DE1773481B2 - Mechanisch-elektrischer wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung: betrifft einen mechanisch-elektri- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gesehen Wandler mit einem auf Biegung beanspruch- 25 löst, daß das Halbleiterplättchen eine Dicke von baren Halbleiterplättchen, das υ'Λ einem tiefe Ener- höchstens 100 μ aufweist und aus einer homogenen, gieniveaus erzeugenden Siö<-stoff dotiert ist und gleichmäßig mit dem tiefe Energieniveaus erzeugenzumindest zwei Anschlußelektrodcn aufweist. den Störstoff dotierten Halbleitermasse besteht.

Derartige mechanisch-elektrische Wandler sind Halbleiterplättchen einer Dicke von höchstens bekannt (belgische Patentschrift 672 213, USA.- 30 100 μ sind durch Polieren und Ätzen von Halbleiter-Patentschrift 3 320 568). einkristallen leicht herzustellen. Derartige Halbleiter-

Beim einen dieser bekannten Wandler (belgische plättchen sind nun nicht mehr starr sondern flexibel Patentschrift 672 213) wird der mechanische Druck und in der Lage, bei Biegebeanspruchungen erhebmit Hilfe einer Spitze sehr harten Materials, beispiels- liehen Auslenkungen Stand 7iz halten. Gleichzeitig weise einer Saphir- oder Diamantspitze auf den Halb- 35 weisen sie eine hohe mechanische Lebensdauer unter leiterkörper aufgebracht. Das ist erforderlich, um solchen Beanspruchungen auf. Durch die möglichen genügend hohe Druckwerte zu erhalten, da nur solche großen Auslenkungen und die Dotierung des Mateauswertbare elektrische Signale ergeben. Es ist über- rials mit dem tiefe Energieniveaus erzeugenden Stördies zusätzlich wünschenswert, daß die Saphirspitze stoff sind sie überdies außerordentlich empfindlich, genau an einem im Halbleiterkörper angeordneten 40 d. h., sie haben einen überaus günstigen Wandlerwirp-n-Übergang angreift, der durch Veränderung des kungsgrad. Diese Tatsache wird weiter dadurch unter-Ladungsträgerangebotes im Übergangsbereich auf die stützt, daß sich die Biegebeanspruchung gleichmäßig Druckänderung anspricht. Eine solche genaue Posi- auf das gesamte Halbleiterplättchen verteilt. Da es tionierung ist aber herstellungsmäßig unerwünscht. der spezifische Widerstand der mit dem tiefe Energie-Zu einer herstellungsmäßigen Komplizierung trägt 45 niveaus erzeugenden Störstoff dotierten Halbleiterauch die Tatsache bei, daß bei diesem bekannten masse ist, der sich unter der Biegebeanspruchung Wandler ein p-n-Übergang ausgebildet werden muß, ändert, wird dadurch eine besonders große Wideralso nur mit Dioden oder Transistoren eine Druck- Standsänderung hervorgerufen, die eben zum guten abhängigkeit des Widerstandes des Halbieiterfoauele- Wandlerwirkungsgrad führt,
mentes erzielt werden kann. 50 Da außerdem das Halbleiterplättchen keine in es

Auch bei dem aus der USA.-Patentschrift 3 320 568 einbezogenen p-n-Übergänge aufweisen muß, vielbekannten Halbleiterbauelement wird ein p-n-Über- mehr aus homogener Halbleitermasse besteht, auf die gang benützt, um die gewünschte druckabhängige lediglich Anschlußelektroden aufzubringen sind, ist es Widerstandsänderung zu erzielen. Das Halbleiterbau- sehr einfach herstellbar. Es ist überdies ohne weiteres element hat dabei die Form eines einseitig einge- 55 möglich, derartige Wandler mit gut reproduzierbaren spannten Plättchens, das auf Biegung beansprucht Eigenschaften herzustellen.

wird. Da jedoch auf diese Weise ein Ausgangssignal Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsauswertbarer Größe noch nicht erzielt werden könnte, beispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
wird das Plättchen weiter lokal bis in die Nähe des F i g. 1 teilweise im Schnitt eine Vorderansicht p-n-Überganges eingekerbt um damit eine Konzentra- 60 einer Ausführungsform eines mechanisch-elektrischen tion der durch die Biegung hervorgerufenen mechani- Wandlers und

sehen Beanspruchung 3:u erzielen, die zu einer Ver- F i g. 2 Strom-Spannungs-Kennlinien dieses Wandgrößerun 3 der erzielbaren Widerstandsänderung lers.

führt. Es werden weiter zahlreiche zusätzliche Maß- Ein Silizium-n-Halbleiter mit einem spezifischen

nahmen beschrieben, um den Effekt noch zu verstär- 6g Widerstand von 10 Ω cm wird senkrecht zu einer

ken. So kann toeispielsweise auch der eingekerbte (lll)-Achse in einer Dicke von 110 μ geschnitten.

Bereich zusätzlich mit Gold oder Kupfer, also einem Wenn das Halbleiterplättchen auf 100 μ poliert wird,

tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoff dotiert erhält es eine große Flexibilität. Kupfer wird im

Vakuum auf eine Seite dieses dünnen Halbleiterplättchens aufgedampft Zum Eindiffundieren des Kupfers in das Süiziuni erfolgt eine Wärmebehandlung "hei 1000⁰C unter Wasserstoffgas. Daraufhin werden Planarelektroden auf einer Seite angebracht, von denen die eine eine Ohmsche Elektrode ist und die andere eine Schottky-Sperrschicht «bildet. Der so erhaltene macähanisch-elektrische Wandler ist in F i g. 1 dargestellt

Der Wandler besteht aus einem Halbleiterplättcaen 1, das durch Eindiffundieren von Kupfer in flexibles scheibenförmiges Silizium hergestellt wurde, das eine Dicke von weniger als 100 μ aufweist, ferner aus einer Au-Elektrcde 2 mit einer Schottky-Sperrschicht, einer ringförmigen, mit dem Halbleiterplättchen 1 in Ohmschen Kontakt stehenden Au(O,8°/o Sb)-EIektrode3, einer zum Aufbringen der Spannung bestimmten Nadel 4, die an einem elastischen Plättchen 5 befestigt ist, das die mechanische Energie auf das Halbleiterplättchen überträgt. Von der Au-Elektrode 2 führt ein Anschlußdraht 6 und von der Ohmschen Au(O,8°/o Sb)-Elektrode 3 ein Anschlußdraht 7 nach außen. Die Anschlußdrähte 6 und 7 sind mit Klemmen 8 und 9 versehen. Ferner ist ein Sockel 10 vorgesehen. »5

F i g. 2 zeigt Strom-Spannungs-Kennlinien rwischen den Klemmen 8 und 9 des Wandlers. Die Kurven 11, 12, 13 und 14 zeigen die Kennlinien für Drücke von 0,10², 5 · 10² bzw. 5 · 10^s g/cm².

Hieraus ist ersichtlich, daß sich der elektrische Widerstand mit einer Erhöbung des Drucks, insbesondere bei etwa 10* g/cm«, mMidiA TOanctot Somit weist der Wandler eine Empfindlichkeit auf die 10%ual so groß ist wie die eines bekannton Wandlers.

Wie in Fig 1 dargestellt, wird die Spannung nur auf die Seite des Halbleiterplättchens 1 aufgebracht die nicht mit der Elektrode 2 versehen ist, so daß die mechanisch schwache Elektrode 2 geschützt ist Auf diese Weise werden die Zuverlässigkeit und die Stabilität des Wandlers stark verbessert.

Obwohl in der obigea Ausführungsform em SJiziumhalbleiter verwendet wird, können auch andere Halbleiter z.B. Ge, GaAs oder GaP mit gleicher Wirkung verwendet werden. Auch diese Matenahen werden flexibel, wenn sie &.-♦ eine Dicke von weniger als 100 μ poliert werden. Au, Co, Ni und Fe können als Störstoff verwendet werden, die mit gleicher Wirkung wie Cu tiefe Energieniveaus im Halbleiter bil-

Die Wirkung des Wandlers wird nicht wesentlich verändert, wenn mehr als zwei elektrische Anschlüsse vorgesehen sind.

Wie oben im Einzelnen beschrieben, weist em erfindungsgemäßer mechanisch-elektrischer Wandler eine außerordentlich hohe Empfindlichkeit auf. Er kann als variabler Widerstand, als Druckmesser, Strömungsmesser, Wasserstandsmesser od. dgl. verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

wei den. Damit soll erreicht werden, daß die Ausbil- Patentansprüche: dung von Defektstellen im Kristallgitter des HaIb- leiterplättchens im Bereich der Einkerbung verbes-

1. Mechanisch-elektrischer Wandler mit einem sert wird. Die Einkerbung stellt eine mechanische auf Biegung beansproicbbarehHaFDleiterplättchen, 5 Schwächung dar, die die Lebensdauer des Wandlers das mit einem -tiefe Energieniveaus erzeugenden beträchtlich vermindert.

Störstoffs dotiert ist und zumindest zwei An- Allen Wandlern mit p-n-Überglmgen ist gemein-

schlußelektroden aufweist, dadurch.gekenn- sam, daß für sie ein Kalbleitereinkristall erforderlich

zeichnet, daß das Halbleiterplättchen(1) eine :«t, bei dem überdies der p-n-Übergang möglichst Dicke von höchstens 100 μ aufweist und aus einer io nahe der Oberfläche liegen muß. Da diese Wandler

•homogenen, gleichmäßig mit dem tiefe Energie- somit aus einem Halbleitereinkristall ,bestehen, kön-

niveaus erzeugenden Störstoff dotierten Halblei- nen sie weiter nur geringen Biegungen unterworfen

termasse besteht. werden. Stärkere Biegungen haben eine Zerstörung

2. Mechanisch-elektrischer Wandler nach An- des Wandlers zur Folge.

spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halb- 15 E= sind deshalb auch schon Wandler aus Halbleiterplättchen (1) mit einer (2) der Anschluß- leitervielkristall-Dünnfilmen verwendet worden. Derelektroden (2, 3) eine Schottky-Sperrschioht bil- artige Wandler weisen jedoch einen schlechten Wirdet. kungsgrad auf und es ist überdies schwierig, mit

ihnen eine konstante und gut reproduzierbare Emp-

20 findlichkeit zu erhalten.

Aufgabe der Eifindung ist es, einen mechanischelektrischen Wandler trotz hoher Empfindlichkeit einfach herstellbar und mechanisch stabil zu machen.