DE1573942C - Strain measuring element made of semiconductor material with piezoelectric resistance - Google Patents

Strain measuring element made of semiconductor material with piezoelectric resistance

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DE1573942C
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Inventor
William Gardner Far Hills N.J. Pfann (V.St.A.)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AT&T Corp
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Western Electric Co Inc
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Description

Die Erfindung betrifft die Messung von mechanischen Spannungen in einem Prüfkörper unter Verwendung von Dehnungsmeßelementen aus Halbleitermaterial mit piezoelektrischem Widerstand.The invention relates to the measurement of mechanical stresses in a test specimen using of strain gauges made of semiconductor material with piezoelectric resistance.

In' vielen Fällen sind Dehnungsmeßelemente erwünscht, mit denen die Spannung in einem Prüfkörper in einer Hauptrichtung unabhängig von möglicherweise ebenfalls vorhandenen Querspannungen gemessen werden kann. Bei bekannten Dehnungsmeßelementen unter Verwendung von Metalldrähten und -folien sowie von Halbleitern in Form dünner Stäbe mit quadratischem Querschnitt wird versucht, den Einfluß von Querspannungen dadurch auszuschalten, daß nur Spannungen in Längsrichtung des Dehnungsmeßelementes, nicht aber solchen in der Querrichtung auf das Element übertragen werden. Diese Dehnungsmeßelemente haben daher hohe Empfindlichkeit für Spannungen im Prüfkörper, die in ihrer Längsrichtung verlaufen, und niedrige Empfindlichkeit für Spannungen in ihrer Querrichtung. Trotz- ao dem ist bei den bekannten Dehnungsmeßelementen auf Grund des Poisson-Effekts auch eine Empfindlichkeit für Spannungen in der Querrichtung vorhanden. In many cases, strain gauges are desired with which the stress in a test body can be measured in a main direction independently of any transverse stresses that may also be present. In known strain gauges using metal wires and foils as well as semiconductors in the form of thin rods with a square cross-section, attempts are made to eliminate the influence of transverse stresses in that only stresses in the longitudinal direction of the strain gauge, but not those in the transverse direction, are transferred to the element. These strain gauges therefore have high sensitivity to stresses in the test specimen which run in their longitudinal direction and low sensitivity to stresses in their transverse direction. Nevertheless, ao is the case of the known strain gauges due to the Poisson effect also a sensitivity to stresses in the transverse direction of Database.

Die Erfindung will diesen Nachteil bei einem Dehnungsmeßelement, bestehend aus einem Halbleiterkristall mit piezoelektrischem Widerstand und zwei im Abstand voneinander angeordneten Elektroden vermeiden. Die erfindungsgemäße Besonderheit besteht darin, daß der piezoelektrische. Widerstandskoeffizient des Kristalls quer zur Meßrichtung kleiner als 10 Prozent des piezoelektrischen Widerstandskoeffizienten des Kristalls in der -Meßrichtung ist. The invention aims at this disadvantage in a strain gauge, consisting of a semiconductor crystal with a piezoelectric resistor and two Avoid spaced electrodes. The peculiarity according to the invention is that the piezoelectric. Resistance coefficient of the crystal across the measuring direction is smaller than 10 percent of the piezoelectric coefficient of resistance of the crystal in the direction of measurement.

Durch Wahl bestimmter Kristallorientierungen kann daher ein Dehnungsmeßelement hergestellt werden, das für Querspannungen im wesentlichen nicht empfindlich ist, obwohl diese Spannungen auf das Meßelement übertragen werden.By choosing certain crystal orientations, a strain gauge can be produced, which is essentially not sensitive to transverse stresses, although these stresses affect the Measuring element are transmitted.

Halbleiter-Dehnungsmeßelemente, die für Querspannungen im Medium nicht empfindlich sind, ist das Merkmal gemeinsam, daß die Querrichtung in der Ebene des Meßeiementes (senkrecht zur Stromrichtung) symmetrisch zur Talrichtung liegt, z. B. <100> für einen Talhalbleiter <111> und <111> für einen. Talhalbleiter <100>. Längsrichtungen, die für diese beiden Arten von Halbleitern geeignet sind, sind (110) bzw <1TO>. Die relative Widerstandsänderung beträgt , ■Semiconductor strain gauges that are not sensitive to transverse stresses in the medium the common feature that the transverse direction in the plane of the measuring element (perpendicular to the current direction) is symmetrical to the valley direction, z. B. <100> for a valley semiconductor <111> and <111> for one. Valley semiconductor <100>. Longitudinal directions for this Both types of semiconductors are suitable are (110) and <1TO>. The relative change in resistance is, ■

für das Talmaterial <111>for the valley material <111>

AR Μ) ARΜ )

R0 2R 0 2

für das Talmaterial <100> .
- AR η)
for the valley material <100>.
- ARη )

■σ,■ σ,

5 °

5555

Ra R a

wobei σ die zerlegte Längsnormalspannung und πΜ und TtJ1 piezoelektrische Fundamental-Widerstandskoeffizienten sind.where σ is the decomposed longitudinal normal stress and π Μ and TtJ 1 are piezoelectric fundamental drag coefficients.

Ein solches Dehnungsmeßelement weist eine beträchtliche Empfindlichkeit für Spannungen in einer Hauptrichtung auf, bleibt aber durch Spannungen in einer dazu senkrechten Richtung im wesentlichen unbeeinflußt, obwohl Querspannungen tatsächlich an das Meßelement übertragen werden.Such a strain gauge has considerable sensitivity to stresses in a Main direction, but remains essentially due to tensions in a direction perpendicular to it unaffected, although transverse stresses are actually transferred to the measuring element.

Im Idealfall sollte der piezoelektrische Wider-. Standskoeffizient des Meßelementes in der Querrichtung im wesentlichen Null sein. Für praktische Fälle reicht es jedoch aus, wenn der piezoelektrische Widerstandskoeffizient in der Meßrichtung groß gegenüber dem Widerstandskoeffizienten in der Querrichtung ist. Es wurde gefunden, daß befriedigende Ergebnisse zu erzielen sind, wenn der Widerstandskoeffizient in der Querrichtung kleiner als 10 Prozent des Widerstandskoeffizienten in der Meßrichtung ist.Ideally, the piezoelectric resistor should. Standing coefficient of the measuring element in the transverse direction be essentially zero. For practical cases, however, it is sufficient if the piezoelectric The drag coefficient in the measuring direction is large compared to the drag coefficient in the transverse direction. It has been found to be satisfactory Results can be obtained when the drag coefficient in the transverse direction is less than 10 percent of the coefficient of resistance in the direction of measurement.

Beispielexample

Ein Dehnungsmeßelement, das für Querspannungen im wesentlichen unempfindlich ist, wird aus einem Einkristall aus η-Germanium mit den ungefähren Abmessungen 1,0 · 0,2 · 0,005 cm hergestellt, der mit einer massiven Stahlplatte verbunden ist. Die Meß- und zugleich Längsrichtung parallel zum Stromfluß ist <1TO> und die Querrichtung <001>. Eine mechanische Spannung in dem Meßelement von 1 · 108 dyn je cm2 parallel zur Längsrichtung erzeugt eine Widerstandsänderung, die durch die Gleichung gegeben ist:A strain gauge, which is essentially insensitive to transverse stresses, is made from a single crystal of η-germanium with the approximate dimensions 1.0 x 0.2 x 0.005 cm, which is connected to a solid steel plate. The measuring and at the same time longitudinal direction parallel to the current flow is <1TO> and the transverse direction is <001>. A mechanical tension in the measuring element of 1 · 10 8 dynes per cm 2 parallel to the longitudinal direction produces a change in resistance which is given by the equation:

Δ RIR0 = (π44/2) (1 · 10s) = (69 · 10"«) (1 · 10") ■; =0,69-10-2 = 0,69%. Δ RIR 0 = (π 44/2 ) (1 x 10 s ) = (69 x 10 "«) (1 x 10 ") ■; = 0.69-10-2 = 0.69%.

Wenn eine Querspannung der gleichen Größenordnung an die Platte angelegt wird, ist die zusätzliche Widerstandsänderung vernachlässigbar klein.If a transverse voltage of the same order of magnitude is applied to the plate, the additional Change in resistance negligibly small.

Claims (3)

PatentansprücheClaims 1. Dehnungsmeßelemeht, bestehend aus einem Halbleiterkristall mit piezoelektrischem Widerstand und zwei im Abstand voneinander angeordneten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Widerstandskoeffizient des Kristalls quer zur Meßrichtung kleiner als 10 Prozent des piezoelektrischen Widerstandskoeffizienten des Kristalls in der Meßrichtung ist. 1. A strain gauge consisting of a semiconductor crystal with a piezoelectric resistance and two electrodes arranged at a distance from one another, characterized in that that the piezoelectric resistance coefficient of the crystal across the measuring direction is smaller than 10 percent of the piezoelectric coefficient of resistance of the crystal in the direction of measurement. 2. Dehnungsmeßelement nach A'nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Widerstandskoeffizient des Kristalls in der Querrichtung im wesentlichen Null ist. 2. strain gauge according to claim 1, characterized in that the piezoelectric Coefficient of drag of the crystal in the transverse direction is substantially zero. 3. Dehnungsmeßelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall aus η-Germanium besteht und daß die Meßrichtung <1TO> und die Querrichtung <001> ist.3. strain gauge according to claim 1 or 2, characterized in that the crystal consists of η-germanium and that the measuring direction <1TO> and the transverse direction <001> is.

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