DE2130405C3 - Mechanisch-Elektrischer Wandler mit einem n-Siliziumkristallkörper - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen mechanisch-elektrischen Wandler mit einem n-Siliziumkristallkörper, dessen Längsachse in bezug auf die kristallographischen Achsen geneigt ist, mit einem Paar mit dem Körper in Kontakt stehender Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes entlang der Längsachse, mit einer Einrichtung zur Ausübung einer Kraft auf den Körper und mit einer Einrichtung zum Erfassen einer quer zur Längsachse erzeugten elektrischen Ladung.

Bei einem bekannten Wandler dieser Art (DT-OS 19 46 261) ist demnach eine schief-symmetrische Anordnung der Querflächcn des Körpers, bezogen auf die kristallographische Achse des Materials, vorgesehen. Es wird eine Vorspannung entlang der Kraftachse des Materials angelegt, und die Meßelektroden sind an den parallel zur Kraftachse liegenden Flächen angebracht, so daß die Achse der Elektroden quer zur Kraftachse liegt. Wenn entlang der Kraftachse eine Kraft zur Einwirkung gebracht wird, wird eine Querspannung zwischen den Elektroden erzeugt. Die Änderung dieser Querspannung ist proportional zu der angelegten Kraft. Bei der bekannten Vorrichtung wird dieser Qucrspanungselfekt mit dem Piezowiderstandseffekt überlagert bzw. zur Erzeugung einer Einschnür-Pincheffektspannung ausgenutzt. Allerdings wurde experimentell bestätigt, daß der Piczonvidcrstandsclfekt erheblich größer als der Qucrspannungs- oder Piezo-Hall-EiTckt ist. Daher ist in der DT-OS 19 46261 beschrieben, daß der Oucrspan- 6" nungscfTckl entweder durch weitere Hilfsmittel verstärkt oder mit dem PiezowiderstandselTekt überlagen werden muß, um verwertbare Mcßsignale zu erzielen. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen mechanisch-elektrischen Wandler mit einem n-Siliziumkristallkörper, mit einer Source-Elcklrode und einer Drain-Elektrode, die mit dem Körper in ohmschem Kontakt steht, mit einer Gate-Elektrode, die über eine Isolierschicht auf dem Körper aufgebracht ist, und mit einer Einrichtung iür die mechanische Belastung des Körpers. Auch ein solcher Wandler ist bekannt (DT-OS 14 89 973 und 14 39 341). Durch Ausübung eines Druckes auf den Gate-Bereich nzw. den Bereich der Raumladungszone des Feldeffekttransistors ändert der zwischen den Ausgangseleklroden fließende Strom seinen Wert, wobei das Ausmaß dieser zu messenden Stromschwankung nicht immer bel'riediuend ist. weil·bei den bekannten Vorrichtungen der Querspannungseffekt nicht optimal ausgenutzt wird.

Demuecenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zimrundermcchanisch-elektrische Wandler der in den Oberbegriffen der beiden Ansprüche genannten Art anzuheben, die sich durch eine optimal starke Änderuns^der erfaßten Größe in Abhängigkeil von der mechanischen Beanspruchung auszeichnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Längsachse des Kristallkörpers um 22.5 zur 100-, 010- oder 001-Achse seines Kristallaufbaues geneigt ist. Bei einer derart gewählten Asymmetrie wird bei einem Wandler gemäß Anspruch 1 eine maximale Ausgangsspannung erzeugt, wenn dieser einer Kraft ausgesetzt wird, während bei einem Wandler cemäß Anspruch 2 eine maximale Stromänderung bei einer mechanischen Belastung zu verzeichnen ist. Experimentell wurde die überraschende Tatsache bestätigt, daß die Empfindlichkeit des Piezo-Hall-EfTckis in Abhängiekeit von dem Neigungswinkel der Längsachse des Körpers gegenüber den kristallographischen Achsen ein Maximum bei dem beanspruchten Wert von 22,5 hat. Dieses Maximum ermöglicht in vorteilhafter Weise die direkte und ausschließliche Ausnutzune des Piezol-Hall-Effekts zur Kraftmessung.

Zwar ist die Empfindlichkeit des Piezo-Hall-Elfekts um zwei- bis dreimal kleiner als die Empfindlichkeit des Piezo-Widerstandseffekts. Die alleinige Ausnutzung des Piezo-Hall-EfTekts hat jedoch den Vorteil, daß""die Ausgangsspannung direkt proportional zu der ancelecten Kraftbeanspruchung ist, d. h., ohne Spannunusbeanspruchung ist die Querspannung des Pie/o-Half-EITekts gleich Null. Ferner entspricht das Vorzeichen der Äusgangsspannung dem Vorzeichen der aufgebrachten Spannungsbeanspruchiing. so daß eine positive Spannung einen Druck und eine negative Spannung einen Zug anzeigt. Diese Vorteile können jedoch erst dann in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden, wenn die erfindungsgemäß erreichbare, maximale Empfindlichkeit verwirklicht ist.

Die Erfindung beruht demnach auf dem Piczo-Hall-EfTekt, der"sich sowohl von dem Piezo-Widerstandseffekt als auch von dem Effekt unterscheidet, der sich auf die Änderung der Schottky-Schwellcnspannimg bezieht.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbcispielen nähei erläutert.

F ie. I zeigt ein Diagramm von Leitungsbändern in Silizium im zweidimcnsionalen A-Raum;

Fi si. 2 zeiet eine schaubildlichc Ansicht einer Vorrichtung zur" Durchführung des erfindungsgemäßer Verfahrens:

Fig. 3 zeigt eine schaubildlichc Ansicht eine MOS-FET (Metalloxydhalblciler-Feldeffekttransistor zur Durchführung des eifindungsgemäßcn Verfahren¹ in einer abgeänderten Form, und

Fis>. 4 zeiüt eine Schnittansicht eines Tor-FEl (Tor "an einem Lcitfähigkeilsübergang) zur Durch-

führung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer »eiteren abgeänderten Form.

Bei Siliziumkristallen ist zu beobachten, daß die £nergiebandstruktur der Träger eine Anzahl an ellipfüidtürmigen Leitungsbändern enthalt, die jeweils au: 4er 100, OH) und 001-Kristailachse liegen.

In Fig. 1 sind zur Erläuterur;¹ Leitungsbänder in einem zweidimensionalen Α-Raum veranschaulicht, tvorin die 10Ü- und 010-Achsen den k_r unu k_v- ^ch.sn entsprechen: die ellipsoidl'örmigen Leitungsbänder sind mit A, A', B und B' beziffert. Es ist ein anderes Paar Achsen ; und _(/ gegeben, die rechtwinklig zueinander sind und jeweils gegenüber den k_K- und Aj.-Achsen geneigt sind.

Wird ein elektrisches Feld E in Richtung der f-Achse aufgebaut, sind dabei die Ströme in den Richtungen der .^:- und (,-Achsen /. und /, folgenderma(kn gegeben:

l„ = I, * + l,o,

wobei /-Λ /,/', Iß und IJ¹ jeweils die -"- und /,-Achsen komponenten repräsentieren, die von den zu dem ellipsoidformigen Leitungsband A, A', B und B' gehörenden Trägern gelragen werden.

Unter der Annahme, daß das elektrische Feld E so schwach ist, daß die Träger unerregt bleiben, wird das Energieband symmetrisch gehalten, so daß der Strom /„ in der Richtung der ij-Achse deich Null ist. Dabei gilt /,/ > 0, /„" < ü.

Wird in diesem Zustand eine mechanische Beanspruchung an den Siliziumkristall angelegt, wird dann darin eine mechanische Verformung erzeugt, die die Entartung der Träger innerhalb des Leiterbandes beseitigt. Daher sollen die Energieminima der Leitungsbänder in Übereinstimmung mit der Richtung und der Größe der mechanischen Beanspruchung geändert werden. Koinzidiert die Richtung der mechanischen Beanspruchung mit der »,-Achse, nehmen die Energieminima der Leitungsbänder B' ab, und andererseits nehmen die Energieminima der Leitungsbänder A und A' zu, soweit der Winkel <-i in den Bereich 0 bis 45° (kleiner als 45^:) fällt. In diesem Zustand sind die Träger in den Leitungsbändern B und B' wieder in die Leitungsbänder A und A' gesetzt, um das thermische Gleichgewicht zu erhalten. Dadurch nimmt der Strom /,," ab und der Strom I,^A zu, so daß der Strom /, einen bestimmten Wert annimmt.

Die mechanische Beanspruchung ergibt somit eine elektromotorische Kraft in Richtung der i_rAchse. Dieser besondere Elfckt wird im folgenden als Spannungs-Halleffekt bezeichnet, da dieser Effekt dem bekannten Hall-Elfekt analog ist, wenn die mechanische Beanspruchung durch das magnetische Feld ersetzt wird. Obgleich hier von dem elektrischen Feld E angenommen wird, daß es zur Veieinfomiung ausreichend schwach ist, wird dieser Effekt ebenfalls beobachtet, wenn das elektrische Feld E derart stark ist. daß es die Träger »heiß« macht. Es ist nun ersichtlich, daß der Spannungs-Hallelfekt von dem Mangel der Symmetrie in der Encrgicbandstruktur herrührt, der von der darauf ausgeübten mechanischen Beanspruchung herbeigeführt wird. Daher ist die Richtung der mechanischen Beanspruchung nicht nur auf die Richtungen der £- und (/-Achsen beschränkt, sondern ist auch für andere Richtungen möglich. Für die Richtung des elektrischen Feldes E sind andererseits andere Richtungen zulässig als die Richtungen der 100-, 01U- und 1 10-Achscn und anderer äquivalenter Achsen. Obgleich die vorhergehende Erläuterung auf den zweidimensionalen λ-Raum gerichtet wurde, ist sie auch auf einen dreidimensionalen Α-Raum anwendbar.

Obwohl der Spannungs-Halleliekt stattfindet durch Anlegen der mechanischen Beanspruchung in beliebiger Richtung bei Vorhandensein eines elektrischen

ίο Feldes in einer von den Richtungen der 100-, 010- und 001-Achsen abweichenden Richtung, ist zu bemerken, daß dieser Effekt durch Auswahl der Richtungen der Beanspruchung und des elektrischen Feldes o.m wirkungsvollsten gemacht wird. In einem n-Siliziumkristall findet der Spannungs-HallefTekt am wirkungsvollsten statt, wenn die Richtungen der Beanspruchung und des elektrischen Feldes jeweils mit den KHJ- und 110-Achsen fluchten. In einem n-Germanium findet dieser Effekt am wirkungsvollsten statt, wenn die Richtungen der Beanspruchung und des elektrischen Feldes jeweils den 110- und 100-Achsen folgen.

Es tritt jedoch eine Schwierigkeit darin auf, die Beanspruchung und das elektrische Feld in den zuvor beschriebenen Richtungen genau anzulegen, und daher liegen in gewöhnlicher Praxis die Beanspruchung und das elektrische Feld jeweils in den Richtungen der ; und (,-Achsen. Dabei ist die resultierende elektromotorische Kraft V durch die folgende theoretische Formel gegeben:

V = 0,014

/
ti

10

wobei

η = der spezifische Widerstand (Ω-cm) des Kristalls,

d — die Stärke des Substrats in Richtung der i-Achsc,

/ = ein durch das Substrat in Richtung der ,'-Achse fließender Strom,

P -- die Stärke der in Richtung der »,-Achse angelegten mechanischen Beanspruchung.

Es ist ersichtlich, daß dieser Elfekt von der Bewegung einer bestimmten Anzahl von Trägern von den Leitungsbändern B und B' in die entgegengesetzten Leitungsbänder A und A' herrührt, wobei die Beweglichkeiten der Träger innerhalb der Leitungsbänder A und A' erhöht ist und zusätzlich die Energiebandstruktur asymmetrisch zur £- oder ?_rAchse ist, obwohl sie symmetrisch zu den Richtungen der 100- oder 010-Achse ist. Der EfTekt dieser Art wird daher in solchen Werkstoffen gezeigt, deren Energieband-Strukturen asymmetrisch zu einer bestimmten Richtung sind. Zusätzlich zu n-leitfähigem S, Ge sind solche Werkstoffe p-leitfähiges Si, Gc, GaAs, InSb, InAs, GaSb, GaP, AlAs.. AlSb. BN, BP und n-leitfähiges GaP.

Durch Nutzung dieses Effekts ist es möglich, ein mechanisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln.

Wird die mechanische Beanspruchung P mit einem mechanischen Signal geändert, dann ändert sich der Strom / mit dem mechanischen Signal in Übereinstimmung mit dem Spannungs-HallefTekt. Die Änderung des Stromes / wird durch eine geeignete Ein-

richtung abgetastet, beispielsweise durch ein Elcktrodenpaar. das an dem Kristall anliegt.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Diese Vorrichtung besitzt ein aus η-Silizium bestellendes Substrat 11, das als rechteckiges Parallelepiped mil drei Paaren von einander gegenüberliegenden Scilenoberflächen gebildet ist, von denen ein erstes und ein zweites Paar Oberflächen jeweils senkrecht zu den ξ- und j;-Achscn liegt, wenn (-) 22,5 . Das erste Paar Scitcnoberflächcn befindet .,ich im Koniakt mit einem Paar Plattenelcktroden 12 und 13, die über Leitungen 15 und 16 an eine Gleichspannungsquellc 14 angeschlossen sind. Das dritte Oberflächcnpaar ist mit einem anderen Elektrodcnpaar 17 und 18 kontaktiert, das über Leitungen 22 bzw. 23 an ein Anschlußpaar 19 bzw. 21 angeschlossen ist.

Wird beim Betrieb eine mechanische Kraft P an eine Fläche des ersten Oberflächenpaares in senkrechter Richtung dazu oder in Richtung der t-Achsc angelegt und fließt ein Strom / zwischen den Elektroden 12 und 13, dann erscheint eine elektromotorische Kraft V zwischen den Anschlüssen 19 und 21. In diesem Zustand ist die elektromotorische Kraft V durch die Gleichung (3) gegeben.

Ist beispielsweise η — 100 Ω-cm. rf — 0,001 cm, / — 0,001 Ampere und P= 100 g/cm-, dann beträgt die elektromotorische Kraft V — 14 uV.

Selbst wenn die mechanische Kraft P in Richtung der f-Achse gerichtet ist. wird wegen der Symmetrie der Kristallstruktur in dem Substrat das gleiche Ergebnis erhalten.

Die in F i g. 2 gezeigte Vorrichtung besitzt eine größere Empfindlichkeit als eine bekannte Vorrichtung, beispielsweise eine elektromagnetische Hallvorrichtung, und kann daher als Wandler zur Umwandlung eines mechanischen Signals in ein elektrisches Signal verwendet werden. Ferner kann die Vorrichtung dieser Art als im wesentlichen analog einer elektromagnetischen Hallvorrichtung angesehen werden, wenn die mechanische Beanspruchung durch das magnetische Feld ersetzt wird. Daher kann die hier beschriebene Vorrichtung an Stelle einer elektromagnetischen Hallvorichtung verwendet werden, wenn es schwierig oder sogar unerwünscht ist, ein magnetisches Feld aufzubauen.

Die Erfindung kann auch bei einer Vorrichtung verwendet werden, die einen Aufbau besitzt, der einem Feldeffekttransistor im wesentlichen gleich ist und daher ein Substrat und Source-Drain- und Gate-Elektroden besitzt, die mit dem Substrat in Berührung stehen. An diese Elektroden werden geeignete Spannungen angelegt, um einen Leitungskanal in dem Substrat zu bilden. Die Leitfähigkeit oder die Breite des Kanals wird weitestgehend durch das Potential an der Gate-Elektrode bestimmt. Wird eine mechanische Beanspruchung an das Substrat angelegt, tritt dabei der Spannungs-Halleffekt auf, so daß eine bestimmte Anzahl von Ladungsträgern an die Oberfläche des Substrats unter der Gate-Elektrode bewegt und dort gespeichert wird. Die gespeicherten Träger ändern die Stärke des elektrischen Feldes, das durch das Potential an der Gate-Elektrode aufgebaut wurde, und ändern damit die Leitfähigkeit oder die Weite des Kanals. Die Änderung der mechanischen Beanspruchung führt somit zu einer Änderung des durch den Kanal fließenden Stromes, der als elektrisches Signal aufgenomen werden kann.

F i g. 3 zeigt eine nach dem zuvor beschriebenen Prinzip betreibbarc Vorrichtung. Diese Vorrichtung ist in einem MOS-FET ausgebildet, der ein aus einem n-Sili/ium gebildetes Substrat 31 besitzt. Dieses Subst rut 31 ist als rechteckiges Parallelepiped mit drei Paaren einander gegenüberliegender Oberflächen gebildet. Das erste und das zweite Paar dieser Oberflächen sind jeweils senkrecht zu den ;-und (/-Achsen, wenn (-) 22.5 ist. Source- und Drain-Elektroden ίο 32 und 33 stehen in ohinschem Kontakt mit dem ersten Paar einander gegenüberliegender Oberflächen. Eine Gatc-Elcktrode 34 ist über einen geeigneten Isolator, beispielsweise Siliziumoxyd, auf einer Fläche des zweiten Flächenpaarcs angeordnet. Wird beim Betrieb eine vorgewählte Spannung an die Source- und Drain-Elektrode angelegt, wird ein von der Gate-Elcktrodc gesteuerier Leitungskanal in dem Substrat aufgebaut. Die Weite dieses Kanals wird geändert, indem das elektrische Potential an der Gate-Elektrode geändert wird, um den durch das Substrat fließenden Strom zu steuern.

Wird in diesem Zustand bei aufrechterhaltenem Kanal eine mechanische Belastung an das Substrat in einer bestimmten Richtung angelegt, beispielsweise in Richtung der »/-Achse, dann trill der Spanungs-Halleffckt darin auf. wodurch eine bestimmte Anzahl von Trägern in der Oberfläche des Substrats unterhalb der Gate-Elektrode 34 gespeichert werden. Die Wirkung dieser Träger wird der Wirkung der Spannung übcrlagert, die an der Gate-Elektrode anliegt, und ändert demzufolge die Weite des Kanals oder die Leitfähigkeit dieses Substrats.

Die mechanische Belastung kann eine mechanische Biegespannung — bei 35 oder 35' gezeigt — oder eine Druck- oder Zug-Belastung — bei 36 und 36' gezeigt — sein.

In Fig. 4 ist noch eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Diese Vorrichtung ist in einem Lcitfähigkeitsübcrgangstor-FeldcfTekttransistor gebildet, der eine Schottky-Sperrschicht aufweist. Diese Vorrichtung besitzt ein n-Silizium-Substrat 31 und Source- und Drain-Bereiche 32 bzw. 33, die in dem Substrat 31 durch eine geeignete bekannte Technik, beispielsweise das Diflusionsverfahren, gebildet sind. Auf der Oberfläche des Substrats ist zwischen den Source- und Drain-Bereichen 32 bzw. 33 eine Gatc-Elcktrode 34 gebildet, die aus einem geeigneten Metall, beispielsweise Molybdän, durch Sprühen oder irgendeine andere Technik gebildet ist, wodurch zwischen der Gate-Elektrode 34 und dem Substrat 31 eine Schottky-Sperrschicht gebildet wird.

An diesen Elektroden 32 bis 34 werden geeigneU elektrische Potentiale aufgebaut, um einen Leitungs kanal in dem Substrat 31 zu bilden.

Liegt eine mechanische Belastung in einer bestimm ten Richtung, beispielsweise in Richtung der »;-Achse an dem Substrat 31 an, wird eine bestimmte Anzahl ai Trägern in der Nähe der Oberfläche des Substrats 3 oder der Galc-Elektode 34 gespeichert, so daß da sich aus dem Potential an der Gate-Elektrode 34 ei gebende elektrische Feld mit den elektrischen Ladur gen der gespeicherten Träger geändert wird, wodurc die Weite des Kanals geändert wird. Dadurch wir die Leitfähigkeit des Leitungskanals in dem Substr; 31 mit der Änderung der an das Substrat 31 angi legten mechanischen Belastung geändert.

Die mechanische Belastung kann eine Biegebel

stung — mit 35 und 35' gezeigt — oder eine Druckoder Zugbelastung — bei 36 und 36' gezeigt — sein. In den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Vorrichtungen sind die FfTckle, die durch die an der Gale-Hiektrodc anliegende Torspannung herbeigeführt werden und der Spannungs-I killefTekl miteinander überlagert.

so daß diese Vorrichtung unier mechanischen Steuerungen arbeite kleines mechanisches Signal kann großes elektrisches Signal durch Vorrichtung umgewandelt werdei Aufbau eine aimemesene Verstärk!

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   21

   405

   1, Mechanisch-elektrischer Wandler mit einem n-Siliziumkristallkörper, dessen Längsachse in bczug auf die kristallographischcn Achsen geneigt ist, mit einem Paar mit dem Korper in Kontakt stehender Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes entlang der Längsachse, mit einer Einrichtung zur Ausübung einer Kraft auf den Körper und mit einer Einrichtung zum Erfassen einer quer zur Längsachse erzeugten elektrischen Ladung, dadurch gekennzeichnet, daü die Längsachse um 22,5 " zur 1ÜU-, Ü1U- oder 001-Achse geneigt ist. '5
2. 2. Mechanisch-elektrischer Wandler mit einem n-Siliziumkristallkörper, mit einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode, die mit dem Körper in ohmschem Kontakt stehen, mit einer Gate-Elektrode, die über eine Isolierschicht auf dem Körper aufgebracht ist, und mit einer Einrichtung für eine mechanische Belastung des Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des Körpers um 22,5° zur 100-, 010- oder 001-Achse seines Materials geneigt ist.