Тензорезистивный эффект

Те́нзорезисти́вный эффе́кт (от лат. tenzo — растягиваю и лат. resisto — сопротивляюсь) — изменение электрического сопротивления материалов под действием механического сжатия или растяжения, а также одноосной деформации.

Физические основы

Файл:Тензорезистор.jpg

Тензорезистор

Тензорезистивный эффект возникает при механическом воздействии (сжатии или растяжении) кристаллов (часто полупроводниковых), металлов, а в резистивных структурах — за счёт внутренних температурных деформаций.

Количественной оценкой величины тензорезистивного эффекта является коэффициент тензочувствительности:

$K={\frac {dR}{R\cdot \varepsilon }}$,

где $R$ — электрическое сопротивление, $\varepsilon$ — относительная деформация кристалла.

В полупроводниковых кристаллах тензорезистивный эффект определяется нарушениями в энергетическом спектре носителей заряда при возникновении внешней деформации кристалла, что приводит к изменениям ширины запрещённой зоны и энергии ионизации примесных уровней (в несобственных полупроводниках); в многодолинных полупроводниках — с расщеплением вырожденных (в отсутствие деформации) дырочных зон, а также с изменением эффективной массы носителей заряда полупроводника.

Деформация полупроводникового кристалла приводит к изменению ширины запрещённой зоны:

$E_{G}(X)=E_{G}(0)-\alpha X$,

где $E_{G}(0)$ — ширина запрещённой зоны в отсутствие деформации, $\alpha$ — барический коэффициент, имеющий размерность эВ/Па, $X$ — механическое напряжение, выраженное в паскалях (Па). Барические коэффициенты зависят от кристаллографической плоскости кристалла и соотношения направления деформации к ним. Концентрация электронов проводимости при изменении ширины запрещённой зоны полупроводника c учётом наличия примеси имеет вид:

$n_{0}={\frac {N_{D}}{2}}+{\sqrt {{\Biggl (}{\frac {N_{D}}{2}}{\Biggl )}^{2}+N_{C}N_{V}\exp {\Biggl [}{\frac {-(E_{G}(0)-\alpha X)}{kT}}{\Biggl ]}}}$,

где $N_{D}$ — концентрация донорной примеси (см⁻³), $N_{C}$ и $N_{V}$ — эффективные плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне соответственно (см⁻³).

В этом случае удельное электрическое сопротивление полупроводника изменяется по закону:

$\rho (X)=\rho _{0}(1+\pi _{i}X)$,

где $\rho _{0}$ — удельное электрическое сопротивление полупроводника в отсутствие деформации (Ом $\cdot$ см), $\pi _{i}$ — продольный коэффициент пьезосопротивления (Па⁻¹), зависящий от параметров кристаллической решётки, типа проводимости и кристаллографического направления.

Применение

Первый образец приклеиваемого тензорезистора был изготовлен Е. Е. Сименсом и Л. С. Руже в 1938 году, а в СССР стали применяться в 40-х годах ХХ века. Материалами для изготовления тензодатчиков чаще всего являются константан, сплав карма, широкий спектр полупроводниковых материалов (в частности, кремний как $p$- типа проводимости, так и $n$-типа проводимости), и др.

Тензорезистивный эффект используется при создании различных датчиков физических величин, в частности, давления, силы, ускорения (акселерометрах), перемещения, в тензометрах и других устройствах. Кроме того, тензорезистивный эффект используется в устройствах термической компенсации температурного коэффициента сопротивления в прецизионных металлофольговых резисторах. Тензорезисторы применяются для измерений как статических, так и динамических деформаций.

Литература

• Рузга З. Электрические тензометры сопротивления. — Москва : Мир, 1964.
• Займан Дж. Принципы теории твёрдого тела. — Москва : Мир, 1966.
• Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твёрдого тела. — Москва: Мир, 1979.
• Цидильковский И. М. Электроны и дырки в полупроводниках. Энергетический спектр и динамика. — Москва : «Наука», 1972.
• Новожилов В. В., Кадашевич Ю. И. Микронапряжения в конструкционных материалах — Л. : Машиностроение, 1990.
• Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. — Москва : Наука, 1990.
• Гуртов В. А. Твердотельная электроника. — Москва : «ТЕХНОСФЕРА», 2008.
• Ансельм А. И. Введение в теорию полупроводников : учебное пособие для вузов. — 3-е изд., стер. — СПб. : Лань, 2008.
• Шалимова К. В. Физика полупроводников. — СПб. : «Лань», 2010.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 3. Электричество. — Москва : Физматлит, 2014.

Ссылки

• Тензорезистивный эффект
• Тензорезистивный эффект // Большая советская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Тензорезистивный эффект», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Тензорезистивный_эффект» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».