DE1067240B - - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Als Kraft-, Druck- und Beschleunigungsgeber bezeichnet man Anordnungen, welche die genannten mechanischen Größen in andere, in der Regel elektrische, umsetzen. Zwischen den drei genannten Gebertypen besteht kein prinzipieller Unterschied, da sich Druck- und Beschieunigungsmessungen stets auf Kraftmessungen zurückführen lassen.

Es sind Meßanordnungen bekannt, welche die angegebenen Aufgaben lösen, die aber mit gewissen Nachteilen behaftet sind. Ein oft benutzter Geber beruht auf der Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes. Er hat den Nachteil, daß Verstärker mit sehr hochohmigem Eingang benötigt werden — z. B. Elektrometerröhrenverstärker — und man auf beste Isolation der Zuleitungen bedacht sein muß. Vor allem ist es erforderlich, jeglichen Einfluß von Luftfeuchtigkeit auszuschalten. Messungen, bei denen die abgeschirmter Zuleitungen Erschütterungen erleiden, können außerdem wegen Kapazitätsänderungen des Kabels mit Fehlern behaftet sein. Bei kapazitiven Kraft- oder Druckmeßdosen, welche die Kapazitätsänderung eines Plattenkondensators, dessen eine Platte durch die zu messende Größe durchgebogen wird, meßtechnisch ausnutzen, stört die Nichtlinearität. Überdies können Kapazitätsänderungen abgeschirmter Zuleitungen das Meßergebnis beeinflussen. In den meisten Fällen ist es unumgänglich, zur, Messung Wechselspannungen hoher Frequenz zu verwenden, da die Frequenz des zu messenden Vorgangs klein sein muß gegenüber derjenigen der verwendeten Wechselspannung. Weiterhin ist die Eigenfrequenz von kapazitiven Gebern relativ niedrig. Induktive Geber, welche Induktivitätsänderungen ausnutzen, die sich ergeben, wenn eine Spule in einer anderen verschoben wird, verlangen ebenfalls zur Bestimmung der Meßgröße eine Wechsel-Strommethode. Auch hier ist der Eigenfrequenz bald eine obere Grenze gesetzt. Die Widerstandsänderung von Metallen und Legierungen unter Druck ist sehr klein und deshalb meß technisch bei dynamischen Messungen kaum verwertbar. Anordnungen, welche die elastische Verformung eines Meßgliedes ausnutzen, sind in den meisten Fällen mit einer solchen Trägheit behaftet, daß nur relativ langsam veränderliche Drücke gemessen werden können. In anderen Fällen, in denen ein Dehnungsmeßstreifen verwendet wird, bleiben Xullpunkt und Empfindlichkeit über lange Zeiten hinweg nicht völlig konstant. Wegen des Raumbedarfs des Dehnungsmeßstreifens kann eine gewisse Größe des Gebers nicht unterschritten werden. Dadurch ist die maximal erreichbare Eigenfrequenz begrenzt.

Die Erfindung bezieht sich auf Druck-, Kraft- und Besclileunigungsgeber mit hinsichtlich des elektrischen Widerstandes belastiingsempfmdlichem Halbleiter als iVl eßelement. Allgemein sind diese bekannten mecha-Kraft-, Druck- und Beschleunigungsgeber

Anmelder:

Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. Gottfried Landwehr und Dipl.-Phys. Karl Friedrich Zobel, Braunschweig, Bundesallee 100

Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Gottfried Landwehr und Dipl.-Phys. Karl Friedrich Zobel, Braunschweig, sind als Erfinder genannt worden

nisch-elektrischen Wandler mit amorpher Halbleitersubstanz, vorzugsweise amorpher Kohle, ausgerüstet. Bei solcher Substanz ergeben sich durch variable Belastung, gemäß einem physikalischen Grenzflächen-₁ effekt, elektrische Widerstandsänderungen lediglich an den Berührungsflächen der Substanzpartikeln als Meßgröße. Die erzielbare Meßgenauigkeit ist, wegen unkontrollierbarer äußerer Einflüsse auf die Grenzflächeneigenschaften der Substanzpartikeln, beispielsweise durch örtliche Stromanhäufung oder Feuchtigkeit, bei den bekannten Gebern verhältnismäßig gering.

Die Erfindung schlägt vor, als Meßelement mit Vorzug ein Halbleitereinkristall zu verwenden, dessen elektrische Volumeneigenschaften zu Meßzwecken ausnutzbar sind. Die Volumeneigenschaften eines Halbleitereinkrtstalls offenbaren sich z. B. bei folgender Behandlung.

Drückt man gewisse Halbleitereinkristalle, z. B. solche aus Germanium oder Silizium vom n- oder p-Typ einseitig in bestimmten Richtungen des Kristallgitters, so ändert sich der elektrische Widerstand beträchtlich, wenn die Richtung des elektrischen Stroms geeignet gewählt wird. Wird etwa p-Silizium in Richtung der Wiirfelkante des kubischen Gitters einseitig belastet und läßt man auch den Strom senkrecht oder parallel zur Druckrichtung in Richtung einer Würfelkante fließen, beobachtet man eine große Widerstandsänderung. Die prozentuale Änderung des Widerstandes ist etwa zwei Größenordnungen höher als die relative Volumenänderung und damit sehr viel größer als die Widerstandsänderung von Metallen oder Metallegierungen unter Druck. Der Effekt wird als Elastowidcistaiidseffekt bezeichnet und zeigt sich in

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Claims (6)

dieser Größe insbesondere an dotierten, nicht eigenleitenden Halbleitern, bei denen die effektive Masse der Leitungselektronen oder Defektelektronen anisotrop ist und deren Energieflächen (im sogenannten Inipulsraum) sich durch ein Modell darstellen lassen, das in der angelsächsischen Literatur als Valleye-Modell bezeichnet wird. Er zeigt sich weiter an Halbleitern, bei denen sich an der Kante des Leitfähigkeits- oder Valenzbandes mehrere Energie-Hachen unterschiedlicher Krümmung (im Impulsraum) berühren. Beim longitudinalen Elastowiderstandseffekt sind Strom- und Druckrichtung zueinander parallel, beim transversalen Effekt stehen sie aufeinander senkrecht. Die Nutzung des Elastowiderstandseffektes zur Messung von Drücken, insbesondere schnell veränderlichen, bietet folgende Vorteile: Die Widerstandsänderung durch Druckanwendung kann in einer Brücken- oder Potentiometerschaltung gemessen werden, deren Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle ist. Der Effekt ist bei manchen Halbleitern so groß, daß die Anforderungen an die Empfindlichkeit des stets erforderlichen Verstärkers gering sind, auch ist kein extrem hoher Eingangswiderstand erforderlich. Der spezifische Widerstand und die Abmessungen des Meßkristalls lassen sich so wählen, daß sie eine für die Messung günstige Größe besitzen. AVeiter ist die prozentuale Widerstandsänderung unabhängig von der Größe des Kristalls, so daß man zu kleinen Abmessungen übergehen kann, was erforderlich ist, wenn die Eigenfrequenz des Gebers hoch liegen soll. Eigenfrequenzen der Größenordnung 100 kHz bei guter Dämpfung lassen sich ohne großen Aufwand erreichen. Geber, die auf dem Elastowiderstandseffekt beruhen, lassen sich leicht kalibrieren. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Widerstandsänderung linear vom Druck abhängt, bis zu Drücken von mindestens 1250kp/cm2. Die Temperaturabhängigkeit des Druckkoeffizienten ist bekannt und kann leicht berücksichtigt werden. Der erfindungsgemäße Druck-, Kraft- und Beschleunigungsgeber ist dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter kristalline Struktur, insbesondere in Gestalt eines Einkristalls des n- oder p-Typs, aufweist, bezüglich der Kristallachsen in bestimmter AVeise orientiert ist und belastet wird, wobei die Änderung des elektrischen Widerstandes in gewissen Richtungen senkrecht oder parallel zur Belastungsrichtung, gemäß dem sogenannten Elastowiderstandseft'ekt, als Meßgröße dient. Gemäß weiterer Erfindungsmerkmaie kann bei dem Einkristall entweder lediglich der longitudinale oder der transversale Elastowiderstandseffekt mit Vorteil benutzt werden. Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, daß der verwendete Halbleiter aus n- oder p-Silizium besteht, daß er oxydiert ist und daß die Kanten des verwendeten Halbleiters dachförmig angeschliffen sind. Andere Erfindungsnierkmale geben die restlichen Unteransprüche an. 5 Ohm-cm ist der I-Ialbleitereiiikristall so orientiert, daß die Druckrichtung mit der [011]-Richtung, die Stromrichtung mit der [OTl]-Richtung des kubischen Gitters zusammenfällt. Die dritte Kante des Halbleitereinkristalls ist in [100]-Richtung orientiert. Die Stromzuführungen sind punktförmige, sperfreie Kontakte in der Mitte der 4,5-0,5 mm2 großen Endflächen. Der Halbleitereinkristall ist sorgfältig planparallel geschliffen und anschließend chemisch geätzt. Er ist ίο weiter oberflächlich oxydiert, um die zeitliche Konstanz des Widerstandes bei unbelastetem Kristall zu gewährleisten. Zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Druckverteilung ist das AViderlager 3 mit einer Kugelkalotte versehen, in die eine Halbkugel 4 eingeschliffen ist, die mit ihrer eben geschliffenen Fläche auf den Halbleitereinkristall drückt. Die elektrische Isolation und Dämpfung mechanischer Eigenschwingungen erfolgt durch zwei 6 α dicke Folien 5 aus Polyäthylen-Glykol-Therephthalat. Um zu vermeiden, daß die sperrfreien Kontakte durch den Druck belastet werden, sind an den Kanten, welche die Stromzuführungen tragen, dachförmige Facetten angeschliffen. Auch die übrigen Kanten des Halbleitereinkristalls sind zur Vermeidung mechanischer Verletzungen durch die Druckbeanspruchung dachförmig geschliffen. Zur Erzeugung einer mechanischen Vorspannung dient die kleine Vorspannfeder 6. Um den Temperaturkoeffizienten zu kompensieren, ist unmittelbar neben dem als Meßelement dienenden Halbleitereinkristall ein zweiter, dünnerer Halbleitereinkristall 7 mit den Abmessungen 4-1-0,4 mm3 angebracht, der durch die Druckeinwirkung nicht mitbelastet wird. Beide Halbleitereinkristalle sind als Spannungsteiler hintereinandergeschaltet. Bei der Druckmessung werden sie von einem Gleichstrom durchflossen. Die Meßspannung wird an den Enden des Meßelementes 2 abgenommen. Die elektrischen Zuleitungen 8 werden nach oben aus dem Geber herausgeführt. 40 45 50 55 Die Abbildung stellt einen Druckgeber offener Bau- art dar, wie er bei Druckmessungen in der Inneiibalüstik verwendet werden kann. Über eine Fettvorlage und einen gut in das Gehäuse eingeschliffenen Stempel 1 wird der Druck auf das Meßelement 2, nämlich einen in einer bestimmten Kristallrichtung geschnittenen Halbleitereinkristall, übertragen. Die Abmessungen des rechteckigen Haibleitereinkristalls betragen 5 · 4,5 · 0.5 mm3, die 5·4,5 mm'2 große Fläche wird dem Druck ausgesetzt. Bei Verwendung von «-Germanium mit einem snezihschen Widerstand von Patentansprüche.

1. Druck-, Kraft- und Beschleunigungsgeber mit hinsichtlich des elektrischen Widerstandes belastungsempfmdlichem Halbleiter, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter kristalline Struktur, insbesondere in Gestalt eines Einkristalls des n- oder p-Typs, aufweist, bezüglich der Kristallachsen in bestimmter AVeise orientiert ist und belastet wird, wobei die Änderung des elektrischen AViderstandes in gewissen Richtungen senkrecht oder parallel zur Belastungsrichtung, gemäß dem sogenannten Elastowiderstandseffekt, als Meßgröße dient.

2. Druck-. Kraft- und Beschleunigungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der longitudinale Elastowiderstandseffekt benutzt wird.

3. Druck-, Kraft- und Beschleunigungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der transversale Elastowiderstandseffekt benutzt wird.

4. Druck-, Kraft- und Beschleunigungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Halbleiter n- oder p-Germanium ist.

5. Druck, Kraft- und Beschleuiiigungsgcbcr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Halbleiter n- oder p-Silizium ist.

6. Druck-, Kraft- und Beschleunigungsgeber nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Halbleiter oxvdiert ist.