Piezoresistiivisiä

Piezoresistiiviset ovat materiaaleja ja rakenteita, joissa sähköinen resistanssi muuttuu mekaanisen rasituksen vaikutuksesta. Piezoresistivisyys on keskeinen ilmiö mittaus- ja anturitekniikassa, ja sitä hyödynnetään laajasti MEMS-sensoreissa sekä paine-, kiihtyvyys- sekä kosketus- ja tunnistuslaitteissa.

Perusmekanismi vaihtelee materiaalin mukaan. Puolijohteissa, kuten piissä (Si) ja germaniumissa (Ge), stressi muuttaa kantajien määrää ja liikkuvuutta sekä siten resistanssia, mikä aiheuttaa suuret resistanssin muutokset suhteessa rasitukseen. Tämä piezoresistivinen vaikutus näkyy suurella gauge factorilla; tyypillisesti 70–100 dopatussa piissä, kun taas metallien vastaava arvo on noin 2–3.

Rakenteellisesti piezoresistiiviset elementit asennetaan usein neljän vastuksen Wheatstone-siltaan, jolloin pienet resistanssin muutokset muunnetaan mittaukseen sopivaksi jännite-eroksi. Tämä mahdollistaa tarkan mittauksen ja helpon integraation siruille MEMS-ympäristöissä. Piezoresistiivisiä elementtejä käytetään yleisesti paine-, kiihtyvyys-, kosketus- ja muiden transduktioiden sovelluksissa.

Materiaalit ja kehitys: puolijohteet kuten Si ja Ge sekä niiden ohutkalvot. Tutkimuksessa kehitetään myös uusia piezoresistiivisiä elementtejä joustaville ja monikerroksisille alustoille sekä integroitaviin, pienikokoisiin sensoreihin.

Rajoitukset ja haasteet: lämpötilan vaikutukset, epälineaarisuus, hysteresis ja ajallinen vanheneminen voivat heikentää mittaustarkkuutta. Näiden kompensoiminen ja kalibrointi ovat tärkeitä osia suunnittelua ja sovelluksista riippuen.