DE2606239B2 - Piezoresistiver Halbleiter-Dehnungswandler mit eingeschnürtem Hals und Sanduhrkonfiguration - Google Patents

Description

IS

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoresistiven Halbleiter-Dehnungswandler mit einem eingeschnürten Hals und Sanduhrkonfiguration. Aus der US-PS 33 51 880 ist ein elektromechanischen Wandler bekannt, der ein piezoresistives Element mit einem eingeschnürten Hals in Sanduhrkonfiguration zwischen zwei Plättchenelementen aufweist. Die mechanische Deformation wird anhand der Messung der Wider-Standsänderung zwischen den an den Plättchenelementen anliegenden Elektroden ermittelt.

Ferner sind die in F i g. 1 gezeigten Dehnungswandler bekannt, wie sie in Plattenspieler-Tonabnehmersystemen eingesetzt werden.

Die Plättchenelemente 1 an den beiden Enden sind über einen eingeschnürten Hals 2 miteinander verbunden, wobei die Einschnürung 2 von den Aussparungen 3 gebildet ist. Die Querschnittsfläche des eingeschnürten Halses 2 ist in der Mitte am schmälsten und vergrößert sich in Richtung zu den PlättchenelemeiUen 1.

Wird Spannung in der Richtung X-X aufgebracht, konzentriert sie sich in der Einschnürung. Dort tritt also eine Dehnung auf, die den Widerstand zwischen den beiden Plättchenelementen 1 infolge des Piezowider- «o Standseffekts ändert. Bei einer solchen 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 reduzierten Hals sehr leicht. Aus diesem Grund ist die Zuverlässigkeit der Bruchfestigkeit der Wandler sehr niedrig.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Dehnungswandler mit eingeschnürtem Hals zur Verfugung zu stellen, der eine geringe Bruchanfälligkeit besitzt. Dieser Dehnungswandler soll derart gestaltet sein, daß keine Mikrodefekte erzeugt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein piezoresistiver Halbleiter-Dehnungswiderstand mit eingeschnürtem Hals und Sanduhrkonfiguration zur Verfügung gestellt wird, dessen durch den eingeschnürten Hals gebildete Aussparung tiefer ist als der Kreis, mit dem die Eckkanten eines gleichgeformten Wandlers, der in der gleichen Ebene wie der erste Wandler beweglich angeordnet ist, in Berührung treten können und der Wandler als Rechteck gestaltet ist, von dem die Ecken entfernt sind.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. < >■>

F i g. 1 ist eine Perspektivansicht eines bekannten Dehnungswandlers mit eingeschnürtem Hals und Sanduhr-Konfiguration zwischen zwei Plättchenele

menten; Fig. 2 ist eine Draufsicht eines Dehnungswandlers nach Fig. I;

Fig. 3 ist eine Draufsicht eines Dehnungswandlers nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ist eine Ansicht, die die gegenseitige Anordnung der Wandler nach Fig. 3 in einer Ebene zeigt;

Fig.5 ist eine Querschnittsansicht einer Anordnung zur Bestimmung der mechanischen Festigkeit des Dehnungswandlers;

F i g. 6 ist eine graphische Darstellung der Verteilung der Bruchrate in Richtung der in der Anordnung der Fig. 5 aufgebrachten Kraft für die bekannten Dehnungswandler;

F i g. 7 ist ein Diagramm der Verteilung der Bruchrate in Richtung der auf Dehnungswandler nach der vorliegenden Erfindung in der Anordnung nach F i g. 5 aufgebrachten Kraft;

Fig. 8 ist eine teilweise geschnittene Perspektivansicht einer Waschvorrichtung, wie sie bei der Herstellung der Dehnungswandler nach der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, und

F i g. 9 ist eine seitliche Schnittansicht der zusammengebauten Waschvorrichtung nach F i g. 8.

Die Erfindung basiert auf Feststellungen hinsichtlich der Bruchanfälligkeit von Dehnungswandlern 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 Dehnungswandler ist.

Wie in Fig.2 gezeigt, ist der bekannte Dehnungswandler derart gestaltet, daß die Kantenlinie der Seitenfläche 4 des eingeschnürten Halses 2 einen Kreisbogen beschreibt, der Teil eines Kreises ist, dessen Mittelpunkt auf der den Dehnungswandler halbierenden Linie Y-Y, aber außerhalb einer Linie liegt, die beide Kanten 5 der Aussparung 3 verbindet. Die Abmessungen des Wandlers sind beispielsweise derart, daß der Gesamtwandler 2000χ600μΓη, die Breite A der Aussparung 3 an den Kanten 5 etwa 640 μιτι und die Tiefe ßder Aussparung 3 etwa 270 μιτι betragen. Diese Gestaltung des eingeschnürten Halses 2 ist eingeführt worden, 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 Seitenflächen 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 wird das Halbleiterplättchen, in dem eine große Anzahl von Dehnungswandlerelementen ausgebildet ist, mit Wachs auf einem Substrat festgeklebt, um die Elemente voneinander durch Zerschneiden zu trennen, und dann mit einem Diamantschneider, einer Drahtsäge od. dgl. zertrennt. Danach wird das Plättchen mit einem Substrat mit einem Reinigungsmittel gewaschen, um die Elemente vom Substrat zu lösen. In diesem Waschvorgang wird jedes einzelne Plättchen oder werden mehrere Plättchen als Charge in beispielsweise einem Giasbecher als Waschbehälter gewaschen. Die Elemente kommen frei, wenn das Reinigungsmittel das Wachs aufgelöst hat, und treten dann miteinander in Berührung.

Die Wahrscheinlichkeit, daß während des Waschvorgangs die obenerwähnten Mikrodefekte an den eingeschnürten Hälsen auftreten, ist also sehr hoch.

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

Um diese Schwierigkeit zu lösen, wi·. d nun der Aufbau des Wandlers nach der vorliegenden Erfindung derart geändert, daß kein Teil des Wandlers mit dem schlanken Mittelteil des eingeschnürten Halses eines anderen Wandlers in Berührung treten kann.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man die Eckkonfiguration des Plättchens 1 ändert.

Die erfindungsgemäße Ausführungsform eines Wandlers ist in der Fig.3 dargestellt. In dieser Figur zeigten die strichpunktierten Linien die rechteckige Gestalt des Wandlers der F i g. 2.

Der Wandler der Fig.3 entsteht abmessungsmäßig, indem man dem Umfangsteil des Wandlers der Fig. 2 mit Ο=50μπι und /-/=50μΐη abnimmt. Weiterhin sind die Plättchenecken in einen Kreisbogen mix dem Radius 1=200 μπι mit dim Punkt (^befindlichen Durchmesser ausgeräumt. Bei dieser Konfiguration kann kein Teil — infolge des abgenommenen Eckenkantenteils — 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 20 eines Wandlers im eingeschnürten Halsbereich eines anderen Wandlers, wobei dieses Eindringen begrenzt ist durch die Berührung des Plättchens 20 mit beiden Kanten der Aussparung 22 oder das Einsitzen des Plättchens 20 in eine Seitenfläche des reduzierten Halses 21.

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

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

Die ßruchfestigkeit der Wandler ist mit der Anordnung nach F i g. 5 bestimmt worden. In der F i g. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 23 ein Glasepoxysubstrat, das mit einer Metallschicht 24 versehen und auskragend in einer Vorrichtung 25 eingespannt ist. Eine Aussparung 26 ist in der oberen Oberfläche des Substrats 23 ausgebildet, an der die Metallschicht 24 eingeschnitten ist. Ein Wandler 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 Kraft W 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 wird durch Überwachen des Widerstandes zwischen den beiden Plättchenelementen des Wandlers 27 durch die Metallschicht 24 hindurch erfaßt.

Die mit der oben erläuterten Anordnung aufgenommenen Meßdaten sind in den Fig.6 und 7 als Wandlerbruchriite in Abhängigkeit von der Kraft W aurgetragen. F i g. 6 gilt dabei für den Fall der bekannten Wandler, die F i g. 7 für die Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung.

In Fig.6 äst die durchschnittliche Kraft 132g, die Standardabweichung 41 g. Demgegenüber ergibt sich für die F i g. 7 eine durchschnittliche Kraft von 169 g bei einer Standardabweichung von nur 28 g. Folglich sind die Wandler nach der vorliegenden Erfindung hinsichtlich ihrer Bruchfestigkeit anderen bekannten Wandlern überlegen.

Es wird nur der Schutz der Seitenfläche des eingeschnürten Halses betrachtet, da die Wandler sich an ihren oberen und unteren Oberflächen gegenseitig nicht berühren können, wenn man die Wäsche in einer Anordnung vornimmt, wie sie in der Erläuterung der vorhergehenden Ausführungsformen erwähnt ist. Ein Beispiel für eine solche Waschanordnung ist in den F i g. 8 und 9 gezeigt. Die Zahl 29 stellt eine Deckplatte dar; diese trägt ein Abstandselement 30 mit einer öffnung 31. An dem der öffnung 31 des Abstandselements 30 zugewandten Teil weist die Deckplatte 30 Löcher 32 auf, durch die das Reinigungsmittel hindurchströmt.

Der Abstandshalter 30 ist dünner als die doppelte Dick», des Wandlers. Ein Rahmen 33 ist auf dem Abstandselement 30 gelagert und innen größer als die öffnung 31 des Abstandselements 30. Das Bezugszeichen 34 bezeichnet eine Befestigungsplatte 34, die für die Anbringung über dem Rahmen vorbereitet ist.

Bei der Wäsche wird ein Substrat 35 mit aufgeklebtem Plättchen 36 so eingebracht, daß das Abstandselement 30 das Substrat 35 trägt, wie es in F i g. 9 gezeigt ist. Dann wird die Befestigungsplatte 34 an den anderen Teil angebracht, wobei das Substrat 35 zwischen das Abstandselement 30 und die Befestigungsplatte 36 eingeklemmt ist.

Folglich ist das Plättchen 36 in dem Raum zwischen der Deckplatte 29, dem Abstandselement 30 und dem Substrat 35 festgehalten. Die Dicke dieses Raumes wird von dem Abstandselement 30 bestimmt, das dünner ist als die doppelte Dicke des Wandlers. Diese Anordnung wird nun zur Wäsche in die Waschmittellösung eingebracht.

Der Schutz der oberen und der unteren Fläche des eingeschnürten Halses erfolgt jedoch wie folgt auf die gleiche Weise, wie oben beschrieben:

Wie in F i g. 1 gezeigt, sind die untere und die obere Fläche des eingeschnürten Halses 2 mit Aussparungen 28 versehen. Damit die Eckenkanten der Plättchenelemente 1 nicht in Berührung mit der Oberfläche der Aussparungen 28 treten können, ist die Konfiguration der Aussparungen 28 so getroffen, wie in den vorgehenden Ausführungsformen erläutert, oder man entfernt die oberen und unteren Ecken 29 der Plättchenelemente 1.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Piezoresistiver Halbleiter-Dehnungswandler mit eingeschnürtem Hals und Sanduhrkonfiguration, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den eingeschnürten Hals (21) gebildete Aussparung (22) tiefer ist als der Kreis, mit dem die Eckkanten eines gleichgeformten Wandlers, der in der gleichen Ebene wie der erste Wandler (2C) beweglich angeordnet ist, in Berührung treten können, und daß der Wandler (20) als Rechteck gestaltet ist, von dem die Ecken entfernt sind.