DE102019114130A1 - Elektrisches Bauelement und Verfahren zur Sensierung einer mechanischen Verformung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement, mit dem eine mechanische Verformung eines Gegenstands sensiert werden kann. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Sensierung einer mechanischen Verformung eines Gegenstands mittels wenigstens eines an dem Gegenstand angebrachten elektrischen Bauelementes der zuvor genannten Art.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement, mit dem eine mechanische Verformung sensiert werden kann. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Sensierung einer mechanischen Verformung eines Gegenstands mittels wenigstens eines an dem Gegenstand angebrachten elektrischen Bauelementes der zuvor genannten Art.
  • Sensoren, die zur Sensierung einer mechanischen Verformung eines Gegenstands geeignet sind, sind in verschiedensten Ausführungsformen bekannt und im Handel erhältlich, z.B. in Form von Dehnungsmessstreifen, Vibrationssensoren oder Verspannungssensoren. Ist ein solcher Sensor als analoger Sensor ausgebildet, kann er in der Regel nur ein einziges Mal genutzt werden und muss dann ausgetauscht werden. Zudem ist keine automatisierte Auswertung der Messergebnisse möglich, d.h. die Auswertung muss durch den Menschen erfolgen. Sind solche Sensoren als digitale Sensoren ausgeführt, ist ein erheblicher Aufwand an Computertechnik erforderlich, um die gewonnenen Daten aus dem Sensorsignal abzuleiten und in einen speicherbaren Wert zu überführen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes elektrisches Bauelement anzugeben, mit dem mechanische Verformungen sensiert werden können.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisches Bauelement mit wenigstens einem elektrischen Verformungssensor und wenigstens einer mit dem Verformungssensor gekoppelten Speicherzelle, wobei der Verformungssensor bei einer mechanisch auf ihn einwirkenden Verformung ein die Verformung charakterisierendes elektrisches Signal abgibt, wobei das die Verformung charakterisierende elektrische Signal automatisch als elektrische Kenngröße in der Speicherzelle speicherbar ist. Es wird somit ein völlig neuartiges elektrisches Bauelement vorgestellt, das die Sensorfunktion und die Speicherfunktion vereint. In dem elektrischen Bauelement sind somit der Verformungssensor und die Speicherzelle zu einer Einheit verbunden. Da die Speicherung des elektrischen Signals automatisch in der Speicherzelle erfolgt, ist hierfür weder eine Beteiligung durch Menschen noch durch zusätzliche Technik, wie z.B. Computertechnik, erforderlich. Das erfindungsgemäße elektrische Bauelement erlaubt die Erfassung jeglicher Verformungen, z.B. Verspannungen, bei simultaner Speicherung des aufgrund der Verformung durch den Verformungssensor abgegebenen elektrischen Signals als elektrische Kenngröße in der Speicherzelle.
  • Hierbei kann das durch den Verformungssensor abgegebene elektrische Signal direkt in der Speicherzelle gespeichert werden, d.h. das vom Verformungssensor abgegebene elektrische Signal bildet dann die elektrische Kenngröße. Die elektrische Kenngröße, die in der Speicherzelle gespeichert ist, kann auch in anderer Weise von dem elektrischen Signal des Verformungssensors abgeleitet werden, z.B. kann es verstärkt oder abgeschwächt werden.
  • Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird als mechanische Verformung jegliche Art von Verformung gesehen, beispielsweise physische Verspannungen, Biegungen, Druck- oder Zug-Belastungen, Vibrationsbelastungen und ähnliches. Auf diese Weise ist das elektrische Bauelement in vielfältigen Einsatzmöglichkeiten nutzbar, z.B. zur Erfassung der mechanischen Belastung von Flugzeugbauteilen oder an Brücken.
  • Dadurch, dass der Verformungssensor mit der Speicherzelle gekoppelt ist, kann das die Verformung charakterisierende elektrische Signal in Folge der Kopplung automatisch als elektrische Kenngröße in der Speicherzelle gespeichert werden. Der Verformungssensor kann dabei elektrisch und/oder mechanisch mit der Speicherzelle gekoppelt sein. Die elektrische Kopplung kann beispielsweise eine Halbleiter-Kopplung sein.
  • Die in der Speicherzelle gespeicherte elektrische Kenngröße kann je nach Ausführungsform des elektrischen Bauelementes entweder den Momentanwert der auf den Verformungssensor einwirkenden mechanischen Verformung charakterisieren oder eine über die Zeit aufsummierte Verformung (zeitliches Integral).
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Speicherzelle als memristives Bauelement ausgebildet ist. Dies erlaubt eine einfache Auswertung der in der Speicherzelle gespeicherten elektrischen Kenngröße, z.B. durch einfache Widerstandsmessung. Dementsprechend können einfach aufgebaute Auswerteschaltungen eingesetzt werden. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn eine Vielzahl elektrischer Bauelemente zur Sensierung von Verformungen eingesetzt wird.
  • Ein memristives Bauelement ist ein elektrisches Bauelement, das zwischen zwei Außenanschlüssen einen elektrischen Widerstand aufweist, der mit durch das memristive Bauelement hindurchgeflossener Ladung größer oder kleiner wird, je nach Richtung des Ladungsflusses. Ein memristives Bauelement kann z.B. durch einen Floating Gate Transistor, z.B. einen Feldeffekttransistor, realisiert werden. Ein memristives Bauelement kann auch als memristive Speicherzelle bezeichnet werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement mit dem Verformungssensor und der Speicherzelle als integrierter Schaltkreis (IC) ausgebildet ist. Auf diese Weise wird ein im praktischen Betrieb gut handhabbares elektrisches Bauelement bereitgestellt, das wie andere elektrische Bauelemente in Form integrierter Schaltkreise genutzt werden kann, z.B. bei einer Bestückung auf einer Leiterplatte. Dadurch, dass der Verformungssensor und die Speicherzelle Teile dieses integrierten Schaltkreises sind, sind sie besonders kompakt integriert, sodass ein sehr kleinbauendes elektrisches Bauelement realisiert werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verformungssensor als piezoelektrisches Bauelement ausgebildet ist oder ein piezoelektrisches Bauelement aufweist. Dies hat den Vorteil, dass der Verformungssensor auf sehr einfache und kostengünstige Weise realisiert werden kann. Für die Realisierung des piezoelektrischen Bauelementes können grundsätzlich alle verfügbaren piezoelektrischen Materialien eingesetzt werden, wie z.B.
    • - piezoelektrische Metalle,
    • - nichtleitende ferroelektrische Materialien,
    • - Materialien mit permanentem elektrischen Dipol, beispielsweise Bariumtitanat und Blei-Zirkonat-Titanat (PZT),
    • - piezoelektrische Kristalle, z.B. Quarzkristalle (SiO2), z.B. Lithiumniobat, Galliumorthophosphat, Berlinit, Minerale der Turmalingruppe, Seignettesalz und alle Ferroelektrika wie Bariumtitanat (BTO),
    • - piezoelektrische Keramiken (als Untergruppe der Kristalle), z.B. aus synthetischen, anorganischen, ferroelektrischen und polykristallinen Keramikwerkstoffen wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Blei-Magnesium-Niobate (PMN),
    • - Polymere, z.B. Polyvinylidenfluorid (PVDF),
    • - Bariumtitanat (BaTiO3)
    • - Dotierte Halbleitermaterialien, z.B. dotiertes HfO2.
  • Vorteilhaft sind beispielsweise Aluminiumnitrit, mit dem eine CMOS-kompatible piezoelektrische Struktur bereitgestellt werden kann, oder Aluminiumscandiumnitrit, Quarz-Material, Polymere oder Gallium-Nitrit.
  • Wird piezoelektrisches Material mechanisch belastet, so verformen sich dessen Elementarzellen. Die daraus resultierende Trennung der positiven und negativen Ladungen führt zu einer Aufladung der Außenfläche. Wenn Elektroden mit gegensätzlichen Oberflächen verbunden sind, erzeugen die Ladungen eine Spannung U (in Volt) bzw. eine elektrische Feldstärke E (in Volt/Meter = V/m). Eine charakteristische Kenngröße eines piezoelektrischen Bauelements ist der Spannungsausgangskoeffizient g, der die vom piezoelektrischen Bauelement erzeugte elektrische Feldstärke E abhängig vom auf das piezoelektrische Bauelement einwirkenden Druck (in Newton/Quadratmeter = N/m2) angibt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das piezoelektrische Bauelement einen Spannungsausgangskoeffizienten g von wenigstens 0.000001 V/m pro N/m2 auf, oder wenigstens 0.00001 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.00002 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.00003 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.00004 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.00005 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.00006 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.00007 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.00008 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.00009 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0001 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0002 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0003 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0004 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0005 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0006 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0007 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0008 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0009 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.001 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.002 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.003 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.004 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.005 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.006 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.007 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.008 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.009 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.01 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.02 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.03 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.04 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.05 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.06 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.07 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.08 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.09 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.1 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.2 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.3 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.4 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.5 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.6 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.7 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.8 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.9 V/m pro N/m2, oder wenigstens 1 V/m pro N/m2, oder wenigstens 10 V/m pro N/m2, oder wenigstens 20 V/m pro N/m2, oder wenigstens 30 V/m pro N/m2, oder wenigstens 40 V/m pro N/m2, oder wenigstens 50 V/m pro N/m2.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement als Halbleiterbauelement mit einer oder mehreren dotierten Halbleiterschichten ausgebildet ist. Dies erlaubt eine besonders effiziente praktische Realisierung des elektrischen Bauelementes, z.B. in Form eines Transistors, insbesondere eines Feldeffekttransistors. Der Feldeffekttransistor kann insbesondere als MOSFET ausgebildet sein.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verformungssensor an wenigstens einer dotierten Halbleiterschicht oder zwischen dotierten Halbleiterschichten des elektrischen Bauelementes angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass der Verformungssensor unmittelbar in den Halbleiter-Aufbau des elektrischen Bauelementes integriert werden kann, sodass eine unmittelbare Signalübertragung beispielsweise zur Speicherzelle möglich ist. Gesonderte elektrische Leitungen für die Signalübertragung können dann entfallen. Der Verformungssensor kann beispielsweise unmittelbar an einer dotierten Halbleiterschicht angeordnet sein oder unmittelbar zwischen zwei dotierten Halbleiterschichten eingebettet sein.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Speicherzelle eine gegenüber der Umgebung isolierte dotierte Halbleiterschicht aufweist, insbesondere ein Floating Gate oder eine Vielzahl von Floating Gates. Dies erlaubt eine einfache und kostengünstige Realisierung der Speicherzelle. Die Speicherzelle kann z.B. wie eine EEPROM-Speicherzelle (FLOTOX-EEPROM) ausgebildet sein. Ist die Speicherzelle in Form eines Floating Gate oder einer Vielzahl von Floating Gates ausgebildet, eignet sich die Speicherzelle insbesondere gut für eine Kombination mit der erwähnten Ausgestaltung als Feldeffekttransistor. Der Feldeffekttransistor kann z.B. als SONOS (silicon-oxide-nitride-oxide-polysilicon) Feldeffekttransistor ausgebildet sein. In diesem Fall ist eine Vielzahl von inselförmigen Floating Gates vorhanden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verformungssensor als Materialschicht auf der gegenüber der Umgebung isolierten dotierten Halbleiterschicht der Speicherzelle angeordnet ist. Dementsprechend kann der Verformungssensor beispielsweise als Piezoschicht ausgebildet sein. Diese Materialschicht, die den Verformungssensor bildet, kann dabei unmittelbar auf der zuvor erwähnten isolierten dotierten Halbleiterschicht der Speicherzelle angeordnet sein. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die den Verformungssensor bildende Materialschicht aus isolierendem Material besteht, um die Isolation gegenüber der Umgebung sicherzustellen. Hierdurch kann ein hochintegrierter Aufbau des elektrischen Bauelementes realisiert werden.
  • Alternativ kann auch ein Material zur Bildung des Verformungssensors eingesetzt werden, das nicht elektrisch isolierend ist, d.h. entsprechende elektrische Leitfähigkeit aufweist, um einen elektrischen Strom zu leiten. In diesem Fall wird zwischen der erwähnten isolierten dotierten Halbleiterschicht der Speicherzelle und dem Verformungssensor eine zusätzliche isolierende Schicht angeordnet. Der Verformungssensor kann, wenn er eine entsprechende elektrische Leitfähigkeit aufweist, beispielsweise auch als Steueranschluss (Control Gate) eines Feldeffekttransistors genutzt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement dazu eingerichtet ist, die in der Speicherzelle gespeicherte elektrische Kenngröße, die aufgrund der die Verformung charakterisierenden elektrischen Signale erzeugt wurde, auch ohne elektrische Energieversorgung des elektrischen Bauelementes zu speichern. Dementsprechend benötigt das elektrische Bauelement keine permanente elektrische Energieversorgung. Je nach Ausführung des elektrischen Bauelementes kann dieses sogar ganz ohne elektrische Energieversorgung seine Funktion ausführen, d.h. das Sensieren von mechanischen Verformungen, wenn z.B. der Verformungssensor als Piezoelement ausgebildet ist. Ein Piezoelement gibt auch ohne elektrische Energieversorgung bei mechanischen Verformungen elektrische Signale ab. Bei entsprechender Verschaltung des Verformungssensors mit der Speicherzelle kann direkt und ohne elektrische Energieversorgung eine elektrische Kenngröße, die die Verformungen charakterisiert, in der Speicherzelle gespeichert werden. Durch Hinzunehmen einer elektrischen Energieversorgung des elektrischen Bauelementes zumindest während der Erfassung von Verformungen kann die Messempfindlichkeit des elektrischen Bauelements aber wesentlich erhöht werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement als n-poliges Bauelement mit nur n voneinander getrennten elektrischen Außenanschlüssen (A, B) ausgebildet ist, wobei n gleich 2, 3 oder 4 sein kann, D. h. als zweipoliges, dreipoliges oder vierpoliges Bauelement. Auf diese Weise ist das elektrische Bauelement einfach handhabbar und bedarf keiner aufwendigen Verschaltung mit weiteren Bauteilen. Das elektrische Bauelement kann dabei mehr als die n elektrischen Außenanschlüsse aufweisen, jedoch sind nur n voneinander getrennte elektrische Außenanschlüsse vorhanden, d.h. es können bei mehr als n Außenanschlüssen jeweilige Außenanschlüsse innerhalb des elektrischen Bauelementes oder außerhalb galvanisch miteinander verbunden sein.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Speicherzelle durch Anlegen eines elektrischen Signals an Außenanschlüssen des elektrischen Bauelementes löschbar ist. Dies erlaubt es, die Speicherzelle dauerhaft einzusetzen und nach einer Erfassung von mechanischen Verformungen wieder in den Ausgangszustand zu versetzen und weiter zu nutzen. Das elektrische Signal zum Löschen der Speicherzelle kann beispielsweise ein Spannungspuls sein, der im Falle eines Floating Gate oder einer Vielzahl von Floating Gates die darin gesammelte elektrische Ladung abfließen lässt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement ein Substrat aufweist, an dem die Speicherzelle und der Verformungssensor angeordnet sind, wobei das Substrat eine zur Montage an einem bezüglich der Verformung zu sensierenden Gegenstand eingerichtete Montagefläche aufweist. Auf diese Weise kann das elektrische Bauelement mit üblichen Herstellungsprozessen, beispielsweise Herstellungsprozessen der Halbleitertechnologie, hergestellt werden. Das Substrat kann beispielsweise ein Halbleitermaterial sein, z.B. Silizium. Dadurch, dass das Substrat eine Montagefläche bereitstellt, ist eine einfache Handhabung und Verwendung des elektrischen Bauelementes zur Messung von Verformungen möglich. Das elektrische Bauelement kann beispielsweise an dem Gegenstand mit seiner Montagefläche angeklebt werden oder auf andere Weise daran befestigt werden.
  • Das Substrat kann je nach Ausführungsform des elektrischen Bauelementes mehr oder weniger dick sein. Allgemein kann gesagt werden, dass die Empfindlichkeit des Verformungssensors gesteigert werden kann, wenn das Substrat möglichst dünn ist oder zumindest möglichst wenig steif ist. Das Substrat kann eine Materialdicke im Bereich von 100 µm bis 1000 µm oder mehr haben, z.B. 300 µm bis 700 µm. Es ist auch möglich, das Substrat mit deutlich geringeren Materialdicken zu realisieren, beispielsweise im Bereich von weniger als 100 µm, oder weniger als 50 µm, oder weniger als 20 µm, was z.B. dadurch realisiert werden kann, dass die Silicon-on-Insulator-Transistortechnologie für die Herstellung des elektrischen Bauelementes eingesetzt wird. Dies erlaubt es, das Substrat sehr dünn und dementsprechend membranartig zu gestalten.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verformungssensor auf der von der Montagefläche abgewandten Seite des Substrats angeordnet ist. Dementsprechend ist der Verformungssensor durch das Substrat von der Außenumgebung geschützt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Speicherzelle und/oder der Verformungssensor mit einem Kapselungsmaterial überdeckt ist. Auf diese Weise können die Speicherzelle und/oder der Verformungssensor durch das Kapselungsmaterial auch in anderen Raumrichtungen von der Außenumgebung geschützt und abgeschirmt werden. Das Kapselungsmaterial erfüllt dabei unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Licht-, Staub- und Feuchtigkeitsschutz. Zudem kann es als elektrische Isolation dienen. Das Kapselungsmaterial sollte dabei hinsichtlich der Materialstärke und der materialtypischen Elastizität derart sein, dass dadurch die mechanische Verformung des Verformungssensors möglichst wenig behindert wird, um eine hohe Messempfindlichkeit zu gewährleisten.
  • Das erfindungsgemäße elektrische Bauelement kann unter Verwendung bekannter Halbleiter-Herstellungsprozesse, z.B. der Silizium-Technologie, hergestellt werden und dementsprechend können die damit verbundenen bekannten Fertigungsmöglichkeiten genutzt werden. Auf diese Weise kann das elektrische Bauelement preiswert und CMOS-kompatibel hergestellt werden. Aufgrund der kostengünstigen Herstellung bietet sich insbesondere die Integration solcher elektrischen Bauelemente in großer Stückzahl in komplexen Systemen und in Form größerer Arrays an. Auch Schaltungen mit eingebetteten Sensoren sind somit möglich. Sie bieten einen Ansatz, um Verspannungen über einen bestimmten Zeitraum zu detektieren und in gewünschten Zeitintervallen auszulesen. Das elektrische Bauelement eignet sich beispielsweise für ein Monitoring im Infrastrukturbereich, z.B. Verspannungen an Brücken, oder in der Transporttechnik, z.B. Verspannungen an kritischen tragenden Strukturen in Flugzeugen. Ebenso sind Anwendungen in der Robotik als Berührungssensor denkbar. Darüber hinaus erlaubt die hohe Integrierbarkeit und Skalierbarkeit des elektrischen Bauelementes eine Anpassung auf nahezu alle physischen und elektrischen Größen.
  • Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Sensierung einer mechanischen Verformung eines Gegenstands mittels wenigstens eines an dem Gegenstand angebrachten elektrischen Bauelementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während wenigstens einer Erfassungsphase die auf den Verformungssensor mechanisch einwirkenden Verformungen anhand der die Verformung charakterisierenden elektrischen Signale des Verformungssensors erfasst und automatisch als elektrische Kenngröße in der Speicherzelle gespeichert werden. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Kenngröße aus der Speicherzelle während oder nach der Erfassungsphase ausgelesen wird. Die Erfassungsphase kann eine einzige Erfassungsphase oder mehrere mit Unterbrechungen hintereinander ablaufende Erfassungsphasen sein. Somit erlaubt die Erfindung wahlweise ein Online-Monitoring der sensierten mechanischen Verformung des Gegenstands oder ein Offline-Monitoring zu gewünschten Zeitpunkten.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement nach der Erfassungsphase von jeglicher elektrischer Energieversorgung getrennt wird und danach die elektrische Kenngröße aus der Speicherzelle ausgelesen wird. Auf diese Weise geht die durch das elektrische Bauelement in der Speicherzelle gespeicherte Information auch bei Ausfall der Energieversorgung nicht verloren. Zudem wird es möglich, das Auslesen der elektrischen Kenngröße aus der Speicherzelle zeitlich in erheblichem Maße von der Erfassungsphase zu trennen, beispielsweise wenn bei einem Monitoring an Brücken nur in Abständen von mehreren Monaten oder Jahren Messwerte ausgelesen werden sollen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Kenngröße aus der Speicherzelle ausgelesen wird, indem der Widerstand des elektrischen Bauelementes gemessen wird. Dies erlaubt ein besonders einfaches Auslesen der elektrischen Kenngröße. Eine Widerstandsmessung kann bekanntlich einfach durch Messung von Strom und Spannung durchgeführt werden und aus dem Ohm'schen Gesetz dann der Widerstand bestimmt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
    • 1 - ein elektrisches Bauelement in seitlicher Schnittdarstellung,
    • 2 - eine erste Schaltungsapplikation des elektrischen Bauelements aus 1,
    • 3 - eine zweite Schaltungsapplikation des elektrischen Bauelements aus 1.
  • Das in 1 dargestellte elektrische Bauelement weist ein Substrat 8 auf, das aus einem Halbleitermaterial gebildet ist, z.B. aus Silizium. In dem Substrat 8 sind zwei dotierte Halbleiterbereiche oder -schichten 6, 7 ausgebildet, die das Source 6 und das Drain 7 eines Feldeffekttransistors bilden. Die Halbleiterschichten 6, 7 können entweder n-dotiert oder p-dotiert sein. In dem Substrat 8 wird dann in dem Bereich zwischen den Halbleiterschichten 6, 7 ein entsprechender Kanal, z.B. ein n-Kanal oder ein p-Kanal, für den Ladungstransport ausgebildet.
  • Auch dem Substrat 8 ist eine Isolationsschicht 5 angeordnet, z.B. ein Gateoxid. Die Isolationsschicht 5 überdeckt die Halbleiterschichten 6, 7 teilweise oder vollständig. Auf der Isolationsschicht 5 ist ein Floating Gate 4 ausgebildet, das zur Speicherung der elektrischen Kenngröße der Speicherzelle des elektrischen Bauelementes dient, z.B. durch Speichern einer bestimmten Ladungsmenge. Das Floating Gate 4 bildet somit einen wesentlichen Teil der Speicherzelle des elektrischen Bauelementes.
  • Auf dem Floating Gate 4 befindet sich eine Schicht, die den Verformungssensor 3 bildet, z.B. eine Schicht aus piezoelektrischem Material. Vorteilhafterweise wird hierbei ein Material für den Verformungssensor 3 eingesetzt, das zusätzlich isolierende Eigenschaften hat, sodass die Isolation des Floating Gates 4 weiterhin gewährleistet ist. Auf dem Verformungssensor 3 ist eine Schicht angeordnet, die ein Control Gate 2 (Steueranschluss) eines Feldeffekttransistors bildet.
  • Der beschriebene Aufbau mit dem Substrat 8, den Halbleiterschichten 6, 7, der Isolationsschicht 5, dem Floating Gate 4, einer Isolationsschicht 3 und dem Control Gate 2 entspricht soweit dem Aufbau einer FLOTOX-EEPROM-Speicherzelle, mit dem Unterschied, dass bei der vorliegenden Erfindung obere Isolationsschicht 3 keine beliebige Isolationsschicht ist, sondern hierdurch der Verformungssensor 3 gebildet wird, indem dort das beispielsweise piezoelektrische Material angeordnet ist statt eines beliebigen Isolationsmaterials.
  • Das auf diese Weise gebildete elektrische Bauelement, mit dem mechanische Verformungen erfasst werden können, weist auf der Unterseite des Substrats 8 eine Montagefläche 10 auf. Je nach Anwendung ist eine elektrische Isolierung der Montagefläche 10 sinnvoll. Mit der Montagefläche 10 kann das elektrische Bauelement an einem Gegenstand, dessen Verformung sensiert werden soll, angebracht werden. Es ist ferner vorteilhaft, die beschriebene Anordnung auf der der Montagefläche 10 abgewandten Seite mit einem Kapselungsmaterial 1 zu überdeckten, um die gesamte Anordnung vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Das Kapselungsmaterial kann ein einzelnes Material oder eine Mischung aus mehreren Materialien sein.
  • Weiterhin unterscheidet sich das anhand der 1 beschriebene erfindungsgemäße elektrische Bauelement von herkömmlichen Speicherzellen dadurch, dass zwischen dem Floating Gate 4 und der Isolationsschicht 5 ein Übergangsbereich 9 vorhanden ist, in dem das Floating Gate 4 sich weiter in die Isolationsschicht 5 hineinerstreckt und damit dort einen geringeren Abstand zum Drain 7 aufweist. Mit anderen Worten, die Dicke der Isolationsschicht 5 ist in dem Übergangsbereich 9 verringert. Hierdurch kann die Empfindlichkeit des elektrischen Bauelementes bei der Erfassung und Speicherung der elektrischen Signale, die vom Verformungssensor 3 aufgrund einwirkender mechanischer Verformungen erzeugt werden, erhöht werden, da bereits sehr geringe Ladungsmengen einfacher durch Tunnel-Effekte auf das Floating Gate 4 übertragen werden können. Der Übergangsbereich 9 erleichtert die Elektroneninjektion vom Drain 7 in das Floating Gate 4.
  • Das beschriebene elektrische Bauelement kann z.B. einen Gate-Anschluss G aufweisen, der mit dem Control Gate 2 verbunden ist, einen Source-Anschluss S, der mit dem Source 6 verbunden ist, und einen Drain-Anschluss D, der mit dem Drain 7 verbunden ist. Zusätzlich kann ein Substrat-Anschluss B1 vorhanden sein, der mit dem Substrat 8 verbunden ist. Hierdurch kann beispielsweise das Substrat 8 auf ein definiertes Potential, z.B. Massepotential, gelegt werden.
  • Die nachfolgenden 2 und 3 zeigen beispielhafte Verschaltungsmöglichkeiten des anhand der 1 beschriebenen elektrischen Bauelementes.
  • Die 2 zeigt durch die mit dem Control Gate 2, dem Source 6 und dem Drain 7 verbundenen elektrischen Leitungen eine Verschaltung der Anschlüsse des elektrischen Bauelementes als memristive Anordnung. Hierzu ist das Control Gate 2 mit dem Source 6 kurzgeschlossen und mit einem ersten Außenanschluss B des elektrischen Bauelementes verbunden. Der Substratanschluss B1 kann auch mit dem ersten Außenanschluss B verbunden sein. Ein zweiter Außenanschluss A des elektrischen Bauelementes ist mit dem Drain 7 verbunden. An die Außenanschlüsse A, B kann eine Spannung VAB angelegt werden. Beispielsweise kann der Außenanschluss B auf Massepotential gelegt werden, dann wird der Außenanschluss A auf ein positives Potential gelegt.
  • Die Erfassung einer mechanischen Verformung und die entsprechende Speicherung der sich hieraus ergebenden elektrischen Signale des Verformungssensors 3 in der Speicherzelle erfolgt dadurch, dass der als piezoelektrische Schicht ausgebildete Verformungssensor 3 bei einer Verformung des elektrischen Bauelementes selbsttätig eine Potentialdifferenz im Control Gate 2 erzeugt. Durch diese Potentialdifferenz wird eine Steuerspannung am Control Gate 2 erzeugt, die vergleichbar ist mit dem Anlegen einer externen Gate-Spannung bei einem Feldeffekttransistor. Diese Spannung am Control Gate 2 führt aufgrund der Funktion des Feldeffekttransistors zu einer Beeinflussung der Ladungsträger in dem Kanal im Substrat 8 zwischen Source 6 und Drain 7. Bei positiver Spannung VAB führt dies dazu, dass Ladungsträger im Floating Gate 4 angesammelt werden. Die im Floating Gate 4 angesammelten Ladungsträger, die somit eine elektrische Kenngröße der Speicherzelle repräsentieren, hängen dabei unmittelbar von der über den Verformungssensor 3 erfassten, auf ihn einwirkenden mechanischen Verformung ab.
  • Das elektrische Bauelement wird z.B. mit einer Spannung VAB etwas unterhalb der für ein Tunneln nötigen Spannung betrieben. Wirkt nun eine mechanische Verformung auf das Bauelement ein, wird durch den Verformungssensor 3 im Control Gate 2 eine zusätzliche Spannung erzeugt, welche das Aufladen des Floating Gates 4 erlaubt, d.h. die Spannungsschwelle für das Tunneln wird überschritten. Auf diese Weise ist es dem Bauelement möglich, eine direkte Antwort der auf das Bauelement einwirkenden mechanischen Verformung in Form einer Stromänderung am Ausgang abzugeben und zum gleichen Zeitpunkt Informationen über diese Verformung zu speichern. Bei großen auf das Bauelement einwirkenden mechanischen Verformungen ist auch ein Betrieb des Bauelementes als Speicher ohne Echtzeitantwort möglich, insbesondere ohne elektrische Energieversorgung. Hierfür können beispielsweise alle Kontakte geerdet werden.
  • Soll das in der Speicherzelle gespeicherte elektrische Signal des elektrischen Bauelementes ausgelesen werden, kann hierfür einfach eine Widerstandsmessung an den Außenanschlüssen A, B durchgeführt werden. Bei bekannter Spannung VAB ist somit nur noch der fließende Strom zu messen, um den elektrischen Widerstand zu bestimmen.
  • Die Außenanschlüsse A, B können auf diese Weise die einzigen Außenanschlüsse des elektrischen Bauelementes darstellen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein zweipoliges elektrisches Bauelement realisiert werden, das sehr einfach angewendet und verschaltet werden kann.
  • Anhand der 3 wird eine weitere Möglichkeit der Nutzung des elektrischen Bauelementes gemäß 1 beschrieben, bei dem drei oder vier Außenanschlüsse A, B, C, D vorhanden sein können. Das elektrische Bauelement gemäß 3 entspricht weitgehend dem elektrischen Bauelement gemäß 2, wobei die elektrische Verbindung des Außenanschlusses B mit dem Substrat 8 hier aufgetrennt ist und in Form eines zusätzlichen Außenanschlusses C oder zweier Außenanschlüsse C, D realisiert sein kann. Wie erkennbar ist, sind die Außenanschlüsse B, D miteinander verbunden, d.h. sie können als ein Außenanschluss oder als zwei Außenanschlüsse realisiert sein. Die Ausführungsform gemäß 3 hat den Vorteil, dass das Substrat 8 auf ein definiertes Potential gelegt werden kann, das von dem am Außenanschluss B vorhandenen Potential abweichen kann. Beispielsweise kann zwischen den Außenanschlüssen C, D eine Spannung VCD angelegt werden. Auf diese Weise kann das elektrische Bauelement noch flexibler in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden.

Claims (18)

  1. Elektrisches Bauelement mit wenigstens einem elektrischen Verformungssensor (3) und wenigstens einer mit dem Verformungssensor (3) gekoppelten Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8), wobei der Verformungssensor (3) bei einer mechanisch auf ihn einwirkenden Verformung ein die Verformung charakterisierendes elektrisches Signal abgibt, wobei das die Verformung charakterisierende elektrische Signal automatisch als elektrische Kenngröße in der Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) speicherbar ist.
  2. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) als memristives Bauelement ausgebildet ist.
  3. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauelement mit dem Verformungssensor (3) und der Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) als integrierter Schaltkreis (IC) ausgebildet ist.
  4. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungssensor (3) als piezoelektrisches Bauelement ausgebildet ist oder ein piezoelektrisches Bauelement aufweist.
  5. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauelement als Halbleiterbauelement mit einer oder mehreren dotierten Halbleiterschichten (2, 4, 6, 7) ausgebildet ist.
  6. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungssensor (3) an wenigstens einer dotierten Halbleiterschicht (2, 4, 6, 7) oder zwischen dotierten Halbleiterschichten (2, 4, 6, 7) des elektrischen Bauelementes angeordnet ist.
  7. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) eine gegenüber der Umgebung isolierte dotierte Halbleiterschicht aufweist, insbesondere ein Floating Gate (4) oder eine Vielzahl von Floating Gates (4).
  8. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungssensor (3) als Materialschicht auf der gegenüber der Umgebung isolierten dotierten Halbleiterschicht der Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) angeordnet ist.
  9. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauelement dazu eingerichtet ist, die in der Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) gespeicherte elektrische Kenngröße, die aufgrund der die Verformung charakterisierenden elektrischen Signale erzeugt wurde, auch ohne elektrische Energieversorgung des elektrischen Bauelementes zu speichern.
  10. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauelement als n-poliges Bauelement mit nur n voneinander getrennten elektrischen Außenanschlüssen (A, B, C, D) ausgebildet ist, wobei n gleich 2, 3 oder 4 sein kann.
  11. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) durch Anlegen eines elektrischen Signals an Außenanschlüssen des elektrischen Bauelementes löschbar ist.
  12. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauelement ein Substrat (8) aufweist, an dem die Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) und der Verformungssensor (3) angeordnet sind, wobei das Substrat (8) eine zur Montage an einem bezüglich der Verformung zu sensierenden Gegenstand eingerichtete Montagefläche (10) aufweist.
  13. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungssensor (3) auf der von der Montagefläche (10) abgewandten Seite des Substrats (8) angeordnet ist.
  14. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) und/oder der Verformungssensor (3) mit einem Kapselungsmaterial (1) überdeckt ist.
  15. Verfahren zur Sensierung einer mechanischen Verformung eines Gegenstands mittels wenigstens eines an dem Gegenstand angebrachten elektrischen Bauelementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während wenigstens einer Erfassungsphase die auf den Verformungssensor mechanisch einwirkenden Verformungen anhand der die Verformung charakterisierenden elektrischen Signale des Verformungssensors (3) erfasst und automatisch als elektrische Kenngröße in der Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) gespeichert werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kenngröße aus der Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) während oder nach der Erfassungsphase ausgelesen wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauelement nach der Erfassungsphase von jeglicher elektrischer Energieversorgung getrennt wird und danach die elektrische Kenngröße aus der Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) ausgelesen wird.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kenngröße aus der Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) ausgelesen wird, indem der Widerstand des elektrischen Bauelementes gemessen wird.
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