DE1272569B - Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer Spannungen in entsprechende elektrische Kenngroessen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Deutsche Kl.

GOId

GOIl
HOIl

42 d-1/12

Nummer: 1272569

Aktenzeichen: P 12 72 569.8-52 (W 35349)

Anmeldetag: 30. September 1963

Auslegetag: 1.1. Juli 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer Spannungen in entsprechende elektrische Kenngrößen unter Ausnutzung der beim Einwirken mechanischer Spannungen auf den Halbleiterkörper einer Tunneldiode auftretenden Kennlinienänderungen, wobei eine den Tunneldioden-Arbeitspunkt festlegende und die entsprechende elektrische Kenngröße liefernde Schaltung vorgesehen ist, sowie ein die mechanischen Spannungen in den Halbleiterkörper einleitendes Übertragungsorgan.

Das für eine Tunneldiode kennzeichnende Merkmal ist in der Hauptsache darin zu sehen, daß ihre Strom-Spannungs-Kennlinie im Durchlaßbereich einen Bereich negativen Widerstands aufweist.

Des weiteren sind die pn-Übergänge von Tunneldioden allgemein sehr empfindlich gegenüber einwirkenden mechanischen Spannungen, die sowohl hydrostatischer als auch einachsiger Natur sein können. Insbesondere gilt dies für die pn-Übergänge von Galliumantimonid-Tunneldioden, die in dieser Hinsicht ungewöhnlich hoch empfindlich sind. Sie sind daher von besonderem Interesse bei auf mechanische Spannungen ansprechenden Vorrichtungen, z. B. bei Dehnungsmeßvorrichtungen, Tonabnehmern, Mikrofonen u. dgl.

Es wurde nun gefunden, daß Tunneldioden, die durch Erzeugen ihres pn-Übergangs in einem p-leitenden Halbleitermaterial hergestellt wurden, sich in einer Reihe beachtenswerte Gesichtspunkte von denjenigen Tunneldioden unterscheiden, welche durch Erzeugen ihrer pn-Übergänge in einem n-leitenden Plättchen des gleichen Halbleitergrundmaterials hergestellt worden sind.

So ändert sich nicht nur der sogenannte Höckerstrom (das ist der maximale, in Durchlaßrichtung fließende Strom des ersten positiven Kennlinienastes) mit der einwirkenden mechanischen Spannung, sondern auch die zugeordnete (elektrische) Höckerspannung. Letztere kann von derjenigen Höckerspannung beachtlich verschieden sein, bei welcher ohne einwirkender mechanischer Belastung der Höckerstrom erhalten wird. Da es in vielen Fällen wünschenswert ist, daß das Verhältnis von Höckerstrom bei fehlender mechanischer Belastung zum Höckerstrom bei vorgegebener mechanischer Belastung einen definierten Wert aufweist, ist es für die Messung mechanischer Spannungen offensichtlich unbequem, wenn diese Höckerstromwerte bei unterschiedlichen Werten der elektrischen Vorspannung auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Anordnung so zu treffen, daß die Höckerstromwerte stets bei der gleichen elektrischen Vorspannung auftreten.

Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer
Spannungen in entsprechende elektrische
Kenngrößen

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
6200 Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Mathew Eustace Sikorski,

New Providence, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 4. Oktober 1962

Die Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zwei je auf ihre Höckerspannung vorgespannte Tunneldioden vorgesehen sind, von denen die eine auf einem p-leitenden Halbleiterkörper aufgebaut ist und die andere auf einem η-leitenden Halbleiterkörper derselben Halbleitergrundsubstanz, und daß das Übertragungsorgan für ein Einleiten gleichsinniger mechanischer Spannungen in die beiden Halbleiterkörper ausgelegt ist. Vorzugsweise ist dabei als Halbleitergrundsubstanz Galliumantimonid vorgesehen.

Wie gefunden wurde, erfolgen die beim Einwirken einer mechanischen Belastung auftretenden vorstehend erwähnten Spannungsverschiebungen an den beiden Dioden in entgegengesetzter Richtung und sind praktisch gleich groß. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es daher möglich, eine resultierende Gesamtkennlinie zu erhalten, deren dem Höckerstrom zugeordnete Vorspannung weitgehend unabhängig von der jeweils einwirkenden mechanischen Belastung ist.

Wird insbesondere Galliumantimonid als das Grundmaterial für die beiden Tunneldioden verwendet, so erhält man neben einer außergewöhnlieh hohen Empfindlichkeit gegenüber aufgeprägten mechanischen Belastungen zugleich eine Temperaturkompensation: Denn aus p-leitendem Galliumanti-

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monid hergestellte Tunneldioden haben eine Strom-Spannungs-Kennlinie, bei der der Höckerstrom mit zunehmender Temperatur abnimmt, während aus η-leitendem Galliumantimonid hergestellte Tunneldioden eine entsprechende Kennlinie zeigen, wobei aber der Höckerstrom mit zunehmender Temperatur zunimmt.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert; es zeigt

Plättchen bei 650⁰C oder etwas darüber angeschmolzen wird, bis ein Anlegieren beobachtet wird. Danach wird die Temperatur rasch auf Raumtemperatur abgesenkt. Eine rasche Abkühlung ist deswegen notwendig um einen ausreichend dünnen pn-übergang im Hinblick auf die angestrebte Tunnelwirkung sicherzustellen; denn sonst würde man eine normale Diode erhalten.

Sodann werden die beiden Halbleiterplättchen auf

F i g. 1 ein Schaltbild zur Bestimmung der Strom- io einer Basis montiert, wobei dann spitz zulaufende Spannungs-Kennlinie einer Tunneldiode, Glieder mit den Kugeln in mechanischen Kontakt

F i g. 2 ein Schaltbild zur Bestimmung der resul- gebracht werden, so daß ein auf die oberen Enden tierenden Strom-Spannungs-Kennlinie zweier par- der Glieder ausgeübter Druck auf die Kugeln überallelgeschalteter Tunneldioden, tragen und damit in die pn-Übergänge eingeleitet

F i g. 3 die jeweilige Abhängigkeitzweier annähernd 15 wird. Ändert sich dabei die ausgeübte mechanische gleich hergestellter Galliumantimonid-Tunneldioden Belastung periodisch mit einer geeigneten Frequenz, von der Temperatur, so wirken die spitz zulaufenden Glieder als mecha-

F ig. 4 die jeweilige Abhängigkeitzweier annähernd nische Transformatoren, die eine wesentliche Ergleich hergestellter Galliumantimonid-Tunneldioden höhung der einwirkenden mechanischen Spannung von einer ersten spezifischen Änderung einer auf jede 20 erzeugen, wodurch die Empfindlichkeit der Vorrichtung erhöht wird. Die Basis kann dann auf dem Werkstück befestigt werden, dessen Dehnungen zu messen sind, wobei noch eine elastische Verbindung von diesem Werkstück zu den freien Enden der spitz 25 zulaufenden Glieder vorgesehen wird, um die mechanischen Belastungen hierauf zu übertragen. Die Tunneldioden sind, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, parallel zueinander geschaltet.

Eine andere Anordnung kann die sein, die Tunnel-30 diode an einem elastischen Glied zu befestigen, das seinerseits nach Art eines vorkragenden Hebels am Werkstück befestigt wird, dessen Dehnung gemessen werden soll. Des weiteren wird dann noch ein starres L-förmiges Glied einen Endes am Werkstück so beschlossen, so daß jeder Spannungswert von Null bis 35 festigt, daß es sich mit seinem anderen Ende am zur maximalen Spannung der Spannungsquelle ein- freien Ende des die Dioden tragenden elastischen

Hebels abstützt. Hierdurch bewirken die im Werkstück auftretenden Dehnungen eine entsprechende Verbiegung des elastischen Hebels, und als Folge dieser Verbiegung werden mechanische Spannungen in die hieran befestigten Tunneldioden eingeleitet. Bei dieser Anordnung sind keine mechanische Belastungen in die Kugeln einleitende Verbindungen vorgesehen, da die mechanischen Spannungen von

stellbaren Potentiometerabgriffs bestimmt ist. Ersieht- 45 der Plättchenseite her in die pn-Übergänge der lieh erlaubt die Schaltung nach Fig. 1 die Bestim- Tunneldioden eingeleitet werden. Auch hier sind die

Tunneldioden parallel geschaltet, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Bei der ersten Anordnung werden die Tunnelhergestellte 50 dioden einer einachsigen quer verlaufenden Zugaus einem spannung unterworfen und bei der zweiten Ausführungsform einer einachsigen quer verlaufenden Druckspannung.

Die Schaltung nach F i g. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 praktisch nur dadurch, daß zwei elektrisch parallel geschaltete Tunneldioden 70, 72 statt der einzelnen Tunneldiode 10 in F i g. 1 vorge-^ sehen sind. Mit Schaltung nach F i g. 2 kann daher die kombinierte Kennlinie, d. h., die Strom-Span-

über angeschmolzen wird, bis ein Anlegieren beob- 60 nungs-Gesamtkennlinie der beiden parallelgeschalteachtet wird. Danach wird die Temperatur rasch auf ten Dioden 70, 72 bestimmt werden.
Zimmertemperatur abgesenkt. Die zweite Tunneldiode kann in ähnlicher Weise unter Verwendung
eines Galliumantimonidplättchens hergestellt werden,
das mit etwa 10¹⁸ Telluratomen pro Kubikzentimeter 65
dotiert ist. Der pn-übergang kann dabei dadurch
hergestellt werden, daß eine aus Cadmium mit etwa
5% zulegiertem Gold" bestehende Kugel auf dem

Diode einwirkenden mechanischen Belastung,

Fig. 5 die jeweilige Abhängigkeitzweier annähernd gleich hergestellter Galliumantimonid-Tunneldioden von einer zweiten spezifischen Änderung einer auf jede Diode einwirkenden mechanischen Belastung,

F i g. 6 die resultierende Gesamtabhängigkeit zweier annähernd gleich hergestellter Galliumantimonid-Tunneldioden von den ersten und zweiten vorstehend erwähnten spezifischen Änderungen der einwirkenden Belastung.

In den Figuren sind ähnliche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Nach F i g. 1 ist an eine Spannungsquelle 20 ein als Spannungsteiler dienendes Potentiometer 18 angegestellt werden kann.

Ein änderbarer Widerstand 16 dient zur Einstellung der im Stromkreis fließenden Stromstärken und ein Amperemeter 14 zur Anzeige derselben.

Eine Tunneldiode 10 nebst einem sie überbrückenden Voltmeter 12 liegen in Serie mit dem Widerstand 16, dem Amperemeter 14 und demjenigen Teil des Potentiometers 18, welcher durch die Lage des ein-

mung der Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode 10.

Eine entsprechend der Erfindung aufgebaute Dehnungsmeßanordnung " weist eine erste, aus einem p-leitenden Galliumantimonidplättchen Tunneldiode auf sowie eine zweite, η-leitenden Galliumantimonidplättchen hergestellte Tunneldiode.

Die erste Tunneldiode kann unter Verwendung eines Galliumantimonidplättchens hergestellt sein, das mit annähernd 2-10¹⁹ Zinkatomen pro Kubikzentimeter dotiert ist. Der pn-übergang kann dadurch hergestellt werden, daß eine aus Silber mit etwa 2% Tellur bestehende Kugel bei 675° C oder etwas dar-

Die in Fig. 3 ausgezogen gezeichnete Strom-Spannungs-Kennlinie 80, die im wesentlichen die Strom-Spannungs-Kennlinie jeder einzelnen der Tunneldioden 70 oder 72 darstellt und mit einer Schaltung nach F i g. 1 bestimmt wurde, wobei die Versuche bei Zimmertemperatur und ohne einwirkende mechanische Spannung durchgeführt wor-

den sind, weist bei der Linie 84 ein Maximum (Höcker) und bei der Linie 86 ein Minimum auf.

Wenn die Temperatur um einen entsprechenden Betrag erhöht wird, so hat die aus dem p-leitenden Plättchen hergestellte Tunneldiode eine insgesamt tiefer liegende Strom-Spannungs-Kennlinie, die der strichpunktiert gezeichneten Kurve 82 entspricht, während die andere, aus dem η-leitenden Plättchen hergestellte Tunneldiode eine entsprechend höher liegende Strom-Spannungs-Kennlinie zeigt, die der gestrichelt gezeichneten Kurve 81 entspricht.

Werden die beiden Dioden elektrisch parallel geschaltet, so addieren sich ihre Strom-Spannungs-Kennlinien, und Temperaturänderungen werden praktisch keine Änderung in der Gesamtkennlinie verursachen. Beispielsweise repräsentiert die Kurve 160 in F i g. 6 eine solche kombinierte Gesamtkennlinie zweier derartiger Dioden bei ausgeübter Belastung Null. Sie ist praktisch temperaturunabhängig.

In F i g. 4 stellt die ausgezogene Kurve 80 wieder die kombinierte Strom-Spannungs-Kennlinie der beiden Dioden 70 und 72, gemessen bei Raumtemperatur und bei ausgeübter Belastung Null, dar.

Wird eine vorbestimmte Druckspannung auf jede Diode ausgeübt, so erfährt die Kennlinie 92 (F i g. 4) der Diode mit dem p-leitenden Plättchen nicht nur eine Verringerung des Maximums, sondern gleichzeitig auch eine Verschiebung des Maximums und des Minimums in Richtung niedrigerer Spannungen gegenüber den entsprechenden Weiten der Kennlinie 80. Dieser Sachverhalt ist durch die Linien 101 bzw. 103 angedeutet. Umgekehrt erfährt die Kennlinie 94 der anderen Diode unter diesen Bedingungen eine Absenkung des Maximums auf etwa die gleiche Höhe wie im Fall der Kennlinie 92, aber eine Ver-Schiebung des Maximums und Minimums in Richtung höherer Spannungen, dargestellt durch die Linien 102 bzw. 105, um den praktisch gleichen Betrag wie die Verschiebung der Kennlinie 92 gegenüber der Kennlinie 80.

In ähnlicher Weise zeigt die Tunneldiode mit dem p-leitenden Plättchen unter dem Einfluß einer Zugspannung eine Kennlinie 96 (F i g. 5), die ein höheres Maximum als die Kennlinie 80 aufweist. Das Maximum und das Minimum sind aber gegenüber den entsprechenden Werten der Kennlinie 80 in Richtung höherer Spannung verschoben, was durch die Linien 112 und 116 dargestellt ist. Umgekehrt weist die Kennlinie 98 der anderen Diode ein höheres Maximum als die Kennlinie 80 auf, aber das Maximum und das Minimum der Kennlinie 98 sind gegenüber den entsprechenden Werten der Kennlinie 80 in Richtung niedrigerer Spannungen verschoben, was durch die Linien 110 und 114 dargestellt ist.

Die kombinierte Kennlinie der beiden parallelliegenden Dioden sind in F i g. 6 dargestellt. Hierin stellen, wie oben erwähnt, die Kurve 160 die kombinierte Strom-Spannungs-Kennlinie bei einwirkender mechanischer Belastung Null und die Kurven 162 und 164 die kombinierten Strom-Spannungs-Kennlinien unter dem Einfluß einer vorbestimmten Druckbzw. Zugspannung dar.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer Spannungen in entsprechende elektrische Kenngrößen unter Ausnutzung der beim Einwirken mechanischer Spannungen auf den Halbleiterkörper einer Tunneldiode auftretenden Kennlinienänderungen, wobei eine den Tunneldiodenarbeitspunkt festlegende und die entsprechende elektrische Kenngröße liefernde Schaltung vorgesehen ist, sowie ein die mechanischen Spannungen in den Halbleiterkörper einleitendes Übertragungsorgan, dadurch gekennzeichnet, daß zwei je auf ihre Höckerspannung vorgespannte Tunneldioden vorgesehen sind, von denen die eine auf einem p-leitenden Halbleiterkörper aufgebaut ist und die andere auf einem η-leitenden Halbleiterkörper derselben Halbleitergrundsubstanz, und daß das Übertragungsorgan für ein Einleiten gleichsinniger mechanischer Spannungen in die beiden Halbleiterkörper ausgelegt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitergrundsubstanz Galliumantimonid vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 1180 547;
USA.-Patentschrift Nr. 2 573 168;
Elektronik (1961), 10. Jahrgang, Februar, S. 33 bis 38;

Physical Review (1958), Bd. 109, S. 603/604;
Bell Lab. Record (1961), April, S. 122 bis 125.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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