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Diese Erfindung des Elektrostatischen Halbleitersensors dient zur Messung und Erfassung von elektrostatischen Feldern. Dieser Sensor könnte in den vielfältigsten Mess- und Warnungsanlagen der Umweltmessung und Industrie Anwendung finden. So sind zum Beispiel in ESD-geschützten Bereichen elektrostatische Aufladungen unerwünscht, da die daraus resultierenden Funkenentladungen Brände und Explosionen verursachen oder empfindliche Bauteile zerstören können. Deshalb müssen in diesen Bereichen Ionisierungsgeräte und Erdungen überprüft werden und Warnvorrichtungen vorhanden sein. Beispiele für ESD-geschützte Bereiche wären die Kunststoffherstellung, die Papierherstellung, die Chemische Industrie oder auch die Elektronikindustrie. Ferner könnte dieser Sensor in der Gewittervorhersage Anwendung finden, da es sich dabei auch um eine elektrostatische Aufladung handelt. Zudem lassen sich Wolkenformationen über die elektrostatischen Felder der Wolken feststellen. Besonders in der Meteorologie sind hohe Empfindlichkeiten nötig, die mit diesem Sensor auf besonders kleinem Raum erreicht werden können. In der Hochspannungstechnik und Forschung konnte ein solcher Sensor zur berührungslosen Messung hoher Gleichspannungen Anwendung finden. In Fotokopierern und Laserdruckern kann ein solcher Sensor zur Messung der Aufladung der Bildtrommel dienen.
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Elektrostatische Felder werden grundsätzlich dadurch gemessen, dass man zwischen einer Elektrode (
1) und einem Messobjekt eine periodische Kapazitätsänderung herbeiführt und somit einen Wechselstrom in die Elektrode (
1) influenziert. Diese periodische Kapazitätsänderung kann auf drei verschiedene Arten erfolgen (siehe
US 2006/0006877 A1 ):
Die erste Möglichkeit wäre, dass man die Distanz zwischen Elektrode (
1) und Messobjekt ins schwanken bringt. Die zweite Möglichkeit wäre es das Dielektrikum zwischen Elektrode (
1) und Messobjekt periodisch zu ändern. In einer dritten Möglichkeit wird die Fläche der Elektrode (
1) verändert, die dem Messobjekt und damit dem zu messenden elektrostatischen Feld (
3) ausgesetzt wird.
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Diese dritte Möglichkeit wird in sogenannten Feldmühlen (
GB 2 010 493 A ) ausgenutzt. Dabei wird das zu messende elektrostatische Feld (
3), welches auf Elektroden (
1) gerichtet ist, durch einen Modulator (
2) (üblicherweise ein rotierendes Flügelrad) abwechselnd unterbrochen und durchgelassen (zerhackt) und auf diese Weise ein Strom oder eine Spannung wechselnder Polarität (
15) in einer oder mehreren isoliert durch eine Isolation (
4) darunterliegenden Elektroden (
1) influenziert. Um eine Messspannung zu erhalten kann die Elektrode (
1) zum Beispiel über einen hochohmigen Widerstand (
13) mit der Masse (
14) verbunden werden. Dabei werden die Ladungsträger durch Influenz periodisch zur Elektrode (
1) hinfließen und abfließen und der Stromfluss durch den hochohmigen Widerstand (
13) verursacht, gemäß dem Ohmschen Gesetz, eine Messspannung. Die Amplitude des Messsignals ist dabei proportional zur Feldstärke und die Polarität des zu messenden elektrostatischen Feldes (
3) ergibt sich aus der Phase des Messsignals.
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Das Flügelrad oder der Zerhacker wird üblicherweise mit einem Elektromotor in Drehung versetzt, sodass mechanische Bauteile, die verschleißen, eine Wartung notwendig machen und die Messung erschweren, nötig sind. Auch werden solche Feldmühlen groß und unhandlich, wenn hohe Empfindlichkeiten erreicht werden sollen, da die Empfindlichkeit von der Elektrodenfläche und der Modulationsfrequenz abhängt. Je höher die Modulationsfrequenz ist und je größer die Elektrodenfläche ist, desto mehr Ladungen werden in einer bestimmten Zeit zur Elektrode (
1) hinfließen und abfließen. Dies hat einen größeren Strom und damit eine größere Empfindlichkeit zur Folge. Die Modulationsfrequenz ist durch die mechanischen Bauteile begrenzt (ca. 500–700 Hz), wodurch bei hohen Empfindlichkeiten auf eine große Elektrodenfläche zurückgegriffen werden muss. Zwar gibt es bereits Patente (z. B.
US 2008/0129302 A1 ) für mikromechanische Sensoren, die zwar kleiner sind, aber nachwievor mechanische Bauteile enthalten und schwierig in der Herstellung sind. Auch Vorrichtungen, die auf elektrooptischem Wege unter Ausnutzung des Pockels-Effekts funktionieren, sind Stand der Technik (z. B.
EP 0 083 196 A1 ). Diese haben zwar kaum mechanische Komponenten, sind jedoch nicht kleiner und empfindlicher als eine Feldmühle. Messungen sind auch mit solchen Sensoren mit Aufwand verbunden. Bekannt ist wohl eine Halbleitermodulationsvorrichtung bei der Untersuchung von Materialien (
US 4 816 666 A ). Dabei wird eine Kondensatorplatte, die aus Fotodioden besteht, einem Modulation-Lichtstrahl ausgesetzt. Der fließende Modulationsstrom erlaubt eine Aussage über die Zusammensetzung des Dielektrikums zwischen den Kondensatorplatten.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde einen elektrostatischen Halbleitersensor (25) zur Messung eines elektrostatischen Feldes zu entwickeln, der keine mechanischen Komponenten enthält, eine höhere Empfindlichkeit bei kleineren Abmessungen ermöglicht und dennoch einfach in der Herstellung ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Modulator (
2) aus einem Halbleitermaterial besteht, unter dem isoliert durch eine Isolation (
4) eine Elektrode (
1) angebracht wird. In dem Modulator (
2) wird die Ladungsträgerkonzentration zumindest in bestimmten Regionen ins Schwanken gebracht, sodass die Debye-Länge, die wie folgt definiert ist, auch schwankt:
- LD:
- Debye-Länge
- ε0:
- Elektrische Feldkonstante
- εr:
- relative Dielektrizitätskonstante des Materials
- kB:
- Boltzmannkonstante
- T:
- Temperatur
- e:
- Elementarladung
- n:
- Ladungsträgerkonzentration
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Die Debye-Länge gibt dabei die typische Eindringtiefe eines elektrischen Feldes in ein Material an. Ist die Ladungsträgerkonzentration niedrig, so ist die Debye-Länge groß und das elektrische Feld dringt tief in das Material ein. Dabei kann das elektrische Feld dieses Material sogar ganz durchdringen, wenn das Material wesentlich dünner als die Debye-Länge ist. Die Abschirmwirkung ist also bei niedrigen Ladungsträgerkonzentrationen niedrig. Ist die Ladungsträgerkonzentration hoch, so ist die Debye-Länge niedrig und das elektrische Feld dringt nicht sehr tief ins Material ein. Die Abschirmwirkung ist bei hoher Ladungsträgerkonzentration also hoch. Wenn in der Halbleiterstruktur aus der der Modulator (2) besteht nun die Ladungsträgerkonzentration ins Schwanken gebracht wird, so durchdringt das zu messende elektrostatische Feld (3) den Modulator (2) unterschiedlich stark und damit wird das zu messende elektrostatische Feld (3), genau wie bei der herkömmlichen Feldmühle periodisch durchgelassen und abgeschirmt. Dieses schwankende elektrostatische Feld verursacht dann in der unterhalb vom Modulator (2) isoliert durch eine Isolation (4) angebrachten Elektrode (1) wieder einen Strom oder eine Spannung wechselnder Polarität (15), der/die Aussagen über die Feldstärke und Polarität des zu messenden elektrostatischen Feldes (3) erlaubt. Dazu kann zum Beispiel, wie dies auch bei herkömmlichen Feldmühlen üblich ist, die Elektrode (1) über einen hochohmigen Widerstand (13) mit der Masse (14) verbunden werden, um den Spannungsabfall an einem hochohmigen Widerstand (13) als Messsignal zu verwenden. Um die Schwankung der Ladungsträgerkonzentration zu erreichen, bieten sich Halbleitermaterialien besonders an, da sich bei diesen die Ladungsträgerkonzentration zumindest in bestimmten Regionen durch Anlegen einer Spannung oder durch Bestrahlung mit Licht leicht steuern lässt (z. B. die Sperrschicht eines pn-Übergangs). Im folgendem gibt es vier Ausführungsformen für einen solchen Sensor. Die Ausführungsbeispiele werden jeweils durch folgende Zeichnungen dargestellt:
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1: Zeigt einen Sensor nach Anspruch 2, der im Modulator (2) wiederholende laterale pin-Übergänge (5) enthält.
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2: Zeigt einen pin-Übergang (5) im Modulator (2) des Sensors nach Anspruch 2.
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3: Zeigt einen Sensor nach Anspruch 3, der einen pn-Übergang als Modulator (2) hat.
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4: Zeigt einen Sensor nach Anspruch 4, bei dem die Schwankung der Ladungsträgerkonzentration im Modulator (2) auf elektrooptischem Wege erreicht wird.
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5: Zeigt, wie der Sensor (25) mit der Ansteuerungs- und Auswertungselektronik (24) zusammen auf einem Halbleiterkristall (26) integriert wird.
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Bei der ersten Ausführungsform (1, 2) wird nach Anspruch 2, die Schwankung der Ladungsträgerkonzentration durch sich wiederholende laterale pin-Übergänge (5) erreicht. Da die i-Gebiete (11) herstellungsbedingt meist schwach n-dotiert sind, können die pin-Übergänge (5) beim Betrieb in Sperrrichtung als pn-Übergänge angesehen werden, wobei sich die Sperrschicht (10) hauptsächlich in den schwach n-dotierten i-Gebieten (11) befindet und ausbreitet. Bei der sogenannten punch through voltage reicht die Sperrschicht (10) über das komplette i-Gebiet (11) hinweg. Werden die pin-Übergänge (5) nur in Sperrrichtung und mit einer schwankenden Spannung (6) betrieben, so liegt eine wechselnde Sperrschichtbreite und damit abwechselnd hohe Ladungsträgerkonzentration in einer großen Region der i-Gebiete (11) vor. Die Sperrschicht (10) hat bekanntlich eine niedrigere Ladungsträgerkonzentration als die restlichen schwach n-dotierten i-Gebiete (11). Diese abwechselnd hohe Ladungsträgerkonzentration bewirkt damit nach Anspruch 1, ein periodisches Durchlassen und Abschirmen des zu messenden elektrostatischen Feldes (3) in bestimmten Regionen der i-Gebiete (11). Die Elektrode (1) befindet sich getrennt von einer Isolation (4) unter den pin-Übergängen (2) und kann über einen hochohmigen Widerstand (13) mit der Masse (14) verbunden werden, um ein Messsignal zu erhalten. Die angelegten Potentiale an den p- (7) und n-Gebieten (8) müssen zwar denselben Betrag, aber eine entgegengesetzte Polarität (9) haben, damit die Spannung zwischen dem Modulator (2) und der unteren Elektrode (1) Null Volt beträgt. Dafür muss die Elektrode (1) mit der Masse (14) verbunden werden. Die Spannungen heben sich in dem Fall gegenseitig auf, wodurch von dem Modulator (2) kein Störfeld ausgehen kann, welches das zu messende elektrostatische Feld (3) in seiner Wirkung auf die Elektrode (1) stört. Die niedrige Sperrschichtkapazität der pin-Übergänge (5) sorgt für einen hohen kapazitiven Widerstand der pin-Übergänge (5), wodurch selbst bei hohen Modulationsfrequenzen mit dem Zuflusswiderstand zusammen eine hohe Spannung an den pin-Übergängen (5) erreicht werden kann und die Sperrspannung groß genug ist. Deshalb lässt sich diese Ausführungsform des Sensors auch mit sehr hohen Modulationsfrequenzen (ca. 100 kHz) betreiben, wodurch sehr hohe Empfindlichkeiten bei kleineren Elektrodenflächen erreicht werden können. Zudem haben pin-Übergänge (5) den Vorteil, dass die Sperrschicht (10) über einen großen Bereich ausgedehnt ist, wodurch die Strukturen größer und einfacher herzustellen sind. Auch die ESD-Empfindlichkeit wird bei dieser Ausführungsform niedrig sein.
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Die zweite Ausführungsform (3) besteht nach Anspruch 3, aus einer pnp- beziehungsweise npn-Struktur, wobei der obere pn- beziehungsweise np-Übergang den Modulator (2) bildet und das untere p- beziehungsweise n-Gebiet die Elektrode (1) bildet. Die Isolation (4) zwischen Modulator (2) und Elektrode (1) wird dabei durch die Sperrschicht des unteren np- beziehungsweise pn-Übergangs gebildet. Die Elektrode (1) kann auch hier wieder über einen hochohmigen Widerstand (13) mit der Masse (14) verbunden werden, um ein Messsignal zu erhalten. Auch hier wird an den Modulator (2), also an den oberen pn- beziehungsweise np-Übergang in Sperrrichtung eine schwankende Spannung (17) angeschlossen. Dabei sollte das untere n- beziehungsweise p-Gebiet des Modulators (2) dasselbe Potential (18) haben, wie die Elektrode (1), damit vom Modulator (2) kein Störfeld ausgehen kann. In den meisten Fällen bedeutet dies, dass das untere n- beziehungsweise p-Gebiet des Modulators (2) und die Elektrode (1) mit der Masse (14) verbunden werden müssen. Die n- beziehungsweise p-Gebiete des Modulators (2) sind dabei mit hochdotierten Zuleitungen (16) versehen, damit sich der pn- beziehungsweise np-Übergang (2) nicht selber abschnürt, wenn dieser in Sperrichtung betrieben wird. Über die Zuleitungen (16) wird letztlich auch der Modulator (2) mit der Sperrspannung versorgt. Mit einer schwankenden Sperrspannung am Modulator (2), schwankt auch die Sperrschichtbreite. Wenn sich die Sperrschicht (19) über das komplette pn- beziehungsweise np-Gebiet (2) erstreckt, so wird das Feld sehr gut durchgelassen und andernfalls gut abgeschirmt. Damit wird auch hier das zu messende elektrostatische Feld (3) abwechselnd gut durchgelassen und ein Strom oder eine Spannung wechselnder Polarität in die Elektrode (1) influenziert. Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist, dass die Sperrschichtkapazität höher ist und dadurch nicht ganz so hohe Modulationsfrequenzen erreicht werden können, wie bei der ersten Ausführungsform nach Anspruch 2.
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Bei der dritten Ausführungsform (4) soll nach Anspruch 4, die Schwankung der Ladungsträgerkonzentration durch Licht erreicht werden. Wenn eine Halbleiterstruktur (2), wie z. B. ein pin-Übergang, pn-Übergang oder eine einfache Halbleiterschicht, von einer Lichtquelle (21), betrieben mit einer schwankenden Spannung (22), beleuchtet (23) wird, so wird die Ladungsträgerkonzentration durch Generation und Rekombination schwanken. Wieder wird das zu messende elektrostatische Feld (3) hierdurch abwechselnd abgeschirmt und durchgelassen und in der Elektrode (1) ein Strom oder eine Spannung wechselnder Polarität (15) verursacht. Auch hier kann die Elektrode (1) über einen hochohmigen Widerstand (13) mit der Masse (14) verbunden werden um einen Spannungsabfall an dem hochohmigen Widerstand (13) als Messsignal zu erhalten. Eine einfache Halbleiterschicht als Halbleiterstruktur hätte wahrscheinlich den Nachteil, dass die Schwankung der Ladungsträgerkonzentration nur sehr langsam erfolgt, da es lange dauert bis sich ein Ladungsträgergleichgewicht einstellt, und dadurch nicht sehr hohe Modulationsfrequenzen erreicht werden können. Die Empfindlichkeit wäre also bei einer einfachen Halbleiterschicht nicht sehr hoch. Bei pin-Übergängen oder pn-Übergängen, die mit einer konstanten Spannung versorgt werden und einer schwankenden Beleuchtung ausgesetzt werden, könnten höhere Modulationsfrequenzen und damit auch höhere Empfindlichkeiten erreicht werden. Als Lichtquelle könnte eine Leuchtdiode verwendet werden, die mit dem restlichen Sensor in einem Kunststoffgehäuse untergebracht wird.
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Es wäre auch nach Anspruch 5 (5), vorstellbar, dass die Ansteuerungs- und Auswertungselektronik (24) zusammen mit dem elektrostatischen Halbleitersensor (25) auf einem Halbleiterkristall (26) integriert wird. Dadurch würde der Sensor noch kompakter und effizienter werden. Zu der Ansteuerungselektronik zählt unter anderem ein Funktionsgenerator, da eine schwankende Spannung erzeugt werden müsste.
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Die Auswertungselektronik würde das Messsignal der Elektrode (1) in Bezug auf die Polarität und Feldstärke des zu messenden elektrostatischen Feldes (3) auswerten. Die Feldstärke ist proportional zur Amplitude des Messsignals. Liegt ein Anstieg der Ladungsträgerkonzentration im Modulator (2) vor und ein Stromfluss zur Elektrode (1) hin, so handelt es sich um ein elektrostatisches Feld (3) einer negativen Ladung. Andernfalls handelt es sich um ein elektrostatisches Feld (3) einer positiven Ladung.
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Dieser Halbleitersensor mit seinen vier Ausführungsformen hätte im Vergleich zu den bisherigen Messmethoden den Vorteil, dass dieser einen geringeren Verschleiß und eine höhere Empfindlichkeiten bei einer kompakteren Bauweise hat. Daraus ergeben sich Vorteile bei den am Anfang genannten Anwendungsfeldern in Bezug auf Wartungsintensivität und Anwendbarkeit in schwer zugänglichen Stellen. Trotzdem ist dieser Sensor einfach im Aufbau und in der Herstellung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrode
- 2
- Modulator
- 3
- zu messendes elektrostatisches Feld
- 4
- Isolator
- 5
- pin-Übergang
- 6
- schwankende Spannung
- 7
- p-Gebiet
- 8
- n-Gebiet
- 9
- Spannung gleichen Betrages, aber entgegengesetzter Polarität
- 10
- Sperrschicht
- 11
- i-Gebiet
- 12
- Sperrchichtbreite
- 13
- hochohmiger Widerstand
- 14
- Masse/Erde
- 15
- Messsignal/Spannung wechselnder Polarität
- 16
- hochdotierte Zuleitungen
- 17
- schwankende Spannung
- 18
- gleiches Potential
- 19
- Sperrschicht
- 20
- Sperrschichtbreite
- 21
- Lichtquelle
- 22
- abwechselnd starke Beleuchtung
- 23
- Beleuchtung
- 24
- Ansteuerungs- und Auswertungselektronik
- 25
- Sensor
- 26
- Halbleiterkristall
