DE1168118B - Dehnungsmesselement aus Halbleitermaterial - Google Patents

Dehnungsmesselement aus Halbleitermaterial

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DE1168118B
DE1168118B DEF34488A DEF0034488A DE1168118B DE 1168118 B DE1168118 B DE 1168118B DE F34488 A DEF34488 A DE F34488A DE F0034488 A DEF0034488 A DE F0034488A DE 1168118 B DE1168118 B DE 1168118B
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Wendell Morgan Lafky
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Fairchild Semiconductor Corp
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Fairchild Camera and Instrument Corp
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Ki.: GOIl
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
Deutsche KL: 42 k-45/03
F 34488 IXb/42 k
21. Juli 1961
16. April 1964
Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Dehnungsmeßelement aus Halbleitermaterial.
Piezoelektrische Geber finden in der Technik in weitem Umfang Anwendung. Sie werden auch auf dem Gebiet der Dehnungsmessung vielfach eingesetzt. Dabei werden im allgemeinen piezoelektrische Stoffe herkömmlicher Art verwendet. Es ist auch bereits festgestellt worden, daß bestimmte Halbleitermaterialien auf angreifende Kräfte ansprechen, also piezoempfmdlich sind. Die physikalischen Eigenschäften dieser Stoffe sind bereits weitgehend erforscht, und es sind auch Dehnungsmeßelemente dieser Art hergestellt worden. Bei Verwendung von Halbleitern sind im Hinblick auf möglichst kleine Abmessungen dieser Einrichtung beachtliche Fortschritte erreicht worden.
Obwohl Dehnungsmeßelemente aus Halbleitermaterial gegenüber den bisher verwendeten Meßeinrichtungen in vieler Hinsicht erhebliche Vorteile haben, besitzen sie eine Reihe von Eigenschaften, die beim praktischen Gebrauch zu Schwierigkeiten führen. Eingehende Untersuchungen und theoretische Überlegungen zeigen, daß das Strom-Spannungs-Verhalten bei Halbleitermaterialien von der mechanischen Spannung beeinflußt wird, der das Material ausgesetzt ist, und auch, daß die Abhängigkeit gerichtet ist. In Anbetracht dieser grundsätzlichen Überlegungen ist es möglich, richtungsempfindliche Einheiten auszubilden, die in Dehnungsmessern, Druckmeßeinrichtungen, Beschleunigungsmessern od. dgl. verwendet werden können. Diese Einheiten müssen dann jedoch gegenüber den Teilen oder Materialien, auf denen sie angebracht werden, elektrisch isoliert werden. Eines der Probleme, das hierbei immer wieder auftritt, ist die Befestigung der Halbleiter-Dehnungsmesser am Prüfkörper, da die üblichen Kitte oder Klebstoffe, die hierfür benutzt werden, die einwirkenden Spannungen nicht unbedingt gleichförmig an das Meßelement weitergeben. Ferner tritt der Nachteil auf, daß bei größeren Spannungen das Bindemittel brechen oder reißen kann. Die Befestigung von Halbleiterelementen der erwähnten Art am Prüfkörper ist daher ein noch weitgehend ungelöstes Problem, und dies ist zumindesten zu einem beträchtlichen Teil darauf zurückzuführen, daß die Meßelemente gegenüber dem Prüfkörper isoliert werden müssen. Zusätzliche Schwierigkeiten und Einschränkungen der Anwendungsmöglichkeit haben sich im Zusammenhang mit den räumlichen Abmessungen der entsprechenden Halbleiterelemente in Anbetracht der Tatsache ergeben, daß die Dehnungsabhängigkeit des spezifischen Dehnungsmeßelement aus Halbleitermaterial
Anmelder:
Fairchild Camera and Instrument Corporation,
Long Island, New York, N.Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. F. B. Fischer, Patentanwalt,
Köln-Sülz, Remigiusstr. 41/43
Als Erfinder benannt:
Wendell Morgan Lafky, Cupertino, Calif.
(V. St. A.) .
Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 18. August 1960 (50 510)
Widerstandes dieser Elemente gerichtet ist. Da im Zusammenhang mit der Abhängigkeit zwischen dem Potential und der Stromstärke vektorielle Größen auftreten, ist es erforderlich, daß die räumlichen Abmessungen, außer in einer Richtung, so gering wie möglich gehalten werden. Diese Abhängigkeit von den Größenabmessungen, die in mancher Beziehung durchaus vorteilhaft ist, ist auf der anderen Seite wegen der Schwierigkeit der Handhabung von Einrichtungen dieser Art unerwünscht und unvorteilhaft. Die Erfindung ermöglicht,, die erwähnten Nachteile der bekannten Einrichtungen zu beheben. Gegenüber den bekannten Einrichtungen weist die Erfindung beträchtliche Vorteile auf, durch die vor allem die Anwendbarkeit von Halbleiter-Dehnungsmeßelementen erheblich verbessert wird. So ist es in Anwendung der Erfindung insbesondere möglich, das Halbleitermaterial unmittelbar mit dem Prüfkörper zu verbinden. Die Verbindung kann z. B. durch ein Legierungsverfahren üblicher Art erfolgen, wobei keine elektrische Isolation zwischen dem Halbleitermaterial und dem Teil, auf dem es befestigt ist, erforderlich ist. Auf diese Weise wird die technische Anwendbarkeit der Dehnungsmesser dieser Art erheblich vereinfacht, und es wird vor allem auch der technische Nutzeffekt wesentlich verbessert. Die Erfindung ermöglicht ferner, daß die Meßelemente außerordentlich kleine Abmessungen haben können, welche erheblich geringer sind, als sie bei den bisher verwendeten Meßeinrichtungen dieser Art erreichbar
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hergestellt, so daß man eine sehr dünne, längliche Schicht eines Halbleitermaterials mit einer vorgegebenen Verunreinigung erhält, welche innerhalb eines Halbleitergrundkörpers angeordnet ist. An diesem Meßelement werden in bestimmten Abständen elektrische Verbindungen angebracht, wobei das Meßelement vorzugsweise als Streifen ausgebildet ist, der entlang einer vorgegebenen Achse des Einkristallkörpers orientiert ist. Die elektrischen Ver-
waren. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die Meßeinrichtungen in besonders einfacher Weise zur Dehnungsmessung in mehreren Richtungen ausgelegt sein können. Es ist daher z. B. möglich, eine einteilige, rosettenförmige Meßanordnung zu bilden, ohne das es notwendig ist, eine große Zahl getrennter Elemente zu verwenden.
Bei Dehnungsmeßelementen mit einem Grundkörper aus Einkristall-Halbleitermaterial, welcher an
einer Seite elektrische Kontakte aufweist, die entlang io bindungen zu dem Meßstreifen erlauben dann die einer Kristallachse mit Abstand voneinander ange- Messung von Änderungen der mechanischen Beanordnet sind, werden diese Vorteile erfindungsgemäß spruchung des Teiles, auf dem die Meßeinrichtung erzielt durch einen zwischen den Kontakten verlau- angeordnet ist. Die Meßstreifen können dabei auch fenden Meßstreifen mit im Vergleich zum Grund- auf entgegengesetzten Seiten der Platte oder des material stark erhöhter Leitfähigkeit, der durch den 15 Grundkörpers angeordnet werden, um eine Additionswirkung zu erhalten.
An Hand der F i g. 1 und 2 wird nachfolgend ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben. Das Dehnungsmeßelement 10 besteht im wesentlichen aus einem Grundkörper 11 aus einem Einkristall-Halbleitermaterial, z. B. Silizium. In dem Grundkörper ist eine bestimmte Verunreinigung gleichmäßig eindiffundiert, so daß der Grundkörper
Einbau geeigneter Fremdatome in geeigneter Konzentration im Grundkörper erzeugt wird, wodurch gleichzeitig ein den Meßstreifen umgebender p-n-Übergang zum Grundmaterial entsteht, der die Isolierung des Meßstreifens gegenüber dem Grundkörper erhöht.
Eine Impedanzanpassung an die verschiedenen Schaltungsbedingungen wird dadurch erreicht, daß das Dotierungsniveau und die Abmessungen des
entweder den p- oder den n-Leitfähigkeitstyp auf-
Meßelementes und auch die Zahl der Meßelemente 25 weist. Es sei nachfolgend angenommen, daß der in einer einzelnen Meßeinrichtung passend gewählt Grundkörper aus p-Silizium besteht. In der oberen und ihre Herstellung in entsprechender Weise gesteuert und überwacht wird. Die so hergestellten
Meßelemente sind außerordentlich klein. Bei ihrer
Fläche 12 dieses Grundkörpers ist wenigstens ein langgestreckter Meßstreifen ausgebildet. Wie insbesondere aus Fig. 1 hervorgeht, enthält die dort Herstellung ist eine genaue Kontrolle der Parameter 30 dargestellte Meßeinrichtung zwei Meßstreifen 13 und und der räumlichen Abmessungen möglich. Die 14, welche parallel in der oberen Fläche des Grundhöhere Empfindlichkeit der Halbleitermeßeinrich- körpers angeordnet sind. Diese Streifen sind durch tungen gegenüber den üblichen Metalldehnungsmeß- kontrollierte Eindiffundierung einer bestimmten Verstreifen ist bekannt. Zusätzlich zu diesem Vorteil unreinigung in die obere Fläche des Grundkörpers ermöglicht die Erfindung eine erhebliche Verbesse- 35 gebildet, so daß p-n-Übergänge 15 und 16 zwischen rung der Stabilität, insbesondere auch gegenüber den dem Grundkörper und den Streifen 13 bzw. 14 entbisher verwendeten Halbleiter-Meßeinrichtungen grö- stehen. Im Hinblick auf die Ausbildung und Herstelßerer Abmessungen. lung der Meßstreifen wird auf die Technik der
An Hand der Zeichnungen sind Ausführungsfor- Transistorherstellung Bezug genommen, in der Vermen von erfindungsgemäßen Meßelementen dar- 40 fahren zur Durchführung eines solchen Diffusionsgestellt. Vorganges bekannt sind. Zu der Ausbildung des Deh-
F i g. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Dehnungsmesser mit mehreren Meßelementen;
F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch die Einrichtung gemäß F i g. 1 nach der Linie 2-2;
F i g. 3 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild, in dem ein Beispiel für die elektrischen Verbindungen dargestellt ist, welche an der Meßeinrichtung nach den Fig. 1 und 2 angebracht werden können;
nungsmessers sei lediglich erwähnt, daß das Halbleitermaterial notwendigerweise monokristallin sein muß, wie es in der Transistortechnik üblich ist. Die Meßstreifen 13 und 14 sind auf eine der Kristallachsen des Grundkörpers ausgerichtet. Die Wahl der Achse hängt jeweils von dem verwendeten Material und in bestimmtem Umfang auch von der vorgesehenen Verwendung des Meßelementes ab. Die Meß-
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Deh- so streifen können beispielsweise in der (Hl)-, <110>-
nungsmeßelementes, und zwar ist die Meßeinrich- oder (lOO)-Richtung liegen, obwohl auch andere
tung auf einer Platte, einem Träger od. dgl. angeord- Orientierungen möglich sind. Der Grundkörper 11 ist
net, der nur teilweise dargestellt ist. mit einer Schutzschicht 18 bedeckt, welche beispiels-
F i g. 5 zeigt das Meßelement in Seitenansicht, weise aus Siliziumoxyd derart ausgebildet sein kann,
teilweise geschnitten, wobei das Meßelement auf 55 daß sie einen Teil des Grundkörpers bildet und fest
einem Prüfkörper angeordnet ist; mit ihm verbunden ist. Diese Schicht ist ein elek-
F i g. 6 zeigt Meßelemente in Rosettenanordnung. irischer Isolator, und man erhält auf diese Weise
Das Dehnungsmeßelement gemäß der Erfindung nicht nur eine elektrische Isolation der Außenfläche,
enthält im wesentlichen einen Grundkörper aus sondern man schützt sie auch wirksam gegen schäd-
Halbleitermaterial, welcher unmittelbar mit dem 60 liehe Einflüsse, unerwünschte Verunreinigungen
Prüfkörper verbunden oder auf ihm angebracht wird. Die Verbindung kann in beliebiger zweckmäßiger Weise erfolgen, z. B. dadurch, daß das Halbleitermaterial unmittelbar mit dem Material des Prüfkör-
usw., welche anderenfalls die Halbleitereigenschaften des Grundkörpers in unerwünschter Weise beeinflussen könnten. Ein weiterer Vorteil der Schutzschicht ergibt sich aus der Fig. 2, aus der hervor-
pers legiert wird, oder aber durch die bekanntere 65 geht, daß metallische Kontakte 19 und 20 auf der Art der Verbindung mit Hilfe eines geeigneten Kit- oberen Fläche des Grundkörpers angeordnet sind, tes, Klebstoffes od. dgl. Der Meßstreifen des Meßelementes wird in genauer Weise durch Diffusion
Diese ragen durch öffnungen in der Maske oder Schutzschicht 18 derart hindurch, daß sie elektrische
Verbindungen zu den Dehnungsmeßstreifen bilden. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind an jedem Streifen zwei elektrische Kontakte angebracht, und zwar vorzugsweise an entgegengesetzten Enden der Streifen, wobei sie entlang der gewählten Kristallachse des Grundkörpers gegeneinander versetzt sind. Der Meßstreifen 13 weist dementsprechend an den Enden die Kontakte 19 und 19' auf, welche mit elektrischen Anschlußleitungen 21 und 21' versehen sind, während der Streifen 14 Anschlußleitungen 22 und 22' aufweist, welche mit den Kontakten 20 und 20' in Verbindung stehen.
Bei der Herstellung der beschriebenen Einrichtung können die aus der Transistorherstellung bekannten Verfahren angewendet werden. So kann beispielsweise die Schutzschicht 18 an den vorgesehenen Stellen fortgeätzt oder in anderer geeigneter Weise in bestimmten Bereichen entfernt werden, damit die Meßstreifen 13 und 14 an ihren Enden zugänglich werden. Es kann ein geeignetes elektrisch leitfähiges Material oberhalb der Schicht angeordnet werden, damit dieses mit den Meßstreifen durch die Öffnungen in der Maske legiert wird und metallische Kontakte mit den Streifen hergestellt werden. Hervorstehende Teile der Kontakte oberhalb der Schutzschicht oder Maske 18 stören die Wirkungsweise der Einrichtung nicht, da die Schutzschicht elektrisch isoliert und infolgedessen nur dasjenige Metall, das durch die öffnungen in der Maske hindurchragt, in elektrischer Verbindung mit den Meßstreifen steht.
Die mechanische Beanspruchung kann mit Hilfe einer elektrischen Schaltung gemessen werden, welche die Änderung des elektrischen Widerstandes des Dehnungsmeßelementes im gedehnten Zustand, also z. B. bei Anlegen einer mechanischen Spannung, anzeigt.
Für die Durchführung der Messung stehen zahlreiche Anschluß- und Schaltmöglichkeiten zur Verfügung. In Fig. 3 ist eine vereinfachte in Verbindung mit Dehnungsstreifen geläufige Schaltung dargestellt. Wie aus F i g. 3 hervorgeht, ist eine Brückenschaltung mit Widerständen 31 und 33 vorgesehen, welche mit den Dehnungsmeßstreifen 13 und 14 des Dehnungsmeßelementes 10 in der bekannten Brükkenanordnung verbunden sind. Eine geeignete Spannungsquelle, beispielsweise eine Batterie 34, liegt über einer Diagonale der Brücke, während Leitungen 36 mit der anderen Brückendiagonale verbunden sind. Die Leitungen 36 können mit einem geeigneten Anzeigegerät, z. B. einem Strommesser 37 od. dgl., verbunden sein, oder sie können auch mit einem geeigneten Kontroll- oder Registriergerät entsprechend der jeweiligen Aufgabenstellung verbunden sein. Bei der Schaltung nach F i g. 3 liegt ein festes Potential über jedem der Meßstreifen der Dehnungsmeßeinrichtung, während das Ausgangssignal proportional den Änderungen des Widerstandes ist.
Das erfindungsgemäße Meßelement weist ein oder mehrere Meßstreifen von sehr genauer räumlicher Ausdehnung und Zusammensetzung auf. Es ist geeignet, ohne Isolierung unmittelbar auf Testkörpern angebracht zu werden. In dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 ist in diesem Zusammenhang ein einfach aufgebautes, einzelnes Meßelement mit einer Platte od. dgl. verbunden, welche wechselnden mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sein kann. Wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, ist der Grundkörper 11 des Meßelementes unmittelbar auf einem Prüfkörper 41 angeordnet. Die unmittelbare Verbindung kann beispielsweise durch Verwendung eines geeigneten Legierungsmittels 42, z. B. Gold od. dgl., erfolgen, welches zwischen dem Grundkörper 11 und dem Prüfkörper 41 angeordnet und derart erhitzt wird, daß der Grundkörper des Meßelementes mit dem Prüfkörper verbunden wird. Bei dieser Art der Befestigung ergibt sich zwar eine elektrische Verbindung zwischen dem Prüfkörper
ίο und dem Meßelement, jedoch ist dies in Anbetracht der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Meßelemente völlig unschädlich.
Die vereinfachten Darstellungen in den Fig. 4 und 5 entsprechen einer Hälfte des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Meßelementes. Die elektrische Isolierung des Meßstreifens 13 erfolgt durch das Halbleitermaterial des Grundkörpers, welches den Streifen umgibt. Wenn daher Halbleitermaterial mit Eigenleitung verwendet wird, welches bekanntlich einen hohen spezifischen Widerstand hat, besteht ein hoher elektrischer Widerstand zwischen dem Meßstreifen 13 und dem Prüfkörper 41. Wenn im anderen Fall der Grundkörper aus Halbleitermaterial besteht, in dem eine geeignete Verunreinigung gleichmäßig verteilt ist, so bildet sich eine Gleichrichterschicht oder ein p-n-Übergang zwischen dem Streifen und dem übrigen Material des Grundkörpers aus, so daß eine Art elektrischer Diode zwischen dem Streifen und der Platte vorliegt, wodurch eine elektrische Isolierung des Streifens gegenüber dem Prüfkörper erfolgt. In letzterem Fall besitzt der Streifen einen Leitfähigkeitstyp, welcher dem des Grundkörpers entgegengesetzt ist, und man erreicht dies durch die genaue Eindiffundierung einer bestimmten Verunreinigung in die obere Fläche des Grundkörpers. Die räumlichen Abmessungen des Meßstreifens sind außerordentlich gering, und zwar insbesondere die Tiefe und Breite des Streifens. Dies ist durch die Anwendung der Diffusionstechnik möglich, und man kann auf diese Weise einen Meßstreifen ausbilden, welcher erheblich kleiner ist als ein solcher, der beispielsweise getrennt hergestellt ist.
Zusätzlich zu den bereits erwähnten Vorteilen der Erfindung im Vergleich zu den bisher bekannten Einrichtungen dieser Art können in Anwendung der Erfindung weitere Vorteile dadurch erzielt werden, daß man mehrere Meßstreifen in Rosettenform anordnet. In vielen Fällen sind Bauteile Spannungen unterworfen, welche in mehreren Richtungen liegen, und es besteht vielfach nicht nur eine einzige Spannungsrichtung, längs der die Messung und Überwachung von Bedeutung ist. Rosettenförmige Meßelemente sind an sich bekannt, und sie werden verwendet, wenn nicht nur der Betrag einer Spannung, sondern auch die Richtung festgestellt werden soll. Gemäß der Erfindung kann eine solche rosettenförmige Meßeinrichtung in ähnlicher Weise wie das einfache Dehnungsmeßelement ausgebildet sein, das in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist. Wie beispielsweise Fig. 6 zeigt, kann ein Grundkörper 51 aus Halbleitermaterial mehrere getrennte Meßstreifen aufweisen, welche in die obere Fläche eindiffundiert sind, also beispielsweise die Streifen 52, 53 und 55. Die einzelnen Meßstreiferi sind auf der oberen Fläche des Grundkörpers so orientiert, daß sie von einem Mittelpunkt ausgehend sich nach verschiedenen Richtungen erstrecken. Jeder einzelne der Meßstreifen ist mit getrennten elektrischen Anschlüssen an
seinen Enden verbunden. Die in Fig. 6 dargestellte rosettenförmige Einrichtung kann mit den Bauteilen usw. in der gleichen Weise verbunden werden, wie es bereits im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5 beschrieben ist. Hierbei 5 ist es notwendig, daß die spezifische Orientierung des Kristalls besonders berücksichtigt wird. Man wird daher bei der Ausführungsform nach Fig. 6 beispielsweise einen p-Siliziumgrundkörper verwenden, der in der <100>-Ebene geschnitten ist, wobei die η-Elemente in den <100>-Richtungen liegen. Bei anderen Orientierungen werden andere geeignete Richtungen verwendet. Im Gegensatz zu den bisher vorliegenden Versuchen zur Lösung des Problems der Messung in mehreren Richtungen auftretender Spannungen ist die Einrichtung nach F i g. 6 besonders vorteilhaft, da sie die Anwendung einer einzelnen, einheitlichen Meßeinrichtung ermöglicht, welche eine Vielzahl getrennter Ausgänge hat, welche entweder einzeln oder in ihrer Gesamtheit ausgewertet werden können, um sowohl die Richtung als auch den Betrag der Spannungen zu bestimmen.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervorgeht, stellt die Erfindung einen beträchtlichen Fortschritt in der Technik der Halbleiter-Dehnungsmesser dar. Insbesondere bietet die räumliche und physikalische Ausbildung der Meßelemente besondere Vorteile gegenüber den bisher bekannten Einrichtungen. Auch ist die Herstellung solcher Meßelemente in besonders einfacher und vorteilhafter Weise möglich, da diese der Technik der Herstellung von Transistoren entsprechen kann und daher eine sehr genaue Einhaltung der räumlichen Abmessungen und der Betriebseigenschaften ermöglicht. Auch ist es möglich, in Anwendung der Erfindung Dehnungsmeßstreifen von extrem geringen Abmessungen herzustellen. So kann beispielsweise ein erfindungsgemäß ausgebildetes Dehnungsmeßelement Außenabmessungen von etwa 1,65 · 1,25 mm am Halbleiterkörper haben, welcher zwei Meßstreifen enthält, deren Abmessungen zwischen den Kontakten je Streifen etwa 0,75 mm betragen, mit einer Streifenbreite von etwa 0,25 mm. Diese geringen Abmessungen ermöglichen die Anwendung der Meßeinrichtung in vielen Fällen, bei denen bisher eine Dehnungsmessung nicht vorgenommen werden konnte.
Ein weiterer Vorteil ist die Stabilität, die durch die Bauart der erfindungsgemäßen Einrichtung erreicht wird. Die Empfindlichkeit von Halbleitermaterial gegenüber unerwünschten Verunreinigungen der Oberfläche ist bekannt. Die sehr geringe Ausdehnung des Meßstreifens ermöglicht eine erhebliche Herabsetzung eventueller Änderungen der Eigenschaften des Meßelementes. Auch stellt die Schutzschicht oder die Maskierung der Oberfläche des Meßelementes einen weiteren Schutz gegen unerwünschte Oberfläch en verunreinigungen od. dgl. dar.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Dehnungsmeßelement mit einem Grundkörper aus Einkristall-Halbleitermaterial, welcher an einer Seite elektrische Kontakte aufweist, die entlang einer Kristallachse mit Abstand voneinander angeordnet sind, gekennzeichnet durch einen zwischen den Kontakten verlaufenden Meßstreifen mit im Vergleich zum Grundmaterial stark erhöhter Leitfähigkeit, der durch den Einbau geeigneter Fremdatome in geeigneter Konzentration im Grundkörper erzeugt wird, wodurch gleichzeitig ein den Meßstreifen umgebender p-n-Übergang zum Grundmaterial entsteht, der die Isolierung des Meßstreifens gegenüber dem Grundkörper erhöht.
2. Dehnungsmeßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite des Grundkörpers unmittelbar mit dem Prüfkörper verbindbar ist.
3. Dehnungsmeßelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbau der Fremdatome in dem Grundkörper durch Diffusion erfolgt.
4. Dehnungsmeßelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper durch den Einbau von Donatoren den n-Leitfähigkeitstyp aufweist, während der Meßstreifen durch den Einbau von Akzeptoren den p-Leitfähigkeitstyp besitzt.
5. Dehnungsmeßelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere getrennte Meßstreifen in dem Grundkörper angeordnet sind, wobei jeder der Meßstreifen in Richtung einer Kristallachse des Halbleitermaterials liegt und ein Paar elektrischer Kontakte aufweist, welche entlang der entsprechenden Achse mit Abstand voneinander angeordnet sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
409 559/268 4.64 © Bundesdruckerei Berlin
DEF34488A 1960-08-18 1961-07-21 Dehnungsmesselement aus Halbleitermaterial Pending DE1168118B (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3009877A1 (de) * 1979-03-16 1980-09-18 Hitachi Ltd Halbleiterdehnungsmesser mit elastischer lastplatte
DE2934093A1 (de) * 1979-08-23 1981-04-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 8000 München Frequenzanaloger sensor
US4641539A (en) * 1984-08-08 1987-02-10 Texas Instruments Incorporated Sensor responding to the action of a force

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3009877A1 (de) * 1979-03-16 1980-09-18 Hitachi Ltd Halbleiterdehnungsmesser mit elastischer lastplatte
DE2934093A1 (de) * 1979-08-23 1981-04-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 8000 München Frequenzanaloger sensor
US4641539A (en) * 1984-08-08 1987-02-10 Texas Instruments Incorporated Sensor responding to the action of a force

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