DE4423596A1 - Piezoresistiver Widerstand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoresistiven Wider­ stand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Es ist bekannt, in Kraft- und/oder Drucksensoren piezoresistive Widerstände einzusetzen, die bei einer entsprechenden Kraft- oder Druckeinwirkung ihren Widerstandswert ändern und so ein auf die einwirkende Kraft schließendes Meßsignal beeinflussen. Weiterhin sind Dickschichtwiderstände bekannt, die in einem nicht, beziehungsweise schlecht leitenden Träger dis­ pergierte elektrisch leitende Widerstandspigmente aufweisen, zwischen denen eine elektrische Leitfähig­ keit besteht. Diese elektrische Leitfähigkeit wird durch elektrisch leitende Pfade zwischen den Wider­ standspigmenten ausgebildet. Diese Pfade zeigen ei­ nerseits eine metallische Leitfähigkeit und anderer­ seits eine sogenannte Tunnel-Leitfähigkeit. Je nach Füllgrad der dispergierten Widerstandspigmente, den Brennbedingungen während der Herstellung der Dick­ schichtwiderstände und der Betriebstemperatur der Dickschichtwiderstände kann sich der Anteil der me­ tallischen Leitfähigkeit und der Tunnel-Leitfähigkeit an der Gesamtleitfähigkeit verändern. Als Tunnel- Leitfähigkeit wird die Leitfähigkeit von Elektronen zwischen den Widerstandspigmenten durch die von dem Träger zwischen den einzelnen Widerstandspigmenten gebildeten Potentialbarrieren bezeichnet. Bei den be­ kannten Dickschichtwiderständen ist nachteilig, daß eine hohe Druckempfindlichkeit der Dickschichtwider­ stände gleichzeitig eine starke Temperaturabhängig­ keit aufweist. Somit besitzen die bekannten Dick­ schichtwiderstände einerseits einen zu niedrigen piezoresistiven Koeffizienten (K-Faktor), der ihre Anwendung in Druck- und/oder Kraftsensoren aus­ schließt, beziehungsweise die große Temperaturab­ hängigkeit führt zu relativ ungenauen Meßergebnissen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße piezoresistive Widerstand mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demge­ genüber den Vorteil, daß dieser einen hohen piezo­ resistiven Koeffizienten, das heißt eine erhöhte Druckempfindlichkeit aufweist, wobei die Temperatur­ abhängigkeit gering ist. Dadurch, daß die elektrische Leitfähigkeit zwischen den dispergierten Widerstands­ pigmenten im wesentlichen über eine große Anzahl von Tunnelübergängen zwischen den Widerstandspigmenten erfolgt, ist es sehr vorteilhaft möglich, den piezo­ resistiven Koeffizienten des Widerstands zu erhöhen. Gerade durch das gezielte Einbauen von Potential­ barrieren zwischen den Widerstandspigmenten wird das elektrische Verhalten des Widerstands vor allem von den durch das Trägermaterial nicht durchgehenden leitenden Pfaden beeinflußt. Es wird erreicht, daß bei einem hohen Füllgrad des piezoresistiven Wider­ standes viele Tunnelbarrieren (Potentialbarrieren) zwischen den Widerstandspigmenten bestehen und der Widerstand nicht im Übergangsbereich zum Isolator liegt, wobei hier die größte Druckabhängigkeit des Widerstands gegeben ist. Dies resultiert aus der Tat­ sache, daß die Potentialbarrieren am empfindlichsten auf Geometrieänderungen reagieren, die beispielsweise infolge eines Auftretens einer äußeren Druckkraft er­ folgen. Hierdurch erfolgt eine Änderung der relativen Abstände der leitfähigen Widerstandspigmente zueinan­ der, so daß sich die Stärke der Potentialbarrieren zwischen den Widerstandspigmenten verkleinert. Auf­ grund hier nicht näher zu betrachtender - allgemein bekannter - quantenmechanischer Modelle erhöht sich mit verringerter Schichtdicke der Barrieren die elek­ trische Leitfähigkeit des gesamten piezoresistiven Widerstands. Die einen Ladungsträgeraustausch bewir­ kenden Elektronentunneln hierbei die Potentialbar­ rieren in mehr oder minder größerem Maß.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß die Widerstandspigmente von extrem fein­ körnigem Material gebildet werden. Durch die Feinkör­ nigkeit, die vorzugsweise eine Korngröße von ca. 1 nm bis ca. 20 nm aufweist, kann der Füllgrad des Wider­ standes mit Widerstandspigmenten erhöht werden, so daß es aufgrund der Perkolationstheorie zu einer er­ höhten Anzahl von durch das Trägermaterial gebildeten Potentialbarrieren zwischen den Widerstandspigmenten kommt. Diese erhöhte Anzahl von Potentialbarrieren bewirkt - wie bereits erwähnt - eine Erhöhung des K- Faktors des Widerstandes.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß die Widerstandspigmente mit einer das Trä­ germaterial ergebenden Hülle umhüllt sind, so daß bei einem nachfolgenden Sinterprozeß gewährleistet ist, daß zwischen den benachbarten Widerstandspigmenten ausschließlich Potentialbarrieren und somit eine gro­ ße Anzahl von Tunnelübergängen entstehen, und hiermit die elektrische Leitfähigkeit des gesamten Wider­ stands im wesentlichen ausschließlich durch die Tun­ nel-Leitfähigkeit bestimmt wird. Ein derartiger Wi­ derstand hat somit einen größeren elektrischen Wider­ stand, da der Anteil an direkter metallischer Leitfä­ higkeit zwischen benachbarten Widerstandspigmenten vernachlässigbar klein beziehungsweise nicht vorhan­ den ist.

Bei den erfindungsgemäßen piezoresistiven Widerstän­ den fällt der elektrische Widerstand unter Druck und steigt unter Spannung. Die relative Widerstandsände­ rung ist im gesamten Druckbereich als linear anzuneh­ men. Der Transport des die elektrische Leitung durch den Widerstand ergebenden Transportmechanismus der Elektronen, das heißt, erfindungsgemäß vor allem die Tunnel-Leitung, besitzt hierbei den dominierenden An­ teil am piezoresistiven Effekt des gesamten Wider­ stands. Die Temperaturabhängigkeit wird durch einen von außen einwirkenden Druck nicht verändert. Die Kurve, welche die Temperaturabhängigkeit beschreibt, wird durch eine unter von außen angelegten Druck erfolgte Widerstandsänderung lediglich verschoben. Eine Änderungsrate der Temperaturabhängigkeit gegen­ über dem Druck hängt hierbei lediglich vom leit­ fähigen Widerstandspigment ab.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merk­ malen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs­ beispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die sche­ matisch einen Schnitt durch einen piezoresistiven Widerstand zeigt, näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Figur zeigt einen allgemein mit 10 bezeichneten piezoresistiven Widerstand. Dieser weist eine Anzahl, hier lediglich schematisch angedeutet, von elektrisch leitenden Widerstandspigmenten 12 auf. Die Wider­ standspigmente 12 bestehen dabei beispielsweise aus Rutheniumoxid RuO₂ oder aus Barium-Rutheniumoxid BaRuO₃. Die Widerstandspigmente 12 sind mit einer Umhüllung 14 versehen, wobei jedes der Widerstands­ pigmente 12 diese Umhüllung 14 aufweist. Die Formge­ bung der Widerstandspigmente 12 und damit der Umhül­ lung 14 ist vollkommen beliebig und richtet sich ausschließlich nach der zufälligen Ausbildung der äußeren Form der Widerstandspigmente 12. Diese können beispielsweise kugelig, kantig oder mit Graten ver­ sehen vorkommen. Die Widerstandspigmente 12 können dabei eine Korngröße von ca. 1 nm bis ca. 20 nm auf­ weisen. Die Umhüllung 14 wird von einer vorzugsweise wenige Atomlagen starken Glasschicht, beispielsweise modifizierten Bleiborsilikatgläsern, gebildet, die beispielsweise durch Aufdampfen oder durch eine Abscheidung über eine sogenannte Sol-Gel-Technik auf­ gebracht wird. Im Ursprungszustand liegt somit ein nanokristallines Pulver vor, wobei jedes der einzel­ nen Widerstandspigmente 12 mit der Umhüllung 14 ver­ sehen ist. Dieses nanokristalline Pulver wird an­ schließend in an sich bekannter Art und Weise ver­ sintert, wodurch ein fester Verbund der einzelnen mit der Umhüllung 14 versehenen Widerstandspigmente 12 erfolgt. Die Umhüllung 14 bildet somit gleichzeitig einen Träger 16 für den Widerstand 10 aus, so daß das Versintern praktisch ohne einen weiteren Glaszusatz, gegebenenfalls lediglich durch einen minimalen Zusatz an Glasbindern, erfolgen kann.

Die elektrische Leitfähigkeit des gesamten versinter­ ten Widerstands 10 wird im wesentlichen durch eine Tunnel-Leitfähigkeit zwischen den benachbarten Wider­ standspigmenten 12 bestimmt. Eine metallische Leit­ fähigkeit zwischen benachbarten Widerstandspigmenten 12 wird durch die Umhüllungen 14 ausgeschlossen be­ ziehungsweise weitgehend verhindert. Somit ergibt sich eine sehr hohe Zahl von Tunnelübergängen, be­ zogen auf den gesamten Widerstand 10, zwischen den jeweils benachbarten Widerstandspigmenten 12. Die Tunnel-Leitfähigkeit ergibt sich hierbei durch das bereits genannte sogenannte Tunneln von Elektronen zwischen den Widerstandspigmenten 12 durch die von der Umhüllung 14 gebildeten Potentialbarrieren.

Die vorstehend genannten Erläuterungen sollten ledig­ lich zum allgemeinen Verständnis des Aufbaus des er­ findungsgemäßen piezoresistiven Widerstands beitra­ gen. Neben der hier gewünschten und erfindungsgemäß geförderten Tunnel-Leitfähigkeit kommt es in dem pie­ zoresistiven Widerstand 10 gemäß weiterer allgemein bekannter Leitfähigkeitsmodelle zu einer Hopping- Leitfähigkeit, einer Tunnel-Leitfähigkeit, einer me­ tallischen Leitfähigkeit und zu Kombinationen der verschiedenen Leitfähigkeiten. Weitere, hier nicht näher zu betrachtende Einflüsse auf die Leitfähigkeit gehen von dem Füllungsgrad der Widerstandspigmente 12 in dem Widerstand 10 aus.

Die relative Widerstandsänderung des Widerstands 10 in Abhängigkeit eines ausgeübten Druckes, der eine relative Lageveränderung der einzelnen Widerstands­ pigmente 12 zueinander bewirkt, wird durch den K- Faktor definiert. Der K-Faktor ist dabei als relative Widerstandsänderung dividiert durch die relative Längenänderung unter Druck definiert:

Der piezoresistive Anteil des K-Faktors läßt sich vergrößern - wie dargelegt -, wenn die Gesamt- Potential(Tunnel-)-Barriere des Widerstands 10 selbst oder die Anzahl der Tunnelbarrieren insgesamt ver­ größert wird. Dies läßt sich einerseits durch einen höheren Füllgrad infolge einer extrem kleinen Korn­ größe der Widerstandspigmente 12 erreichen. Insgesamt besitzen derartige erfindungsgemäße piezoresistive Widerstände 10 eine minimale Temperaturabhängigkeit.

Claims (8)

1. Piezoresistiver Widerstand mit in einem nicht, be­ ziehungsweise schlecht leitenden Träger dispergier­ ten, elektrisch leitenden Widerstandspigmenten, zwi­ schen denen eine elektrische Leitfähigkeit besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leit­ fähigkeit zwischen den Widerstandspigmenten (12) im wesentlichen über eine große Anzahl von Tunnelüber­ gängen (Tunnel-Leitfähigkeit) erfolgt.

2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Widerstandspigmente (12) extrem feinkör­ nig sind.

3. Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Widerstandspigmente (12) im Bereich zwischen ca. 1 nm bis ca. 20 nm liegt.

4. Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger von einer Umhüllung (14) jedes einzelnen Widerstandspigments (12) gebildet wird.

5. Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (14) aus einer Glasschicht mit definierter Stärke besteht.

6. Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (14) wenige Atomlagen stark ist.

7. Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands­ pigmente (12) aus Rutheniumoxid (RuO₂) bestehen.

8. Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands­ pigmente (12) aus Barium-Rutheniumoxid (BaRuO₃) be­ stehen.