Geber zum Messen von durch mechanische Kräfte verursachten Spannungen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen Geber und im besonderen auf die verbesserte Ausbildung einer piezo-elektrischen Halbleitereinheit zwecks Verwendung derselben als Dehnungsmesstreifen oder dergleichen.
Die herkömmlichen piezo-elektrischen Übertrager konnten sich im allgemeinen weit verbreiten, wobei sie in das Gebiet der Messung mechanischer Spannungen Eingang gefunden haben. Es wurde vor noch nicht so langer Zeit entdeckt, dass gewisse Halbleiter unter Krafteinwirkung sich wie die her körumlichen piezo-elektrischen Materialen verhalten.
Neben der Untersuchung der hierfür massgebenden physikalischen Eigenschaften konnten auch in der Praxis Uebertrager solcher Art entwickelt werden, welche sich in dem betreffenden Gebiet als voliwertig erwiesen haben. Es konnten nicht nur die piezoelektrischen Erscheinungen mit Halbleiter hervorgebracht werden, vielmehr sind grosse Fortschritte bei der Verkleinerung solcher Elemente gemacht worden. Ausserdem finden solche Elemente eine erweiterte Verwendung, da sie eine Umwandlung der Gleichstrom-Signale gestatten.
Obwohl also Spannungsmesser aus Halbleiter gegenüber den herkömmlichen Dehnungsstreifen au sser- ordentliche Vorteile aufweisen, führen gewisse Ei genschaiten derselben in der Praxis doch zu Schwierigkeiten. Die piezo-elektrische Empfindlichkeit entsteht beim Anlegen eines Potentials am Halbleitermaterial. Sorgfältige Untersuchungen und theoretische Betrachtungen zeigen nun, dass das Stromspannung Verhältnis im Halbleitermaterial durch die Grösse und die Richtung der Beanspruchung des Materials beeinflusst wird. Auf Grund solcher grundlegender Erkenntnisse scheint es möglich, Geber zu scha±fen, die verwendbar sind als Dehnungsmesstreifen, Druck übertrager, in Beschleunigungsmessern usw.
Es ist dabei jedoch klar, dass solche Geber gegenüber den Teilen, an welche sie montiert sind, elektrisch isoliert sein müssen. Dabei ist die Befestigung des Halbleiter-Spannungsgebers an dem zu prüfenden Teil problematisch, indem die herkömmlichen Klebemittel die zu messende Beanspruchung nicht gleichmässig auf den Geber übertragen. Ausserdem können im Klebemittel Risse entstehen. Es hat sich tatsächlich gezeigt, dass die Verbindung des Halbleiters mit dem zu prüfenden Material schwierig ist, wobei ein Teil der Schwierigkeiten aus der Notwendigkeit entsteht, den Geber vom zu prüfenden Teil elektrisch zu isolieren.
Weitere Schwierigkeiten und Hindernisse treten in bezug auf die physische Form des Halblei- tergebers auf, indem die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Beanspruchung richtungs- gebunden ist. Da es sich im Zusammenhang mit dem Verhältnis zwischen Spannung und Stromstärke um vektorielle Grössen handelt, ist die Verkleinerung der Dimensionen mit Ausnahme einer bevorzugten Richtung in allen anderen Richtungen erwünscht. Diese Forderung führt in mancher Hinsicht zu besonderen Vorteilen, mitunter aber auch zu Nachteilen, vor allem in Zusammenhang mit der Handhabung solcher piezo-elektrischer Geber.
Auf Grund der vorliegenden Erfindung können die erwähnten Schwierigkeiten, wie auch weitere nicht erwähnte Nachteile überwunden werden und gleich zeitig ergibt sich dabei für die Verwendung von Halbleiter-Gebern ein verbreitetes Feld.
Der erfindungsgemässe Geber ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Messstreifen auf einer Tragplatte aus Halbleitermaterial zwischen den Anschlüssen in der Form eines dotierten, einen p-n Übergang bildenden Bereiches vorgesehen list. Bei dem erfindungsgemässen Geber ist es möglich, das Halbleitermaterial direkt mit dem zu prüfenden Teil zu verbinden. Die Verbindung kann mit Hilfe der herkömmlichen Legierungstechnik bewerkstelligt werden, wobei das Halbleitermaterial gegenüber dem zu prüfenden Teil nicht elektrisch isoliert ist.
Dadurch wird einesteils die Verwendung des Spannungsmessers stark erleichtert und andernteils wird das Verwendungsgebiet erweitert. Es ist ferner möglich, das Fühler- oder Geberelement ausserordentlich klein zu dimensionieren, namentlich kleiner, als bisher möglich war. Ein weiterer Vorteil ergibt sich insofern, als nunmehr die Beanspruchung in verschiedenen Richtungen leicht gemessen werden kann. Es ist möglich, mehrere Elemente zu einem einzigen Stück vereinigt zu verwenden, anstatt diese separat benützen zu müssen.
Durch den Grad der Durchsetzung, sowie durch die geometrische Form des Messtreifens, und selbstverständlich auch durch die Anzahl der verwendeten Messtreifen in einem einzigen Geber kann eine den jeweiligen Anforderungen entsprechende Impedanz erreicht werden. Der Geber selber kanz ausserordentlich klein sein, wobei derselbe dennoch mit Hinblick auf die Parameter und geometrische Form genau kontrollierbar ist. Die erhöhte Empfindlichkeit der Haibleitergeber gegenüber den herkömmlichen Metallgebern ist bekannt und nun wird zusätzlich zu diesem Vorteil eine Verbesserung der Stabilität selbst im Vergleich mit relativ grossen Halbleitergebern der bekannten Art erreicht.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgenstandes dargestellt.
Es zeigt:
Fig. 1 in Draufsicht einen Geber mit mehreren Dehnungsmesstreifen,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1
Fig. 3 das vereinfachte Schaltschema für den Geber gemäss den Fig. 1 und 2.
Fig. 4 einen Geber in schaubildlicher Darstellung, welcher an einem zu prüfenden Teil beispielsweise an einer Platte montiert ist,
Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4, und
Fig. 6 einen rosettenförmigen Geber.
Der Geber umfasst eine Platte, oder einen Streifen oder dergl. aus Halbleitermaterial, welche Platte bestimmt ist, mit dem auf mechanische Spannungen zu prüfenden Prüfling wie eine Platte oder ein Balken, in direktem Kontakt gebracht zu werden, damit die Dehnung des prüfenden Teiles unter Beanspruchung auf die Platte übertragen wird, um bezüglich der Richtung un der Grösse der entstehenden Spannungen Schlüsse ziehen zu können. Die Verbindung der Platte mit dem zu prüfenden Teil kann in jeder geeigneten Art und Weise bewerkstelligt werden, beispielsweise durch Legieren, oder mit Hilfe von üblichen Klebmitteln. Der eigentliche Messtreifen wird so gebildet, dass in eine sehr kleine längliche Schicht des Halbleitermaterials der Platte ein bestimmter Aktivator eindiffundiert wird. Der Messtreifen ist vorteilhaft, in einer gewählten Achse der einkristallinen Struktur orientiert.
An in Abstand voneinander liegenden Stellen des Messtreifens werden sodann elektrische Verbindungen angelegt, um die Beanspruchung des Teiles, an welchem der Geber montiert ist, messen zu können. Messtreifen können an entgegengesetzten Teilen der Tragplatte gebildet werden, um eine erhöhte Wirkung zu erhalten.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, besitzt der Geber 10 eine Tragplatte 11 aus einem einkristallinen Halbleitermaterial, beispielsweise aus Silizium. In dieser Tragplatte ist gleichmässig ein bestimmter Aktivator diffundiert, um eine p-Leitung oder n-Leitung zu schaffen. Es sei zum Beispiel angenommen, dass die Platte Silizium mit p-Leitung ist. An der Oberfläche 12 der Platte ist wenigstens ein Messtreifen gebildet.
Wie gezeigt umfasst der Geber zwei Messtreifen 13 und 14, die an der oberen Fläche der Platte zueinander parallel angeordnet sind, wobei diese beiden Streifen dadurch gebildet sind, dass ein bestimmter Aktivator in kontrollierbarer Weise in die obere Fläche der Platte eindiffundiert wird, um dabei bei 15 und 16 zwischen der Platte und den Streifen 13 bzw. 14 einen p-n Übergang zu schaffen. In Zusammenhang mit der Bildung der Messtreifen wird auf die Herstellung von Transistoren verwiesen, auf welchem Gebiet die Technik der Durchführung solcher Diffusionsvorgänge hinreichend bekannt ist.
Es ist zu bemerken, dass das im vorliegenden Zusammenhang verwendete Halbleitermaterial notwendigerweise einkristallin ist, wie es auf dem Gebiete der Transistoren hergestellt und benützt wird. Die Messtreifen 13 und 14 sind nach einer Achse der kristallinen Struktur gerichtet, wobei die Wahl der betreffenden Achse von dem verwendeten Material und unter Umständen von der Verwendungsart des Gebers abhängig ist. Die Streifen können - rein beispielsweise - nach den Richtungen (111), (110) oder (100) gerichtet sein. Die Tragplatte 11 ist mit einem Schutzüberzug 18 versehen, beispielsweise aus Siliziumoxyd oder dergl., welcher Überzug an der Tragplatte gut haftet, bzw. damit praktisch ein Stück bildet.
Dieser Überzug ist elektrisch isolierend, wobei derselbe nicht nur der elektrischen Isolierung der äusseren Fläche dient, sondern zugleich um diese Fläche gegen schädliche Einflüsse zu schützen, welche die Halbleitereigenschaften der Platte beeinträchtigen können. Ein weiterer Zweck des überzuges ergibt sich aus der Fig. 2, aus welcher ersichtlich ist, dass an der oberen Fläche der Platte Flächenkontakte 19 und 20 angeordnet sind, welche sich durch öffnungen im Überzug 18 hindurch erstrecken und mit den Messstreifen elektrisch verbunden ist. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, sind für jeden Messtreifen zwei Kontakte vorgesehen, welche vorteilhaft jeweils an beiden Enden der Messtreifen, auf alle Fälle in Abstand voneinander angeordnet sind, und zwar nach Massgabe der gewählten Kristallachse der Platte.
Dabei besitzt der Messtreifen 13 an ihren beiden Enden elektrische Kontakte 19 und 19', welche mit elektrischen Leitungen 21 und 21' verbunden sind, während die in gleicher Weise angeordneten Kontakte 20 und 20' des Messstreifens 14 mit Leitungen 22 bzw. 22' zusammenwirken.
Im vorliegenden Zusammenhang kann auf die Technik bei der Herstellung von Transistoren zurückgegriffen werden. So kann beispielsweise der Überzug 18 an bestimmten Stellen weggeäzt oder sonstwie entfernt werden, um den Zugang zu den Messtreifen 13 und 14 an deren entgegengesetzten Enden frei zu geben und es kann auf den Überzug ein geeignetes elektrisch leitendes Material l aufgebracht werden, welches sich an den freigelegten Stellen mit den Messstreifen legiert, um eine Flächenverbindung mit denselben zu schaffen. Die Arbeitsweise des Gebers wird durch die sich oberhalb des überzuges befindende Länge des Kontaktmaterials nicht beeinträchtigt, da ja der Überzug elektrisch isoliert und folglich eine elektrische Verbindung mit den Dehnungsmesstreifen nur im Bereiche der freigelegten Stellen möglich ist.
Kräfte können mit Hilfe eines Druckübertragers gemessen werden, welcher den vorstehend beschriebenen Geber umfasst, wobei eine geeignete elektrische Schaltung bei Kräfteeinwirkung die Widerstandsänderung des Messtreifens zufolge mechanischer Spannung anzeigt. Zwischen der Spannung und dem gemessenen Widerstand des Halbleitermaterials besteht eine Proportionalität, so dass es möglich ist, die mechanische Spannung an Balken, Platten oder sonstigen Konstruktionselementen genau zu messen, indem der Geber an solchen Elementen befestigt und die Widerstandsänderung des Gebers gemessen wird.
Für solche Messungen können vielerlei elektrische Schaltungen benützt werden, von welchen eine vereinfachte Ausführung, die zur Bestimmung von Widerstandsänderungen in dem vorstehend beschriebenen Geber besonders geeignet ist, in der Fig. 3 dargestellt ist. Wie aus dieser Figur ersichtlich, handelt es sich dabei um eine Schaltung mit Widerständen 31 und 32, welche mit den Messtreifen 13 und 14 des Gebers 10 zu einer Brücke zusammengeschaltet sind. Eine geeignete Stromquelle, beispielsweise eine Batterie 34, ist mit einer Diagonale der Brücke verbunden, an deren andere Diagonale Leitungen 36 geschaltet sind.
Diese Leitungen 36 können mit einem ablesbaren Anzeigeinstrument, beispielsweise mit einem Amperemeter 37 verbunden sein, oder sie können auch mit einem Messwertgeber oder mit einer Registriervorrichtung verbunden sein, je nach den besonderen Bedingungen des einzelnen Falles. Es versteht sich, dass die Schaltung gemäss der Fig. 3 entsprechend den Dehnungsmesstreifen ein festes Potential aufweist und ein Ausgangssignal abgibt, welches zu den Widerstandsänderungen, die durch die Stromstärke des durch den Geber fliessenden Stromes angezeigt werden, proportional ist. Bei der Änderung des Widerstandes des Gebers unter Krafteinwirkung zeigt die Stärke des an den Geber mit konstanter Spannung angelegten Stromes die Grösse der Beanspruchung an. In dieser Weise ist es möglich die Beanspruchung des Teiles, an welchem der Geber befestigt ist, kontinuierlich wahrzunehmen.
Der vorstehend beschriebene Geber weist einen oder mehrere Messtreifen von genau definierter geometrischer Form und bestimmter Zusammenstellung auf und der ist darüberhinaus geeignet, auf einem Gegenstand ohne Isolation in direktem Kontakt befestigt zu werden. In dieser Beziehung wird auf die Fig. 4 und 5 verwiesen, welche einen einfachen Geber mit einem Messtreifen zeigen, welcher auf einer Platte-oder dergl. befestigt ist, um die auf die Platte einwirkenden Kräfte zu messen. Wie aus diesen Fig. ersichtlich, liegt die Platte 11 des Gebers direkt auf einer Platte 41 auf, um die auf letztere einwirkenden Kräfte zu messen.
Diese direkte Befestigung des Gebers kann mit Hilfe einer geeigneten Legierungssubstanz 42 bewerkstelligt werden, wie beispielsweise Gold oder dergL, welche zwischen die Tragplatte 11 und die Platte 41 gegeben und dann erwärmt wird, um die Tragplatte mit der Unterlage zu verbinden. Es versteht sich, dass bei einer solchen Art der Verbindung die Unterlage und der Geber zugleich elektrisch verbunden sind, was jedoch die Funktion des Gebers in keiner Art und Weise beeinträchtigt. Die schematischen Fig. 4 und 5 zeigen eigentlich einen Geber, welcher einer Hälfte des Gebers nach den Fig. 1 und 2 entspricht, so dass gesagt werden kann, dass der Geber gemäss den Fig. 4 und 5 einen einzigen Dehnungsmesstreifen 13 aufweist.
Die elektrische Isolation des Dehnungsmesstreifens 13 besteht aus dem Halbleitermateriall der Tragplatte, welches den Streifen umgibt. Wenn nämlich ein Halbleitermaterial verwendet wird, das, wie bekannt, einen hohen elektr, ischen Widerstand aufweist, ist dieser Widerstand zwischen der Platte 41 und dem Messtreifen 13 wirksam. Besteht andererseits die Tragplatte aus einem Haubleitermaterial mit einem eindiffundierten geeigneten Aktivator, so besteht eigentlich ein Gleichrichtübergang oder ein p-n Übergang zwischen dem Messtreifen und der Tragplatte, die folglich als eine Art Diode zwischen dem Streifen und der Platte wirkt und eine elektrische Isolation des Streifens von der Platte ergibt.
Im letzteren Fall besitzt der Streifen eine Polarität, die derjenigen der Tragplatte entgegengesetzt ist, was durch das gesteuerte Diffundieren des ausgewählten Aktivators in die obere Fläche der Tragplatte bewirkt wird. Im besonderen ist noch darauf hinzuweisen, dass die Masse des Messtreifens ausserordentlich klein sind, insbesondere was die Dicke und die Breite desselben anbelangt. Dies ist dank der Anwendung der Diffusionstechnik möglich, wobei Dehnungsmessbreifen geschaffen werden kön nen, die um ein vielfaches kleiner sind, als wenn sie selbstständige physikalische Körper wären.
Ausser den bereits erwähnten Vorteilen des be schriebenen Gebers gegenüber bekannten Vorrichtun gen dieser Art ist noch zu erwähnten, dass nunmehr auch sternförmige Geber geschaffen werden können.
Konstruktionsteile sind nämlich in der Regel in ver schiedenen Richtungen wirkenden Kräften unterwor fen, wobei im allgemeinen nicht nur die Beanspruchung in einer besonderen Richtung von Interesse ist. Stern förmige Geber sind bekannt, um nicht nur die Grösse einer Kraft, sondern auch die Richtung derselben anzu zeigen. In der gleichen Art und Weise, wie im Zu sammenhang mit dem Geber gemäss den Fig. 1 und 2, kann auch ein sternförmiger Geber geschaffen werden.
Bei einem solchen Geber, wie in der Fig. 6 dargestellt, besitzt die Tragplatte 51 aus einem Halbleitermaterial mehrere getrennte-Dehnungsmesstreifen 52, 53, 54 und 555 weleke in die obere Fläche der Tragplatte eindiffundiert werden. Es handelt sich dabei um die gleichen schichtartigen Streifen, wie anhand der Fig. 2 dargestellt, mit minimaler Dicke und Breite. Die
Dehnungsmesstreifen erstrecken sich vom Zentrum der Tragplatte in verschiedenen Richtungen. Jeder
Messtreifen weist an seinen Enden elektrische An schlüsse auf, so dass die Messtreifen gesondert in der gleichen Art und Weise arbeiten können, wie vor stehend bereits schon beschrieben.
Dabei gestattet der
Geber gemäss der Fig. 6 Widerstandsänderungen in mehreren Richtungen zu messen, wobei es möglich ist, nicht nur die Grösse, sondern auch die Richtung der
Beanspruchung genau festzustellen. Der Geber nach der Fig. 6 wird an den Konstruktionsteilen in der gleichen Art und Weise befestigt, wie anhand der
Fig. 4 und 5 bereits dargetan wurde. Die Orienterung des Kristalles muss besonders beachtet werden. Ge mäss der Fig. 6 handelt es sich um eine Platte aus p-leitendem Silizium, die in der Ebene (100) gespalten ist, wobei die n-leitenden Messtreifen in der Richtung [100] liegen. Bei einer abweichenden Orientierung ergeben sich andere Richtungen.
Im Gegenteil zu den herkömmlichen Bestrebungen im Zusammenhang mit der Messung einer allseitigen Beanspruchung ist der
Geber gemäss der Fig. 3 noch insofern äusserst vor teilhaft, indem derselbe ein einziges einheitliches
Stück list mit mehreren Anschlüssen, welche einzeln oder zusammen benützt werden können, um sowohl die Richtung wie auch die Grösse der Beanspruchun gen festzustellen. Das im Zusammenhang mit den einfachen Gebern gesagte ist sinngemäss für stern förmige Geber gültig und braucht daher an dieser
Stelle nicht wiederholt zu werden.
Vom Vorstehenden versteht es sich, dass ein grosser Fortschritt in Zusammenhang mit Halbleiter
Dehnungsmessgeber erreicht werden konnte. Der phy sikalische Aufbau des Gebers ergibt schon einen besonderen Fortschritt, und insbesondere können sol che Geber sehr leicht hergestellt werden, in der glei chen Art wie Transistoren hergestellt werden, mit präziser Kontrolle der physikalischen Dimensionen und der funktionellen Parametern. Eine äusserste Verkleinerung des Gebers wird durch den besonderen Aufbau und das Herstellungsverfahren erreicht. Bei einem ausgeführten Geber betragen die Masse der Tragplatte beispielsweise 1,7 auf 1,3 mm, wobei der Abstand zwischen den Anschlüssen der Messtreifen 0,8 mm mils und die Breite derselben 0,25 mm beträgt.
Bei einer derart kleinen Ausführung kann ein Geber auch in solchen Lagen verwendet werden, die sonst für die Messung der Beanspruchung unzugänglich sind. Wenn auch die Tragplatte aus Halbleitermaterial relativ gross und stark ist, um die Anordnung ver schieden er Messtreifen zu ermöglichen und diese zu tragen, so versteht es sich doch, dass die Dimensionen einer solchen Tragplatte immer noch sehr klein sind.
Ein solcher Geber kann einen Messtreifen aus p-leitendem Silizium aufweisen, welcher nach der (111) Achse der einkristallinen Platte orientiert ist.
Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich aus der Stabilität dank dem physikalischen Aufbau. Die Empfindlichkeit des Halbleitermaterials gegenüber Verunreinigung der Oberfläche ist bekannt. Bei der minimalen Oberfläche der Geber sind nun Änderungen der Gebercharakteristik ausserordentlich gering.
Darüber hinaus wirkt der Überzug der Tragplatte der Oberflächenverschmutzung entgegen, die sonst die elektrischen Eigenschaften des Gebers beeinträchtigen würde. Eine besondere Aufmerksamkeit verdient der Vorteil, dass der Geber unmittelbar an elektrisch leitenden Gegenständen beispielsweise aus Molybdän, Stahl und dergl. befestigt werden kann, zumal gefunden wurde, dass die herkömmlichen isolierenden Zemente unter Beanspruchung zur Änderung ihrer Eigenschaften neigen, wenn sie sich nicht schlechthin von den zu verbindenden Elementen lösen. Jede Änderung der physikalischen Form oder der Charakteristik des Bindemittels führt zu einer unkorrekten Übertragung der Beanspruchung auf den Geber, welcher in der Folge ein unzutreffendes Signal abgibt, das nicht der tatsächlichen Beanspruchung des betreffenden Konstruktionsteiles entspricht.
Eine wesentlich widerstandsfähigere und stabilere Verbindung des Gebers mit einem Konstruktionsteil wird erreicht, wenn der Geber direkt an diesem Teil aufliegt, wobei es natürlich möglich ist, die Verbindung mit Hilfe eines Bindemittels herzustellen, wenn dies erwünscht ist.