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Halbleitergeber zur Kraftmessung Die Erfindung betrifft einen Halbleitergeber
zur Kraftmessung mit Widerstandselementen, die paarweise in solcher Lage auf einem
einer mechanischen Spannung unterworfenen Träger angeordnet sind, daß die von der
mechanischen Spannung bewirkten Widerstandsänderungen der Widerstandselemente jedes
Paares dem Betrage nach gleich groß und dem Vorzeichen nach entgegengesetzt sind.
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Es ist schon eine Vorrichtung zur Druckmessung bekannt (deutsche
Patentschrift 1 214 435), bei der eine von dem zu messenden Druck beaufschlagte,
ebene, eingespannte, kreisförmige Membran aus Silizium vier zu einer Brückenschaltung
vereinte dotierte Streifen aufweist, von denen zwei in radialer Richtung verlaufen
und die beiden anderen längs von Bogenlinien angeordnet sind, die zur Umfangslinie
der Membran konzentrisch liegen. Es handelt sich also um eine kreisrunde Membran
mit teilweise kreisförmiger Widerstandsanordnung. Bei Druckbeaufschlagung werden
die
WiderstandsstrWifen zu einem Teil longitudinal und zum anderen
transversal beansprucht. Die durch diese Beanspruchung hervorgerufenen Widerstandsänderungen
haben entgegengesetzte Vorzeichen. Ein Nachteil liegt allerdings darin, daß die
Widerstandsänderungen nicht gleich groß sind (teitschrift für angewandte Physik",
Band 17 1964 Seite 517).
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In Halbleitern gibt es einen longitudinalen und einen transversalen
Piezowiderstandseffekt. Beim longitudinalen Effekt liegen der Vektor der Stromdichte
und die mechanische Spannung in gleicher Richtung, beim transversalen Effekt stehen
diese Richtungen aufeinander senkrecht. Es ist daher bei Anordnung der dotierten
Widerstände teils in Richtung, teils quer zur Richtung der am Halbleitergeber wirksamen
mechanischen Spannung möglich, die verknüpfende Proportionalitätskonstante zwischen
Ursache (Kraft) und Wirkung (Widerstandsänderung) für den longitudinalen und den
transversalen Piezowiderstandseffekt dem Betrage nach ungefähr gleichzumachen, ihnen
aber dabei entgegengesetzte Vorzeichen zu geben.
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Die Auswertung dieser Erscheinung ist bekannt (DOS 1 939 931), und
zwar für einen Halbleiter-Kraftmeßumformer, dessen Ausgangssignal eine vom Meßwert
abhängige Frequenz ist. Dafür werden mindestens zwei Paare von Xalbleiter-Dehnungsmeßelementen
eines bestimmten Leitungstyps auf einem Einkristall-Halbleitersubstrat des anderen
Leitungstyps derart ausgebildet, daß die Meßelementenpaare bezüglich des Substrats,
das sich bei einer aufgebrachten Kraft durchbiegt oder dehnt bzw. staut, von dieser
Kraft beaufschlagt werden und so eine Widerstandsänderung erfahren. Die Meßelemente
sind dabei unterschiedlich orientiert, so daß sich unterschiedliche Widerstandsänderungen
ergeben.
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Weiter sind Wien-Brücken-Oszillatoren vorgesehen, wobei zur Änderung
der Schwingfrequenz der beiden Oszillatoren jeweils ein Paar von Dehnungsmeßelementen
als veränderbare Widerstandselemente jeweils in einen Oszillator eingeschaltet sind.
Die Ausgangsfrequenz ist dann gleich der Summe der Frequenzänderungen in den dualen
Oszillatoren. Das Halbleitersubstrat wird dabei als biegsamer Frei träger ausgebildet.
Die Meßelementenpaare werden auf entgegengesetzten Oberflächen dieses Frei trägers
ausgebildet. Dadurch wird die Ausbildung der Me£#elemente in integrierter Bauweise
erschwert, da beide Oberflächen des Halbleiterträgers einer Diffusionsbehandlung
unterworfen werden müssen.
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Außerdem sind die Meßelementenpaare durch den Halbleiter voneinander
getrennt und dadurch unter Umständen verschiedenen Temperaturen ausgesetzt, was
zu einer Verfälschung des Meßergebnisses führt. Außerdem muß ein Halbleitersubstrat
einer gewissen Mindeststärke verwendet werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleitergeber zur Kraftmessung
besonders einfach auszubilden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Widerstände
auf ein und derselben Seite eines Halbleiters in integrierter Weise angeordnete,
geeignet dotierte Widerstandsstreifen sind, die paarweise parallel bzw. senkrecht
zur Richtung einer den Halbleiter als Biegebalken beanspruchenden mechanischen Spannung
liegen.
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Die verschiedenen Widerstände sind also in integrierter Weise auf
ein und derselben Seite des Halbleiters aufgebracht.
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Man erreicht dadurch eine gute Kompensation von Temperaturen flüssen,
da sämtliche Widerstands streifen bei der integrierten
Bauweise
unmittelbar nebeneinander angeordnet und so der gleichen Temperatur ausgesetzt sind
und überdies die Temperatur jeweils entgegengesetzte, also sich gegenseitig aufhebende
Auswirkungen hat. Außerdem ergeben sich herstellungsmäßige Vereinfachungen, da die
der Halbleitertechnologie geläufige Planartechnik Verwendung finden kann.
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Man kann in Halbleitern besondere Richtungen finden, bei denen sich
die gewünschten Proportionalitätskonstanten zwischen Ursache und Wirkung ergeben.
Dafür werden die Widerstände, an denen der longitudinale Effekt auftreten soll,
vorzugsweise in die (110) Richtung gelegt, was dann auch die Richtung der durch
den Kraftangriff auftretenden mechanischen Spannung ist. Diejenigen Widerstände,
an denen der transversale Effekt auftreten soll, werden dann in die (110)-Richtung
gelegt. Dies stellt für einen Geber, der die Linearisierung der Ausgangsgröße dadurch
erreicht, daß über den Longitudinaleffekt bei Kraftbeaufschlagung eine Widerstandsänderung
entsteht, die der über den Transversaleffekt entstehenden entgegengesetzt ist, und
bei dem die exakte Gleichheit der Effekte durch eine geeignete Anordnung der Widerstände
in Bereichen unterschiedlicher mechanischer Spannung bewirkt wird, die optimale
Lösung dar: für die genannten Richtungen sind nämlich die beiden Effekte dem Betrage
nach schon fast gleich und man kann bis auf geringe, dem restlichen Abgleich dienende
Verschiebungen alle Widerstände in das Gebiet großer mechanischer Spannungen legen.
Dadurch ergibt sich ein Ausgangssignal mit großer Amplitude.
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Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß ein Halbleitermaterial
mit ganz bestimmter Richtung zu verwenden
ist, an dem wiederum die
Richtungen für die Widerstandsbahnen genau einzuhalten sind. Das bringt herstellungsmäßige
Schwierigkeiten mit sich.
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Diese Schwierigkeiten werden beseitigt, wenn die in Richtung und
quer zur Richtung der Spannung verlaufenden Widerstandsbahnen in einer (111)-Ebene
liegen. Diese Ebene ist der Halbleitertechnologie vertraut. Schwierigkeiten mit
für die Widerstandsbahnen genau einzuhaltenden Richtungen treten nicht mehr auf.
Dennoch erhält man auch hier einen Longitudinal- und einen Transversaleffekt mit
entgegengesetztem Vorzeichen. Von Nachteil ist allerdings, daß die beiden Effekte
nicht mehr dem Betrage nach gleich sind. Der Longitudinaleffekt ist vielmehr etwa
um einen Faktor 3 gröBer als der Transversaleffekt. Diese Schwierigkeit läßt sich
jedoch leicht umgehen, indem man die Transversalwiderstände in einem Gebiet großer
mechanischer Spannungen anordnet und die Longitudinalwiderstände etwas aus diesem
Gebiet heraus verschiebt. Durch diese einfache Maßnahme werden beide Effekte wieder
gleich groß und man erhält wieder eine lineare Beziehung zwischen Eingangs- und
Ausgangsgröße. Man kann also auch ohne weiteres mit dem Standard-(111)-Material
der Halbleitertechnologie arbeiten und erzielt überdies den Vorteil, daß bei der
Fertigung keine besonderen Anforderungen an die Lage der tWiderstandsbahnen auf
dem Material gestellt werden müssen, da Longitudinaleffekt und Transversaleffekt
bei diesem Material richtungsunabhängig sind.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise
veranschaulicht, und zwar zeiger
Fig. 1 eine schematische perspektivische
Ansicht eines erfindungsgemäßen Halbleitergebers, Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung
der Richtungen im Halbleiterkristall, Fig. 3 die Verschaltung der Widerstandsstreifen
des erfindungsgemäßen Halbleitergebers zu einer Vollbrücke, Fig. 4 eine Draufsicht
auf eine praktische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleitergebers und Fig.
5 eine Draufsicht auf eine abgewandelte Ausführungsform.
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Fig. 1 zeigt einen mechanischen Träger 1, an dessen einem Ende eine
Kraft G angreift. Der mechanische Träger kann mit einem Querschlitz 2 versehen sein.
Der Querschlitz stellt eine Schwächung des mechanischen Trägers dar, die zu einer
Konzentration der durch die Kraft G bewirkten mechanischen Spannung im Bereich des
Querschlitzes 2 führt. Der mechanische Träger 1 ist an seinem Einspannende 3 gehaltert.
Die Halterung kann durch Verkleben, Verschrauben od.dgl. mit einer großen Masse
oder auch durch eine echte Einspannung zwischen zwei Einspannbacken erfolgen. Auf
den mechanischen Träger 1 ist vorzugsweise im Bereich des Querschlitzes 2 eine Halbleiterscheibe
4 aufgebracht, die beispielsweise aus Silizium besteht. Auf dieser Scheibe sind
durch geeignete Dotierung vier Widerstandsstreifen R1, R2, R3 und R4 ausgebildet.
Von diesen liegen zwei (R1, R3) in Richtung der am Halbleitergeber wirksamen mechanischen
Spannung, zwei (R2, R4) senkrecht zu dieser Richtung.
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Vorzugsweise wird für den Halbleitergeber ein Halbleiterplättchen
gewählt, dessen Kristallgitter die in Fig. 1 angedeuteten Richtungen aufweist. Fig.
2 erläutert, um welche Richtungen es sich dabei handelt. Die Achsen des Koordinatensystems,
X, Y und Z sind dabei die Achsen des jeweiligen Kristallsystems. Die Einheit entspricht
auf jeder Achse dem Abstand zweier Kristallgitterpunkte längs dieser Achse. Fig.
3 zeigt, wie die Widerstände von Fig. 1 zu einer Vollbrückenanordnung verschaltet
sein können.
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Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Legt man an die Bruckenschaltung
eine Spannung, so kann bei geeigneter Dimensionierung der Widerstände erreicht werden,
daß sich bei fehlender Kraftbeaufschlagung an der Brücke die Ausgangsspannung 0
ergibt. Bei Kraftbeaufschlagung werden die Widerstandsstreifen R1 und R3 einem longitudinalen,
die Widerstände R2 und R4 einem transversalen Piezowiderstandseffekt unterworfen.
Die beiden Effekte bewirken in den Widerstandsstreifen R1 und R3 eine Widerstandsänderung
der in den Widerstandsstreifen R2 und R4 eine Widerstandsänderung etwa gleicher
Größe aber entgegengesetzten Vorzeichens entspricht. Die Widerstände der Widerstandsstreifen
R1 und R3 nehmen zu, die Widerstände der Widerstandsstreifen R2 und R4 nehmen ab.
Durch diese Wirkung wird erreicht, daß in den beiden Brückenzweigen der in Fig.
3 angegebenen Brückenschaltung die Summe der Widerstände jedes Brückenzweiges, also
die Summe der Widerstandswerte von R1 und R2 ebenso wie die Summe der Widerstandswerte
von R3 und R4 konstant bleibt. Das ist die Voraussetzung für die Linearität der
Beziehung zwischen der die Gebervorrichtung
beaufschlagenden Kraft
G und der am Ableseinstrument der Brückenschaltung ablesbar#Ausgangsspannung.
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Fig. 4 zeigt eine praktische Ausführungsform der Erfindung, die denselben
prinzipiellen Aufbau aufweist, wie der Halbleiter nach Fig. 1. Da der Transversal-
und der Longitudinaleffekt dem Betrag nach nicht völlig identische Auswirkungen
haben, der Transversaleffekt vielmehr eine etwas geringere Änderung des Widerstandswertes
mit sich bringt, werden die quer zur Spannungsrichtung angeordneten Widerstands
streifen R2 und R4 gegenüber den in Richtung der Spannung liegenden Widerstandsstreifen
R1 und R3 etwas zum Einspannende, also zum Bereich größerer mechanischer Spannungen
hin verschoben. Dadurch wird erreicht, daß die Effekte dem Betrag nach identisch
und eine völlig lineare Ausgangsgröße sichergestellt ist.
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Da die mechanische Spannung in der Regel zum Einspannende 3 des mechanischen
Trägers 1 hin zunimmt, werden die quer zur Richtung der mechanischen Spannung liegenden
Widerstandsstreifen R2 und R4 in der Regel einer etwas unterschiedlichen mechanischen
Spannung unterworfen. An der gleichen Stelle übereinander können sie aus technologischen
Gründen nicht angeordnet werden.
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Fig. 5 zeigt eine Ausführmngsform, bei der diese Schwierigkeit auch
bei nebeneinanderliegenden Widerstandsstreifen R2 und R4 beseitigt sind. Diese Anordnung
ist sowohl für den in Fig. 4 gezeigten optimalen Geber mit zwei Kristallrichtungen
als auch für den Geber mit einem Material der (111)^Ebene verwendbar.
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Die Widerstandsstreifen R2 und R4 haben auf dem Halbleiter 4 einen
mittleren Abstand d1 voneinander. Da die mechanische Spannung in der Regel zum Einspannende
3 hin anwächst, wird also der Widerstandsstreifen R2 einer größeren mechanischen
Spannung unterworfen und entsprechend eine größere#Anderung seines Widerstandswertes
erfahren, wie der Widerstandsstreifen R4. Um trotzdem in den Zweigen der Brückenschaltung
nach Fig. 3 die Summe der Widerstandswerte der Widerstandsstreifen R1 und R2 bzw.
der Widerstandsstreifen R3 und R4 konstant halten zu können, werden auch die Widerstandsstreifen
R1 und R3 um einen Abstand d2 in Richtung der mechanischen Spannung gegeneinander
versetzt, und zwar derart, daß die Widerstandsänderung der Widerstands streifen
R1 und R2 bzw. R3 und R4 dem Betrage nach wieder gleich groß werden.
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Die Widerstandsstreifen von Fig. 5 sind ebenso wie diejenigen von
Fig. 4 mit galvanischen Brückenverbindungen 5 untereinander verbunden. Anders als
bei Fig. 4, wo der Halbleiter 4 auf einen mechanischen Träger 1 aufgebracht ist,
ist der Halbleiter 4 bei der Ausführungsform nach Fig. 5 selbst an einem Ende eingespannt
und wird an seinem anderen Ende unmittelbar von der zu messenden Kraft beaufschlagt.