DE2013454C3 - Halbleitergeber zur Kraftmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleitergeber zur Kraftmessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In einer bekannten Anordnung dieser Art (DT-OS 19 39 931), wird ein Siliziumkristall mit integriert angeordneten Widerständen in der Art einer Belastungssäule so mechanisch beansprucht, daß eine meßwertabhängige Ausgangsfrequenz entsteht. Belastungssäulen sind nur für größere Meßkräfte geeignet. Weiterhin ist die definierte Einleitung der Meßkräfte problematisch. Es werden deshalb anstelle einer Belastungssäule auch Freiträger verwendet (Rohrbach »Handbuch für el. Messen mech. Größen« Düsseldorf 1967, S. 136). Bei diesen Freiträgern sind jedoch die integriert angeordneten Meßelemente auf entgegengesetzten, zur Hauptkraftrichtung senkrechten Oberflächen angeordnet. Das geschieht aus Linearitätsgründen, um eine gleichmäßige Dehnung bzw. Stauchung der Meßelemente zu erzielen. Die Herstellung solcher Elemente ist jedoch wegen der notwendigen zweiseitigen Diffusion nicht einfach. Ebenso ist die Kontaktierung der Anschlußdrähte erschwert. Bei einer derartigen Ausführungsform ist überhaupt die Anwendung, der in der Halbleiter-Technoiogie geläufigen Verfahren nur mit besonderem Aufwand möglich.

Es ist auch schon eine Anordnung zur Umwandlung mechanischer Auslenkungen in elektrische Signale bekannt (DT-PS 11 68 971), bei der ein Halbleiterkörper Verwendung findet, der in seinem mittleren Bereich einen verjüngten Querschnitt aufweist, der im wesentlichen die mechanische Deformation und den elektrischen Widerstand des Halbleiterkörpers bestimmt.

Bei Halbleitermaterialien ist bekanntlich die durch Dehnung hervorgerufene Widerstandsänderung wesentlich größer als bei Metall. Demgegenüber ist bei Halbleitern der Temperaturgang des Widerstandes im allgemeinen größer als bei Metallen, wie sie üblicherweise bei Dehnungsmeßstreifen Anwendung finden. Bei der Auswertung der großen Widerstandsänderungen von Halbleitern durch eine Brückenschaltung ist die Ausgangsgröße bei der üblichen Speisung mit konstanter Spannung nur dann linear von der Eingangsgröße abhängig, wenn der Ges^mtwiderstand der entsprechenden Brückenlängszweige konstant bleibt.

Aufnabe der Erfindung ist es, einen Halbleitergeber derart auszulegen, daß man eine lineare Abhängigkeit

ίο der Ausgangsspannung von der Druckbelastung erhält, hierbei jedoch nur die in der Halbleitertechnologie übliche einseitige Diffusion notwendig ist, wobei gleichzeitig auf gute Kraftverstärkung, definierte Krafteinleitung, Kompensation der Temperatureffekte, große Ausgangsspannung, sowie geringen Raumbedarf Wert gelegt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Bei einer Vollbrückenanordnung liegen jeweils zwei Widerstände oberhalb und zwei Widerstände unterhalb der neutralen Faser des Halbleiters. Alle über ihr liegenden Teile des Halbleiters werden bei dessen Druckbeaufschlagung gedehnt, die unter der neutralen Achse liegenden Teile gestaucht. Gleichen Einflüssen

sind auch die auf dem Halbleiter angeordneten Widerstände unterworfen. Dehnung und Stauchung beeinflussen dabei den Widerstand entgegengesetzt. Ordnet man nun je ein Widerstandselement der aus zwei Widerstandselementen bestehenden Brückenlängszweige der Brückenschaltung oberhalb und unterhalb der neutralen Achse an, so wird in jedem Brückenlängszweig sein Gesamtwiderstand auch bei der Biegebeanspruchung konstant bleiben. Gerade das ist aber die Bedingung für die Linearität der Ausgangsspannung. Hierbei sind sowohl die gedehnten, als auch die gestauchten Widerstände auf ein- und derselben Seitenfläche des Halbleiterbiegebalkens in integrierter Weise angeordnet. Dieser Aufbau des Meßelementes ist mit den Mitteln der in der Halbleitertechnologie üblichen Planartechnik leicht herzustellen. Gleichzeitig ist die Krafteinleitung in das als Biegebalken ausgelegte Meßelement leicht und in definierter Weise möglich.

Die vier Widerstände der Brückenschaltung sind dabei auf kleinster Fläche integriert. Sie erfordern so nur einen geringen Raumbedarf und sind gleichzeitig ausgezeichnet temperaturkompensiert. Diese Temperaturkompensation erfolgt auf zweierlei Weise: Zum einen wird durch die Integration der Temperaturgang der Halbleiterwiderstände optimal ausgeglichen, zum anderen bewirkt eine thermische Ausdehnung des HaJbleitermaterials durch den gleichen Effekt auf alle Widerstände keine fehlerhafte Ausgangsgröße. Überdies wird durch die Anordnung der Widerstände gewährleistet, daß die übliche Dehnung der Widerstände beim Aufbringen des Halbleiters z. B. auf einen mechanischen Träger, keine Wirkung hat, da alle Widerstände gleich gedehnt werden und diese Wirkung sich somit aufhebt.

Der Hal'oieiter kann sowohl zur Umsetzung der Kraft in eine Deformation als auch zur Umsetzung der Deformation in eine Widerstandsänderung verwendet werden. Wegen der Diffusion der Widerstände auf der gleichen Seite des Halbleitersubstrates ist eine gewisse Höhe der Seitenfläche notwendig. In Abhängigkeit vom Meßbereich kann es deshalb vorkommen, daß bei vorgegebener Höhe die Breite des Halbleiterbiegebalkens nur gering ist. Bei Verwendung des üblichen,

serienmäßigen 1 lalbleitermatenals beträgt beispielsweise die Breite nur 0,2 mm. Die Verwendung eines solchen Materials bietet den Vorteil, dal? er wegen der Standardisierung sehr billig ist. Wegen der Belastung des Halbleiters über seine hohe Kante, kann bei gleichzeitiger geringer Breite ein Ausknicken des Halbleiters senkrecht zur Kraftrichtung erfolgen. Dieses Ausblicken (Kippen eines Biegebalkens) kann durch einen Steg geringer Hohe aber entsprechender Breite verhindert werden, der seitlich am Halbleiter /wischen Einspannhalterung und Kraftangriff des (lebers geführt wird. Durch die geringe Höhe bietet der Sieg bezüglich der Meßkraft keinen Widerstand, wohl aber bezüglich der seitlichen Ausknickkraft. Um thermische Verspannungen zu vermeiden, wird vor-/sigsweise ein .Stegmaterial ausgewählt, das die gleiche thermische Ausdehnung wie das Halbleitermaterial besitzt.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F1 g. 1 schemalisch eine Seitenansicht eines Halbleitergebers mit Kraflcinleitung und Widerstandsänderung am gleichen Meßelement,

[■' i g. 2 eine Brückenschaltung des Halbleitergebers,

!ig. 3 einen Halbleitorgeber bei stark übertrieben angedeuteter Biegebeanspruchung,

Fig. 4 schematisch die Anordnung des Halblehergebers -JIi einem Träger und

F i g. 5 einen Schnitt durch die mechanische Einspanniini; und I !aliening des Flalbleitergebers.

I·" ig. 1 zeigt einen Halbleitergeber. Dargestellt ist die Version der integrierten Vollbrücke mit eindotierten Widerständen R\, R2, «3 und R4. Die gleichen Überlegungen gelten sinngemäß auch für eine Halbbrückenanordnung, bei der auf dem Halbleiter nur zwei Widerstände (z. B. Ri und R2) miteinander durch Leiterbahnen verbunden sind.

Der dargestellte Halbleiter 2 ist an einem Ende auf einer festen Unterlage befestigt und wird an seinem freien Ende von einer Kraft K beaufschlagt. Der Halbleiter 2 dient hierbei sowohl zur Umsetzung der Kraft in eine Deformation als auch zur Umsetzung der Deformation in eine Widerstandsänderung. Betrachtet man z. B. die dargestellte Vollbrückenanordnung, so liegen die vier streifenförmigen Widerstände R{ bis R4 symmetrisch und parallel zur Biegelinie 3 (neutrale

Faser). Sie werden auf dem Halbleiterbiegebalken sämtlich seitlich angeordnet. Sie sind durch die Leiterbahnen 1 zu einer VollDrücke verschaltet. Die Brückenanschlüsse liegen an den Leiterbahnen.

Die Brückenausgangsspannung ist dann linear, wenn der Gesamtwiderstand eines Brückenlängszweiges konstant bleibt, d. h., wenn im oberen Längszweig die Summe der Widerstände Rl und Rl und im unteren Längszweig die Summe der Widerstände R3 und R4 für alle Dehnungen konstant bleibt. Die Anordnung von F i g. 1 erfüllt diese Forderungen. Die beiden Widerstände Ri und Rl liegen dabei oberhalb, die Widerstände R2 und /?4 unterhalb der neutralen Achse. Greift am freien Ende des Trägers die Kraft K an, so werden die beiden oberen Widerstände gedehnt und die unteren gestaucht. Dadurch werden die Widerstandswerte der Widerstände Ri und Ri größer, die Widerstandswerte der Widerstände Rl und R4 kleiner, fn F i g. 2 ist das durch die Plus- und Minus-Zeichen schematisch angedeutet. In F i g. 3 sind die Dehnungs- bzw. Stauchungsverhältnisse zu erkennen.

Für eine praktische Anwendung ist der Halbleiter-Einkristail am Einspannende zu befestigen. Entsprechend ist eine Möglichkeit für die Krafteinleitung vorzusehen. F i g. 4 zeigt eine Anordnung, bei der ein Halbleiter 2, auf den in geschilderter Weise die Widerstände und Leiterbahnen aufgebracht sind, parallel und symmetrisch zur Biegelinie 3 in einer mechanischen Einspann- und Halterungsvorrichtung befestigt ist, die durch einen Träger 5 gebildet wird. Wie in der Figur angedeutet, ist der Träger 5 an einem Ende eingespannt, während an seinem anderen Ende die Kraft K angreift. Der Träger 5 weist von seiner Ober- und Unterseite ausgehende, symmetrisch zur Biegelinie 3 liegende Einschnitte 4 bzw. 4' auf. zwischen denen lediglich ein schmaler Steg 6 stehen bleibt. Wie in F i g. 4 erkennbar, liegt dieser aufgrund der Symmetrie der Einschnitte 4 bzw. 4' selbst symmetrisch und auf der 1 lohe der Biegelinie 3 und parallel zum Halbleiter 2.

F i g. 5 zeigt eine Einspann- und Halterungsvorrichtung, bei der Halbleiter 2 in der Mitte des in zwei Elemente aufgelösten Trägers 5 bzw. 5' eingefügt ist. Auch hier erfolgt links die Einspannung und rechts auf die angedeutete Weise die Krafteinleitung. Man erkennt weiter zwei Stege 6 bzw. 6' für die die obige Erläuterung ebenfalls gilt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Halbleitergeber zur Kraftmessung mit in integrierter Weise auf der gleichen Fläche eines als Biegebalken beanspruchten Einkristall-Halbleitersubstrates eindotierten und zu einer Brücke verschalteten Halbleiterwiderständen, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Halbleiter (2) eindotierten Widerstände (Ri bis /?4) auf dem Biegebalken seitlich angeordnet sind, gleiche Richtung haben und parallel zur und symmetrisch oberhalb und unterhalb der Biegelinie (3) verlaufen.

2. Halbleitergeber zur Kraftmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter (2) parallel und symmetrisch zur Biegelinie (3) in einer mechanischen Einspann- und Halterungsvorrichtung (Träger 5) befestigt ist, dessen Einspannende mit der Kraftangriffsstelle (K) an seinem freien Ende durch mindestens einen schmalen, in der Höhe der Biegelinie (3) parallel zum Halbleiter verlaufenden Steg (6,6') verbunden ist.

3. Halbleitergeber zur Kraftmessung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (5) aus einem Werkstoff mit besonders niedrigem, dem des Halbleitermaterials gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht.