DE2103542A1

DE2103542A1 - Kraftmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE2103542A1
Application number: DE19712103542
Authority: DE
Inventors: Christian Petit Champlan Dunand Andre Bois dArcy Jund, (Frankreich) HOH 19 00
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1970-01-26
Filing date: 1971-01-26
Publication date: 1971-08-12
Also published as: US3878328A

Description

101 BA.Murat, Paris I6e"me, Frankreich

Kraftmeßvorrichtung

In der französischen Patentschrift 1 522 471 ist eine Kraftmeßvorrichtung beschrieben, die aus einem Plättchen aus Halbleitermaterial gebildet ist, in welchem wenigstens zwei Feldeffekttransistoren integriert sind, deren Kenngrößen sich ändern, wenn auf die Vorrichtung eine Kraft ausgeübt wird· Der eine Feldeffekttransistor dient als Belastung des anderen Feldeffekttransistors, und vorzugsweise sind die beiden Feldeffekttransistoren so angeordnet, daß der Kraftmeßfaktor des einen Feldeffekttransistors das entgegengesetzte Vorzeichen wie der Kraftmeßfaktor des anderen Feldeffekttransistors hat· Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, daß die Ebene des Halbleiterplättchens eine Kristallachse /~"1OO__7 enthält, daß der Quellen-*Abfluß-Strom eines der Feldeffekttransistoren in der Richtung dieser Achse fließt, und daß der Quellen-Abfluß-Strom des anderen Feldeffekttransistors senkrecht zu dieser Achse gerichtet ist.

Bei den in dieser Patentschrift beschriebenen Kraftmeßvorrichtungen sind die Feldeffekttransistoren Sperrschicht-Feldeffekttransistoren; ferner weisen diese Kraftmeßvorrichtungen Stromversorgungsklemme η auf, die

109833/1770

in verhältnismäßig großem Abstand von den Nutzsignalklemmen liegen.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung von Kraftmeßvorrichtungen, deren Schaltungselemente besser an die gegenwärtige Technik angepaßt sind, als die Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, und bei denen alle Klemmen sehr nahe beieinander liegen oder in irgendeiner anderen Weise so angeordnet sein können, daß die Verdrahtung erleichtert wird.

Bei der erfindungsgemässen Kraftmeßvorrichtungsind die beiden Feldeffekttransistoren MOS-Feldeffekttransistoren (Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffekttransistoren), und das Torgebiet des einen Feldeffekttransistors liegt senkrecht zu dem Torgebiet des anderen Feldeffekttransistors. Die Kraftmeßvorrichtung kann zwei rechteckige Kontaktgebiete aufweisen, die in geringem Abstand von einem dem Abfluß des ersten Feldeffekttransistors und der Quelle des zweiten Feldeffekttransistors gemeinsamen dritten Kontaktgebiet angeordnet sind. Die Kontaktgebiete können mit Verbindungsstreifen verbunden sein, die den Anschluß der äußeren Schaltungen an ausgewählten Punkten der Vorrichtung ermöglichen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt, Darin zeigen3

Fig.1 eine nach der Erfindung ausgeführte Kraftmeßvorrichtung,

Fig.2 eine perspektivische Teilschnittansicht der Vorrichtung von Fig.1,

Fig.3 eine andere Ausführungaform der erfindungsgeoässen Kraftmeßvorrichtung,

1 09833/17 70

Pig.4 das äquivalente Schaltbild der Vorrichtung von Pig.3,

Pig.5 einen Schallplattenabtaster mit einer nach der . Erfindung ausgeführtenKraftmeßvorrichtung und

Pig.6 einen stereophonischen Schallplattenabtaster mit zwei nach der Erfindung ausgeführten Kraftmeßvorrichtungen.

Die in Pig.1 dargestellte Kraftmeßvorrichtung enthält zwei MOS-Peldeffekttransistoren, deren Quellenelektrode jsweils mit der Torelektrode verbunden ist. Die Peldeffekttransistoren sind in einem Plättchen 11 aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial integriert, und sie unterscheiden sich durch die Porm der an ihren Elektroden gebildeten Kontakte Es sind drei metallisierte Kontaktgebiete 12, 13, 14 von rechteckiger Porm vorhanden, wobei zwei Kontaktgebiete und 14 jeweils nahe bei zwei zueinander senkrechten Seiten des dritten Kontaktgebiets 13 liegen. Die drei Kontaktgebiete sind an metallisierte Verbindungsstreifen 12a, 135,-14a angeschlossen, welche die Verbindung der Kraftmeß« vorrichtung mit äußeren Schaltungen eraöglichen.

Pig.2 zeigt eine perspektivische Schnittansicht entlang der Linie X-X von Pig. 1 .Daraus ist zu erkennen, daß das Kontaktgebiet 12 mit dem Quellengebiet S₁ eines ersten MOS-Peldeffekttransistors vom Verarmungstyp (depletion type) verbunden ist und dessen Torgebiet G1 überdeckt. Es sei daran erinnert, daß ein solcher Feldeffekttransistor zwei Gebiete von Typ N+ enthält, die durch einen Kanal des Typs H" verbunden sind, wenn das Plättchen vom Typ P ist (selbstverständlich können die Leitungstypen umgekehrt sein). Das Plättchen ist mit einer Oxydschicht 15 überzogen, in der Öffnungen an der Stelle der die Quellenzone bzw. die Abflußzone bildenden Gebiete vom

109833/1770

Typ N+ angebracht sind. Beim Betrieb des Feldeffekttransistors ändert sich die Anzahl der Ladungsträger im N-Gebiet (Torgebiet oder Kanal) durch elektrostatische Induktion durch die Oxydschicht 15 hindurch, wenn die beiden Seiten dieser Oxydschicht auf verschiedenen Potentialen liegen. Das Kontaktgebiet 13 ist mit einer Zone des Typs Nifc verbunden, die gleichzeitig als Abflug D1 des ersten MOS-PeIdeffekttransistors MOS1 und als Quelle S2 eines zweiten MOS-Feldeffekttransistors M0S2 dient. Der Eontakt 13 bedeckt außerdem ein Gebiet des Typs N, welches das Gitter G2 des zweiten MOS-Feldeffekttransistors ist. Das Kontaktgebiet 14 ist mit einem Gebiet des Leitungstyps N+ verbunden, welches den Abfluß D2 des zweiten MOS-Feldeffekttransistors darstellt.

Somit ist zu erkennen, daß das Kontaktgebiet 13 elektrisch mit dem Abfluß D1 des ersten Feldeffekttransistors MOS1 und mit der Quelle S2 des zweiten Feldeffekttransistors M0S2 verbunden ist und ausserdem das Gitter G2 des zweiten Feldeffekttransistors MOS2 bedeckt.

Durch Anschließen der Verbindung 12a (Quelle S1 und Tor G1) an die Masse des Plättchens 11 und durch Anlegen eines gegenüber dieser Masse positiven Potentials an die Verbindung Ha (Abfluß D1 ) erhält man eine Schaltung, in welcher der zweite MOS-Feldeffekttransistor die Belastung des ersten MOS-Feldeffekttransistors bildet, so daß eine Schaltung erhalten wird, die derjenigen von Fig.3 der zuvor genannten französischen Patentschrift 1 522 471 sehr ähnlich ist. Das Ausgangssignal Vd wird an der Verbindung 13a (AbfluS3D1, Quelle S2 und Tor G2) abgenommen.

109833/1770

In Fig.1 1st zu erkennen, daß die Verbindungsstreifen 12a, 13a, 14a mit den äußeren Schaltungen an Punkten verbunden sind, die sehr nahe beieinander an der gleichen Seite der Vorrichtung liegen. Die Verdrahtung dieser Kraftmeßvorrichtung ist daher wesentlich einfacher als bei einer Kraftmeßvorrichtung, bei welcher die Anschlußpunkte in verhältnismäßig großen Abständen voneinander liegen, wie es bei der Kraftmeßvorrichtung der Fall ist, die in der zuvor genannten französischen Patentschrift beschrieben ist. Es versteht sich von selbst, daß die Anordnung der Anschlußpunkte auch in jeder anderen Weise gewählt werden kann, die im Hinblick auf eine leichte Verdrahtung besonders günstig ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die bereits in der genannten französischen Patentschrift beschrieben ist, ist das Plättchen 11 so geschnitten, daß die Ebene dieses Plättchens eine Kristallachse /~~1OO__7 enthält, und der erste MOS-Feldeffekttransistor ist so gebildet, daß sein Quellen-Abfluß-Strom parallel zu dieser Kristallachse /"ΊθΟ__7 fließt. Der Strom des zweiten MOS-Feldeffekttransistors ist dann senkrecht zu dieser Achse gerichtet. Dies hat zur Folge, daß die Änderungen der Quellen-Abfluß-Widerstände der beiden MOS-FeIdeffekttrans istoren und somit die Kraftmeßfaktoren entgegengesetzt gerichtet sind. In analoger Weise wie an Hand von Fig.4 der genannten französischen Patentschrift gezeigt ist, erhält man ein Ausgangssignal, das sich in Abhängigkeit von den auf die Kraftmeßvorrichtung ausgeübten Kräften sehr stark ändert.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, deren elektrisches Schaltbild in Fig.4 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform ist ein dritter MOS-FeIdeffekttransistor vorgesehen, der die Funktionen eines Verstärkers und Impedanzanpaosungsglieds erfüllt. Wie

109833/1770

in Fig.4 gezeigt ist, sind aie beiden Feldeffekttransistorsα MOS1 und MOS2 in gleicherweise wie in Fig.1 angeschlossen, und ihr Ausgang D1, S2, G2 ist mit der Torelektrode des dritten Feldeffekttransistors MOS3 verbunden. Das Ausgangssignal Ve wird am Abfluß des Feldeffekttransistors MOS3 abgenommen. In dem Schaltbild sind die drei auf dem Siliziumplättchen integrierten MOS-Peldeffekttransistoren mit gestrichelten Linien eingerahmt, und es ist zu erkennen, daß ausserhalb des Plättchens ein Lastwiderstand R1 zwischen dem Abfluß des Feldeffekttransistors MOS3 und dem Eingang A der Kraftmeßvorrichtung angeschlossen ist, während ein Widerstand R2 und eine Entkopplungskapazität C zwischen der Masse M und einem mit der Quelle des Feldeffekttransistors MOS3 verbundenen Verbindungsstreifens L angeschlossen sind.

Fig.3 zeigt nur die Metallisierungen auf der Oberfläche des Siliziumplättchens 11, doch kann der Fachmann auf Grund der im Zusammenhang mit Fig.3 und 4 gegebenen Erläuterungen die Lage der verschiedenen Gebiete der in diesem Plättchen integrierten MOS-Feldeffekttransistoren erkennen. Diese Schaltungselemente sind mit den Bezugszeichen MOS1, MOS2, MOS3 bezeichnet. Es sind vier Verbindungsstreifen A, M, Ve und L vorhanden; die entsprechenden Klemmen sind in dem Schaltbild von Fig.4 in gleicher Weise bezeichnet.

Bei der in Fig.3 dargestellten Ausführungsform ist der Feldjeff ekt trans is tor MOS3 auf dem Siliziumplättchen in solcher Ausrichtung gebildet, daß seine Kenngrößen durch die zu messenden Kräfte nicht beeinflußt werden. Dies erfolgt beispielsweise dann, wenn das Plättehen 11 in der Ebene £jOO_7 geschnitten ist. Der dynamische MOS-Feldeffekttransistor MOS1 , dessen Strom in der Kraftrichtung verläuft, ist empfindlich. Dagegen sind die MOS-FeIdeffekttransistoren

109833/1770

M0S2 und MOS3f deren Ströme senkrecht zu der Kraftrichtung liegen, unempfindlich.

Damit die erfindungsgemäßen Kraftmeßvorrichtungen für Umgebungseinflüsse wenig empfindlich sind, können sie in Kunstharz eingebettet werden.

Die erfindungsgemäßen Kraftmeßvorrichtungen können in Form von kleinen Plättchen mit beispielsweise 0,5 mm oder 1 mm Seitenlänge geschnitten werden. Zur Verwendung werden sie auf ein mechanisches Teil aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt, auf das Kräfte oder gegebenenfalls Schwingungen ausgeübt werden.

Die erfindungsgemäßen Kraftmeßvorrichtungen können jedoch auch verhältnismäßig große Abmessungen haben und beispielsweise die form von Lamellen, Balken oder Stäben haben, wobei dann die Kraftmeßvorrichtungen selbst die mechanischen Teile bilden, auf welche die gräfte oder Schwingungen ausgeübt werden. Durch diese Maßnahme werden insbesondere die Dämpfungen und Verzerrungen vermieden, die im allgemeinen bei aufgebrachten Teilen auftreten,

Tig.5 zeigt die Verwendung einersolchen balkenförmigen Kraftmeßvorrichtung in einem Schallplattenabtaster. Ein Balken 17 aus einkristallinem Silizium ist in einem Befestigungsblock 18 eingespannt. In dem Balken 17 sind zwei MOS-Peldeffekttransistoren MOS1 und MOS2 in gleicher Weise wie in Pig.1 integriert. Die Verbindungsstreifen 12a, 13a, Ha dieser MOS-Peldeffekttransistoren sind in Pig.5 nicht sichtbar, weil sie durch die Einspannung verdeckt sind». Hne Abtastnadel 19, beispielsweise ein Saphir oder ein Diamant ist direkt an dem nicht eingespannten Ende des Balkens 17 befestigt. Beim Betrieb des Abtasters erzeugen

10 9 8 3 3/17 70

die MOS-Feldeffekttransistoren elektrische Signale in Abhängigkeit von den elastischen Verformungen, welche dem Balken 17 durch die Abtastnadel 19 erteilt werden, wenn diese Abtastnadel einer Schallplattenrille folgt.

Natürlich können die elastischen Verformungen auch in indirekter Weise auf den Balken ausgeübt werden, beispielsweise über Verbindungsteile, die sswischen der Abtastnadel und dem Balken angeordnet sind. Bei dem in Fig.6 dargestellten Stereophonischen Schallplattenabtaster werden beispielsweise durch die Bewegung der Abtastspitze 20 gleichzeitig elastische Verformungen in zwei Balken 17a und 17b über eine Stange 21 und den Befestigungsblock 22 erzeugt. Die Stange 21 wird gleichzeitig mit den Balken in dem Befestigungsblock so eingespannt, daß sie annähernd in gleichen Abständen von den Balken liegt. Es ist zu erkennen, daß die einander zugewandten Flächen der Balken in einem bestimmten Winkel zueinander stehen; dieser Winkel entspricht der Neigung der Flanken der abzutastenden Rille, wobei jede Flanke die Wellungen aufweist, die einen der Balken in Schwingung versetzen soll.

Selbstverständlich können die Kraftraeßvorrichtungen jede beliebige Form haben, wodurch es möglich ist, mechanische Teile, außer für Sphallplattenabtaster auch für alle anderen möglichen Geräte und Apparate zu bilden, die dazu dienen, elektrische Signale in Abhängigkeit von Kräften oder elastischen Verformungen zu erzeugen, die auf die Kraftmeßvorrichtung ausgeübt werden.

Wenn die Kraftmeßvorrichtungen eine solche Lamellen-, Balken-oder Stabform haben, ist es vorteilhaft,über die ganze Länge oder über einen Teil ihrer LUnge eine Folge von Mustern zu bilden, die jeweils eine Gruppe

109833/1770

21035Λ2

von MOS-Feldeffekttransistoren enthalten, die beispiels·- weise nach Art von Fig.1 oder nach Art von Fig·3 angeordnet sind.Hinsichtlich der Herstellung kommt es nämlich auf das gleiche heraus, ob ein Muster oder mehrere Muster auf dem gleichen Plättchen gebildet werden. Danach kann man nach Belieben das Plättchen der Länge nach zerschneiden, wobei jeweils eines der Muster beibehalten wird, oder auch das .ganze Plättchen oder ein Plättchen mit mehreren Mustern zu behalten, wobei dann nur dasjenige Muster verwendet wird, das seiner Lage nach die einfachste Verdrahtung ermöglicht.

Ferner können außer den in Fig.1 bis 8 dargestellten MOS-Feldeffekttransistoren auch andere Schaltungselemente, wie Transistoren, Widerstände und Kondeasatoren in dem Halbleiterplättchen integriert oder auf dem Plättchen angebracht werden; diese Schaltungselemente können beispielsweise eine Verstärkerstufe ganz oder teilweise bilden.

Pa te nt a ns pr üο he

10 9 8 3 3/1770

Claims

Patentansprüche

\
. JKraftmeßvorrichtung mit wenigstens zwei auf dem gleichen Substrat angeordneten Feldeffekttransistoren, die dadurch in Serie geschaltet sind, daß die Quelle des zweiten Feldeffekttransistors mit dem Abfluß des ersten Feldeffekttransistors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Feldeffekttransistoren MOS-FeIdeffekttransistoren des Verarmungstyps (depletion type) sind, deren Quellen uqd Tore elektrisch verbunden sind, daß die Quelle des ersten Feldeffekttransistors an Masse liegt, daß der Abfluß des zweiten Feldeffekttransistors an einem festen Potential liegt, daß die Kanäle der beiden Feldeffekttransistoren senkrecht zueinander stehen, und daß die am Abfluß des ersten Feldeffekttransistors auftretende Spannungsänderung als Maß für die su messende Änderung einer im wesentlichen in der Richtung des ersten Kanals ausgeübten Kraft gemessen wird.

2· Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat eine den Abfluß des ersten Feldeffekttransistors sowie die Quelle und das Tor des zweiten Feldeffekttransistors miteinander verbindende erste leitende Zone und eine mit dem Abfluß des zweiten Feldeffekttransistors verbundene zweite leitende Zone aufgebracht sind, wobei diese Zonen rechteckig toit parallelen Seiten sind und eins erste Seite der ersten Zone in unmittelbarer Nähe einer dazu parallelen ersten Seite der zweiten Zone liegt, daß auf das Substrat ferner eine die Quelle und das Tor des ersten Feldeffekttransistors verbindende dritte metallische Zone aufgebracht ist, die gleichfalls

109 8 33/1770

rechteckig ist und eine parallel zu einer zweiten Seite der zweiten Zone liegende Seite hat, die senkrecht zu den ersten Seiten liegt und in unmittelbarer Nähe der zweiten Seite liegt·

3. Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein einkristallines Siliziumplättchen ist, das eine Kristallachse £iOOJ bat, und daß sich der erste Kanal in der Richtung dieser Achse erstreckt.

4. Kraftmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abfluß des ersten Feldeffekttransistors mit einer Elektrode eines auf dem gleichen Substrat integrierten M0S-Ver3tärkertransistors verbunden ist.

5. Kraftmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat die Form eines an einem Ende in einem Gestell eingespannten Balkens hat, dessen anderes Ende einen Schallplattenabtaster trägt.

109833/1770