Тензорезистивный эффект (от латинского tendo – растягиваю) – изменение удельного электросопротивления твёрдого проводника (металла, полупроводника) в результате его деформации. Величина относительного изменения компонент тензора электросопротивления связана с тензором деформации u_im через тензор четвёртого ранга λ_iklm:

С тензорезистивным эффектом связано понятие тензорезистора – это полупроводникового резистора, у которого величина сопротивления зависит от механического усилия, сжимающего или растягивающего резистор.

В 1954г. Ч. Смит описал результаты своих экспериментов по исследованию влияния деформации на сопротивление кристаллов германия и кремния. Коэффициент тензочувствительности в некоторых случаях превышал 100-150. Чувствительность сопротивления к деформации в 100 раз превышала типичную тензочувствительность металлов. Кроме высокой величины тензочуствительности величина и знак тензочувствительности зависели от того, n- или p-типа материал подвергался деформации, от уровня легирования материала донорными или акцепторными примесями.

Наконец, тензочувствительность германия и кремния оказалась резко анизотропной величиной. Ее значение сильно зависело от того, в каком кристаллографическом направлении вырезались образцы из монокристаллов германия и кремния.

В металлах главную роль в изменении сопротивления играет изменение геометрических размеров при деформации. Этот механизм тензочувствительности приводит к значению коэффициента тензочувствительности k ~1-2. Значение k  ~100 нельзя объяснить только изменением геометрических размеров. К тому же, изменение геометрически размеров всегда проводит к положительному значению k. Это приводит к выводу, что при деформации полупроводниковых кристаллов сильно меняется удельное сопротивление материала ρ.

Величина ρ определяется концентрацией свободных носителей в материале и их подвижностью. При деформации меняется расстояние между атомами кристаллической решетки материала, а, следовательно, и силы взаимодействия между атомами. Это приводит к изменению энергии образования электронно-дырочной пары в материале ε_g. В примесном полупроводнике деформация приводит к изменению расстояния между атомом примеси и окружающими его атомами кристаллической решетки. При этом меняется энергия ионизации примеси Δε. Поэтому как в собственном, так и в примесном полупроводнике концентрация свободных носителей, вообще говоря, зависит от деформации. Основную роль в наблюдаемых эффектах играет изменение подвижности свободных носителей, электров и дырок, обусловленное зависимостью от деформации эффективной массы носителей m.

 

В отличие от термистора, имеющего десятки различных применений, тензорезисторы применяются почти исключительно для измерения деформаций и механических напряжений. Тензорезистор способен измерять эти величины в очень широком диапазоне значений и в самых разнообразных условиях. С помощью тензорезисторов можно измерять относительное изменение длины, лежащее в пределах от стомиллионной доли процента, до величины 5*10^-3.(При относительном удлинении 5*10^-3, или 0.5% разрушается подавляющее большинство металлов и сплавов). Тензорезисторы способны измерять деформации, возникающие за десятимиллионные доли секунды, - и следить за медленно, в течении часов, суток, месяцев накапливающимися деформациями в стальных и железобетонных конструкциях. С помощью тензорезисторов деформации могут быть измерены в диапазоне температур -100ºС - 400ºС.

К числу наиболее важных приборов на основе тензорезисторов относятся акселерометры, датчики давления и приборы медицинского и биологического контроля.

Тензорезисторы успешно используются для определения давления крови. Катетеры с тензорезисторами вводятся непосредственно в кровеносные сосуды. Они настолько миниатюрны, что практически не вносят возмущения в ток крови.

Тензорезисторы используются для контроля объема и скорости дыхания в системах телеметрической информации о живых и космических пациентах, для слежения за ритмом сердечных сокращений и давлением непосредственно в сосудах сердца, для контроля усилий, развиваемых в экстремальных условиях спортсменами и космонавтами, для проведения многих других биологических исследований.

Акселерометры – приборы, измеряющие ускорения, являются важнейшими элементами автопилотов, систем наведения ракет и ряда других устройств. Акселерометр на основе тензорезистора представляет собой легкую, миниатюрную (~ 1 см) деформируемую балку, на конце которой закреплен груз точно известной массы m. Сила f, деформирующая балку, пропорциональна ускорению а (f=ma), а показания тензодатчика, как мы знаем, пропорциональны деформирующей силе f. Поэтому показания тензодатчика можно проградуировать прямо в единицах ускорения. В зависимости от конструкции чувствительность акселерометра может лежать в пределах от ~10^-2 до 10² Ом/g. А полная шкала прибора – составлять (10-1000)g.

Устройство датчика давления, в принципе, очень просто. Тензорезистор крепится к легкой диафрагме, деформация которой, измеряемая тензодатчиком, пропорциональна давлению. Миниатюрные, устойчивые к действию вибрации и других мешающих факторов, такие датчики оказываются очень удобными при работе на испытательных стендах, в вакуумных установках, при измерение давления в потоке жидкости или газа.