DE2606239A1

DE2606239A1 - Piezoresistiver halbleiter-dehnungswandler

Info

Publication number: DE2606239A1
Application number: DE19762606239
Authority: DE
Inventors: Youshi Hamaguchi; Hiroyuki Kondo; Yoshihito Shimizu; Tatsuyuki Tomioka; Noboru Yukami
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1975-02-18
Filing date: 1976-02-13
Publication date: 1976-09-02
Also published as: GB1538934A; US4025890A; DE2606239B2; JPS5194787A; DE2606239C3; JPS5518056B2; FR2301988B1; FR2301988A1; CA1046625A

Description

BERLIN 33 8 MÜNCHEN

Auguste-Viktoria-Straße 65 p. DI I O Λ"* LJ !/■ EI J? D A DTM CD PienzanauerstraBe 2

Pat.-Anw. Dr. Ing. Ruschloe UT. KUOOM t\t & ΓΑΚ I IN t K Pat.-Anw. Dipl.-lng.

SfA¹K¹--¹¹¹* PATENTANWÄLTE ^{Hans H}· ^Rusdlk _g° „3 ₂₄

Telefon: 030/ lf_e%f, BERLIN - MÖNCHEN ^{TelefOn: 0897}MTCBe

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M 367B

Matsushita Electric Industrial Company Limited, Hadoma, Gsaka, Japan

Piezoresistiver Halbleiter-Dehnungsuandler

Zusammenfassung der Offenbarung

Piezqresistiver Halbleiter-Dehnungsujandler mit eingeschnürtem Hals in Sanduhrkonfiguratian zuischen Plättchenelementen, wobei der eingeschnürte Hals und die Plättchenelemente im Verhältnis zueinander so ausgestaltet sind, daß die Eckkanten der Plättchenelemente nicht in Berührung mit dem schlanken Mittelteil des eingeschnürten Halses kommen und dort keine mikroskopischen Fehlstellen verursachen können, so daß die Gefahr eines Bruchs an der Einschnürung verringert uiird.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoresistiven Halbleiter-Deh- ι

i nungsuandler mit einem eingeschnürten Hals mit Sanduhrkonfiguration zui-

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schen zwei Plättchenelementen. Insbesondere betrifft sie einen salchen Dehnungsiiiandler, dessen Bruchfestigkeit zuverlässig ist.

Dia Fig. 1 zeigt einen bisher bekannten Dehnungstuandler, wie er in Plattenspieler-Tonabnehmersystemen praktisch eingesetzt wird. Die Plättchenelemente 1 an den beiden Enden sind üher einen eingeschnürten Hals 2 miteinander verbunden, uabei die Einschnürung 2 von den Aussparungen ϊη ■dffiP-3 gebildet ist. Die Querschnittsfläche des eingeschnürten HalBes 2 ist in der Mitte am schmälsten und vergrößert sich in Richtung zu den Plättchenelementen 1.

üJird Spannung in dar Richtung X-X aufgebracht, konzentriert sie sich in der Einschnürung. Dort tritt also eine Dehnung auf, die den Uliderstand zwischen den beiden Plättchenelementen 1 infolge des Piezouiderstandseffekts ändert. Bei einer salchen Anordnung erbringt der eingeschnürte ,

Hals eine hohe Empfindlichkeit. \

Der eingeschnürte Hals 2 hat aber auch dazu geführt, daß die Streuung der Bruchfestigkeit sehr groß ist, d.h. einige der Wandler brechen am

j reduzierten Hals sehr leicht. Aus diesem Grund ist die Zuverlässigkeit

der Bruchfestigkeit der ütendler sehr niedrig. j

Es ist das erste Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Dehnungauandler mit eingeschnürtem HaIa anzugeben, dessen Bruchgefahr wesentlich verringert ist.

Ea ist ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Dehnungswandler

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anzugeben, der das erste Ziel mit einer modifizierten Struktur zu erreichen gestattet, die leicht zu erstellen ist.

Andere Ziele und vorteilhafte Merkmale der vorliegenden Erfindung Ergeben sich aus der folgenden Beschrsibung Einiger Ausführungsfarmen der varliegEndsn Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnunoen.

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht eines bekannten Dehnungsujandlers mit eingeschnürtem Hals und Sanduhr-Konfiguration zwischen zuiei Platt- [ chenelementen; \

Fig. 2 ist eine Draufsicht einss Dehnungsujandlers nach Fig. 1; j

Fig. 3a ist eine Draufsicht eines Dehnungsujandlers nach dar l_Ehre der i

vorliegenden Erfindung;

Fig. 3b ist eine Ansicht, die diß gegenssitige Zuordnung der Wandler nach Fig. 3a in einer Ebene zeigt;

Fig. ka ist eine Draufsicht eines weiteren Dehnungsüjandlera nach der vor-

liEgenden Erfindung;
Fig. kh ist eine Ansicht, dia die rslative Anordnung der UlandlEr nach Fig. ka in einer Ebens darstsllt;

Fig. 5a ist eine Draufsicht Eines weiteren Dehnungsuandlers nach dar vorliegenden Erfindung;

Fig. 5b ist eine Ansicht, diE die gegenseitigs Anordnung der Uandlsr nach Fig. 5a in einer Ebene zeigt;

Fig. 6 ist eine Querschnittaansicht einEr Anordnung zur Bestimmung dsr

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mechanischen Festigkeit des Dehnunqsuandlers;

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Uerteilung der Bruchrate in Richtung der in der Anordnung der Fig. 6 aufgebrachten Kraft für die bekannten Dehnungsuandler;

Fig. 8 ist ein Diagramm der Uerteilung der Bruchrate in Richtung der auf Dehnungsuandler nach der vorliegenden Erfindung in der Anordnung nach Fig. 6 aufgebrachten Kraft;

Fig. 9 ist eine teilueise geschnittene Perspektivansicht einer Waschvor- ! richtung, uie sie bei der Herstellung der Dehnungsuandler nach der vorliegenden Erfindung eingesetzt uird; und

Fig. 1o ist eine seitliche Schnittansicht der zusammengebauten Waschvorrichtung nach Fig. 9.

Die Erfindung basiert auf Feststellungen hinsichtlich der Bruchanfälligkeit von Dehnungsuandlern an der Einschnürung. Danach tritt die reduzierte Bruchfestigkeit, die zu einem derartigen Bruch führt, hauptsächlich^ beim Waschen auf, das ein Schritt bei der Herstellung der Dehnungsuandler ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der bekannte Dehnungsuandler derart gestaltet, daß die Kantenlinie der Seitenfläche k des eingeschnürten Halses 2 einen Kreisbogen beschreibt, der Teil eines Kreises ist, dessen Mittelpunkt auf der den Dehnungsuandler halbierenden Linie Y-Y, aber außerhalb einer Linie liegt, die beide Kanten 5 der Aussparung 3 verbindet. Die Abmessungen des Wandlers sind bspu. derart, daß der Besamtuandler 2odd χ Ggo ,um, die

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Breite A der Aussparung 3 an den Kanten 5 etuia Gho ,um und die Tiefe B der Aussparung 3 etwa 27o ,um betragen. Diese Gestaltung des eingeschnürten Halaes 2 ist eingeführt morden, weil sie sich leicht realisieren läßt.

Bei dieser Konfiguration des eingeschnürten Halses 2 treten die Eckenspitzen 6 eines anderen Wandlers jedoch leicht in Berührung mit den Seitenflächpn des schlanken Mittelteils 7 des eingeschnürten Halses 2, wie in Fig. 2 gepunktet gezeigt. Diese Berührung führt zu mikroskopischen Fehlstellen auf der Halbleiteroberfläche dieses Teils, die dessen Bruchfestigkeit erheblich reduziert; im Ergebnis zerbrechen die Wandler an der Einschnürung sehr leicht.

Der vorerwähnte Waschvorgang läuft wie folgt ab:

Zunächst uird das Halbleiterplättchen, in dem eine große Anzahl von Dehnungsuandlerelementen ausgebildet ist, mit Wachs auf einem Substrat festgeklebt, um die Elemente voneinander durch Zerschneiden zu trennen, und dann mit einem Diamantschneider, einer Drahtsäge oder dergl. zertrennt. ! Danach uird das Plättchen mit einem Substrat mit einem Reinigungsmittel geuBschen, um die Elemente vom Substrat zu lösen. In diesem Waschvorgang uird jedes einzelne Plättchen oder werden mehrere Plättchen als Charge in bspu. einem Blasbecher als Waschbehälter geuaschen. Die Elemente kommen frei, wenn das Reinigungsmittel das Wachs aufgelöst hat, und treten dann miteinander in Berührung.

Die Wahrscheinlichkeit, daß während des Waschvorgangs die oben erwähnten

j Mikrodefekte an den eingeschnürten Hälsen auftreten, ist also sehr hoch.

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Dies ist die Ursache, ueshalb die Zuverlässigkeit der Bruchfestigkeit der Wandler so gering ist.

Um diese Schwierigkeit zu lösen, ujird nun der Aufbau des Wandlers nach der vorliegenden Bfindung derart geändert, daß kein Teil des Wandlers mit dem schlanken Mitteilteil des einneschnürten Halses eines anderen Wandlers in Berührung treten kann.

LJm dieses Ziel zu erreichen, lassen sich zuei Verfahren einsetzen. Nach dem einen Verfahren reduziert man die Breite A der Aussparung 3 in Fig. 2 oder man vergrößert die Tiefe B der Aussparung 3; nach dem anderen ändert man die Eckkonfiguratian des Plättchens 1.

Ein Dehnungsuandler nach der vorliegenden Erfind! mn, der auf der ersten Idee basiert, ist in Fig. 3a gezeigt. Der Wandler der Fig. 3a ist in seinen grundsätzlichen rechteckigen Abmessungen identisch mit dem Element der Fig. 2; die Breite C der Aussparung B an den Kanten beträgt jedoch etida kko ,um, die Konfiguration der Kante der Seitenfläche 9 des eingeschnürten Halses 1o ist Teil eines Kreisbogens mit einem Radius von etijja 22o ,um, uobei der Mittelpunkt (b) innerhalb der die Kanten der Aussparung B verbindenden Linie liegt. Die Tiefe D der Aussparung 8 beträgt etma 27a ,um.

^: Da die Ecken der Plättchen 14 rechteckig sind und die Oberfläche 9 tie-

fer als ein Kreis, an dessen beiden Durchmesserenden die beiden Seiten-

■ kanten der Aussparung 8 sich befinden, ausgespart ist, ergibt sich aus

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dem Umfangsidinkelsatz der Geometrie, daß die Eckenkanten 12 die Oberfläche 9 des eingeschnürten Halses 1o, uie in Fig. 3b gezeigt, nicht berühren können.

UJird also dafür gesorgt, daß die Wandler in Richtung der Dicke nicht überlappen, ist der eingeschnürte Hals 1o gegen die vorerwähnten Mikrodefekte geschützt.

Beim Waschgang läßt dieser Zustand sich erreichen, indem man eine Wascheinrichtung einsetzt, die die Wäsche in einem Raum durchführt, der dünner ist als die doppelte Dicke des Wandlers.

Die Fig. ks zeigt einen Wandler in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem lediglich die Tiefe E der Aussparung 15 vergrößert wird. Die Tiefe E der Aussparung 15 beträgt etua 56o ,um ; die Hante der Seitenfläche 16 des eingeschnürten Halses 17 bildet einen Halbkreis mit einem Radius Cr) von etua 33o ,um, dessen Mittelpunkt C innerhalb der Aussparung 15 liegt, und die Breite F der Aussparung 15 beträgt 2r.

Bei einem Wandler dieser Gestaltung können die Eckenkanten der Plättchen 18 nicht mit dem eingeschnürten Hals 17 in Berührung kommen, wie in Fig. kb gezeigt, und zuar aus dem gleichen Grund uiie in den Erläuterungen zur Fig. 3 eruöhnt.

Ein derartiger ülandler ist jedoch größer als ein Wandler nach Fig. 3a.

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Eine dritte Ausführungsform eines Wandlers ist in der Fig. 5a dargestellt. In dieser Figur zeigten die strichpunktierten Linien die rechteckige Gestalt des Wandlers der Fig. 2

Der Wandler der Fig. 5a entsteht abmessungsmäßig, indem man dem Umfangsteil des Wandlers der Fig. 2 mit G = 5d ,um und H = 5o ,um abnimmt. Wei- ^; terhin sind die Plättchenecken in einen Kreisbogen mit dem Radius I = 2oo ,um mit im Punkt Cd) befindlichen Durchmesser ausgeräumt. Bei die- , ser Konfiguration kann kein Teil - infolge des abgenommenen Eckenkanten- i teils - mit dem schlanken Mittelbereich des eingeschnürten Halses 21 ■ eines anderen Wandlers in Berührung treten.

Die Abmessungen des abgenommenen Teils der Ecke bestimmten sich aus der gegenseitigen Anordnung des Plättchens 2o eines Wandlers im eingeschnürten Halsbereich eines anderen Wandlers, wobei -dieses Eindringen begrenzt ist durch die Berührung des PlMttchens 2a mit beiden Kanten der Aussparung 22 ader das Einsitzen des PlMttchens 2a in eine SeiteflMche des reduzierten Halaes 21.

Da weiterhin die Aussparung 22 im Vergleich mit der Tiefe der Aussparung gegenüber dem Wandler der Fig. 2 ausreichend breit ist, IMBt sich der eingeschnürte Hals leicht ausbilden.

Es folgt eine Erläuterung der Daten, die die Wirkung der vorliegenden Erfindung beweisen.

Die Bruchfestigkeit der Wandler ist mit der Anordnung nach Fig. 6 bestimmt

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warden. In der Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen 23 ein Glasepoxysubstrat, das mit einer Metallschicht Zk versehen und auskragend in einer Vorrichtung 25 eingespannt ist. Eine Aussparung 26 ist in der Dberen Oberfläche des Substrats 23 ausgebildet, an der die Metallschicht 24 eingeschnitten ist. Ein üJandler 27 ist auf dem Substrat derart befestigt, daß er die Vertiefung 26 überdeckt und seine beiden Plättchen sich auf gegenüberliegenden Seiten der Vertiefung 26 befinden.

Bei der Messung wird die Hraft Ul auf das freie Ende des Substrats 23 in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung gegeben und der Wandler 27 durch das Substrat 23 hindurch belastet. Der Bruch des Wandlers 27 tjird durch Überwachen des Widerstands zwischen den beiden Plättchenelementen des Wandlers 27 durch die Metallschicht Zk hindurch erfaßt.

Die mit der oben erläuterten Anordnung aufgenommenen Meßdaten sind in den Fig. 7 und S als Wandlerbruchrate in Abhängigkeit von der Hraft W aufgetragen. Fig. 7 gilt dabei für den Fall der bekannten Wandler, die Fig. 8 für die Ausführungsfarmen nach der vorliegenden Erfindung.

. In ^ig. 7 ist die durchschnittliche Kraft 132 g, die Standardabuieichung 41 g. Demgegenüber ergibt sich für die Fig. 8 eine durchschnittliche Kraft von 169 g bei einer Standardabueichung von nur 2B g. Folglich sind ; die Wandler nach der vorliegenden Erfindung hinsichtlich ihrer Bruchfestigkeit anderen bekannten Wandlern überlegen. j

Bei den vorgehenden Ausführungsformen wurde nur die gegenseitige Berührung der Wandler in Betracht gezogen, wie sie im wesentlichen in der zur

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Ebene der Fin. 3b, ^b ader 5b parallelen Ebene beobachtet wurde, d.h. es ist nur -der Schutz der Seitenfläche des einoeschnürten Halses betrachtet.

Der Grund ist, daß die Wandler sich an ihren oberen und unteren Oberflächen gegenseitig nicht berühren können, wenn man die Wäsche in einer Anordnunn vernimmt, uie sie in der Erläuterung der vorgehenden Ausführungsformen erujähnt ist. Ein Beispiel für eine solche Waschanordnung ist in den Fig. 9 und 1d nezeigt. Die Zahl 29 stellt eine Deckplatte dar; diese trägt ein Abstandselement 3o mit einer Öffnung 31. An dem der Öffnung 31 des Abstandselements 3d zunewandten Teil weist die Deckplatte 3o Löcher 32 auf, durch die das Reinigunnsmittel hindurchströmt.

Der Abstandshalter 3o ist dünner als die doppelte Dicke des Handlers. Ein Rahmen 33 ist auf dem Abstandselement 3o gelagert und innen größer als die Öffnung 31 des Abstandselements 3d. Das Bezuoszeichen 3k bezeichnet eine Befestigungsplatte 3k, die für die Anbrinnung über dem Rahmen vorbereitet ist.

Bei der Wäsche wird ein Substrat 35 mit aufgeklebtem Plättchen 3S so eingebracht, daß das Ahstandselement 3n das Substrat 35 trägt, wie es in Fig. 1a gezeigt ist. Dann uird die Befestigungsplatte 3k an den anderen Teil angebracht, wobei das Substrat 35 zwischen das Abstandselement 3o und die Befestigungsplatte 36 eingeklemmt ist.

Folglich ist das Plättchen 3S in dem Raum zwischen der Deckplatte 29, dem Abstandselement 3o und dem Substrat 35 festgehalten. Die Dicke dieses Raumes wird von dem Abstandselement 3o bestimmt, das dünner ist als die dop- j

β η g a 3 κ / η s & κ

pelte Dicks dss Wandlers. Diese Anordnung lüird nun zur idäschE in dis lüaschmittEllösung Eingsbracht.

Dar Schucz dEr obErEn und dar untsren Flachs dss eingEschnürtEn Halses Erfolgt jedoch ωΐε folgt auf diE gleiche Weise, uiie oben bEschrisben:

Idie In Fig. 1 gezeigt, sind die untere und die obere Fläche des eingeschnürten Halses 2 mit Aussparungen 28 versehen. Damit die Eckenkanten der PlättchEnelem.EntE 1 nicht in Berührung mit dEr Oberfläche der Aussparungen 2B treten können, ist die Konfiguration der Aussparungen 28 so getroffen, ωϊε in dsn vorgEhenden Ausführungsformen Erläutert, odsr man EntfErnt die oberen und unteren Ecken 29 der PlättchenelEmentE 1.

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Claims

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Patentansprüche

Piezoresistiver Halbleiter-Dehnungsuandler mit eingeschnürtem Hals und einer Sanduhrkonfiguration zwischen zuiei Plättchenelementen, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschnürte Hals und die Plättchenelemente derart konfiguriert sind, daß die Eckenkanten der Plättchenelemente nicht in Berührung mit der Oberfläche des schlanken Halsbereiches des eingeschnürten Halses treten können.
2. Piezoresistiver Halbleiter-Dehnungsuandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine von einer Oberfläche des eingeschnürten Halses gebildete Aussparung derart konfiguriert ist, daß die Oberfläche des schlanken Mittelbereiches des eingeschnürten Halses tiefer ausgespart ist als ein Kreis, auf dessen beiden Durchmesserenden die Seitenkanten der Aussparung liegen.
3. Piezoresistiver Halbleiter-Dehnungsuendler, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung einen Kreisbogen bildet, dessen Mittelpunkt innerhalb einer Linie liegt, die die beiden Seitenkanten der Aussparung miteinander verbindet.

^.· Piezoresistiver Halbleiter-Dehnungsuendler

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nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Plättchenelemente an der Umfangslinie des Wandlers als Rechteck gestaltet sind, von dem die Ecken entfernt wurden.

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