Was ist ein piezoresistiver Sensor?

Ein piezoresistiver Sensor ist ein Gerät, das Änderungen im spezifischen Widerstand bestimmter Halbleitermaterialien unter mechanischer Belastung nutzt, um eine elektronische Aktion auszuführen. Dieses piezoresistive Phänomen beruht auf der Tendenz dieser Materialien, ihre latenten Widerstandseigenschaften zu ändern, wenn sie durch Druck oder Belastung gebogen werden. Dies führt zu einer entsprechenden Änderung des durch das Gerät fließenden elektrischen Stroms, was zu einer Messung oder einem Messwert führt. Bei den üblicherweise in piezoresistiven Geräten verwendeten Halbleitermaterialien handelt es sich im Allgemeinen um dieselben Grundfamilien von Metallen und Silikonen, die auch in den meisten elektronischen Bauteilen verwendet werden. Diese Komponenten sind mit einer breiten Palette an Empfindlichkeitseigenschaften erhältlich, um den Anforderungen verschiedener Branchen gerecht zu werden.

Wenn bestimmte Halbleitermaterialien mechanischer Belastung ausgesetzt werden, ändert sich ihr spezifischer Widerstand oder ihre grundlegende Fähigkeit, dem Fluss von elektrischem Strom entgegenzuwirken. Diese Änderung des Widerstandscharakters der Materialien verändert offensichtlich ihren spezifischen Widerstandswert. Dies führt zu einer Erhöhung oder Verringerung des durch das Gerät fließenden Stroms, der dann zur Anzeige oder Messung der betreffenden Spannung verwendet wird. Der piezoresistive Effekt wird ausgenutzt, um eine Reihe von biegeempfindlichen Halbleiterbauelementen zu schaffen, die zur Aufzeichnung und Messung von spannungsinduzierenden Kräften wie Beschleunigung und Druck verwendet werden.

Dieser Sensortyp besteht typischerweise aus Halbleitersubstraten wie Germanium, polykristallinem Silikon, amorphem Silikon und monokristallinem Silikon. Ein typischer Sensor besteht aus einer druckempfindlichen Halbleitermembran mit mehreren angeschlossenen n+- und p+-Kontakten. Der elektrische Strom fließt mit einer Geschwindigkeit durch den Wafer, die von seinem Widerstand abhängt. Diese Stromübertragung und der daraus resultierende Messwert unterscheiden sich aufgrund von Widerstandsänderungen in der Komponente, wenn die Membran Druck ausgesetzt wird. Die Komplexität dieser Sensoren reicht von einfachen Piezowiderständen mit begrenzter Reichweite und Temperaturstabilität bis hin zu hochstabilen und genauen Piezo-FETs.

Der piezoresistive Sensor wird in einer Vielzahl von Anwendungen zur Messung mechanischer Spannungen eingesetzt. In der Automobilindustrie werden sie als Vakuum- und Drucksensoren oder zur Anzeige von Öl- und Gasfüllständen eingesetzt. Auch im medizinischen Bereich werden sie in Geräten wie Blutdruckmessgeräten eingesetzt. Von Tiefseetauchern verwendete Tiefenmesser verwenden ebenfalls piezoresistive Sensortechnologie, um genaue Tiefenmesswerte zu liefern. Diese Geräte werden auch in Flugzeughöhenmessern und Luftdruckmessgeräten verwendet.

Druckabhängige Sensoren dieser Art werden auch häufig in elektronischen Messgeräten eingesetzt, bei denen Schaltungen und Komponenten wie die Wheatstone-Brücke und Bipolartransistoren zum Einsatz kommen. Beschleunigungsmesser, die zur Messung von Positionsorientierung, Beschleunigung und Vibrationskräften verwendet werden, verwenden zur Erzeugung ihrer Messwerte ebenfalls piezoresistive Sensortechnologie. Diese Technologie hat auch im häuslichen Bereich Einzug gehalten und viele Hersteller von Geschirrspülern, Staubsaugern und Waschmaschinen verwenden sie in ihren Produkten.

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