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.
Encoder for measuring tensions caused by mechanical forces
The present invention relates generally to an encoder and, more particularly, to the improved construction of a piezo-electric semiconductor unit for use as a strain gauge or the like.
The conventional piezo-electric transducers were able to spread widely, having found their way into the field of measuring mechanical stresses. It was discovered not so long ago that certain semiconductors behave like the traditional piezo-electric materials when subjected to force.
In addition to the investigation of the relevant physical properties, it was also possible in practice to develop transmitters of this type which have proven to be volatile in the area concerned. Not only could the piezoelectric phenomena be produced with semiconductors, but great advances have been made in the miniaturization of such elements. In addition, such elements find an extended use, since they allow conversion of the direct current signals.
Although semiconductor tension meters have extraordinary advantages over conventional stretch marks, certain properties of them lead to difficulties in practice. The piezo-electric sensitivity arises when a potential is applied to the semiconductor material. Careful investigations and theoretical considerations now show that the voltage ratio in the semiconductor material is influenced by the size and direction of the stress on the material. Based on such fundamental knowledge, it seems possible to create encoders that can be used as strain gauges, pressure transmitters, in accelerometers, etc.
It is clear, however, that such transmitters must be electrically isolated from the parts on which they are mounted. The attachment of the semiconductor voltage generator to the part to be tested is problematic in that the conventional adhesives do not transfer the stress to be measured evenly to the sensor. In addition, cracks can occur in the adhesive. Indeed, it has been found that the connection of the semiconductor to the material under test is difficult, some of the difficulty arising from the need to electrically isolate the transducer from the part under test.
Further difficulties and obstacles arise with regard to the physical form of the semiconductor, since the dependence of the electrical resistance on the stress is bound by direction. Since the relationship between voltage and current intensity is a vectorial quantity, it is desirable to reduce the dimensions in all other directions with the exception of one preferred direction. In some respects, this requirement leads to particular advantages, but sometimes also to disadvantages, especially in connection with the handling of such piezoelectric sensors.
Due to the present invention, the difficulties mentioned, as well as other disadvantages not mentioned, can be overcome and at the same time there is a widespread field for the use of semiconductor encoders.
The transmitter according to the invention is characterized in that a measuring strip is provided on a support plate made of semiconductor material between the connections in the form of a doped area forming a p-n junction. With the encoder according to the invention it is possible to connect the semiconductor material directly to the part to be tested. The connection can be made with the aid of conventional alloy technology, the semiconductor material not being electrically isolated from the part to be tested.
In this way, on the one hand, the use of the voltmeter is greatly facilitated and, on the other hand, the area of use is expanded. It is also possible to make the sensor or transmitter element extremely small, namely smaller than was previously possible. Another advantage is that the stress can now easily be measured in different directions. It is possible to use several elements combined into a single piece instead of having to use them separately.
Due to the degree of enforcement, as well as the geometric shape of the measuring strip, and of course also by the number of measuring strips used in a single encoder, an impedance corresponding to the respective requirements can be achieved. The encoder itself can be extremely small, but it can still be precisely controlled with regard to the parameters and geometric shape. The increased sensitivity of the semiconductor sensors compared to the conventional metal sensors is known and now, in addition to this advantage, an improvement in the stability is achieved even in comparison with relatively large semiconductor sensors of the known type.
In the drawing, exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown.
It shows:
1 shows a top view of a transmitter with several strain gauges,
FIG. 2 shows a section along the line II-II in FIG. 1
3 shows the simplified circuit diagram for the transmitter according to FIGS. 1 and 2.
4 shows a diagrammatic representation of an encoder which is mounted on a part to be tested, for example on a plate,
Fig. 5 is a section along the line V-V of Fig. 4, and
6 shows a rosette-shaped encoder.
The encoder comprises a plate, or a strip or the like. Made of semiconductor material, which plate is intended to be brought into direct contact with the test object to be tested for mechanical stresses, such as a plate or a beam, so that the test part is stretched under stress is transferred to the plate in order to be able to draw conclusions about the direction and magnitude of the stresses that arise. The connection of the plate to the part to be tested can be achieved in any suitable manner, for example by alloying, or with the aid of conventional adhesives. The actual measuring strip is formed in such a way that a certain activator is diffused into a very small elongated layer of the semiconductor material of the plate. The measuring strip is advantageously oriented in a selected axis of the monocrystalline structure.
Electrical connections are then made at points on the measuring strip that are spaced apart from one another in order to be able to measure the stress on the part on which the transducer is mounted. Gauge strips can be formed on opposite parts of the support plate for increased effectiveness.
As can be seen from FIG. 1, the transmitter 10 has a support plate 11 made of a monocrystalline semiconductor material, for example silicon. A certain activator is uniformly diffused in this support plate in order to create a p-line or n-line. For example, assume that the plate is p-type silicon. At least one measuring strip is formed on the surface 12 of the plate.
As shown, the transducer comprises two measuring strips 13 and 14 which are arranged parallel to one another on the upper surface of the plate, these two strips being formed by a certain activator being diffused in a controllable manner into the upper surface of the plate in order to thereby 15 and 16 to create a pn junction between the plate and the strips 13 and 14, respectively. In connection with the formation of the measuring strips, reference is made to the production of transistors, in which field the technology for carrying out such diffusion processes is sufficiently known.
It should be noted that the semiconductor material used in the present context is necessarily monocrystalline, as it is manufactured and used in the field of transistors. The measuring strips 13 and 14 are directed along an axis of the crystalline structure, the choice of the relevant axis being dependent on the material used and, under certain circumstances, on the type of use of the encoder. The strips can - purely for example - be directed in the directions (111), (110) or (100). The support plate 11 is provided with a protective coating 18, for example made of silicon oxide or the like. Which coating adheres well to the support plate or thus practically forms one piece.
This coating is electrically insulating, whereby it not only serves to electrically isolate the outer surface, but at the same time to protect this surface against harmful influences which can impair the semiconductor properties of the plate. Another purpose of the coating is shown in FIG. 2, from which it can be seen that surface contacts 19 and 20 are arranged on the upper surface of the plate, which extend through openings in the coating 18 and are electrically connected to the measuring strips. As can be seen from FIG. 1, two contacts are provided for each measuring strip, which are advantageously arranged at both ends of the measuring strips, in any case at a distance from one another, according to the chosen crystal axis of the plate.
The measuring strip 13 has electrical contacts 19 and 19 'at both ends, which are connected to electrical lines 21 and 21', while the contacts 20 and 20 'of the measuring strip 14, which are arranged in the same way, interact with lines 22 and 22'.
In the present context, the technology used in the manufacture of transistors can be used. For example, the coating 18 can be etched away or otherwise removed at certain points in order to give access to the measuring strips 13 and 14 at their opposite ends and a suitable electrically conductive material 1 can be applied to the coating, which is attached to the exposed areas are alloyed with the measuring strips to create a surface connection with the same. The operation of the transmitter is not affected by the length of the contact material located above the coating, since the coating is electrically isolated and consequently an electrical connection to the strain gauges is only possible in the area of the exposed areas.
Forces can be measured with the aid of a pressure transmitter which includes the transmitter described above, with a suitable electrical circuit indicating the change in resistance of the measuring strip as a result of mechanical tension when forces are applied. There is a proportionality between the voltage and the measured resistance of the semiconductor material, so that it is possible to precisely measure the mechanical stress on beams, plates or other construction elements by attaching the transmitter to such elements and measuring the change in resistance of the transmitter.
A variety of electrical circuits can be used for such measurements, a simplified version of which is shown in FIG. 3, which is particularly suitable for determining changes in resistance in the transmitter described above. As can be seen from this figure, this is a circuit with resistors 31 and 32, which are connected to the measuring strips 13 and 14 of the transmitter 10 to form a bridge. A suitable power source, for example a battery 34, is connected to one diagonal of the bridge, to the other diagonal of which lines 36 are connected.
These lines 36 can be connected to a readable display instrument, for example to an ammeter 37, or they can also be connected to a transducer or to a recording device, depending on the particular conditions of the individual case. It goes without saying that the circuit according to FIG. 3 has a fixed potential corresponding to the strain gauges and emits an output signal which is proportional to the changes in resistance indicated by the current intensity of the current flowing through the transmitter. When the resistance of the encoder changes under the action of force, the strength of the current applied to the encoder with constant voltage indicates the magnitude of the stress. In this way it is possible to continuously perceive the stress on the part to which the encoder is attached.
The transmitter described above has one or more measuring strips of precisely defined geometrical shape and specific composition and is also suitable for being attached to an object in direct contact without insulation. In this regard, reference is made to FIGS. 4 and 5, which show a simple transmitter with a measuring strip which is fastened on a plate or the like in order to measure the forces acting on the plate. As can be seen from these figures, the plate 11 of the transmitter rests directly on a plate 41 in order to measure the forces acting on the latter.
This direct attachment of the transmitter can be accomplished with the aid of a suitable alloy substance 42, such as gold or the like, which is placed between the support plate 11 and the plate 41 and then heated in order to connect the support plate to the base. It goes without saying that with such a type of connection, the base and the transmitter are electrically connected at the same time, but this does not affect the function of the transmitter in any way. The schematic FIGS. 4 and 5 actually show a transmitter which corresponds to one half of the transmitter according to FIGS. 1 and 2, so that it can be said that the transmitter according to FIGS. 4 and 5 has a single strain gauge 13.
The electrical insulation of the strain gauge 13 consists of the semiconductor material of the support plate, which surrounds the strip. If a semiconductor material is used which, as is known, has a high electrical resistance, this resistance is effective between the plate 41 and the measuring strip 13. If, on the other hand, the carrier plate is made of a bulk conductor material with a suitable activator diffused in, there is actually a rectifying junction or a pn junction between the measuring strip and the carrier plate, which consequently acts as a kind of diode between the strip and the plate and electrically isolates the strip from the Plate results.
In the latter case, the strip has a polarity opposite to that of the support plate, which is caused by the controlled diffusion of the selected activator into the upper surface of the support plate. In particular, it should also be pointed out that the dimensions of the measuring strip are extremely small, in particular with regard to the thickness and width of the same. This is possible thanks to the use of diffusion technology, whereby strain gauges can be created that are many times smaller than if they were independent physical bodies.
In addition to the advantages of the encoder described above, compared to known devices of this type, it should also be mentioned that star-shaped encoders can now also be created.
Structural parts are usually subjected to forces acting in different directions, and in general not only the stress in a particular direction is of interest. Star-shaped donors are known to show not only the size of a force, but also the direction of the same. In the same way as in connection with the encoder according to FIGS. 1 and 2, a star-shaped encoder can also be created.
In such a transmitter, as shown in FIG. 6, the carrier plate 51 made of a semiconductor material has several separate strain gauges 52, 53, 54 and 555 which are diffused into the upper surface of the carrier plate. These are the same layer-like strips as shown with reference to FIG. 2, with minimal thickness and width. The
Strain gauges extend from the center of the support plate in different directions. Everyone
The measuring strip has electrical connections at its ends, so that the measuring strips can work separately in the same way as already described above.
The
Transmitter according to FIG. 6 to measure changes in resistance in several directions, it being possible not only the size, but also the direction of the
Precisely determine the stress. The encoder according to FIG. 6 is attached to the structural parts in the same way as with the aid of
4 and 5 has already been demonstrated. Particular attention must be paid to the orientation of the crystal. According to FIG. 6, it is a plate made of p-conducting silicon which is split in plane (100), with the n-conducting measuring strips lying in direction [100]. If the orientation differs, other directions result.
In contrast to the conventional efforts in connection with the measurement of an all-round load is the
Donor according to FIG. 3 is still extremely beneficial in that it is a single unit
Piece list with several connections, which can be used individually or together to determine both the direction and the magnitude of the stresses. What has been said in connection with the simple encoders is analogously valid for star-shaped encoders and therefore needs this
Place not to be repeated.
From the above, it is understood that a great advance in the context of semiconductors
Strain gauge could be achieved. The physical structure of the encoder already results in a particular advance, and in particular such encoders can be manufactured very easily, in the same way as transistors are manufactured, with precise control of the physical dimensions and the functional parameters. An extreme reduction in size of the encoder is achieved through the special structure and the manufacturing process. In an implemented encoder, the mass of the support plate is 1.7 by 1.3 mm, for example, the distance between the connections of the measuring strips being 0.8 mm mils and the width of the same being 0.25 mm.
With such a small design, an encoder can also be used in positions that are otherwise inaccessible for measuring the stress. Even if the support plate made of semiconductor material is relatively large and strong in order to allow the arrangement of different measuring strips and to carry them, it goes without saying that the dimensions of such a support plate are still very small.
Such a transmitter can have a measuring strip made of p-conductive silicon, which is oriented along the (111) axis of the monocrystalline plate.
An additional advantage results from the stability thanks to the physical structure. The sensitivity of the semiconductor material to contamination of the surface is known. With the minimal surface of the encoder, changes in the encoder characteristics are now extremely small.
In addition, the coating of the support plate counteracts surface contamination that would otherwise impair the electrical properties of the encoder. The advantage that the transmitter can be attached directly to electrically conductive objects, for example made of molybdenum, steel and the like, deserves special attention, especially since it has been found that conventional insulating cements tend to change their properties under stress, if they do not simply differ solve the elements to be connected. Any change in the physical shape or the characteristics of the binding agent leads to an incorrect transfer of the stress to the transmitter, which then emits an incorrect signal that does not correspond to the actual stress on the structural part concerned.
A much more resistant and stable connection of the transmitter to a structural part is achieved if the transmitter rests directly on this part, it being of course possible to produce the connection with the aid of a binding agent, if this is desired.