Estudo e aplicação das propriedades elétricas, térmicas e mecânicas de materiais amorfos piezoresistivos em transdutores de pressão.

• Main Author: Luiz Antônio Rasia
• Other Authors: Ronaldo Domingues Mansano
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2009
• Subjects: Circuitos integrados; Filmes amorfos; Filmes finos; Sensores eletromecânicos; Amorphous films; DLC; ITO; Piezoresistors; Sensors
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-29062009-170433/

Neste trabalho é apresentado o estudo teórico-experimental a respeito das propriedades piezoresistivas de dois tipos de materiais com estrutura amorfa. O primeiro material estudado é o carbono semelhante ao diamante e o segundo é o óxido de estanho dopado com índio. O estudo compreende o levantamento bibliográfico sobre os materiais, projeto teórico e prático de estruturas individuais de testes e piezoresistores configurados em ponte completa, além da realização das caracterizações elétricas, mecânicas e térmicas de acordo com um arranjo experimental proposto. As caracterizações experimentais foram implementadas usando a técnica de flexão de uma viga engastada e a teoria das pequenas deflexões. Os diferentes materiais caracterizados e analisados apresentaram o efeito piezoresistivo e um sinal de sensibilidade mecânica condizente com as características esperadas para estes filmes. Ambos os filmes respondem as variações da temperatura de forma linear e apresentam uma direção de dependência com a temperatura. Os filmes de carbono amorfo hidrogenado livre de dopantes apresentam curvas de corrente e tensão características indicando um mecânismo de condução elétrica complexo devido a sua diversidade de microestruturas e relacionado aos parâmetros de processos de deposição. Os filmes com nitrogênio são mais estáveis termicamente com coeficientes da ordem de - 4900 ppm/ºC. Os resultados encontrados indicam a existência de dois tipos de portadores de cargas responsáveis pela mobilidade média, resistividade e efeito piezoresistivo. Os filmes de óxido de estanho dopado com índio livre e com 5 % e 10 % de oxigênio no plasma apresentam características de diminuição da resistência elétrica com o esforço mecânico e exibem efeitos de piezoresistividade na faixa de - 12 a - 23. Amostras destes filmes com oxigênio apresentaram um fator de sensibilidade mecânica muito baixa e são menos estáveis termicamente que as amostras livres de oxigênio. Os filmes estudados podem ser usados em aplicações envolvendo extensiometria ou mesmo em sensores de pressão piezoresistivos após adequação do processo de deposição e de recozimentos térmicos. === This tesis presents the piezoresistivity theoretical and experimental study for two materials with amorphous structure. The first material is the Diamond Like Carbon and the other is the Indium Tin Oxide. The work includes the bibliographic study, theoretical and practical design of structures for testing individual and piezoresistors configured in bridge, in addition to the completion of the characterizations electrical, mechanical and thermal according to a proposed experimental arrangement. The experimental characterizations have been implemented using the technique of cantilever and the theory of small deflections. The different materials analyzed showed the piezoresistive effect with some order of magnitude and a sign of sensitivity to mechanical stress of tension consistent with the characteristics expected for these types of films. Both films respond to changes in temperature in a very linear and have a direction of dependency with the temperature according to the literature. The films of free doping have curves of current and voltage characteristics for this type of material indicating a mechanism of electric conduction very complex because of its diversity of microstructures and processes related to the parameters of the deposition and films with nitrogen are more thermally stable with coefficients of order of - 4900 ppm/ºC. The results indicate the existence of two types of charge carriers responsible for the average mobility and hence the resistivity and the piezoresistive effect. The films of indium tin oxide free and with some oxygen content in plasma presents characteristics of decreased electrical resistance to mechanical stress and exhibit effects of piezoresistive in the range of - 12 to - 23. Samples of these films with oxygen showed a factor of very low mechanical sensitivity and are less stables to thermal effect the samples free of oxygen. The films studied can be used in certain applications such strain gauges or even in piezoresistive pressure sensors, after adequate process of deposition and thermal annealing.