Materiais empregados em sensores piezoresistivos

Há uma gama considerável de materiais utilizados em sensores piezoresistivos, mas de um modo geral pode-se considerar que estes materiais apresentam uma dependência ao efeito geométrico ou ao efeito físico, ou seja, em alguns materiais como, por exemplo, os semicondutores, o dimensionamento do piezoresitor não provoca grandes influências na piezoresistividade, ao passo que, em filmes finos metálicos, esta influência prevalece. Neste trabalho, será feito uma breve descrição de alguns dos principais materiais empregados para confecção de elementos sensores.

2.3.1.1. Semicondutores

Os semicondutores são do grupo de materiais elétricos que apresentam a condutividade elétrica intermediária entre metais e isolantes. A magnitude desta propriedade pode ser variada em quantidades controladas através da mudança do nível de concentração de impurezas, temperatura e excitação óptica, durante os processos de fabricação [18]. Esta característica é amplamente explorada pela indústria eletrônica, pois permite a utilização destes sensores em diversas ambientes (extremos e controlados).

A concentração de impurezas, N, é usada para alterar a condutividade dos semicondutores de modo que os mesmos podem se tornar materiais tipo N ou P, de acordo com o dopante utilizado [30].

Com base em [49], os piezoresistores feitos a partir de semicondutores apresentam elevado GF, e o efeito da piezoresistividade prevalece ao efeito geométrico do sensor, sendo que, o semicondutor piezoresistivo mais utilizado pela indústria é o Silício, devido a fácil fabricação dos sensores e a alta linearidade.

Dependendo da combinação atômica estes materiais podem se apresentar como policristalinos, monocristalinos e mesmo amorfos.

Policristalinos

É um sólido constituído de uma infinidade de cristais denominados grãos ou cristalitos, com orientações cristalográficas e dimensões aleatórias, fortemente unidas entre si, que preenchem todo o volume do sólido, conforme exemplifica a Figura 12 e Figura 13.

Figura 12: Representação esquemática da organização cristalográfica de semicondutor Policristalino.

Figura 13: Material Policristalino, utilizado em sensor fotovoltaico.

Fonte: [76].

Monocristalino

É um material no qual a rede cristalina da amostra inteira é contínua e sem rupturas até suas bordas, sem contornos ou fronteiras de grãos. A ausência de defeitos associados com contornos de grãos pode dar aos monocristais propriedades únicas, particularmente, mecânicas, elétricas, térmicas e ópticas, as quais podem também ser anisotrópicas, dependendo do tipo de estrutura cristalográfica.

A Figura 14 e Figura 15 exemplificam a organização dos átomos de um material monocristalino, bem como uma fotocélula confeccionada a partir deste tipo de material.

Figura 14: Representação esquemática da organização cristalográfica de semicondutor Monocristalino.

Fonte: Próprio autor.

Figura 15: Material Monocristalino, utilizado em sensor fotovoltaico.

Amorfo

É a designação dada à estrutura que não têm ordenação espacial ou orientação cristalográfica preferencial a longa distância, quando comparados aos sólidos regulares. Os materiais amorfos não possuem estrutura atômica definida e apresentam fácil magnetização devido ao fato de seus átomos se encontrarem arranjados de maneira aleatória, facilitando a orientação dos domínios magnéticos.

A Figura 16 e Figura 17 exemplificam a organização dos átomos de um material amorfo, bem como uma fotocélula confeccionada a partir deste tipo de material.

Figura 16: Representação esquemática da organização cristalográfica de semicondutor Amorfo.

Fonte: Próprio autor.

Figura 17: Material Amorfo, utilizado em sensor fotovoltaico.

Fonte: [78].

2.3.1.2. Polímeros

Um polímero é uma substância macromolecular constituída por unidades estruturais repetitivas, unidas entre si por ligações covalentes [13]. Os polímeros com as suas vantajosas propriedades, tais como: baixa densidade, boas propriedades mecânicas, resistência à corrosão, etc., podem ser associados a outros constituintes, formando compósitos poliméricos [8].

Um compósito é um material estrutural que consiste na combinação de dois ou mais constituintes [31], cujo comportamento mecânico e outras propriedades são concebidos para serem superiores às dos materiais integrantes quando atuam de forma independente. Os compósitos apresentam fases, uma é normalmente descontínua chamada de reforço, enquanto a fase contínua é chamada matriz [8].

As características de um material compósito dependem das propriedades dos constituintes, geometria, distribuição das fases, processamento, entre outros fatores [27].

Devido às propriedades que oferecem, os compósitos poliméricos é uma parte essencial dos materiais usados atualmente para o desenvolvimento de sensores e transdutores [31].

Existem vários sensores piezoresistivos de matriz polimérica como ilustra a Figura 18, os mais comuns contêm fibras de Carbono contínuas, negro de fumo [34], partículas de metal [45], fibras de Carbono, materiais compósitos de matriz de cimento com fibras de Carbono [57], e compósitos de matriz cerâmica contendo carboneto de silício [2].

Figura 18: Matriz Polimétrica piezoresistiva contendo nanotubos de Carbono.

Fonte: [8].

2.3.1.3. Filmes Finos

Os filmes finos desempenham uma função essencial nos dispositivos e circuitos integrados, eles são usados nas conexões das regiões ativas de um dispositivo, na comunicação entre dispositivos, no acesso externo aos circuitos, para isolar camadas condutoras, como elementos estruturais dos dispositivos, para proteger as superfícies do ambiente externo, como fonte de dopante e como barreira para a dopagem. Os filmes finos podem ser caracterizados como condutores, semicondutores ou isolantes, normalmente, são crescidos termicamente ou depositados a partir da fase vapor [18].

Normalmente, as propriedades de um material na forma de filme fino diferem substancialmente das propriedades do mesmo material na sua forma maciça devido à influência da superfície. Por outro lado, as propriedades dos filmes são altamente dependentes

dos processos de deposição, da composição do material, da espessura e da resistividade elétrica. Estes parâmetros descritos devem ser considerados para a fabricação e processamento de elementos sensores piezoresistivos, uma vez, que os dispositivos sensores usam as mesmas técnicas de microeletrônica [16].

São exemplos de filmes finos utilizados em piezoresistores o óxido de Índio dopado com Estanho (ITO de Indium-Tin-Oxide) e os termos Carbono amorfo (a–C de amorphous

Carbon), Carbono amorfo tipo diamante (a–DLC de amorphous Diamond-Like-Carbon) e

Carbono tipo diamante (DLC de Diamond-Like-Carbon).