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Piezowiderstands-Material Die Erfindung betrifft ein neues Piezowiderstands-Material,
welches eine wertvolle und unerwartete Piezowiderstands-Empfindlichkeit hat. Dieses
Material eignet sich insbesondere für Vorrichtungen zur Belastungsmessung und Belastungsanzeige.
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Bei den herkömmlichen bekannten Piezowiderstands-Halbleitern handelt
es sich um Einkristallkörper, welche anisotrope Piezowiderstands-Wirkungen haben
und somit entsprechend einervorgeschriebenenkristallographischen Orientierung benutzt
werden, die so gewählt ist, daß einhoher Piezowiderstands-Koeffizient besteht. Vorrichtungen,
die solche herkömmlichen Materialien verwenden, müssen daher kristallographisch
in genauer Weise orientiert sein, um die gewünschte Empfindlichkeit zu erhalten.
Da polykristalline Körper aus solchen Materialien unregelmäßig orientiert sind,
so hat in der einschlägigen Technik die Auffassung bestanden, daß polykristalline
Materialien eine allgemein geringfügige oder nutzlose Piezowiderstands-Charakteristik
haben.
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Es ist nunmehr ein Halbleitermaterial gefunden, welches im wesentlichen
isotropen Piezowiderstand aufweist. Bei Verwendung dieses neuen Piezowiderstands-Materials
braucht auf die Kristallorientierung gar nicht mehr geachtet zu werden; jeder Kristallschnitt
kann mit gleichem Vorzug Verwendung finden. Darüber hinaus sind polykristalline
Körper aus diesem Material ebenso wirksam wie Körper aus Einkristall, und beide
Arten ergeben eine bedeutsame isotrope Piezowiderstands-Empfindlichkeit.
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Bei dem erfindungsgemäßen Piezowiderstands-Material handelt es sich
um die Halbleiterlegierung mit n-Typ-Leitfähigkeit aus 13 bis 19 % Silizium, Rest
Germanium. Bei diesen und allen folgenden Prozentangaben handelt es sich um Atomprozente.
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Die für die Erfindung bevorzugte Piezowiderstands-Zusammensetzung
ist angenähert 16,6 % Silizium und 83,40/0 Germanium. Diese Zusammensetzung liefert
eine ungewöhnliche Isotropie und besitzt die folgenden Piezowiderstands-Koeffizienten.
| .Zllll - Q11 = -50 - 10-12 dyn/Cm2, |
| 1T1122 =Z12 = -I-23 - 10-12 dyn/cm2, |
| A212 = 1744 = -67 ' 10-12 dyn/cm2. |
Es können jedoch Abweichungen von dieser optimalen Zusammensetzung in jeder Richtung
vorgenommen werden, ohne daß die Vorteile der vorliegenden Erfindung verlorengehen.
Beispielsweise bleiben bei einer Zusammensetzung aus 19 % Silizium und 81% Germanium
oder bei der Zusammensetzung von 13 % Silizium und 87 % Germanium mehr als 50 0/0
der Isotropie erhalten. Bei 18% Silizium und 820/0 Germanium oder bei 1501, Silizium
und 85% Germanium bleiben mehr als 60 % der Isotropie erhalten. Demgemäß soll die
Erfindung Piezowiderstands-Zusammensetzungen mit 13 bis 19 % Silizium und Rest Germanium
und vorzugsweise 15 bis 18 % Silizium, Rest Germanium, umfassen.
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Theoretisch wird jede Zusammensetzung mit spezifischem n-Typ-Widerstand
für die Zwecke der Erfindung brauchbar sein. Es ist jedoch für eine konsistente
und vorausbestimmbare Empfindlichkeit wünschenswert, einen spezifischen Widerstandswert
zu haben, welcher einen n-Typ-Leitmechanismus gewährleistet.
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Demgemäß umfaßt der bevorzugte Bereich spezifische Widerstandswerte
zwischen 0,005 und 20 Ohm - cm.
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Die in diese Bereiche fallenden Legierungszusammensetzungen können
nach irgendeiner geeigneten, an sich bekannten Technik hergestellt werden.
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Die Zusammensetzungen nach vorliegender Erfindung sind insbesondere
gut geeignet zur Verwendung in Halbleiter-Lastelementen oder Belastungsmessern.
Ein spezielles Beispiel eines solchen Lastelements ist in der Zeichnung veranschaulicht.
Die
Zeichnung zeigt ein Piezowiderstands-Halbleiter-Lastelement unter Verwendung des
neuen Piezowiderstands-Materials, welches das wesentliche Merkmal der Erfindung
darstellt. Die Zeichnung veranschaulicht einen Körper 10, der unter Druckbeanspruchung
steht, die von den Belastungsgliedern 11 und 12 ausgeübt wird. Um die Größe
der Beanspruchung in dem Körper 10 oder das Ausmaß der Entspannung dieses
Körpers unter einer ausgeübten Beanspruchung zu messen, ist ein Meßgerät 13 zwischen
dem Prüfkörper und der Last angeordnet. Entsprechend der Erfindung ist das Meßgerät
13 aus der bereits erläuterten Halbleiter-Legierungszusammensetzung gewonnen. Die
Hauptebenen des Meßkörpers sind von Metallkontakten 14 und 15 begrenzt,
welche mit Zuführungen 16 und 17 ausgestattet sind, um die Piezowiderstands-Messung
zu ermöglichen. Die Widerstandsänderung wird an dem Galvanometer 18 angezeigt
oder registriert.
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Ein Lastelement aus einem Kristall der Zusammensetzung aus 16,60/,
Silizium und 83,40/, Germanium und mit den ungefähren Abmessungen von 1 - 1 - 0,1
cm liefert bei Anwendung entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel für
alle Kristallschnitte im wesentlichen die gleiche Piezowiderstands-Empfindlichkeit.
Eine n-Typ-Legierung mit dieser bevorzugten Zusammensetzung und einem spezifischen
Widerstand von etwa 10 Ohm - cm zeigt eine parallel zur Beanspruchung gemessene
Widerstandsänderung, die durch die folgende Gleichung wiedergegeben wird.
wobei Q die Beanspruchungsgröße in dyn/cm2, P den Widerstand bei der Beanspruchung
Null und de die Widerstandsänderung bedeutet. Diese Beziehung gilt für jede gewählte
Kristallorientierung.
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Für eine ähnliche Piezowiderstands-Vorrichtung, welche ein typisches
bekanntes Piezowiderstands-Material enthält, z. B. p-Typ-Silizium, kann die Änderung
der Piezowiderstands-Empfindlichkeit für zwei spezielle Beanspruchungsrichtungen
aus folgenden Beziehungen entnommen werden.
Mit anderen Worten: Lediglich durch die Änderung des Kristallschnittes von [100]
zu [111] ergibt sich eine Änderung hinsichtlich der Piezowiderstands-Empfindlichkeit
entsprechend einem Faktor 14: 1. Da es sich hierbei um eine Winkelabweichung von
nur 54° handelt, so ist verständlich, daß der Kristallschnitt gewöhnlicher Piezowiderstands-Halbleiter
äußerst kritisch ist.
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Das erläuterte Ausführungsbeispiel betrifft eine Einkristall-Legierungs-Zusammensetzung.
Es ist jedoch für den Fachmann klar, daß, da diese Zusammensetzung keine Piezowiderstands-Anisotropie
besitzt, ein polykristalliner Körper die gleiche Piezowiderstands-Funktion ausübt
und Koeffizienten der gleichen Größe liefert.