DE3023153C2 - Drehbewegungsdetektor - Google Patents

Description

2. Drehbewegungsdetcktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (t) aus mehreren Schichten besteht, zwischen die mindestens eine Leitcrschlcifc eingebettet ist.

3. Drehbewegungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sielt zwischen den einzelnen Schichten des Trügersubstrats (1) Isolierschichten befinden.

4. Drehbewegungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Leiterschlcifen (2) so übereinandeigcschichtet sind,daß ihrcOricnticrungsebenen parallel verlaufen und daß die einzelnen Lciierschleifcn elektrisch hintereinander geschaltet sind.

5. Drehbewegungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Leiterschleifen (2) im Winkel zueinander angeordnet sind.

6. Drehbewegungsdeicktor nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder drei Leiterschleifen (2) so angeordnet sind, daß ihre Achsen rechtwinklig zueinander orientiert sind.

7. Drehbewegungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden durch einen Schottky-Übcrgang zwischen den Leiterschlcifen (2) und dem Trägersubstrat(l)gebildet sind.

8. Drehbewegungsdctektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekttransistoren oder die Dioden durch einen pn-Übergang zwischer den Leiterschleifen (2) und dem Trägersubstrat (1) gebildet sind.

Die Erfindung be/iehi sich auf einen Drehbewe· gungsdetektor mit einem stromdurchllossenen leitenden Element.

Die Erfassung von Drehbewegungen isl insbesondere

bei navigatorischen Aufgaben, z. B. bei einer Schiffsoder Flugzeugsteuerung von großer Bedeutung, da hierbei die direkte Erfassung der Lagekoordinaten bezüglich des Erdsystems mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden ist. Bei Kenntnis des Zeitverlaufs und der absoluten Werte der Longitudinal- und Winkelgeschwindigkeiten kann jedoch die Lage des Bewegungsobjektes relativ zu einem bekannten und festen Bezugspunkt, z. B. dem Ablege- oder Abflugsort, bestimmt werden.

Die klassischen Drehbewegungsdetektoren sind die den Kreiseleffekt ausnützenden Kreiselkompaßsysteme. Bei diesen stabilisiert ein sich um eine durch seinen Schwerpunkt gehende Achse drehender Körper durch seine Drehung seine Lage im Raum. Versucht man nun, die Dreh- bzw. Drallachse des sich drehenden Körpers, im folgenden Kreisel genannt, aus ihrer Lage zu drehen, so setzt der Kreisel aufgrund seines durch die Rotation entstehenden Drallvektors der Verdrehung einen Widerstand entgegen, der um so größer ist, je größer die Masse und die Umdrehungszahl bzw. Kreisfrequenz des Kreisels ist. Weiterhin versucht der Kreisel aus seiner Normallage um eine Achse auszubrechen, die senkrecht auf der von Drehrichtung und Kreiselachse aufgespannten Fbcnc steht. Die Winkelgeschwindigkeit άΦ/at der Drehbewegung in diese Richtung ist abhängig von der Drehzahl to und dem Trägheitsmoment (9oes Kreisels und von den von außen angreifenden Moment M und berechnet sich nach der Formel

άΦ dt

θ- ω '

(siehe auch Mönch, »Technische Mechanik«, Oldenburg

j5 Verlag München-Wien, 1971, S. 249 ff).

Die Winkelgeschwindigkeit, mit der der Kreisel bei einem äußerlich angreifenden Moment auszubrechen versucht, ist um so kleiner, je größer seine Drehzahl und sein Trägheitsmoment sind. Das Beharrungsvermögen eines Kreisels gegenüber äußeren Drehkräften macht man sich zunutze, indem man ihn kardanisch lagert und ihm somit die Möglichkeit gibt, trotz Einwirkung von äußeren Drehmomenten auf die Trägerplattform der kanonischen Aufhängung seine Normallage beizubehalten. Bei einer von außen aufgebrachten Drehung verändert sich damit naturgemäß die Orientierung der Trägerplattform zur Kreiselachse und damit zwangsweise die Stellung der einzelnen Rahmen der kardanischen Aufhängung zueinander. Durch Messung der Rahmen-Stellungen läßt sich somit leicht eine Aussage über die Stellung der im Normalfall fest mit dem bewegten Objekt verbundenen Trägerplatte relativ zur Kreiselachse ableiten.

Der Aufbau eines solchen Kreiselsystems erfordert größte Genauigkeit und ist sehr materialintensiv. So muß der Kreisel zur Vermeidung innerer Störmomente unwuchtfrei sein, es muß an seiner Drehachse ein kräftiger Motor befestigt werden, der den Kreisel in schnelle Drehbewegungen versetzen kann, das kardanische Gewi häuse muß stabil und seine Lagerungen zur Verringerung der durch die Lagerreibungskräfte auf das Trägheilselcment ausgeübten Koerzitiv-Drehniomenten möglichst reibungsarm ausgeführt sein. Die dennoch auftretenden Störmomente. die auch durch eventuell

n'i divh/ahlabhängige Trägheitsmassen-l Ingleichgcw ichic bedingt sein können, fuhren zu Drifterscheiniingen. die kompensiert werden müssen. Weiterhin ist die |usül-IUtIL' bei der jeweiligen Inbetriebnahme des sLh .i>:l-

grund der Erddrehung in Nord-Süd-Richtung einstellenden Kreiselsystems aufgrund von Hochlauf- und Einschwingvorgängen sehr langwierig und kann bis zu einer Stunde dauern.

Zur Vermeidung dieser Nachteile sind bereits elektronische Geräte bekannt, die im wesentlichen ohne mechanisch bewegte Teile auskommen. So ist z. B. aus der DE-AS 23 48 890 ein Ringlasersystem bekannt. Bei dieser Technik werden bei Rotation um eine Hauptachse auftretende Differenzfrequenzen zwischen in Gegenrichtung laufenden, eine geschlossene Bahn bildenden Laserstrahlen ausgewertet

Weiterhin sind z. B. aus DE-AS 23 47 149 Magnetometersonden bekannt, deren in einem homogenen Magnetfeld auftretenden magnetischen Resonanzen sich bei einer Drehung in ihrer Frequenz verändern.

Ferner sind z. B. aus der US-PS 31 03 620 Nuklearkreiselsysteme bekannt. Bei einem Nuklearkreiselsystem durchsetzen mehrere magnetische Felder einen mit zwei unterschiedlichen Substanzen gefüll* zn Behälter. Jede Substanz wird durch ein magnetisches Wechselfeld zur Ausführung einer Präzissionsbewegung (Lamorfrequenz um die Achse einei zugehörigen — einseitig gerichteten Magnetfeldes gezwungen. Die Phasen der Präzissionsfrequenzen der beiden Substanzen werden gemessen und verglichen.

Aus der US-PS 28 71 703 ist schließlich ein Elektronenkreisel bekannt. Dieser Kreisel besteht im wesentlichen aus einem konkaven kupfernen Speicherring, auf dem am größten Umfang eine ca. 5 cm hohe supraleitende Niobiumnitrid-Schicht aufgebracht ist. Über eine Spule wird in der supraleitenden Schicht ein bestimmter Ring-Strom eingestellt. Dieser Strom verläuft aufgrund der Zentrifugalkraft auf die Elektronen äquatorial. Durch Kreiselwirkungen wird dieser Strom aus seiner Normallage abgelenkt, was mit Magnetometern gemessenwird.

All diese elektronischen Geräte sind in ihrem konstruktiven Aufbau sehr aufwendig, haben daher auch einen relativ hohen Raumbedarf und erfordern umfangreiche meßtechnische Maßnahmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektronischen Drehbewegungsdetektor zu schaffen, der leicht in besonders geringen Abmessungen herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Mit der Erfindung wird ein Meßsystem zur Erfassung von Drehbewegungen geschaffen, das Drehbewegungen eines Systemsohne mechanisch bewegte Einzelteile erfaßt, sehr kompakt und mit geringem Gewicht herstellbar ist, sehr geringen Leistungsbedarf hat und sehr schnell justierbar ist. Das Meßsystem ist dabei nicht nur bei Navigationsaufgaben, z. B. bei der Schiffs- oder Flugzeugsteuerung, sondern auch bei einer z. B. im Sinne einer Überwachung erwünschten Erfassung von Drehbewegungen von Maschinen bzw. Maschinenteilen oder ähnlichem aufgrund seiner äußerst geringen und kompakten Abmessungen einsetzbar.

Dem Drehbewegungsdetektor liegt das folgende Prinzip zugrunde: Fließt ein Strom durch eine kreisförmig ausgebildete Leiterschleife, so bewegen sich die den Stromfluß bewirkenden Ladungsträger zwangsweise auf einer Kreisbahn. Bei einer durch äußere Kräfte erzwungenen Drehung der Leiterschleife aus ihrer bisherigen Orientierungsebene verschiebt sich aufgrund des Kreiseleffektes die Bewegungsbahn der Ladungsträger. Die durch die Verschiebung hervorgerufenen Potentialveränderungen werden mit entlang der Leiterschleife angebrachten Leiterelementen erfaßt und durch Vergleich der Zeitverläufe und Absolutwerte der Leiterelement-Ausgangssignale Zeitverlaul, Größe und Richtung der Drehbewegung ermittelt.

Die Masse der am Stromtransport beteiligten Ladungsträger stellt dabei die «Schwungmasse« des »Kreiselrings« dar. Diese »Schwungmasse« bleibt trotz der an einem Ende der Leiterschieile stattfindenden Absaugung von Ladungsträgern konstant, da am anderen

to Ende eine entsprechende Anzahl von Ladungsträgern neu eingespeist wird. Wird eine an die Schleife angelegte, den Stromfluß verursachende Spannung konstant gehalten, so bleibt auch die Geschwindigkeit der Ladungsträger und damit die »Drehzahl« des Kreiselrings konstani.

Die Geschwindigkeit der Ladungsträger berechnet sich aus dem Produkt von Ladungsträgerbeweglichkeit und wirksamer Feldstärke. So liegt z. B. die Ladungsträgerbeweglichkeit μ von η-dotiertem lndium-Antimonid (InSb) mit einer Donatoren-Dotierungsdichte von M₁) = 10" bei μ = 7, 7 χ ΙΟ⁴ cm-VVs bei einer Temperatur von 300 K. (Siehe auch R. Müller, Halbleiterelektronik, Band 1,3. Auflage, Springer Verlag, Berlin, Hamburg, New York. 1979, S. 42, Abb. 21). Unter der Annahme einer kreisförmigen Struktur mit einem mittleren Radius 5 mm. Breite 3 mm und Tiefe 100 μηι ergibt sich für den Bahnwiderstand ca. 80 Ω.

Bei einer an die Leiterschleife angelegten Spannung von 10 V folgt daraus ein Leistungsbedarf von 1,25 W.

Die herrschende Feldstärke ist dabei

ca. 3.3

cm '

die mittlere Elektronengeschwindigkeit

cm

ν = μ χ E = 2.6 x 10³

sec

Bei dieser geringen Geschwindigkeit ist die Betrachtung der Elektronen als Teilchen und nicht als Wellen durchaus zulässig. Bei der Schleifenlänge /von 3,14 cm ergibt sich eine Verweilzeit T der Elektronen als MajoritätsträgervonT= l/v = 1,2 χ 10-"' sec. Das entspricht einer äquivalenten mechanischen Drehzahl Λ/νοη

N = 60/Γ=5χ ΙΟ⁶

min

Die »Drehzahl« des elektronischen Kreiselsystems ist also erheblich größer als die herkömmlicher mechanischer Kreisel.

Analog zu dem Verhalten mechanischer Kreisel tritt damit eine Stabilisierung der Strombahn um eine durch den Mittelpunkt der Schleife gehende und senkrecht auf der Schlcifencbene stehende Achse auf. jedes Drehmoment mit einer Komponente senkrecht zu dieser Achse führt zwangsweise dazu, daß die Drallachse der Strombahn in die Drehmomentachse einzuschwenken ver-

bo sucht. Das äußert sich als Verkippung der Strombahn innerhalb der Leiterschleife. Dadurch entsteht der meßbare Effekt unterschiedlicher Ladungsträgerdichtenvertcilung. Die daraus resultierenden Raumladungszonenversciiiebungen und Potentialänderungen sind mittels

b5 an den axialen Stirnseiten der l.eiterschleife angebrachten Meß- bzw. Leiterelementcn erfaßbar und auswertbar.

Für eine Abschätzung der Verkippung der Strom-

bahn folgt aus der für herkömmliche Kreisel gülligen Beziehung

θ ■ ω

bei Einsetzen des Elektronen-Trägheitsmoments θ = m ■ r², der oben angegebenen Elektronenwinkelgeschwindigkeit

einer zu messenden Drehgeschwindigkeit

0=250

see

und der »Federsteifigkeit« c, die hier die lonisierungsenergie pro Auslenkung darstellt, ein Wert β « 8.2 · ΙΟ"⁷ rad. Bei der gewählten Geometrie und Dotierung entspricht das der relativen Änderung des Oberflächenpotentials eines pn-Übcrgangcs bzw. MIS-Überganges mit einer max. Raumladungszonc von ca. 0.3 um von etwa 2.8%. Diese Änderung der Raumladungszonenweite läßt sich beispielsweise als Änderung des Kanalwiderstandes eines FET-Transistors registrieren.

Anschließend an die prinzipielle Wirkungsweise des Detektors wird im folgenden der strukturelle Aufbau detailliert beschrieben. Die ringförmige Lciterschleife ist an einer Stelle aufgetrennt und an den so entstandenen Enden mit Zuleitungen elektrisch leitend verbunden. Da der über die Zuleitungen eingespeiste Strom im wesentlichen nur in der Lciterschleife kreisen soll, muß der Übergang an der Berührungsfläche zwischen der Leiterschleife und dem Trägersubstrat grundsätzlich elektrisch sperrend sein.

Diese Sperrwirkung läßt sich durch Anlegen einer Sperrvorspannung zwischen Leiterschleife und Trägersubstrat und durch Wahl geeigneter Materialien erzielen.

Gemäß einer Ausführungsform besteht die Leiterschleife aus dotiertem Halbleitermaterial, das Trägersubstrat aus einem Halbleitermaterial entgegengesetzter Dotierung. Über die Berührungsfläche fließende Diffusionsströme führen zum Aufbau einer Raumladungszone, die als Potentialbarriere ein weiteres Abfließen der jeweiligen Majoritätsirägcr in den jeweils anderen Teil unterbindet und somit die Sperrwirkung hervorruft.

Diese Sperrwirkung ist jedoch auch durch die Ausbildung eines Schottky-Übergangs zwischen Leiterschleife und Trägersubstrat erzielbar. Dabei muß notwendigerweise ein Teil aus Metall, das andere aus einem entsprechenden, mit diesem Metall einen Schottky-Übergang ausbildenden Halbleitermaterial bestehen.

Je nach Wahl der Materialien für Leiterschleife und Trägersubstrat und je nach Herstellungsverfahren kann die Art der gegenseitigen Anordnung unterschiedlich sein. Bei Anwendung der Diffusions- bzw. Maskentechnik wird die Leiterschleife in das Substrat eingebettet, im Fall getrennter Fertigung der beiden Teile jedoch kann sie auf das Substrat aufgebracht sein.

Eine den Unteransprüchen 2 bis 4 entsprechende vorteilhafte Leiterschleifenanordnung besteht in der Übcreinanderschichtung mehrerer, günstigerweisc parallel zueinander orientierten Leiterschleifen mit elektrisch nichtleitenden Zwischenlagen und entsprechender Verbindung der einzelnen Anschlüsse derart, daß die den Stromfluß bewirkenden Ladungsträger gezwungen sind, während des Durchlaufens der Leiterschleifen mehrfache Kreisbewegungen durchzuführen. Die Verbindung der einzelnen Leiterschleifen untereinander erfolgt vorteilhafterweise dergestalt, daß der Strom durch die einzelnen Leiterschleifcn gleichsinnig und somit wie in einer gestuften Spirale kreist. 1st jedoch z. B. eine Kompensation des durch den Stromfluß entstehenden

ίο Magnetfeldes wünschenswert, so kann durch einfache Vertauschung der Verbindungen der Leiterschleifen untereinander erreicht werden, daß der Strom die Leiterschleifcn gegensinnig durchfließt.

Mit einem Detektor in den bislang beschriebenen Ausführungsformen können jedoch analog zu einem herkömmlichen Kreiselsystern Drehbewegungen urn die Miuelpunktsachse nicht erfaßt werden, da diese nur zu einer Verlängerung bzw. Verkürzung der Stromdurchlaufzeit führen. Aus diesem Grunde besteht eine vorteilhafte, in den Unteransprüchen 5 und 6 genannte Weiterbildung darin, zwei oder mehr Leiterschleifen mit den zugehörigen Leiterelementen in einem Meßsystem zu verwenden, deren Achsen winklig und vorzugsweise rechtwinklig zueinander orientiert sind. Durch entsprechende Berechnung der Beiträge der einzelnen Leiterschleifencinheiten sind die gesamten Drehbewegungskomponenten des Trägers, z. B. des Flugzeugs, erfaßbar. Parallel zu den Leiterschleifen sind Leiterelemente zur Erfassung einer der Strombahnverkippung entsprechenden Ladungsträgerwolkenverschiebung aufgereiht. Die Anzahl der Leiterelemente richtet sich dabei nach der gewünschten Auflösungsgenauigkeit und der Empfindlichkeit der verwendeten Leiterelemente. Da der zu erfassende Effekt der Strombahnverkippung innerhalb

J5 der Leiterschleife an diametral gegenüberliegenden Punkten zu entgegengesetzten Effekten führt — so steht z. B., eine entsprechende Drehung der Leiterschleifenmittelpunktsachse vorausgesetzt, einer Anhäufung von Ladungsträgern im oberen Bereich der Leiterschleife im unteren Bereich eine Verarmung an Ladungsträgern gegenüber — genügt es prinzipiell, die Lciterschleife nur zur Hälfte mit Leiterelementen zu überdecken.

Kommt es bei der Anwendung nur darauf an, das Auftreten einer Drehbewegung zu erfassen, ohne deren Größe und Richtung näher bestimmen zu wollen, so genügt es, die Leiterschleife mit nur einem Leiterelemcnt zu versehen. Im normalen Anwendungsfall wird die Leiterschleife jedoch vollständig von Leiterelementen umgeben sein. Zur Erzielung einer gewissen Redundanz und damit zur weiteren Erhöhung der Meßsicherheit können auf beiden Seiten der Leiterschieife Leiterelcmentc angeordnet sein. Liegen sich Leiterelemente der beiden Leiterelementebenen dabei genau gegenüber, so erfassen sie entgegengesetzte Effekte in der Leiterschleife und liefern damit redundante Aussagen, während bei einer Verdrehung der beiden Leiterelementkränze in einer solchen Weise, daß jeweils ein Leiterelement eines Kranzes zwischen zwei Leiterelemente des gegenüberliegenden Kranzes orientiert ist, die Auflösungsgenauigkeit bis um den Faktor 2, verglichen mit einem einzelnen Leiterelementkranz, erhöht ist. Bei entsprechender Schichtung mehrerer Leiterschleifen übereinander und gezielter Ausrichtung der einzelnen Leiterelemente kann die bei einem Einzelkranz durch die räumliche Ausdehnung der Leiterelemente beschränkte Auflösungsgenauigkeil noch weiter erhöht werden.

Die Auswertung der Raumladungsverschiebung sollte so verlustarm wie möglich, also möglichst stromlos erfolgen. Der dazu notwendige, äußerst hohe Eingangswiderstand der Leiterelemente ist mit Feldeffekttransistoren erreichbar, da deren Eingangswiderstand in der Größenordnung von 10^ι:Ω liegen kann. (Grundsätzliches übe^r Feldeffekttransistoren siehe z. B. »Bauelemente der Halbleiter-Elektronik, Halbleitereiektronik«, Band 2, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1979, 2. Auflage, S. 130 ff., von R. Müller.) Die einzelnen Feldeffekttransistoren sind — mit Ausnahme der Gates — in herkömmlicher Weise beschaltet. Dabei können z. B. die einzelnen Drainanschlüsse zusammengefaßt und mit einer gemeinsamen Spannungsquelle verbunden sein. Die einzelnen Gates sind zur Leiterschleife hin orientiert und erfassen die jeweiligen Potentialverhältnisse. Die Drain-Source-Ströme oder die Impedanzen der einzelnen Feldeffekttransistoren werden miteinander verglichen bzw. gemessen. Die bei einer Verkippung der Strombahn innerhalb der Leiterschleife entstehenden unterschiedlichen Potentiale an den einzelnen Gates führen zu unterschiedlichen Drain-Source-Strömen. Durch Ermittlung der Größe und der örtlichen Lage des Erregungsmaximums oder -minimums kann somit die Größe und räumliche Orientierung des angreifenden Drehmoments und die sich durch dieses Drehmoment ergebende neue Lage des Gesamtsystems bezüglich festen Ortskoordinaten bestimmt werden.

Als Leiterelemente sind auch Dioden verwendbar, die zwar bezüglich ihrer Eingangswiderstände nicht die Werte von Feldeffekttransistoren erreichen, dafür aber in der Herstellung einfacher und billiger sind.

In den Unteiansprüchen 7 und 8 genannte Diodenausführungen zeichnen sich durch drastisch vereinfachte Herstellung aus. Diese Dioden entstehen allein aufgrund entsprechender Materialauswahl für die Leiterschleife und das Trägersubstrat an der Berührungs- und Übergangsfläche zwischen diesen beiden Teilen. In diesem Fall muß das Trägersubstrat zur Erzeugung mehrerer Dioden radial unterteilt sein, wobei diese radiale Unterteilung auch durch Einfügung von radial verlaufenden Isolierzwischenschichten in das Trägersubstrat erzielbar ist. Jeder einzelne, durch die Radialunterteilung entstandene Substratabschnitt ist dabei mit einer einen Diodenanschluß darstellenden Elektrode versehen. Die Leiterschleife bildet den gemeinsamen zweiten Diodenanschluß. Liegt ein gewähltes Potential an den einzelnen Substratelektroden, so liegt die Information über eine Drehbewegung in den Veränderungen des Sperr- bzw. Durchlaßstromes der Schottky- bzw. pn-Dioden.

Bei einer Weiterbildung des Systems besitzt das gemeinsame Trägersubstrat eine Steuerelektrode, über die das Potential des Substrats und damit die zwischen diesem und der Leiterschleife liegende Potentialdifferenz z. B. als Sperrspannung steuerbar ist. Die Steuerelektrode ist im allgemeinen mit Masse verbunden; sie kann aber auch an eine gewünschte Spannung angeschlossen sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert

F i g. 1 ist eine Draufsicht auf ein Trägersubstrat mit einer Leiterschleife.

F i g. 2A ist ein Querschnitt durch ein Trägersubstrat mit eingebetteter Leiterschleife.

Fig.2B ist ein Querschnitt durch ein Trägersubstrat mit einer darauf aufgebrachten Leiterschleife.

Γ i g. 3A ist eine vergrößerte Teilansicht eines Trägersubstrats mit aufgebrachter l.citerschleife mit einer einem Betricbsfall ohne Drehung der Zelle entsprechenden, scheniiUiseh eingezeichneten Raumladungsverteilung.

F i g. 3B ist eine vergrößerte Teilansicht eines Ti ägersubsirats mit aufgebrachter Leitcrschleife mit einer bei einer Drehung auftretenden, schematisch eingezeichneten — Rauniladungsverteilung.

ίο Fig.4 ist eine Darstellung einer kompletten Detektoreinheit mit entlang der Leiterschleife aufgereihten Meß- bzw. Leiterclementen.

Fig. 5 ist ein Ausschnitt aus einer Detektoreinheit mit MIS-FET-Leiterelementen oder )unction-FET-Leiterelementen.

Fig.6 ist ein Ausschnitt aus einer Detektoreinheit mit M ES-FET-Leiterelementen.

Wie in Fig. 1 dargestellt, befindet sich eine Leiterschleife 2 in elektrisch sperrendem Kontakt mit einem Trägersubstrat I. Die ringförmige Leiterschleife 2 ist an einer Stelle aufgetrennt und an den so entstandenen Enden mit Zuleitungen 3 elektrisch leitend verbunden.

Das Substrat ist mit einer Steuerelektrode 4 versehen.

In Fig. 2A und 2B sind unterschiedliche Verbindungsmöglichkeiten zwischen der Leiterschleife 2 und dem Trägersubstrat 1 gezeigt. Die Art der Verbindungsherstellung ist zumeist herstellungstechnisch bedingt. So ist in Fig. 2A ein Trägersubstrat mit eingebetteter Leiterschleife gezeigt, wie es z. B. bei Anwendung der Diffusions- bzw. Maskentechnik entsteht. In F i g. 2B ist ein Trägersubstrat mit einer aufgebrachten Leiterschleife dargestellt, die z. B. getrennt gefertigt und anschließend mit dem Trägersubstrat in Verbindung gebracht wurde.

Die Fig. 3A und 3B sind vergrößerte Teilansichten der Fig. 2B mil eingetragener Ladungsverteilung. Dabei wurde beispielhaft der Fall einer auf ein n-dotiertes Halbleiterträgersubstrat aufgebrachten p-dotierten Leitcrschleife gewählt. In F i g. 3A ist die sich ohne Drehung der Leiterschleifenmiuelpunktsachse einstellende Ladungsträgcrverieilung mit entsprechenden Raumladungszonen RLZ dargestellt. In Fig. 3B ist die sich bei einer Drehung der Leiterschleifenmittelpunktsachse in einer zu ihr senkrechten Richtung einstellende Ladungs-

4^r> trägerverteilung qualitativ eingetragen.

F i g. 4 zeigt schematisch den gesamten Grundaufbau einer Meßzelle mit parallel zur Leiterschleife aufgereihten Leiterelementen 5. Die Lehrelemente 5 sind dabei ohne zugehörige Verbindungen eingezeichnet. Sie können z. B. als Feldeffekttransistoren ausgebildet sein.

F i g. 5 zeigt einen Ausschnitt aus einer Meßzelle mit einem MIS-FET-Leiterelemcnt. Dabei bezeichnen 6 ein Gate, 7 eine Isolatorschicht, 8 ein z.B. n⁺-dotiertes Drain mit einem Drainanschluß 9, 10 eine z. B. wie das Drain η⁺-dotierte Source mit einem Source-Anschluß 11 und 12 einen zwischen Source und Drain verlaufenden η-dotierten Kanal. Bei Verwendung eines MIS-Feldeffekttransitors kann das metallische Gate 6 direkt an eine z. B. aus Halbleitermaterial bestehende Leiterschleife 2 angesetzt werden. An der Halbleiter-Metall-Grenzfläche bildet sich bei entsprechender Auswahl der Materialien ein als Potentialbarriere wirksamer Schottky-Effekt aus.

Bei einer weiteren in F i g. 6 dargestellten Ausführung der Meßzelle ist die Leiterschleife direkt als Gateelektrode verwendet. Die Meßzelle ist dabei insgesamt aus mehreren GaAs-MES-Feldeffekttransistoren mit der Leiterschleife als jeweiliges Gate mit folgender Struktur

W- ffii

aufgebaut: Auf eine semiisolierende GaAs-Schicht ist eine Epitaxieschicht 13 aus n-doticrtem GaAs aufgebracht. Auf dieser befindet sich eine /.. B. aus Aluminium bestehende, gleichzeitig als Gateelektrodc und Lciterschleife dienende Metallbahn 2. Raumlich davon getrennt verlaufen beiderseits parallel zur Gatcclektrode z. B. aus einer Gold-Germanium-Legierung bestehende Source- und Drainelektrodenbahncn 10 bzw. 8. Das ndotierte GaAs bildet zusammen mit Aluminium einen sperrenden Schottky-Kontakt für das Gate, während es in Verbindung mit der Gold-Gcrmanium-Legierung einen ohmschen Kontakt für die Source- bzw. Drainelektrode ergibt. Die Elektrodenbahnen 8 und 10 und die Epitaxieschicht 13 sind dabei durch radial verlaufende Isolierschichten unterteilt. Transistoren dieser Art weisen bezüglich der Rauschzahl zur Zeit die besten Daten auf und sind verhältnismäßig einfach herzustellen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

20

JO

35

45

55

b0

b5

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Drehbewegungsdetektor mit einem stromdurchflossenen leitenden Element, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das leitende Element als eine oder mehrere Leiterschleifen (2) in ein Trägersubstrat (1) eingebettet oder auf dieses aufgebracht sind,

b) entweder die Leiterschleifen (2) aus dotiertem Halbleitermaterial und das Trägersiibstrat (1) aus einem Halbleiter entgegengesetzter Dotierung bestehen oder die Leiterschlcifen (2) aus einem Metall und das Trägersubstrat (1) aus einem mit dem Metall einen Sehottky-Übergang ausbildenden Halbleitermaterial besteht,

c) zwischen den l.eiicrschlcifcn (2) und den> Trägei substrat (1) eine Sperrvorspannung angelegt ist,

d) mindestens ein Feldeffekttransistor oder mindestens eine Diode quer zur Leilungsbahn der Leiterschleifen (2) angeordnet und mit einer Spannungsquelle verbunden ist und

e) eine Einrichtung zur Messung des durch den Feldeffekttransistor oder die Diode fließenden Stromes vorgesehen ist.