DE1168118B - Dehnungsmesselement aus Halbleitermaterial - Google Patents
Dehnungsmesselement aus HalbleitermaterialInfo
- Publication number
- 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
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- measuring
- base body
- semiconductor material
- strip
- strain gauge
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 32
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims description 30
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 15
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 10
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 5
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 claims description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims 2
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 claims 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 7
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010040925 Skin striae Diseases 0.000 description 1
- 208000031439 Striae Distensae Diseases 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/18—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying effective impedance of discharge tubes or semiconductor devices
- G01D5/183—Sensing rotation or linear movement using strain, force or pressure sensors
- G01D5/185—Sensing rotation or linear movement using strain, force or pressure sensors using piezoelectric sensors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
- G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/12—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by alteration of electrical resistance
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Ki.: GOIl
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
Deutsche KL: 42 k-45/03
F 34488 IXb/42 k
21. Juli 1961
16. April 1964
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
409 559/268
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)
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
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US1168118XA | 1960-08-18 | 1960-08-18 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1168118B true DE1168118B (de) | 1964-04-16 |
Family
ID=22369378
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DEF34488A Pending DE1168118B (de) | 1960-08-18 | 1961-07-21 | Dehnungsmesselement aus Halbleitermaterial |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE1168118B (de) |
Cited By (3)
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 |
-
1961
- 1961-07-21 DE DEF34488A patent/DE1168118B/de active Pending
Cited By (3)
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 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69327556T2 (de) | Verfahren zur Herstellung eines dynamischen Halbleitersensors mit einer Struktur mit dünner Stärke | |
DE2429894B2 (de) | Polykristalliner monolithischer druckfuehler und verfahren zu seiner herstellung | |
DE2125456B2 (de) | Verfahren zur Ermittlung des Schichtwiderstandes oder einer hiermit zusammenhängenden Größe, insbesondere bei der Herstellung einer Halbleiteranordnung, Anwendung dieses Verfahrens sowie Meßvorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens | |
DE2558021A1 (de) | Halbleitervorrichtung | |
DE2804373A1 (de) | Hall-generator | |
DE1473442A1 (de) | Dehnungsmesser | |
DE2518478A1 (de) | Hall-element | |
DE2349463B2 (de) | Halbleiter-Druckfühler | |
DE2323102A1 (de) | Messelement aus einem halbleiter-piezowiderstand und verfahren zu dessen herstellung | |
DE1698122C3 (de) | Mechanisch-elektrischer Wandler | |
DE1614233B2 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements | |
DE2927003C2 (de) | Siliziumwiderstandselement aus einem plättchenförmigen Halbleiterkörper und Verfahren zu seiner Herstellung | |
DE2000088C3 (de) | Anisotropes Thermoelement | |
DE2201833A1 (de) | Verfahren zum Herstellen mehrerer Transistoren aus einer Halbleiterscheibe | |
DE1168118B (de) | Dehnungsmesselement aus Halbleitermaterial | |
DE3430941C2 (de) | Chemisch empfindlicher Feldeffekttransistor-Sensor | |
DE2921043C2 (de) | Druckmeßwertwandler | |
EP0035103A1 (de) | Monolitisch integrierte Anordnung zweier Hallsonden | |
DE102018215383A1 (de) | Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung | |
DE3245178C2 (de) | Symmetrischer Temperatursensor | |
EP0179099B1 (de) | Monolithisch integrierte planare halbleiteranordnung und verfahren zu deren herstellung | |
DE1910447C3 (de) | Halbleiterbauelement | |
DE1813551B2 (de) | Planartransistor | |
DE1288197B (de) | ||
DE1773481C3 (de) | Mechanisch-elektrischer Wandler |