- Piézorésistance
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La piézorésistance est le changement de conductibilité d'un matériau dû à une contrainte mécanique.
Sommaire
Histoire
Le changement de résistance électrique d'un métal dû à une contrainte mécanique a été pour la première fois découvert par Lord Kelvin en 1856. La piézorésistance dans les semi-conducteurs a été découverte sur un cristal de silicium en 1954 (Smith 1954).
Mécanisme
La sensibilité d'un appareil piézorésistant a comme caractéristique :
où
et R représentent respectivement la variation relative de longueur et la résistance.Piézorésistance des métaux
La piézorésistance d'un capteur métallique est due au changement de géométrie dû à la contrainte mécanique. Ce facteur géométrique du capteur se représente par la variable K (Window 1992) :
où
représente le coefficient 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).
Piézorésistance ou piézorésistor
Les piézorésistances ou piézorésistors sont des résistances variables faites à partir d'un matériau piézorésistant et sont utilisées pour les jauges de contraintes, couplées avec un pont de Wheatstone.
Piézorésistance dans les semi-conducteurs
La variable K d'un semi-conducteur peut être cent fois supérieure à celle des métaux. Les semi-conducteurs généralement utilisés sont le germanium et le silicium (amorphe ou cristallisé)... Le silicium étant aujourd'hui largement utilisé dans les circuits imprimés l'utilisation des capteurs à base de silicium est largement répandue et permet une bonne intégration des jauges de contraintes avec les circuits bipolaires ou CMOS.
Piézorésistance du silicium
Une contrainte appliquée sur du silicium va modifier sa conductibilité pour deux raisons : sa variation géométrique mais aussi sur la conductibilité intrinsèque du matériau. Il en résulte une amplitude bien plus importante que pour des capteurs métalliques (Smith 1954). Cela a permis une grande gamme d'utilisation de la piézorésistance. Beaucoup d'appareils commerciaux comme les capteurs d'accélération utilisent des capteurs en silicium.
Bibliographie
- (en) C. S. Smith, "Piezoresistance Effect in Germanium and Silicon", Phys. Rev., vol. 94, no. 1, pp. 42-49, 1954.
- (en) Y. Kanda, "Piezoresistance Effect of Silicon", Sens. Actuators, vol. A28, no. 2, pp. 83-91, 1991.
- (en) A. L. Window, Strain Gauge Technology, 2nd ed, London, England: Elsevier Applied Science, 1992.
- (en) S. Middelhoek and S. A. Audet, Silicon Sensors, Delft, The Netherlands: Delft University Press, 1994.
- (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.
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