largement utilisé dans les circtuits imprimés, l'utilisation des capteurs à base de silicon est largement répandue et permet une bonne intégration des jauges de contraintes avec les circuits bipolaires ou CMOS.

Celà a permis une grande gamme d'utilisation de la piézorésistance. Beaucoups d'appareils commerciaux comme les capteurs d'accélération utilisent des capteurs en silicon.

[modifier] Piézorésistance ou piézorésistor

Les piézorésistances ou piézorésistors sont des résistance variables faites à partir d'un matériau piézorésistant et sont utilisées pour les jauges de contraintes, couplées avec un pont de Wheatstone.

[modifier] Bibliographie

(en) Y. Kanda, "Piezoresistance Effect of Silicon," Sens. Actuators, vol. A28, no. 2, pp. 83-91, 1991.
(en) S. Middelhoek and S. A. Audet, Silicon Sensors, Delft, The Netherlands: Delft University Press, 1994.
(en) A. L. Window, Strain Gauge Technology, 2nd ed, London, England: Elsevier Applied Science, 1992.
(en) C. S. Smith, "Piezoresistance Effect in Germanium and Silicon," Phys. Rev., vol. 94, no. 1, pp. 42-49, 1954.
(en) S. M. Sze, Semiconductor Sensors, New York: Wiley, 1994.
(en) J. Bartholomeyczik, S. Brugger, P. Ruther, and O. Paul, "Multidimensional CMOS In-Plane Stress Sensor," IEEE Sensors J., vol. 5, no. 5, pp. 872-882, 2005.