Comprendre les capteurs piézorésistifs : conversion de la pression en signaux électroniques précis

Un capteur piézorésistif est un dispositif qui exploite les changements de résistivité de certains matériaux semi-conducteurs lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique pour provoquer une action électronique. Ce phénomène piézorésistif repose sur la tendance de ces matériaux à subir des changements dans leurs caractéristiques résistives latentes lorsqu'ils sont fléchis par l'exposition à une pression ou un stress. Cela provoque un changement correspondant dans tout courant électrique traversant le dispositif, qui se traduit par une mesure ou une lecture. Les matériaux semi-conducteurs couramment utilisés dans les dispositifs piézorésistifs sont généralement les mêmes familles de base métalliques et de silicium utilisées dans la plupart des composants électroniques. Ces composants sont disponibles avec une large gamme de caractéristiques de sensibilité pour répondre aux exigences de diverses industries.

Principe de fonctionnement

Lorsque certains matériaux semi-conducteurs sont exposés à une contrainte mécanique, leur résistivité, ou capacité de base à s'opposer au passage du courant électrique, change. Ce changement dans le caractère résistif du matériau modifie évidemment sa valeur de résistance spécifique. Cela entraîne une hausse ou une baisse de tout courant passé à travers le dispositif, qui est ensuite utilisé pour indiquer ou mesurer le stress impliqué. L'effet piézorésistif est exploité pour créer une gamme de dispositifs semi-conducteurs sensibles à la déformation utilisés pour enregistrer et mesurer les forces induisant du stress telles que l'accélération et la pression.

Construction et matériaux

Ce type de capteur est généralement construit sur des substrats semi-conducteurs tels que le germanium, le silicium polycristallin, le silicium amorphe et le silicium monocristallin. Un capteur typique se compose d'une membrane semi-conductrice sensible à la pression avec plusieurs contacts n+ et p+ attachés. Un courant électrique est passé à travers la plaquette à un taux dépendant de sa résistance. Ce transfert de courant et la lecture qui en résulte diffèrent selon les changements de résistance dans le composant lorsque la membrane est exposée à la pression. Ces capteurs vont en complexité de simples piézorésistances à gamme limitée et stabilité thermique réduite à des Piezo-FETs hautement stables et précis.

Applications industrielles et grand public

Le capteur piézorésistif est utilisé dans une grande variété d'applications impliquant la mesure de contraintes mécaniques. L'industrie automobile les utilise comme capteurs de vide et de pression ou pour indiquer les niveaux d'huile et de gaz. Ils sont également utilisés dans le domaine médical dans des dispositifs tels que les tensiomètres. Les sondes de profondeur utilisées par les plongeurs en eau profonde emploient également la technologie des capteurs piézorésistifs pour produire des lectures de profondeur précises. Ces dispositifs sont aussi utilisés dans les altimètres d'avion et les instruments de pression barométrique.

Intégration électronique et usages domestiques

Les capteurs dépendants de la pression de ce type sont également souvent utilisés dans les instruments de mesure électronique qui utilisent des circuits et composants tels que le pont de Wheatstone et les transistors bipolaires. Les accéléromètres utilisés pour mesurer l'orientation positionnelle, l'accélération et les forces de vibration utilisent également la technologie des capteurs piézorésistifs pour produire leurs lectures. Cette technologie a également trouvé sa place dans l'environnement domestique, de nombreux fabricants de lave-vaisselle, d'aspirateurs et de machines à laver l'utilisant dans leurs produits.