piezoresistiviset

Piezoresistiviset anturit ovat laitteita, jotka muuttavat mekaanisen deformaation aiheuttaman resistanssin muutokseksi. Toimintaperusta on piezoresistivinen ilmiö: kohdistuva jännitys muuttaa materiaalin elektronista rakennetta ja siten resistanssia.

Materiaaleina yleisimmät ovat dopatun piin silikonin ja polysiliconin pohjaiset rakenteet, joita käytetään erityisesti MEMS-laitteissa. Resistanssimuutoksia seurataan usein Wheatstone-sillan kautta, joka mahdollistaa pienten muutosten mittaamisen. Kehittyvät myös grafenipohjaiset sekä hiilinanoputkista koostuvat ratkaisut sekä muut hiilikomposiitimateriaalit.

Piezoresistivisen ilmiön mittaamiseen käytetään yleisimmin gauge-factoria (GF), joka kuvaa resistanssin muutosta suhteessa mekaaniseen muokkaukseen. GF = (ΔR/R) / (ΔL/L). Silikoni- ja dopatun polysiliconin elementit tarjoavat tyypillisesti GF-arvoja noin 100–200, riippuen suunnasta ja dopauksesta, kun taas metallisilla piezoresistive-elementeillä GF on noin 2. Lämpötilavaihtelut aiheuttavat driftia, joten termodynaaminen kompensaatio on tavallista.

Sovellukset: Piezoresistiviset anturit ovat keskeisiä paine- ja tärinän mittauksessa (esim. MEMS-paineanturit), kosketustunnistuksessa, lääketieteellisissä laitteissa sekä robotiikassa ja rakenteiden terveysseurannassa. Niiden etuja ovat suuri vakaus, pienikokoisuus ja mahdollisuus integroitamiseen muiden elektronisten järjestelmien kanssa.

Historia ja kehitys: Piezoresistivisen ilmiön perusluonteinen tutkimus aloitettiin 1950-luvulla. C. S. Smithin tutkimukset vuonna 1954 osoittivat suuria resistanssimuutoksia silikonissa jännityksen vaikutuksesta, mikä johti nykyisten silikonipohjaisten sekä MEMS-pohjaisten antureiden kehitykseen.