DE1465112A1 - Im Vakuum niedergeschlagene Halbleiterschichten fuer Elasto-Widerstandselemente - Google Patents

Description

Anritsu Electric Oo. Ltd, 1 ο ky ο , J apan ,

Im Vakuum niedergeschlagene Halbleiterschichten für Elasto~Wi der Standeelemente (Blasto-resistiYe Element*^·

Die Erfindung betrifft formänderungsabhängige Halbleiter» Widerstandselemente, im folgenden Elasto-Widerstandselemente genannt» insbesondere solche von hoher Empfindlichkeit· Diese Elemente können s«B« als Wandler für mechanische Form«· änderungen oder als Dehnungsmesser verwendet werden, in denen das Phänomen ausgenutzt wird, dass der elektrische Widerstand eine Funktion des Zustandes ist, der durch eine Belastung hervorgerufen wird·

Wenn ein Schaltkreis, der ein Elasto~Widerstandselement enthält, dafür vorgesehen ist, einen konstanten Strom I iu führen, dann ist eine Spannungsänderung Δ V über dem Element die Formänderungsanaeige und kann als

ausgedrückt werden» wobei B der Hennwi der stand des Elementes ist und ε die mechanische Belastung berücksichtigt· γ ist eine Größe, die als Hefifaktor beseiohnet und im folgenden Abschnitt ' erläutert wird·

Elftsto - Widerstandselemente werden heut· allgemein iftttf dem / Gebiet des Masehinen-und Ingenieur*«■·&· und der Akustik auge» ί

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wendet, ebenso bei den verschiedenen Uasetsungsarten von mechanischer und akustischer Energie oder solcher Zeichen in ein entsprechendes elektrische· Solchen. Sie Änderung dee elfekttisehen fideratandes eines Prüf körper a als folge der Einwirkung einer elastischen Belastung ist mathematisch wie folgt gegeben»

für einen syllndri sehen massiven elektrischen Leiter ist der elektrische Widerstand E durch R » 5 L/A gegeben» wobei γ den spe elf Ischen elektrischen Widerstand des Körpers, Ir seine Läng» und A seinen Querschnitt beseiohnet» Wenn der Körper durch Druck (oder Zug) elastisch rerformt wird» dann ist die Widerstandsänderung durch die Differentiation der obigen öleiohung gegeben«

dB/H * ds/? - dA/A + dL/& .

MiBiBt Ban an» dass der betrachtete Werkstoff isotrop ist» dann gilt für die Seiländerung des Widerstandes

( dB/R) /(d I/L·) - (1 ♦ 2 (T) + (dj>/? ) / ( d L/L) S^, wobei0* die Poisson*sehe Zahl» definiert durch ( d k/k) - - 2Cf ( d L/L), ist und die dimensional se Zahl γ als Meß faktor be se lehnet wird» Der Ausdruck ( 1 + 2<3") in obiger Gleichung stellt eine rein geometrische Wirkung dar» die einer Längemunahae und einer Querschnittsverringerung eines unter Längs spannung (nicht axial) stehenden Zylinders entspricht«, Der Ausdruck ( if /y ) / ( d £/L) stelltelne physikalische Wirkung dar» wenn eine inderung des Werkstoffwiderständeβ infolge der einwirkenden elastischen Beanspruchung eingetreten ist« Diese Widerstandsänderung eines Körpers ist als SIa β to-

. ·""'..- bekannt |

Wite»Standseffekt (elasto-resiatanee effeoiF)/oder wird als

' BAD

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Jieso-Widerstandseffekt btstiohntt» wenn die Wideretandsänderung duroh Aufbringen einer Spannung (Druck odtr Zug) herrorgerufen wird·

fpln Beiepitl für ein BlRito-Wldtrttandeelenent ist dtr bekannte j Dehnungsmessstreifen aue Metall, s*B* au· Platin, Gold oder einer modernen Metallegierung* für die »eisten Metalle liegt die Poisson'sohe Zahl in der Größenordnung von 0,3 bis 0,45I folglich liegt dtr geometrische Ausdruck ( 1 + 2ff) in dtr Grölenordnung tob. 1,6 bis 1,9 » während dtr eigentliche Meßfaktor, dlt SrUBt*, dtr „im Handel erhältlichen Dehnungsmei-«

ff - : ■ · ■ ..

streifen mahtsu 2 beträgt* Diese Tatsache drückt aus, dass ' dit geometrische Wirkung gegenüber der physikalischen innerhalb dt· Elasto-Widerstandseffektes in metallischen Werkstoffen überwiegt· Sin Beispiel elastischer Deformation aus dem Gebiet dt· Maschinenwesens odtr dtr Akustik genommen, liegt in dtr Grüßenordnung τοη 1 χ ίθ""⁵ι dit·· Deformation tat epr! ent einer Widerstandsänderung von 2 z 10 ^J ptl tlntm Meßfaktor -v. « 2 · Bs wird deshalb τοη dem Meßgerät eine Empfindlichkeit gefordert, dit ausreicht, tint Widerstandsänderung ansucelgtn, dit in derselben Größenordnung liegt wit dit Deformation* Hit anderen Worten· metallische Meßetreifenfeisen eint gtringt Empfindlich«· ktit auf, wenn sit für dit Umwandlung mechanischer odtr akustiaoher Kräfte in elektrische Werte benutet werden,El_asto·* Widerstandselemente, die i.B, sur Messung einer Oberflächen·· Terformung tinte Materialteileβ angewendet werden* müssen der Verformung des Materials, mit dem sie fest verbunden sind· folgen und sich ohne wesentlichen Verbrauch der auf das material

" BADORiQfMAL

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einwirkenden Kraft verformen· Um diese Bedingung zu erfüllen, wird üblicherweise für Dehnungsmeßstreifen die Form eines dünnen Drahtes oder einer dünnen Folie gewählt«

Werkstoffe, die als Halbleiter bekannt sind (eingeschlossen die Halbmetalle) zeigen einen außerordentlich großen physi«» kaiischen Effekt und haben daher den Vorteil der Empfindlich·» keit· HalbleitexvElas^-Wi der Standeelemente können aus einem Halbleitereinkristall hergestellt werden* Nach einem solchen Verfahren wird eine Scheibe kleinen Querschnitte aus einer genau bestimmten Richtung aus einem Block herausgeschnitten« mit einer Reihe von Einschnitten in der eben erwähnten Schnittrichtung versehen und schließlich so auf der Gegenseite der Einschnitte abgeschliffen» dass das Material in Stäbchen geteilt wird·

Es ist auch üblich, den Meßstreifen mit einer dünnen Isolierschicht zu verbinden, damit er nicht kurzgeschlossen wird,wenn er auf leitendem Material angeordnet ist·

Oft ist auf verschiedenen technischen Gebieten die Frage gestellt worden, wie ein Elasto- Widerstandselement mit hoher Empfindlichkeit zugleich auch auf einfache Weise herstellbar sei· Im allgemeinen stößt man auf ein wichtiges Problem bei der Aufbringung halbleitenden Materials auf das Elasto-Widerstandsmlement· Halbleiter sind meist spröde und daher ist die Herstellung äußerst dünner und kleiner Exemplare schwierig» Daher hat das eben erwähnte Verfahren zur Herstellung dünner Schichten ein technisches Problem zur Folge» das zu lösen.

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Die Torliegende Erfindung hat Im we «entliehen die Lu sung . dieses Probleme sum Inhalt, das dadurch gelöst wird, dass Slasto-WiderStandselemente durch Yakuumniederschlag eines Halbleiters auf einer dünnen Isolierschicht hergestellt werden»

In an sich bekannter Weise werden die Elaste-Wideretandeelemen·· te aus einem Halbleitereinkristall in einer Sichtung herausgeschnitten, die einen maximalen Meßfaktor erwarten lässt» In Übereinstimmung mit der Richtung der kri stenographischen Orientierung ist der Elasto-Widerstaadskoeffizient, der durch das Verhältnis der Seiländerung des Widerstandes su der Zugbeanspruchung definiert ist, durch eine Tensor-Grpfle gegeben* Der entsprechende Piezo-Widerstandskoeffisient ist definiert durch das Verhältnis der Teiländerung des Widerstandes sur Druckspannung» Unter vielen Hess-Anordnungen der Halbleiter-Elasto*· Widerstaüdselemente ist eine, die die Beziehung swisohen dem einachsigen Spannungszustand T₉ dem Strom I und der Spannung V in derselben Richtung wie die Rientungskesinusee i_t m, η in Bezug auf die Kristallaohsen, betrifft» Man nennt die Messung, bei der der Strom parallel sur eingeleiteten ' mechanischen Spannung verläuft, eine Längsmeseung» Tür kubische Kristalle, wie z«B» Silizium, Germanium und zwischenmet aiii sehe

S" - T - Verbindungen ist der Piezo-Widerstandseffekt gegeben durch ( d^/j„) /I -F₁₁ + 2 ΓV, wobei ^₁₁ und T* die .Ton dem Sensor des Piezo^Widerstandskoeffizienten abgeleiteten Größen sind»Γ ist die Ortsfunktion, gegeben durch

Γ* I² m² + m² n² + I² n². Wenn ZT* O ist und T₁₁ und T»

dasselbe Vorzeichen besitzen, oder wennjlT^y|>3 ITT₁₁I ist» - BAD ORIGINAL

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beiil| «|ml .{ml «fi/3 dann weist der Effekt ein Maximum; d«h· entlang der < 1 1 1 > Achsen auf· Pie meisten Halbleiter erfüllen die obige Bedingung und der Maximaleffekt tritt auf, wenn die Belastung in der i1 1 1> Richtung eingeleitet wird· Strom-und Spannungsmessung können auch so vorgenonmen werden« daas der Strom und die eingeleitete mechanische Spannung senkrecht sueinander stehen} man bezeichnet diese Messung als Quermesung» In diesem Fall ist die durch die Beanspruchung hervorgerufene spezifische Widerstandsänderung gegeben durch

₁₂ ^irt ^⁸-⁸ S*nsorelement des Pieao-Widerstandskoeffiaienten

und fist die Ortsfunktion gegeben durch ο

j^ μ I₁ I₂ + _Ä1 m₂ + n_t n₂

wobei die 1« » m. und n, die Richtungskosinusse für die Stromrichtung in der einen Zahlenreihe und für die Belastungs— richtung in der anderen sind· für isotrope Stauchung ζ leitet man die Besiehung ( -d f/f« )/x« 1I₁₁ * 2 H₁₂ ab· Der Einsata von Halbleitern auf Elasto-Widerstandselementen bei einer dieser Meßmethoden, für sich allein oder in Verbindung mit anderen, kann bei der Umwandlung eines mechanischen oder akustischen ^eichene in ein entsprechendes elektrisches geschehen·

Im Torliegenden fall des Elasto-Widerstands-Elementes bleibt man bei der Üblichen Herstellung eines großen Halbleiterein«· kristalle und der Kristallaohsenbestimmung yo£ dem schon be* sohriebenen Schneidvorgang,

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Ein Zweck der Erfindung ist es, ein hoch empfindliche β Elasto-Wlderstandselement su «chaffen, das einfach herstellbar ist, und die erwähnten Nachteil· vermeidet* Ein anderer Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten hochempfindlichen Elasto-Widerstandselementes, bei dem Halbleiter verwendet werden und sich dementsprechend der Torteil des großen physikalischen Effektes auf dem Mefifaktor auswirkt·

Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines neuen Elf sto-WiderstaxLAselementes, das durch eine im Vakuum auf eine Isolierschicht aufgebrachte Halbleiterschicht gebildet wird» wobei das Geftige der Halbleiterschieht nicht aus einem Einkristall besteht, sondern von genau orientierter vielkristalliner Beschaffenheit ist, um die weitere Isolierschicht wtgsulaseen, die öfters in Patentansprüchen beansprucht wird· Ein susätslicher Anwendungssweck der im Takuum aufgebrachten Schicht ist die Nutzbarmachung einer spezifischen vielkristallinen Beschaffenheit der Schicht· Im üblichen Vakuum aufgebrachte Schichten wachsen gleichmässig auf einer amorphen Unterlage mit einer strengen Orientierung und in äußerst kompakter Schicht parallel but Trägerschicht·

Koch ein weiterer Zweck der Erfindung 1st die Sohaffung eines sehr kleinen dünnen Elementes» das weder durch Schleif «· oder Schneidverfahren herstellbar ist»

.,. .·..- , · :, .-.. . -,· ■■·„<. ...·■..·.■.'. figuren .· , ■" Sie Erfindung ist in der Zeichnung in vier Atta&ittftgtm (?ig·

1 bie 4) uergestelit. *—" '^; '"■"■ ■ ^: ' ' "'' ^{: : ; ;} ' " ^; '.'^:· ' "

BAD ORIGINAL

Fig· 1 zeigt zunächst ein· graphische Darstellung der Ortefunktion Pin der<i1 1 1> Ebene· Der Wert Γzeigt isotropen Charakter in der<>1 1 1> Ebene des kubischen Kristalls» d.h.r« 0,25 für alle Richtungen der C1 1 1 > Ebene* Die kompakteste Schicht dieser kubischen Kristalle» die su der Baumgruppe Xd gehören» wie Silizium» Germanium und intermetallisch« ITI - 7 Verbindungen» ist die <£1 1 1 > Ebene* Im Vakuum niedergeschlagene Schichten aus diesen Materialien wachsen hauptsächlich in der <1 1 1> Ebene parallel zu der Trägerschichtβ Infolgedeββen eeigt die nicht axiale Spannung, die in paralleler Richtung zu der im Vakuum niedergeschlagenen Schicht eingeleitet wird»einen isotropen Effekt bei dem Piezo-Widerstandseffekt· Wie schon erwähnt» tritt das/^-Maximum in der H 1 1 "> Richtung auf» der Wert ist 0,33 * Obgleich die <M 1 1> Richtung nicht in der < 1 1 1> Ebene inbegriffen ist, istFtlix dxc technische Zwecke genügend groß« Er ist tatsächlich wesentlich größer als der Wert in Würfelaohsenriohtung» der < 1,00 >Richtung mit Γ« 0 .

Fig· 2 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

und

Fig· 3 ein Anwendungsbeispiel dar«
Fig. 4 ist ein Ersatzschaltbild» das die Wirkungsweise der

Erfindung zeigt·

Die in Fig. 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsform zeigt eine im Vakuum niedergeschlagene Schicht 3 und zwei daran befestigte Elektroden 2 , an denen Leitungsdrähte 1 angebracht sind» durch die ein elektrischer Strom fließen kann«

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IXLe Form der Halbleiterschieht kann quadratisch, rechteckig und rund sein» öder ziok-zack-oder wellenförmig mit bestimmter - Breite· Die Elektroden können so angeordnet werden, dass ent·· weder der Längs-, Quer - oder eine andere Art von Piezo-Widerstandseffekt aufgenommen werden kanu-· Bin Beispiel wird in Pig, 3 als Schnitt in I - Y - Richtung τοη Pig, 2 gezeigt.Ee - handelt sich dabei um die Messung einer mechanischen Bean spruchung, die auf das Elaeto«Widerstandeelement aufgebracht wird« Das Element besteht aus den Leitungsdrähten . 1, die an jeder der Elektroden angebracht sind* und aus den im Vakuum auf beiden Seiten eines Isolators 4 aufgebrachten Halbleiterschichten· Ein Ende des Isolators ist bei 5 fest eingespannt und eine Kraft 6 greift an dem anderen freien Ende des Isolators an* Auf diese Weise leitet die Kraft 6 eine Zugspannung 7 in die in der Figur obere Schicht und eine Druckspannung in die untere Schicht ein. me Ausführung wie sie in Fig. 3 gezeigt wird, kann z«S« zum Messen kleiner Kräfte dienen, die am Ende des Messelementes wirken, sie bildet damit einen Umwandler für die praktische Anwendung*

j Fig, 4 zeigt ein Beispiel für die Schaltung eines Elasto-*Widerstandselementes, wobei der Widerstand des Elementes durch die Einzelwiderstände 3* dargestellt ist« Es ist bekannt» dass der Piezo-Widerstandseffekt der einwirkenden Beanspruchung in ziemlich weitem Bereich proportional ist und dass bei einem Werkstoff, der eine Widerstandserhöhung bei Einwirken einer

»^f Zugspannung zeigt, eine Widerstandeerniedrigung bei Druckspannung zu beobachten ist· Wenn das Heizelement in der üb·* !'

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lichen . Brüökensohaltung wie in Pig. 4 eingesetzt wird» kann es das durch die Verformung hervorgerufene Gesamtzeichen verdoppeln und ist dabei temperaturunabhängig· Sas llasto-Widerstandselement gemäss der Erfindung lcann z«S« als Dehnungsmesser benutzt werden· Bei dieser Verwendung ist das Hesselement, das aus einer dünnen Halbleiterschicht auf einer dünnen Isolierunterlage besteht, auf den Prüfkörper » der der Belastung ausgesetzt ist, aufgeklebt· Der Widerstand des Messelementes ist abhängig von der mechanischen Belastung, der der Prüfkörper bei der Untersuchung susgesetzt ist* Daher kann das Slasto-Widerstandaelement als Dehungsmesser benutzt werden* Es wird i.a. als Halbleiterdehnmeßstreifen (HXt-DMS) bezeichnet«

Neben der beschriebenen statischen kann auch eine zeitlich veränderliche Belastung auftreten· Das Elasto-Widerstandselement gemäss der Erfindung spricht auf Ultraschallschwingungen an·

Aus der vorhergehenden Beschreibung des Prinzips und de;r Wir-

das

kungBweise . geht hervor, dass/hochempfindliche Elasto-Wider* Standselement gemäss der Erfindung äußerst einfach herstellbar ist und daraus Wandler für mechanische Formänderungen wirt sohaftlich gebaut werden können und dass zahlreiche Modifikationen mit denselben Vorzügen möglich sind, die alle in ihrer Art, Bedeutung und Umfang mit der vorliegenden Erfindung beabsichtigt sind«

Patentansprüche t

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Claims (1)

1. 5112

   Patentansprüche ι

   1» Formänderungeabhängigee Widerstandselement auf Halbleiterbasis (EIa, sto-Wi der standee lement oder auch Halbleiterdehn«· aeSstreifen), dadurch gekennzeichnet, dass eine Igolier-■ohioht als Träger einer im Vakuum niedergeschlagenen Halb«» leiterschicht und zur Isolierung dieser Schicht von dem Werkstoff, auf dem des Element; angeordnet ist» dient» das» das Element aus einer im Vakuum niedergeschlagenen Schicht besteht, deren Widerstand formänderungsabhängig ist wie *·Β« der Widerstand der Halbleiter der kubischen Gruppe und der der Halbmetalle, dass Elektroden an der Halbleiterschicht angeschlossen sind, um dieser einen elektrischen Strom zusuleiten und um ein der Formänderung entsprechendes elasto*· oder piezoelektrisches ^eichen aufzunehmen, das longitudinal ler, transversaler oder hydrostatischer Art oder eine Kombination davon seih kann und der Zug-oder Druckbelastung am Element entspricht·

   2« Pormanderungsabhängiges Widerstandselement nach Anspruch 1 , bestehend aus einer Halbleiterschicht, die zunächst auf einer Trägerschicht niedergeschlagen und danach davon getrennt «orden ist.

   ORIGINAL JNSFECTEO

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   ■■■ 3· Bruck-oder Zugbelaetungewandler, ein formänderungsabhängiges Wlderetandselement, wie in den Ansprüchen 1 und 2 beanaprucht, enthaltend·

   4· Anordnung der in den Ansprüchen 1 und 2 beanspruchten formänderungsabhängigen Widerstandeelemente in einer sur - Herabsetsung des Temperatureinflueeea und iur Erhöhung de· durch Druck-oder Zugbeanspruchung herrorg«ruf«nen Effekt·· . dienenden Schaltung·