DE4321254C2

DE4321254C2 - Kraftsensor

Info

Publication number: DE4321254C2
Application number: DE4321254A
Authority: DE
Inventors: Horst Ahlers
Original assignee: Horst Ahlers
Current assignee: JENASENSORIC E.V., 07743 JENA, DE; VIRTUALFAB TECHNOLOGIE GMBH, 07745 JENA, DE
Priority date: 1993-06-25
Filing date: 1993-06-25
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2013-06-26
Also published as: DE4321254A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor mit dem Kräfte, zum Beispiel Druck und/oder Beschleunigung gemessen werden können, mit einem als Halbleiterdiode ausgebil deten Lichtsender und einem als Halbleiterdiode ausgebildeten Lichtempfänger, bei dem die Halbleiterdioden in einem Halbleiterkörper vereinigt und unter Bil dung einer trennenden grabenförmigen Vertiefung derart im gegenseitigen Abstand angeordnet sind, daß der Lichtempfänger im Strahlungsbereich des Lichtsenders liegt.

Sensoren dieser Art sind beispielsweise in dem Buch "Mikroelektronische Senso ren" von Ahlers - Waldmann, erschienen 1989 im Verlag Technik, Berlin auf den Seiten 105 bis 111 mit zahlreichen Literaturnachweisen beschrieben und darge stellt. Auch in der Patentliteratur haben solche Sensoren ihren Niederschlag gefunden. Diese Sensoren arbeiten nach unterschiedlichsten physikalischen Kon zepten und sind relativ aufwendig. Als ein Beispiel ist die DE-OS 35 30 093 zu nennen, nach der ein Lichtwellenleiter-Koppler vorgesehen sein soll, dessen En den jeweils in einem nachgiebigen Element gehalten sind. Dieser Sensor nutzt eine Trägerverformung aus. Ein weiteres Beispiel zeigt die DE-AS 14 89 171, nach deren Lehre Halbleiterdioden (5, 7) zusammen mit einem sie verbindenden Halblei terbereich (1) auf einer steifen Platte (19) verankert sein sollen. Wesentlich ist für diesen Lösungsweg, daß eine mechanisch durch die Kraft bewegte, biegsa me Blende den Lichtweg zwischen den beiden konzentrischen Dioden einengt und so den Lichtstrom moduliert. In der DD-PS 261 673 A1 wird schließlich ein Kraft sensor beschrieben, bei dem durch Einwirkung auf eine Empfängerdiode oder eine Sendediode unterschiedliche Koppeleigenschaften zwischen denselben auftreten. Physikalisch beruht das auf den druckabhängigen Eigenschaften des Halbleiterma terials.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der einleitend angegebe nen Art bei relativ geringem Aufwand so zu gestalten, daß er hinsichtlich der Empfindlichkeit weitgehend den Anforderungen des jeweiligen Benutzungsfalles anpaßbar und auch universell einsetzbar ist.

Gemäß der Erfindung wird hierfür bei einem Kraftsensor der einleitend angegebe nen Art ein anderer Lösungsweg beschritten, der darin besteht, daß der gemeim same Halbleiterkörper im Bereich der die beiden Halbleiter trennenden graben förmigen Vertiefung als biegsame elastische Zunge ausgebildet ist, die an einem Ende mit einer fest einspannenden Halterung versehen ist und an deren anderem, beweglichen Ende eine Angriffsstelle für auf die Zungenfläche wir kende Kräfte vorgesehen ist.

In Weiterbildung der Erfindung wird die Zunge als eine an den Enden nach Art einer Saite oder Membran eingespannte Doppelzunge ausgebildet und der beweg liche Zungenteil als Angriffsstelle für die Kraft vorgesehen.

Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird die elastische Zunge mit einem Biegebalken, insbesondere aus Silizium oder Federmaterial verstärkt. Dieser Biegebalken kann zugleich Träger weiterer elektrischer Bauteile, ins besondere einer integrierten Steuer- und/oder Auswerteschaltung sein.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn über die Zungenlänge verteilt mehrere graben förmige Vertiefungen auf wenigstens einer der beiden Zungenseiten vorgesehen sind, insbesondere derart, daß mehrere auf der Zunge hintereinanderliegende Sensoren gebildet werden. Es können auch mehrere Lichtempfänger in einer Ebe ne um den Lichtsender herum verteilt angeordnet werden. Auch ist es von Vor teil, wenn die Zunge auf den beiden gegenüberliegenden Zungenflächen spiegel bildlich mit Sensoren versehen wird.

Bei der Realisierung der Erfindung kann mit Vorteil auf eine Technologie zu rückgegriffen werden, die in dem erwähnten Buch u. a. auf den Seiten 160 und 162 und in der oben erwähnten Deutschen Patentschrift für einen Sensor zur Untersuchung von Gasen beschrieben ist.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

die Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Sensor in räumlicher Darstellung,

die Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen solchen Sensor und eine mögliche Einspannungsart der Zunge,

die Fig. 3 die Verteilung der Strahlung des Lichtsender in Bezug auf die Lichteintrittsöffnung des Lichtempfängers,

die Fig. 4 die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Sensors als Be schleunigungssensor,

die Fig. 5 eine Mehrfachanordnung erfindungsgemäßer Sensoren zur Stei gerung der Empfindlichkeit und der Redundanz,

die Fig. 6 eine mechanische Reihenschaltung von Sensoren,

die Fig. 7 einen Schnitt durch eine Sensor mit Material- und Maß angaben,

die Fig. 8 einen auf einem Biegebalken befestigten Sensor,

die Fig. 9 einen Sensor mit aufliegendem Biegebalken,

die Fig. 10 einen Sensor für Auftriebsmessungen,

die Fig. 11 einen Sensor für Strömungsmessungen,

die Fig. 12 einen Sensor für die Messung von elektromagnetischer Strah lung und von Wärmestrahlung,

die Fig. 13 einen Sensor zur Bestimmung von Reaktionswärme,

die Fig. 14 einen Sensor zur Messung eines elektrostatischen Feldes,

die Fig. 15 einen Sensor mit einer Einspannung nach Art einer Saite;

die Fig. 16 einen Mehrfachsensor in Aufsicht,

die Fig. 17 einen weiteren Mehrfachsensor,

die Fig. 18 einen Doppelsensor,

die Fig. 19 den durch Differenzschaltung erreichbaren Verlauf des Ausgangssignals eines Doppelsensors nach der Fig. 18,

die Fig. 20 einen Sensor für das Abtastscannen von Oberflächen der beispielsweise zu molekularen Oberflächenstruktur-Unter suchung einsetzbar ist,

die Fig. 21 einen mit einem Skalpell-Messer als Werkzeug versehenen Sensor, das durch den Strom im Lichtsender erwärmt und das durch dessen Licht auch beleuchtet werden kann, und

die Fig. 22 eine Auswerteschaltung zur weitgehenden Ausschaltung störender Umgebungseinflüsse.

In einzelnen der Figuren ist die Halterung beziehungsweise Einspannung des Sen sors der örtlichen Lage nach durch eine Schraffur angedeutet.

Der in der Fig. 1 dargestellte Sensor umfaßt einen Lichtsender 5 und einen Lichtempfänger E, die auf einem n-leitenden GaAsP-Substrat 1 jeweils mittels einer p-leitenden Schicht 2 bzw. 3 in Form eines sogenannten pn-Überganges gebildet werden. Für die Kontaktierung ist auf jeder der beiden Halbleiter dioden eine flächenhafte, lichtundurchlässige Aluminium-Elektrode auf den p- leitenden Schichten 2, 3 vorgesehen. Auf der Unterseite des n-leitenden Substrats 1 befindet sich eine gemeinsame, lichtundurchlässige flächenhafte AuGe-Elektrode zur Kontaktierung. In an sich bekannter Weise sind die den Lichtsender S bildende Halbleiterdiode in Flußrichtung und die den Lichtem pfänger E bildende Halbleiterdiode in Sperr-Richtung zu betreiben. Wird das Material GaAsP benutzt, so hat man einen guten Lichtsender und einen - wenn auch mit geringerer Empfindlichkeit im Vergleich zu Silizium-Fotodioden vorliegenden - Lichtempfänger zur Verfügung.

Der Substratbereich zwischen dem Lichtsender S und dem Lichtempfänger E ist beispielsweise durch Ätzung, Einsägung oder durch Laserbearbeitung stark ver dünnt, sodaß eine elastische Zunge entsteht. An den Enden der Zunge sind S und E. Wird als Ausgangsmaterial eine großflächig mit einem pn-Übergang versehene Substratscheibe verwendet, so lassen sich in vorteilhaft einfacher Weise der Lichtsender und der Lichtempfänger durch eine entsprechende tiefe Ätzung oder Einsägung bilden.

Für die den Lichtsender bildende Halbleiterdiode ist angenommen, daß sie als sogenannte Lumineszenzdiode in Form eines Kantenstrahlers seitlich strahlt. Das Licht tritt also in der durch den pn-Übergang dieser Halbleiterdiode bestimmten Ebene in Richtung der beiden eingezeichneten Pfeile aus. Es ist relativ stark gebündelt und zwar so wie es die Kurve 7 in der Fig. 2 andeutet. Auf der Ab szisse ist der Abstrahlungswinkel α bezogen auf die durch den pn-Übergang be stimmte Ebene aufgetragen und auf der Ordinate die für den jeweiligen Abstrahl winkel relevante Lichtenergie. Unterhalb des Diagramms ist die fotosensible Eintrittsöffnung 8 des pn-Übergangs der Halbleiterdiode angedeutet, die den Lichtempfänger bildet.

Wird - siehe Fig. 3 - der Sensor im Bereich des Lichtsenders S starr gehalten, zum Beispiel mittels einer zugleich der Kontaktierung dienenden Klammer 9, 10 und wirkt auf das freie Ende der Zunge eine Druck- oder Zugkraft P ein, so wird die Zunge leicht gebogen und die sich gegenüberstehenden, zwangskalibrierten Ebenen der pn-Übergänge beider Halbleiterdioden werden gegeneinander verscho ben. Das hat zur Folge, daß - bezogen auf die Fig. 2 - die fotosensible Ein trittsöffnung 8 des Lichtempfängers seitlich gegenüber dem Strahlungsmaximum des Lichtsenders in Richtung auf die gestrichelt eingezeichnete Position ver schoben und damit das Ausgangssignal des Lichtempfängers vermindert wird.

Beim Ausführungsbeispiel besteht die Klammer aus den beiden Teilen 9, 10 die durch eine Isolierung elektrisch voneinander getrennt sind. An den Teilen 9, 10 sind damit die schematisch angedeuteten Anschlußdrähte für die Stromzuführung zum Lichtsender anbringbar. Die Kontaktierung des Lichtempfängers erfolgt, wie bereits erwähnt über die Flächenelektroden 5 und 6. Der elektrische Anschluß der Flächenelektrode 5 kann in an sich bekannter Weise durch einen entsprechen den Anschlußdraht hergestellt werden, während der Anschluß der Flächenelektrode 6 mit dem des Lichtsenders zusammenfällt. Die Teile 9, 10 bestehen aus leitendem Material. Anstelle einer Klammerhaltung kann die Zunge mit ihrem starr zu haltenden Ende auch auf einen entsprechenden Träger aufgelötet wer den. Die Lötverbindung und die elektrischen Anschlüsse können in für Halblei tervorrichtungen bekannter Weise erfolgen.

Ein Sensor dieser Art ist auch als Beschleunigungssensor verwendbar, wenn am freien Zungenende, so wie in der Fig. 4 dargestellt ein Teil M hinreichend großer Masse befestigt wird. Bei Bewegung des Sensors wird dann je nach der Beschleunigung die Zunge in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung in der einen oder in der anderen Richtung ausgelenkt. Dabei ist die Auslenkung eine Funktion der Beschleunigung.

Die beiden Sperrschichten müssen nicht in einer Ebene liegen. Werden sie ge ringfügig höhenversetzt, so ist in der Ausgangsstellung, also bei nicht aus gelenkter Zunge, die Lichteintrittsöffnung außerhalb des Strahlungsmaximums. In der Fig. 3 entspricht dies z. B. der gestrichelt eingezeichneten Lichtein trittsöffnung 8'. Abhängig von der Höhenversetzung sind dadurch entsprechend unterschiedliche Signale am Ausgang des Lichtempfängers erreichbar. Liegt die Lichteintrittsöffnung 8' z. B. mittig auf der Flanke der Strahlung des Licht sender, das heißt auf einer der Flanken der Kurve 7 in Fig. 3, so lassen sich Zug- und Druckkräfte aus dem Ausgangssignal des Lichtempfängers unter scheiden. Durch größeren Höhenversatz ist es auch möglich, daß Auslenkungen der Zunge in einer Richtung kein Ausgangssignal ergeben, während Auslenkungen der Zunge in die andere Richtung ein mit der Auslenkung zunehmendes Signal zur Folge haben.

Werden mehrere Zungenabschnitte nach der Fig. 1, so wie in der Fig. 5 dar gestellt, in Form einer längeren Zunge aneinandergereiht, so wird eine ent sprechende Anzahl von Einheiten aus Lichtsender und Lichtempfänger gebildet. Eine solche Anordnung kann in verschiedener Weise schaltungstechnisch ausge nutzt werden. So kann jede Einheit zur Ableitung eines eigenen Ausgangssi gnals entsprechend den Ausführungen zu den Fig. 1 bis 4 verwendet werden. Es kann aber auch eine Reihenschaltung der Lichtempfänger vorgenommen werden. Dann ist das aus der Reihenschaltung resultierende Ausgangssignal in seiner kraftabhängigen Größenänderung dem Produkt der Änderungen der einzelnen Aus gangssignale proportional. Es werden also schon bei sehr geringen Auslenkun gen, beziehungsweise auf das freie Zungenende einwirkenden Kräften P, relativ große Änderungen des Ausgangssignals erhalten.

Eine solche Reihenschaltung kann auch dazu verwendet werden Einfluß auf die Auswirkungen mechanischer Resonanzen auf das Ausgangssignal zu nehmen. Bei unterschiedlicher Abstimmung der durch die einzelnen Sensorabschnitte be stimmten mechanischen Resonanzen der Zungen lassen sich bei elektrischer Rei henschaltungen der einzelnen Sensoren die Auswirkungen der Resonanzen auf das elektrische Summenverhalten reduzieren oder, falls gefordert auch verstärken. Dies ist in der Fig. 6 durch unterschiedliche Abstände zwischen den einzel nen Sensorabschnitten angedeutet.

Die Sensorempfindlichkeit hängt außer von der Länge des zwischen Lichtsender und zugehörigem Lichtempfänger gelegenen Zungenabschnitts, auch vom Zungen querschnitt und dem Zungenmaterial ab. Je länger der Zungenabschnitt und je geringer die Zungenstärke ist, umso empfindlicher ist der Sensor.

Für Anwendungen des Sensors bei zeitlich stark variablen Kräfte empfiehlt es sich, durch entsprechende Wahl der Abmessungen der Zunge in Abhängigkeit von den Materialkonstanten, die Eigenresonanzen in solche Frequenzbereiche zu le gen, daß sie nicht stören. Es ist andererseits aber auch möglich, die Eigen resonanzen so zu legen, daß sie funktionsbestimmend sind, beispielsweise um bei bestimmten Frequenzen, auszuwerten.

Die Herstellung erfindungsgemäßer Sensoren geschieht zweckmäßig in der Weise, daß in einem, im Vergleich zum einzelnen Sensor großflächigen Substrat in an sich bekannter Weise großflächig ein pn-Übergang beispielsweise durch Diffu sion entsprechender Dotierungsmaterialien hergestellt wird. Das Substrat wird dann durch grabenförmige Vertiefungen, die bis unter den pn-Übergang reichen unterbrochen. Außerdem werden, der späteren Vereinzelung des Substrats in die einzelnen Sensoren dienende Vertiefungen in das Substrat eingebracht. An schließend kann das großflächige Substrat in die einzelnen Sensoren in an sich bekannter Weise zerlegt werden. Als Substratmaterial eignet sich insbe sondere ein Material, das bei entsprechender Dotierung sowohl als Lichtsender und auch als Lichtempfänger geeignet ist, wie Galliumarsenidphosphid, Gal liumphosphid und Siliziumkarbid.

Ein Ausführungsbeispiel für eine solche Ausgestaltung ist in der Fig. 7 ge zeigt, und zwar mit entsprechenden Angaben über die verwendeten Materialien und Abmessungen für die Dicke der einzelnen Schichten und die Tiefe der das Substrat in einen Lichtsender und einen Lichtempfänger aufteilenden graben förmigen Vertiefung V. Die Verwendung von Materialien, die sowohl als Licht sender als auch als Lichtempfänger einsetzbar sind, bringt den zusätzlichen Vorteil, daß bei dem Sensor die Senderseite ohne Schwierigkeiten mit der Em pfängerseite durch entsprechend unterschiedlichen Betrieb vertauscht werden kann.

Vor allem bei starker mechanischer Belastung der Zunge ist es von Vorteil, wenn das den Sensor bildende Substrat mit einem Biegebalken, zum Beispiel aus Silizium oder einem Federmaterial, wie Federbronze verstärkt ist. Dieser kann zugleich Träger einer integrierten Schaltung sein, die zum Beispiel der Aus wertung des Sensorsignals und/oder der Steuerung des Lichtsenders dient. Aus führungsbeispiele für den Biegebalken zeigen die Fig. 8 und 9. Der Sensor kann dabei mit seiner Unterseite auf dem Biegebalken B, wie in der Fig. 8 ge zeigt, liegen oder, wie in der Fig. 9 gezeigt, mit dem Biegebalken B auf der Seite von Lichtsender und Lichtempfänger abgedeckt sein. Die Verwendung eines Metalles ist vor allem dann von Interesse, wenn damit die Kontaktierung der Schicht vorgenommen wird, die dem Lichtsender und dem Lichtempfänger elek trisch gemeinsam ist.

Der erfindungsgemäße Sensor ist auch als Auftriebsmesser ausbildbar. Hierzu ist an das bewegliche Zungenende, wie in der Fig. 10 gezeigt, ein Auftriebs körper AK an das freie Zungenende anzubringen. Beim Eintauchen in eine Flüs sigkeit wirkt dann auf das freie Zungenende die auftretende Auftriebskraft, die damit über den Sensor meßbar wird. Der Auftriebskörper kann auch die Form und das Profil eines hydromechanischen Flügels erhalten, wodurch dann mit dem Sensor indirekt auch Strömungsgeschwindigkeiten von Gasen oder Flüssigkeiten meßbar werden. Es ist aber auch möglich den Druck von strömenden Gasen oder Flüssigkeiten mit einem erfindungsgemäßen Sensor dadurch zu messen, daß man die Strömung St auf das freie Zungenende einwirken läßt, wie es die Fig. 11 schematisch zeigt.

Der Sensor läßt sich auch als Strahlungsdetektor einsetzen, wenn - wie in der Fig. 12 schematisch gezeigt - der Lichtsenderbereich und/oder der Lichtem pfängerbereich mit einer als Bolometer wirkenden Schicht Bo versehen wird, die durch die aufgenommene Strahlung erwärmt wird und dabei mechanische Ver spannungskräfte auf die Zunge des eigentlichen Sensors ausübt. Bei dem Bei spiel nach der Fig. 12 ist die Bolometerschicht Bo auf dem freien, den Licht empfänger tragenden Zungenende vorgesehen.

Wird statt der Bolometerschicht, so wie in der Fig. 13 gezeigt, ein wärme produzierendes Mikroreaktorgefäß MR aufgebracht, so treten die erwähnten Ver spannungskräfte dann auf, wenn im Mikroreaktor MR ein Wärme erzeugender bio logischer oder chemischer Vorgang abläuft. Das Mikroreaktorgefäß kann mit der Reaktionswärme auch direkt auf den zwischen dem Lichtsender und dem Licht empfänger gelegenen Zungenbereich einwirken und dort angeordnet werden. Man kann auch Kraftwirkungen chemischer oder biologischer Vorgänge oder Reaktio nen unmittelbar an dem beweglichen Zungenende des Sensors angreifen lassen.

Bekanntlich entwickeln auch akustische, elektrostatische und magnetische Fel der mechanische Kräfte. Läßt man diese auf das freie Zungenende einwirken, so können sie mit dem Sensor gemessen werden. Das läßt sich zum Beispiel dadurch realisieren, daß wie in der Fig. 14 dargestellt, das Substrat des Sensors als eine der beiden Elektroden eines Kondensators C verwendet wird, in dem ein durch ein elektrische Spannung Uc erzeugtes elektrostatisches Feld gege ben ist.

Bei den bisherigen Ausführungbeispielen erfolgt die Halterung am beweglichen Zungenende. Die Halterung kann jedoch auch an beiden Enden erfolgen, sodaß die Gesamtanordnung mehr einer Saiten- oder Membranhalterung entspricht. Ein Beispiel hierfür zeigt die Fig. 15. In einer U-förmigen Halterung H ist der eigentliche Sensor eingespannt. Dabei ist ebenso wie bei den übrigen Ausfüh rungsbeispielen darauf zu achten, daß bei Ausführung der Halterung aus leit fähigem Material, insbesondere Metall, die pn-Übergänge von Lichtsender und Lichtempfänger nicht kurzgeschlossen werden. Das kann zum Beispiel dadurch sichergestellt werden, daß zwischen der jeweiligen Halterungswand und dem Lichtsender bzw. dem Lichtempfänger ein kleiner Zwischenraum (Z in Fig. 14) freigelassen wird und nur das eigentliche Substrat unmittelbar anliegt oder die Halterung - wie in der Fig. 15 dargestellt - unterhalb des pn-Übergangs angreift. Es kann mechanisch eingespannt oder in das U-Profil eingelötet sein. Durch auf den Sensor in seinem mittleren Bereich P oder auf die Seiten wände des U-Profils ausgeübten Druck P tritt eine Verformung der Zunge im Sinne eine Biegung ein. Eine entsprechende Dehnung ergibt eine gleichartige Wirkung.

Die grabenförmigem Vertiefungen V können bei einem erfindungsgemäßen Sensor nicht nur auf einer Seite sondern auch auf beiden Seiten des Trägers, insbe sondere des Substrats vorgesehen werden. Auch ist die austretende Lichtstrah lung des Lichtsenders, gegebenenfalls in Verbindung mit optischen Mitteln für Drittanwendungen nutzbar. Auch können, so wie in der Fig. 16 gezeigt, meh rere Sensoren mechanisch im Bereich des Lichtsenders parallel angeordnet wer den. Beim Beispiel sind vier Zungen vorgesehen, denen Lichtempfänger am frei en Zungenende zugeordnet sind, während ein einziger Lichtsender allen Senso ren gemeinsam ist und mit seinem Substrat die Zungen mechanisch trägt.

In der Fig. 17 ist eine Ausführungsform wiedergegeben, bei der der Träger bzw. ein großflächiges Substrat nach Art einer Membran gehalten wird, in dessen Mitte ein Lichtsender S liegt, um den vier Lichtempfänger E angeordnet sind. Die auf die Membran einwirkende Kraft beeinflußt abhängig von ihrer An griffsrichtung die einzelnen Sensoren unterschiedlich, sodaß auch eine Infor mation über die Angriffsrichtung der Kraft aus dem Sensormodul ableitbar ist. Es können analog auch mehrere Lichtsender um einen Lichtempfänger angeordnet sein.

Der Sensor kann auch, wie in der Fig. 18 gezeigt als Doppelsensor - bezogen auf das Substrat - ausgebildet werden. Das eröffnet die schaltungstechnische Möglichkeit für eine elektrische Differenzschaltung der beiden Sensoren, wenn diese entsprechend den Fig. 2 und 3 höhenversetzte pn-Übergänge haben. Die Art der dadurch erzielbaren Differenzkennlinie ist zum besseren Verständnis in der Fig. 19 wiedergegeben. Mit Ua ist die Sensorausgangsspannung und mit d die Sensorauslenkung bezeichnet.

Der erfindungsgemäße Sensor ist auch als, vor allem hochauflösender, Abtaster verwendbar. Wird, wie in der Fig. 20 gezeigt, das freie Zungenende mit einem Abtastet versehen, der in eine feine Spitze beispielsweise von weniger als 1 µm ausläuft und der Abtaster mit der Spitze über eine zu scannende Oberfläche ge führt, so ist das Ausgangssignal ein den Oberflächenverlauf entlang der Scan bahn wiedergebendes elektrisches Signal, das aufgezeichnet oder auf dem Bild schirm eines Oszillographen wiedergegeben werden kann.

Bei Schneid-, Schweiß- und Koagulierungsarbeiten, vor allem im medizinischen Bereich wäre es oft erwünscht, die jeweils auf das Objekt einwirkende Kraft während des entsprechenden Vorgangs zu messen beziehungsweise zu überwachen. Der erfindungsgemäße Sensor ist auch hierfür einsetzbar, indem an das freie und bewegliche Zungenende das entsprechende Werkzeug, zum Beispiel ein Messer Mr angesetzt oder das Zungenende als Messer ausgebildet wird. Dieser Fall ist in der Fig. 21 dargestellt. Dabei kann ein Teil des vom Lichtsender abgegebenen Lichts zugleich zur Beleuchtung der Arbeitsstelle verwendet werden. Wird der Lichtsender auf dem beweglichen Zungenende vorgesehen, die das entsprechende Werkzeug trägt, so ist nicht nur die Beleuchtung leicht realisierbar. Es kann vielmehr gegebenenfalls auch die vom Lichtsender erzeugte Verlustwärme zur Er hitzung des Werkzeug Verwendung finden. Dazu kann auch der den Lichtsender durchfließende Strom erhöht werden.

Lichtsender und Lichtempfänger sind auch als Vierpol schaltbar. Das kann, wie in der Fig. 22 schaltungstechnisch gezeigt, in an sich bekannter Weise auch zur Minderung des Einflusses von Umgebungsstörungen benutzt werden. Diese Mög lichkeit kann bei einem erfindungsgemäßen Sensor dadurch realisiert werden, daß ein entsprechendes Modulationssignal MS zum einen dem Lichtsender S und zum an deren einer als Phasenvergleicher wirkenden Multipliziererschaltung MP zuge führt wird, die als weiteres Signal das Ausgangssignal des Lichtempfängers E erhält. Durch Nachschalten eines nur das gewünschte Signal durchlassenden Tief passes TP wird dadurch ein nahezu störfreies Signal erhalten. In Abwandlung dieses Prinzips kann die Modulation auch dadurch erfolgen, daß im Lichtsender und/oder Lichtempfänger durch Stromstöße akustische und/oder Temperaturwellen erzeugt werden, die den Elastizitätmodul des sich zwischen ihnen befindlichen Substrats modulieren.

Anstelle von Halbleiterdioden sind auch andere Lichtquellen geeignet, wenn sie, gegebenenfalls unter Anwendung zusätzlicher Mittel, die an die Strahlungscha rakteristik zu stellenden Forderungen erfüllen.

Claims

1. Kraftsensor mit einem als Halbleiterdiode ausgebildeten Lichtsender und einem als Halbleiterdiode ausgebildeten Lichtempfänger, bei dem die Halb leiterdioden in einem Halbleiterkörper vereinigt und unter Bildung einer trennenden grabenförmigen Vertiefung derart im gegenseitigen Abstand an geordnet sind, daß der Lichtempfänger im Strahlungsbereich des Lichtsen ders liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Halbleiterkörper im Bereich der die beiden Halbleiter trennenden grabenförmigen Vertiefung als biegsame elastische Zunge ausgebildet ist, die an einem Ende mit einer fest einspannenden Halterung versehen ist und an deren anderem, bewegli chen Ende eine Angriffsstelle für auf die Zungenfläche wirkende Kräfte vorgesehen ist.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge als eine an den Enden nach Art einer Saite oder Membran eingespannte Doppel zunge ausgebildet ist, und daß der bewegliche Zungenteil als Angriffsstel le für die Kraft vorgesehen ist.

3. Kraftsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ela stische Zunge mit einem Biegebalken, insbesondere aus Silizium oder Fe dermaterial verstärkt ist.

4. Kraftsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken zugleich Träger weiterer elektrischer Bauteile, insbesondere einer inte grierten Steuer- und/oder Auswerteschaltung ist.

5. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß mehrere, über die Zungenlänge verteilte grabenförmige Vertiefun gen auf wenigstens einer der beiden Zungenseiten vorgesehen sind, insbe sondere derart, daß mehrere auf der Zunge hintereinander liegende Sensoren gebildet werden.

6. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß mehrere Lichtempfänger in einer Ebene um den Lichtsender und/oder mehrere Lichtsender in einer Ebene um den Lichtempfänger verteilt angeord net sind.

7. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Zunge auf den gegenüberliegenden Zungenflächen spiegelbild lich mit Sensoren versehen ist.

8. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß zur Bestimmung einer Beschleunigung an dem beweglichen Zungenende eine definierte, zusätzliche Masse vorgesehen ist.

9. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung einer Auftriebskraft an dem beweglichen Zungenende ein Auf triebskörper vorgesehen ist.

10. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Flüssigkeits- oder Gasstrahles das bewegliche Zungenende mit einem Strömungswiderstandsteil versehen ist.

11. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung elektrostatischer, magnetischer oder akustischer Felder das bewegliche Zungenende als Einwirkungsstelle vorgesehen und mit entsprechen den Einwirkungsteilen, wie ferromagnetischem oder magnetischem Material für magnetische Felder, versehen ist, die bei Einwirkung von Feldern Kräfte auf das Zungenende ausüben.

12. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Energie elektromagnetischer Strahlung das bewegliche Zungenende mit einem als Strahlenabsorptionsteil ausgebildeten Einwirkungs teil versehen ist, das sich bei Aufnahme von Strahlung erwärmt und dabei mechanische Verspannungskräfte auf das Zungenende ausübt.

13. Kraftsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung eines elektrostatischen Feldes der bewegliche Teil des Sensors als eine der beiden Elektroden eines das Feld enthaltenden Kondensators vorgesehen ist.

14. Kraftsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der bei chemischen und/oder biologischen Vorgängen entste henden Reaktionswärme an dem beweglichen Zungenende ein Mikroreaktor der art angeordnet ist, daß die in ihm anfallende Reaktionswärme an die Zunge abgeben wird.

15. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Zungenende als Werkzeug und/oder Werkzeugträger vorgesehen ist.

16. Kraftsensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug ein Abtaster, insbesondere eine Abtastspitze zum Oberflächenscannen ist.

17. Kraftsensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug ein Schweißwerkzeug für Koagulationszwecke oder ein Messer ist.

18. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender mit seiner Verlustwärme zur Erwärmung des Werkzeugs vorgesehen ist.

19. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht des Lichtsenders zugleich zur Beleuchtung der Arbeitsstelle des Werkzeugs vorgesehen ist.

20. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß mehrere gegensinnig auf eine an der Federzunge angreifende Kraft reagierende Sensoren vorgesehen sind, und daß diese Sensoren hinsichtlich ihrer elektrischen Auswertung gegensinnig geschaltet sind.

21. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der sich durch Krafteinwirkung verändernde laterale Schichtwider stand eines Leitfähigkeitsgebietes im Lichtempfängers zusätzlich als Maß für die auf den Sensor einwirkende Kraft vorgesehen ist.

22. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß für den Lichtsender eine Modulationsschaltung vorgesehen ist, daß eine Signalmultiplikationsschaltung vorgesehen ist, der außer dem Modula tionssignal auch das Ausgangssignal des Lichtempfänger zugeführt wird, und daß der Signalmultiplikationsschaltung ein der Aussiebung des Nutzsignals dienendes elektrisches Filter nachgeschaltet ist.