DD152413A1 - Halbleiterdehnungsmesselement und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung kann ueberall dort verwendet werden, wo bisher herkoemmliche Dehnungsmeszstreifen Anwendung finden. Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Halbleiterdehnungsmesselementes und ein einfaches Verfahren zu seiner Herstellung. Erfindungsgemaess besteht das Halbleiterdehnungsmesselemt aus Tellur, das eine d. Messumgebungstemperatur zugeordnete Akzeptorkonzentr. &expm!N&indA! besitzt u. durch Kristallisation aus d. Dampfphase als hohlwachsender Nadeleinkristall (Whisker) mit der Kristallachse in &0001!-Richtung hergestellt wird. Das Verfahren zur Herstellung ist im wesentlichen durch die Verdampfung von reinem oder definiert dotiertem Tellur mit anschliessendem T Transport durch einen Reinstargongasstrom in einen zweiten Systemteil charakterisiert, wo die Kristallisation zu Nadeleinkristallen stattfindet.

Description

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Halb!ei.terdehnungsmeßelement undl Verfahren zu seiner Her*- Stellung

Anwendungsgebiet der Erfindung·

Die; Erfindung betrifft ein Ralbl eiterdehnungsmeßelement; undL ein Verfahren zu seiner-Herstellung. Halbleiterdehnungsmeßele>mente.'können überall-dort: verwendet; werden, wo bisher:'herkömmliche: Dehnungsmeßstreifen CDMS)) aus metallischem oder halbleitendem Widerstandsmaterial Anwendung finden. Insbesondere kann die: Erfindung- bei der· elektrischen. Messung mechanischer^ Großen m Festkörpern, die durch: äußere Einflüsse;, wie: Druck- Temperatuar, Kraft, Drehmoment, eine: Änderung ihreir äuß'eren. Abmes:*- sungen erfahren, in der-Meßtechnik; und industriellen Prozeßuberwachiing verwendet werden«

Charakteristik: der bekannten technischen. Lösungen Bekannt; sind Metalldehnungsmeßstreifen, die aus: einem meander?· förmig in. Kunststoffolien, eingebetteten, feingezogenem Draht aus zumeist; einer.· CuJJ.iMh-Legierung (Konstanton oder-Manganin} ader:· aus auf Kunststoff öl ies aufgesampften. Leiterbahnen- aus: gleichem Material, die auch durch ätztechnik: aus dünngewalzter-Polie:: hergestellt werden. Die die Meßempfindlichkeit kennzeichnendes Großes K (K-Paktor), die:: durch dass Verhältnis aus; relativer Widerstandsänderung: zur- Dehnung gegeben ist, ist klein und- liegt, durch die Materialkonstanten bedingt, etwabueii Kä 2. Dies? erfordert einen nicht unerheblichen iufwandl. an. nachgeordneter Meßtechnik. Die Herstellungstechnologie dieser Metalldehnungsmeßstreifen, ist insgesamt-kompliziert (FiIonenko, M,M. et al. "Festigkeitslehre, Bd> H, Berlin 11952:, S^ 276! ff. K ..'

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Besweiteren sind Ealbleiterdehnungsmeßs-treifen (HL-DMS) ba~ kannt, die aus; einem Stäbchen (etwa. 100 um χ 500 um χ 8 mm) geeignet dotierten Siliziumss oder-Germaniums^ (neuerdings, auch aus GaP) bestehen, dasvmit Aufwand ausß zumeist scheibenförmigem Äusgangsmaterial kristallographisch- orientiert herauspräpariert und mit Golddrähten ohmsch kontakt!ert wird" und zumeist zur- Anwendung- auf einer- Kunststoff olie; zur· besseren. Handhabung* angeboten wird* Die; den Pieaowiderstandseffekt ausnutzenden HL-DMS erreichen K-Faktoren von 80 biss 1120, wodurch) das Nutzsignal durch; eine einfachere.; Meßanordnung als bei Metall-DMS registriert werden, kann. Jedoch, ist die Herstellungstechnologie erheblich umständlicher· und ein Sempera>tureinfluß auf das Meßsignal wesentlich größer;, was; Maßnahmen zur-Temperaturkompensation im. Einsatz erfordert CErIer·, W. ι WaL their, H, "Elektrisches Messen nichtelektrischer· Größen mit HL-Widerständen*, Eerliu t9TO. Kristallorientierung und äußere; Geometrie?; des HL-DMS; müssen, eng toleriert auf einander- abgestimmt sein, um zu einheitlichen K—Faktoren zu kommen, da der Piezowiderstand eine tensorielle; Größe ist. Die maximal meßbaren Dehnungen sind bedingt durch, die 3?estigkeitseigen~ ßchaften. des HL-Materials kleiner· als:· b-ei. Metall-DMS:, besonders treten bei dynamischen, Messungen durch: elastische Hach.— Wirkungen im HL-Material Drifteffekte des Meßsignals auf Cschlechte: Hullpunktskonstanz}. Bei wechselnder-Last zeigt der/ EL-DMS ein Hystereseverhalten, w,as5 eine jeder-Messung stets; vorangehende; Eichung· notwendig macht (Zillich, H. "Zur· inwen— dung· von HL-DMS aus p*-Sl^tt:, S.Instr; Ί4 (119.66) 220).

Ziel, der; Erfindung .

2i'el der Erfindung ist die; Entwicklung: eines Halbleiterdelxnungsmeßelementes und ein. Verfahren zu. seiner· Herstellung. Das Halbleit erdehnungsmeß'element soll, sowohl, die Hachteile der- bekannten Metall-DMS, wie: komplizierte; Herstellungstechnologie und hoher- Aufwand! an nachgeordneter Meßtechnik, als auch die Nachteile bekannter HL-D'siS, wie komplizierte'Herstellungstech.-nologie und. GTemperaturempf indlichkeit des: Meßsignals "^Ί den.

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Darlegung: desi Wesens; der.-Erfindung

Aufgabe der: Erfindung ist die Entwicklung eines HL-Dehnungs*- meßelementes und ein einfaches Verfahren zu. seiner- Herstellung. Erfindungsgemäß wird; die Aufgabe; dadurch, gelöst, daß das:· HL— Behnungsmeßelement aus Tellur- besteht, das eine, der: Meßumge>-^; bungs temperatur erfindungsgemäß zugeordnete; Akz ep torkonz enfcca-tion ^mläL besitzt und durch Kristallisation aus der- Dampfphase erfindungsgemäß als hohlwachs end er- Uadeleinkristall (Whisker) mit der Kristallängsachse in, . 0001! -Richtung hergestellt

Das:; Verfahren zur¹ Barstellung der: Te*-Whisker gründet sich auf die Kristallisation aus der Dampfphase." Zu diesem Zweck, wird i&- einem Zweizonenofen mit Quarzrohreinsatz aus einem Graphits chiffchen SH-Eellur¹, das u.IT. mit einem Akzeptor element, · wie^ z.B. Wismut, in. der'benötigten Menge: dotiert ist, bei. eigner.: Temperatur von. 560 ⁰C verdampft. Bin konstanter: Eeinstargonstrom. von. 2,5 bis J. l/h. transportiert den Dampf in den. zweiten. Ofenabschnitt, der:- eine linear, abfallende Temperatur' derart hat, daß der- Anfang: eines in das Quarzrohr.- konzentrisch eingesetzten Quarzhalbschalenpaares eine Temperatur· von. 290 ⁰C, das Snde eine solche; von 280 ⁰C besitzt. Fach, einer-Yersuchsdauervon ca. 8 Stunden und Abkühlung der^ inlage. können, den Quarshalb-schalen. Hohlwliisker- der benötigten Länge, mit dem benötigten. Querschnitt und der: benötigten Akzeptorkonzen—

tamtion Έ. entnommen werden. Kach Kontaktofen mit Golddrähten A

CO,35 mm 0} durch Schweißkontaktierung und" Einbetten in eine Kunstharzfolie: können diese so. präparierten Te-Hohlwhisker- direkt in herköinmlicherweise als HL-Dehnungsmeßelemente; verwendet werden.

Die Erfindung weist sowohl·, gegenüber· metallischen DMS¹., wie geringe Meßempfindlichkeit (K# 2), als auch gegenüber den bekannten EEL-DMS· Caus zumeist Silizium), wie hoher· Darstellungs.-aufwand" geeignet dotierter: Si-Einkristalle mit nachfolgenderaufwendiger·Kristallpräparation, folgende.Vorteilei auf: 11} Die Verwendung von. Ta= mit einer Akzeptorkonzentration W^ von. 2V11Q ^Ό cm"*"^ hat bei Raumtemperatur- einen. Piezowiderstands*-

1¹O T ko effizient en X 3333 ^von 36·ΊϊΟ*" Pa" , womit z.B. gegenüber n-£i eine um den Faktor- 2 höhere Meß empfindlichkeit folgt.

2). Die. Temperaturabhängigkeit.; des Piezowiderstandskoeffizien-· ten von T& ist. bekannt; (Herrmann, KeH., Oelgart, G., phys« stateSol, 2£ (.1i9&7> 289") und: wird beispielsweise für·eine Akz.eptorkonzentration, von ^mE., = 2VtO ^ em* bei T,=^: 293' K ver» schwindend klein. (Pig 11}. Damit; wird die bei SiL störende Temperatur empfindlichkeit; bei der·Behnungsmessung bei Raumtempe>ratuir mit Tellur verschwindend" klein und ist praktisch vernachlässigbar-; Maßnahmen zu. Kompensation, dieses Einflusses· erübrigen sich.

2$ Dear erfindungsgemäße; Vorschlag! durch¹ Sublimation nach dem erfindungsgemäßen Verfahren natürlich gewachsene ÖTe-Nadelkristalle: {Whisker:)) in den gewünschten Abmessungen von ^r 500 um Dicke:· und^ 8 mm Länge;· als aktives Meßelement zu verwenden $ spart die für· Si umfangreiche.· B^ax-b-eitungst.echnologie:: ein,¹ Da· die Whisker: stets genau 'in jjÖOOIiJ-Richtung wachsen^ erübrigt sichi insbesondere, eine: röntgenographische; Orientierung und, de>ren Kontrolle für· diese; Meßelemente:v

. 43 Ea nach dem erfindungsgemäßen Zuchtungsverfahren die._:

'als Eohlwhisker: wachsen, ist deren mechanisches^ Yiiderstsndsmoment etwa um den laktor: f = (t-(^); ) kleiner> als; dass von. vollen Meßelementen- (d's_ Innen—, Bt üußendurchmesser), wobei praktisch. 0,5^=. f'^ 0,8 erreicht wird". Damit; werden hv:- sferesefreie: Messungen zu höheren Dehnungswerten hin möglich bzw;; wird", eine die Eichfähigkeit beeinflussende· £Lterung dess Meßelementes bei dynamischen Messungen eingeschränkt.

jfiusf ührungsbeispi el e?

10 Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren- hergestellter.· Te;-Hohl whisk err· mit *%,« = 2·1?0 ^ cm· und den Abmessungen 10 x: 0,Ti20 χ 0,1!20 mm. , der er-findungsgemäß golddrahtschweißkontakrtiert wurden und einen. Widerstand; bei Raumtemperatur· von ca» Ii,7 kOhm. b^sitzrfe, wird: mittels: kalt aushärtendem .Epoxydharzi:- kleber: frei von lufteinschlüssen auf: ein Objektdeckgläschen aus-Glas der Dicke: 0,11 mm geklebt und bei. Zimmertemperatur- ' ausgehärtet. Dieses und ein. gleiches, ebenso hergestelltes:: HL-Dehnungsmeßelement wird: unter Beachtung- der: o«,g, Klebevorschrift auf einen Stahlmeßbalken geeigneter: Abmessungen, auf' einander: gegenüberliegende Seiten, durch. Kleben angebracht»

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BeldiSD HL—Dehnungsmeßelemente- schaltet; man zusammen mit; zwei Hormalwiderständen (TOO .Ohm)) zur Wheatstonevollbrücke, wobei. einer der Normal widerstände noch mit. einem, ho chohmigen, stellbaren Shuntwiderstand überbrückt wird. Die. Brücke: wird! mit einer Konstantspannung von £ 4 Volt versorgt, an die Brückendiagonale ζ.Β«, ein Falvanometer passenden Innenwiderstands mit einer Stromempfindlichkeit von- 2· 10" A/mm angeschaltet-· nachfüllen des JäiSBchlages= durch. Shunteinstellung wird der· Meßbalken-einem Biegemoment ausgesetzt;, was eine Brückenverstimmung zur-Folge hat, die: sieil· durch. Shuntnachstellung beseitigen läßt;. Dabei ist diese- Widerstandsänderung der: in den Meßelementtenauftretenden Megedehnung: direkt proportional, las: der:- Shuntnachstellung und dem bekannten Biegemoment, berechnet man einen. K-Paktor^% von 1190:.

2;) Bin gemäß dem ersten inwendungsbeispiell hergestellter^ Meßbalken, dem jedoch: undotiert; hergestellte; ¹Ser-Hohlwhisker* mit einer: JÜczeptorkonzentration von. ^mH. = 2,4·1Κ> cm""^ gemäß dear Kleb evor schrift des 1!. Mist ührungsb.ei spi el m aufgeklebt sind, wird", beil. einer^ Umgebungstemperatnr' von minus; 50 ⁰C einem. Bie— gemoment ausgesetzt;. Der¹ mit deir Meßanordnung des.; ΐ. rungsb.eispielsj festgestellte: Ausschlag· entspricht hier- einem K-Paktpr- von 3115.

(Der: Zusammenlian-g"" be£ Messungen, deren Meß temperatur en zwischen denen, dess t. und! 2, iiusführungsbeispi el es liegen, von Meßtemperatur' und erfindungsgemäß zugeordneter. Ikzeptorkonzentration der: Meßelemente: ist der: Eig« 2 zu entnehmen.)

Claims (1)

1. ErfindUngsanspr.uch.

   t. Ealbleiterdehnungsmeßelement, dadurch gekennzeichnet,, daß dieses:: HaZbI ei terdehnungsmeß element aus T-ellur· besteht, das; eine· der.· Meßumgebungstemperatur.- zugeordnete ikzeptorkonzentra?- tion. ¹²¹JS. besitzt und ein (durch Kristallisation aus der- Dampfphase:· hergestellter) honlgewachsener:· Hadeleinkristall (Wiiis^ teir} mit der-Kris tall ängsachse:· in. £"00017 -Richtung ist. 2V Halbleiterdehnungsmefielement nach Punkt 1i_s dadurch gekennzeichnet, daß beispielsweise;· die; ükzentorkonzentration ^mH. fiir

   •ti c rt: ·&

   eilnen Einsatz; bei Raumtemperatur· 2· TG ³ cm- beträgt. 3· Ealbleiterd'ehnungsmeßelement nach Punkt t, dadurch, gekennzeichnet, d'aß beispielsweise; die ikzeptorkonzentr-ation ³³¹UL, füir einen. Mnsats b^i minuss 50 ⁰C 2,4· W^ crn""^ beträgt· 4» Verfahren zur- Herstellung- des: Halbleiterdehnungsmeßelement«s nach Punkt 1 bis? 3, dadurch gekennzeichnet ₉ daßlEeinst^- tellur- (besser· als. 5H-Te) in einem von der· umgebenden Atmosphäre abgeschlossenen System bei Temperaturen zwischen 550 ⁰C und 5^0 ⁰C' verdampft wird! und' zwecks; Kristallisation mittels- eines; Reinstargongasstromes: von 2,2: bis 3^;,2 1/fa in. einen zweiten Sjrstemteil transportiert wird¹!, der.¹ eine: über seine. Länge; von 390 ⁰C bus; 280 ⁰C fallende Temperatur besitzt. % "Verfahren, nach Punkt 4, dadurch, gekennzeichnet, daß. das; zu verdampfende:· Tellur· mit Wismut dotiert ist. G₉ Verfahren, nach Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß das; zu verdampfende; Tellur mit Jntimon dotiert ist», T· Verfahren nach Punkt 4 bis; 6, dadurch, gekennzeichnet, daß dies Mengen der:· Dotierungsbeigaben, so bemessen wird, daß unteir Berücksichtigung der:· iktivitätsko effizient en. die jeweilige:· .. üatz:eptOrkonzentration ¹¹^J, im Te'-Hadeleinkristall- von 2., 4· TO ^ cm; bis; 2· TO ^Ό cmT^' vorgebbar· eingestellt werden kannv