Was ist ein piezoresistiver Sensor?

Ein piezoresistiver Sensor ist eine Vorrichtung, die Änderungen des spezifischen Widerstands bestimmter Halbleitermaterialien nutzt, wenn sie mechanischer Spannung ausgesetzt werden, um eine elektronische Aktion zu bewirken. Dieses piezoresistive Phänomen basiert auf der Tendenz dieser Materialien, Änderungen in ihren latenten Widerstandseigenschaften zu erfahren, wenn sie durch Einwirkung von Druck oder Spannung gebogen werden. Dies bewirkt eine entsprechende Änderung des durch das Gerät fließenden elektrischen Stroms, der sich in eine Messung oder Anzeige umwandelt. Halbleitermaterialien, die üblicherweise in piezoresistiven Vorrichtungen verwendet werden, sind im Allgemeinen die gleichen grundlegenden Metall- und Silikonfamilien, die in den meisten elektronischen Komponenten verwendet werden. Diese Komponenten sind mit einer Vielzahl von Empfindlichkeitseigenschaften erhältlich, um den Anforderungen verschiedener Branchen gerecht zu werden.

Wenn bestimmte Halbleitermaterialien mechanischer Belastung ausgesetzt werden, ändert sich ihr spezifischer Widerstand oder ihre grundlegende Fähigkeit, einem elektrischen Stromfluss entgegenzuwirken. Diese Änderung des Widerstandscharakters des Materials 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 beteiligten Belastung verwendet wird. Der piezoresistive Effekt wird genutzt, um eine Reihe von durchbiegungsempfindlichen Halbleiterbauelementen zu schaffen, die zum Aufzeichnen und Messen von belastungsinduzierenden Kräften wie Beschleunigung und Druck verwendet werden.

Diese Art von Sensor ist typischerweise aus Halbleitersubstraten wie Germanium, polykristallinem Silikon, amorphem Silikon und einkristallinem Silikon aufgebaut. Ein typischer Sensor besteht aus einer druckempfindlichen Halbleitermembran mit mehreren daran angebrachten n+- und p+-Kontakten. Elektrischer Strom wird mit einer von seinem Widerstand abhängigen Rate durch den Wafer geleitet. Diese Stromübertragung und daraus resultierende Anzeige unterscheidet sich entsprechend den Widerstandsänderungen in dem Bauteil, wenn die Membran Druck ausgesetzt wird. 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 Messung mechanischer Spannungen eingesetzt. In der Automobilindustrie werden sie als Vakuum- und Drucksensoren oder zur Anzeige von Öl- und Gasfüllständen eingesetzt. Sie werden auch im medizinischen Bereich in Geräten wie Blutdruckmessgeräten verwendet. Tiefenmesser, die von Tiefseetauchern verwendet werden, verwenden auch piezoresistive Sensortechnologie, um genaue Tiefenmesswerte zu erzeugen. Diese Geräte werden auch in Flugzeughöhenmessern und barometrischen Druckinstrumenten verwendet.

Druckabhängige Sensoren dieser Art werden auch oft 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 ebenfalls piezoresistive Sensortechnologie, um ihre Messwerte zu erzeugen. Diese Technologie hat auch ihren Weg in die häusliche Umgebung gefunden, da viele Hersteller von Geschirrspülern, Staubsaugern und Waschmaschinen sie in ihren Produkten verwenden.