Piézorésistance

La piézorésistance est le changement de conductibilité d'un matériau dû à une contrainte mécanique.

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 :

$\ K = (dR/R)/\epsilon _L$

où $\ \epsilon _L\$ 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) :

$\ K = 1 + 2\nu$

où $\ \nu$ représente le cœfficient de Poisson du matériau.

Même si les variations sont assez faibles, elles permettent d'utiliser ces capteurs (jauge de contrainte) sur une large gamme d'utilisation (Window 1992).

Piézorésistance dans les semi-conducteurs

La variable K d'un semi-conducteur peut être cent fois supérieure à celle des métaux. Les semi-conducteurs le plus souvent utilisés sont le germanium et le silicium (amorphe ou cristallisé).

Piézorésistance du silicium

Une contrainte appliquée sur du silicium va modifier sa conductibilité pour deux raisons : sa variation géométrique mais également sur la conductibilité intrinsèque du matériau. Il en résulte une amplitude énormément plus importante que pour des capteurs métalliques (Smith 1954).

Piézorésistance des capteurs en silicium

La piézorésistance des semi-conducteurs a été utilisée avec la plupart de matériaux (germanium, silicium polycristallin ou amorphe... Le silicium étant actuellement beaucoup utilisé dans les circuits imprimés, l'utilisation des capteurs à base de silicium est beaucoup répandue et permet une bonne intégration des jauges de contraintes avec les circuits bipolaires ou CMOS.

Cela a permis une grande gamme d'utilisation de la piézorésistance. Énormément d'appareils commerciaux comme les capteurs d'accélération utilisent des capteurs en silicium.

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.

Bibliographie

(en) Y. Kanda, "Piezoresistance Effect of Silicon", Sens. Actuators, vol. A28, no. 2, pp. 83-91, 1991.
(en) S. Middelhœk and S. A. Audet, Silicon Sensors, Delft, The Netherlands : Delft University Press, 1994.
(en) A. L. Window, Strain Gauge Technology, 2nd ed, London, England : Elsevier Applied Science, 1992.
(en) C. S. Smith, "Piezoresistance Effect in Germanium and Silicon", Phys. Rev., vol. 94, no. 1, pp. 42-49, 1954.
(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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