DE69209804T2

DE69209804T2 - Piezoresistiver Kraftwandler

Info

Publication number: DE69209804T2
Application number: DE69209804T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Morikawa; Yutaka Nonomura; Yoshiteru Omura; Kouji Tsukada
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1992-12-22
Publication date: 1996-11-28
Anticipated expiration: 2012-12-23
Also published as: JPH0557856U; EP0548907B1; EP0548907A2; EP0548907A3; US5341688A; DE69209804D1; JP2553199Y2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Druckwandler, bei dem der piezoresistive Halbleitereffekt für die Umwandlung einer Belastung in ein elektrisches Signal eingesetzt wird, und insbesondere auf einem π'&sub6;&sub3;-Wandler, bei dem eine Kraft unter rechtem Winkel auf die Kristallfläche eines Einkristalls aus Silizium ausgeübt wird und eine Spannung, die entsprechend der ausgeübten Kraft abgegeben wird, von der Richtung, die unter rechtem Winkel zu der Richtung des Stromflußes verläuft, abgegriffen wird.
Herkömmliche Strukturen von Kraftwandlern, bei denen der piezoresistive Halbleitereffekt als eine Erfassungsmethode eingesetzt wird, bestehen aus Gestaltungen, bei denen eine Kraft auf einen Halbleiter wie etwa Silizium oder Germanium über ein Medium ausgeübt wird, und aus Gestaltungen, bei denen die Kraft direkt auf einen Halbleiter ausgeübt wird. Weiterhin wurden herkömmlicher Weise Erfassungsmethoden wie etwa die nachstehende Methode eingesetzt: Es wird eine Ausgangsspannung aus der Änderung des Widerstandswerts bei dem vorstehend erläuterten Halbleiter aufgrund der ausgeübten Kraft gewonnen; diese Änderung des Widerstandswerts wird in eine Wheatstone-Brückenschaltung eingefügt und es wird eine Ausgangsspannung von der Schaltung abgegriffen; und ein Verfahren, das als die π'&sub6;&sub3;-Methode bekannt ist, bei dem die Richtung, in der der elektrische Strom fließt, die Richtung der Detektion der Spannung und die Richtung der ausgeübten Kraft jeweils alle gegenseitig in rechtem Winkel verlaufen.
Der Kraftwandler bei der vorliegenden Erfindung ist von dem Typ, bei dem die π'&sub6;&sub3;- Methode des piezoresistiven Effekts eingesetzt wird.
In den Fig. 9A und 9B ist ein Beispiel eines Kraftwandlers für den zugehörigen Stand der Technik gezeigt, bei dem der Strom, die Spannung und die Kraft jeweils in rechtem Winkel zueinander gerichtet sind (US-A-4,833,929). Der Aufbau des Kraftwandlers 1000 ist folgendermaßen. Ein Kraftübertragungsblock 5, der in der horizontalen Querschnitts ebene eine quadratische Gestalt aufweist, ist auf der oberen (110)-Fläche 1a der Einkristalistruktur 1 aus Silizium montiert, und es ist die untere (110)-Fläche 1b der Einkristallstruktur 1 aus Silizium ihrerseits auf einem Trägerbett 4 angebracht. Es sind dann ein Paar von Eingangselektroden 2a und 2b und ein Paar von Ausgangselektroden 3a und 3b auf der oberen (110)-Fläche 1a der vorstehend erwähnten Einkristalistruktur 1 aus Silizium ausgebildet. Die Eingangselektroden 2a und 2b sind in einem Winkel von 135º von der Achse < 001> in Richtung zu der Achse < 1-10> wegführend ausgebildet, und es sind die Ausgangselektroden 3a und 3b ihrerseits in einem Winkel von 90º gegenüber den vorstehend erwähnten Eingangselektroden 2a und 2b ausgebildet.
Bei diesem Kraftwandler 1000 wird eine Kraft im rechten Winkel zu der oberen (110)- Fläche 1a der vorstehend erwähnten Einkristallstruktur 1 aus Silizium über den vorstehend erwähnten Kraftübertragungsblock 5 ausgeübt. Das von dem Kraftwandler abgegebene Ausgangssignal für die entsprechende Kraft wird dann als die Spannung zwischen den Ausgangselektroden 3a und 3b abgegriffen, die in einem Winkel von 90º zu den Eingangselektroden 2a und 2b liegen.
Bei dem vorstehend erläuterten Kraftwandler 1000 besteht die Zielrichtung darin, ein Ausgangssignal, das von der senkrechten Belastung &sub3; ( < 110> ), die entlang der Achse < 110> erzeugt wird, abhängt, als ein Ergebnis der Kraft zu erzeugen, die entlang der Achse < 110> rechtwinklig zu der (110)-Fläche 1a der Einkristallstruktur 1 aus Silizium angelegt wird. Wenn angenommen wird, daß das Trägerbett 4 starr ist, hängt die erhaltene Ausgangsspannung von der Belastung &sub3; ab, die entlang der Achse < 110> aufgrund der einwirkenden Kraft erzeugt wird, und es ist die Ausgangsspannung ΔV für diesen Fall durch Gleichung 1 gegeben.
ΔV'= b J π'&sub6;&sub3; &sub3; ...1
In Gleichung 1 bezeichnet b die Länge der die Kraft aufnehmenden Fläche des Kraftübertragungsblocks entlang der Richtung der Ausgangselektroden, während p das Widerstandsverhältnis der Einkristallstruktur aus Silizium, j die Stromdichte und π'&sub6;&sub3; den Piezowiderstandskoeffizienten bezeichnen.
In Wirklichkeit werden jedoch bei in der Praxis eingesetzten Kraftwandlern Beanspruchungen zusätzlich zu der Belastung &sub3;, die entlang der Achse < 110> wirkt, ohne Ausnahme ebenfalls erzeugt. Es folgt hieraus, daß die tatsächliche Ausgangsspannung ΔV, die von der Einrichtung abgegeben wird, durch die Gleichung 1 nicht vollständig definiert ist, sondern stattdessen durch die Gleichung 2 ausgedrückt wird, die alle sechs Komponenten der Belastung enthält:
Bei diesem herkömmlichen Kraftwandler wurde davon ausgegangen, daß die Belastungen, die zusätzlich zu &sub3; erzeugt werden, das heißt die Belastungen &sub1;, &sub2;, &sub4;, &sub5; und &sub6;, vernachlässigt werden können, und es war dieser Wandler nicht derart aufgebaut, daß die nachteiligen Wirkungen der Ausgangsspannungen ΔV&sub2;, die aus diesen Belastungen herrühren, berücksichtigt wurden. Dies ruft ein Problem dahingehend hervor, daß die nachteiligen Wirkungen jeder Ausgangsspannung ΔV&sub2;, die von anderen Belastungen als &sub3; herrühren, hinsichtlich der Wirksamkeit der Umwandlung durch die konkrete Vorrichtung nachteilig sind. Die Gründe hierfür liegen in folgendem Punkt. In der Tabelle 1 und der Tabelle 2 ist der Wert jedes Piezowiderstandskoeffizienten π' für eine Einkristallstruktur aus Silizium des Leitungstyps p mit einem Widerstandsverhältnis von 7,8 Ωcm, bzw. für eine Einkristallstruktur aus Silizium des Leitungstyps n mit einem Widerstandsverhältnis von 11, 7 Ωcm dargestellt. Die vorstehend erwähnten Tabellen 1 und 2 zeigen weiterhin Werte für die Belastung, die bei einem herkömmlich ausgestalteten Trägerbett erzeugt werden, sowie Werte für den Ausgangswert der Vorrichtung, die in Übereinstimmung mit Gleichung 1 erhalten wurden. Tabelle 1 Piezowiderstandskoeffizient π' 6i *1 Belastung i Ausgangsgröße ΔV = 7,8 Ω cm *1 : π' 6i (x 10&supmin;¹² cm² / dyn) Hierbei gilt: 1 dyn/cm² = 0,1 N/m². Tabelle 2 Piezowiderstandskoeffizient π' 6i *1 Belastung i Ausgangsgröße ΔV' = 11,7 Ω cm *1 : π' 6i (x 10&supmin;¹² cm² / dyn) Hierbei gilt: 1 dyn/cm² = 0,1 N/m².
Wie in den Tabellen 1 und 2 gezeigt ist, ist die Ausgangsgröße, die durch &sub3; erzeugt wird, sowohl für einen Aufbau des Leitungstyps p als auch für einen Aufbau des Leitungstyps n in dem Fall negativ, daß die Form des horizontalen Querschnitts des Trägerbetts quadratisch ist. Auf der anderen Seite ist jedoch die Summierung der Ausgangswerte, die durch andere Belastungen erzeugt werden ( &sub1; und &sub2; sind positiv, &sub4;, &sub5; und &sub6; sind null), sowohl für einen Aufbau des Leitungstyps p als auch für einen Aufbau des Leitungstyps n positiv. Dies ist entgegengesetzt zu dem Ausgangswert, der durch &sub3; hervorgerufen wird, und es ist folglich die gesamte Ausgangsgröße der Vorrichtung reduziert.
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Kraftwandler zu schaffen, der einen einfachen Aufbau und hohe Empfindlichkeit besitzt, und der hinsichtlich der Umwandlung einer Belastung in elektrische Energie hochwirksam ist, verglichen mit herkömmlichen Kraftwandlern, bei denen die Vektoren des Stroms, der Spannung und der Belastung in rechten Winkeln zueinander verlaufen.
In Übereinstinnnung mit der Erfindung wird ein Kraftwandler geschaffen, der die Merkmale aufweist, die im Anspruch 1 angegeben sind.
Bei praktisch ausgeführten Kraftwandlern ist, wie zuvor angegeben, diese Ausgangsgröße durch Gleichung 2 angegeben. Bei herkömmlichen Kraftwandlern wurde gefunden, daß die Ausgangswerte bzw. Ausgangsspannungen für andere Belastungen als &sub3; den Ausgangswert der Vorrichtung verringern. Jedoch wurde bei verschiedenen Untersuchungen ermittelt, daß der Ausgangswert der Vorrichtung dadurch vergrößert werden kann, daß eine geeignete Richtung der Belastung angewendet wird. Es kann daher festgestellt werden, daß der absolute Wert für π'&sub6;&sub6;, der in Tabelle 2 für den Einkristall des Leitungstyps n gezeigt ist, beträchtlich hoch ist, wenn er mit anderen Werten verglichen wird. Falls diese Erscheinung vorteilhaft dadurch ausgenutzt werden kann, daß der Ausgangswert ΔV&sub2;, der von anderen Belastungen herrührt, dem Ausgangswert überlagert wird, der von der ursprünglichen Belastung &sub3; herrührt, ist es möglich, den Ausgangswert der Vorrichtung zu vergrößern.
Nachfolgend werden die Eigenheiten der Charakteristiken und der Größe des Ausgangssignals ΔV&sub2; erläutert.
Aus Gleichung 3 läßt sich ersehen, daß das Ausgangssignal ΔV&sub2;, das von anderen Belastungskomponenten als der Belastung &sub3; herrührt, durch eine Aufsummierung des Ausgangssignals ΔVnormal, das von der Druckbelasrungskomponente oder von der Zugbelastungskomponente herrührt (beide sind rechtwinklige Belastungen), und des Ausgangssignals ΔVScher, das von der Scherbelastung herrührt, erhalten wird:
ΔV&sub2; = ΔVnormal + ΔVScher
Wenn der vorstehend erläuterte Kraftwandler 1000, der in Fig. 9 gezeigt ist, als ein Beispiel für diese Erläuterung herangezogen wird, wurde hierbei gefünden, daß eine Belastung parallel zu der (110)-Kristallfläche 1a des Einkristalls 1 aus Silizium erzeugt wurde, wenn eine Kraft W auf den Kraftübertragungsblock 5 ausgeübt wurde. Wenn angenommen wird, daß die Belastung als eine Belastung b ausgedrückt wird, die senkrecht zu einer beliebigen Hauptebene 5 der Streßbelastung liegt, die ihrerseits rechtwinklig zu der (110)-Fläche 1a liegt, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, wird die Beziehung zwischen den Piezowiderstandskoeffizienten π'&sub6;&sub1;, π'&sub6;&sub2; aus der vorstehend erläuterten Anordnung der Elektrode abgeleitet, und es wird dann ΔV&sub2; durch die Gleichungen 3 und 4 ausgedrückt. Es folgt daher, daß das Ausgangssignal ΔV der gesamten Vorrichtung durch die Gleichung 5 ausgedrückt werden kann:
ΔV&sub2; = b J b (π'&sub6;&sub1; + (π'&sub6;&sub6;/2) cos2θ ...4
ΔV = ΔV' + ΔV&sub2; = ΔV' + ΔVnormal + ΔVScher = b J { &sub3; π'&sub6;&sub3; + b (π'&sub6;&sub1; + (π'&sub6;&sub6;/2) cos2θ)} ...5
Hierbei bezeichnet θ den Winkel im Gegenulrrzeigersinn bezüglich der Achse < 001> . In der Gleichung 4 entspricht der Ausdruck in der Klammer der Größe ΔVnormal und der zweite Ausdruck entspricht ΔVScher.
Wenn die Fläche des horizontalen Querschnitts des Trägerbetts größer ist als die Druckaufnahmefläche auf dem Einkristall aus Silizium, ist b üblicherweise negativ (Druckbelastung).
In den Fig. 3A und 3B ist die Beziehung zwischen dem Ausgangssignal ΔV&sub2; aufgrund des Piezowiderstandseffekts, die aus der Gleichung 4 abgeleitet wird, und dem Winkel θ (bei dem die lange Achse der horizontalen Querschnittsfläche des Trägerbetts liegt) für Kraftwandler aus Einkristallen aus Silizium des Leitungstyps p und Einkristallen aus Silizium des Leitungstyps n gezeigt. Für diese Messungen wurde eine Gestaltung wie diejenige eingesetzt, die für den herkömmlichen Kraftwandler, der in Fig. 9 gezeigt ist, benutzt wurde. Die Eingangselektroden wurden daher auf einen Winkel von 135º unter Bezug auf die Achse < 001> festgelegt.
Wie in Fig. 3A gezeigt ist, ist das Ausgangssignal ΔV&sub2;, das von den anderen Belastungen als der Belastung &sub3;, die rechtwinklig zu der Fläche (110) verläuft, verursacht wird, bei einem Einkristall aus p-Si nahezu in der gesamten Region positiv. Hieraus folgt, daß hinsichtlich eines Einkristalls aus Silizium des Leitungstyps p insgesamt eine Absenkung der Wirksamkeit bzw. des Wirkungsgrads des Kraftwandlers resultiert, da das Ausgangssignal ΔV', das durch die Belastung &sub3; hervorgerufen wird, negativ ist und mit dem vorstehend erläuterten Ausgangssignal ΔV&sub2; überlagert wird.
Auf der anderen Seite ist das Ausmaß, mit dem das Ausgangssignal ΔV&sub2;, das von den anderen Belastungen als der Belastung &sub3; gewonnen wird, in dem Fall eines Einkristalls aus Silizium des Leitungstyps n negativ wird, durch den schraffierten Bereich in Fig. 3B dargestellt. Daher kann ein Ausgangssignal der Vorrichtung, das größer ist als dasjenige bei herkömmlichen Vorrichtungen, dadurch erzielt werden, daß ein Kraftwandler benutzt wird, bei dem eine Einkristallstruktur aus Silizium des Leitungstyps n eingesetzt wird, um hierdurch ΔV&sub2; negativ zu machen, falls dieses Ausgangssignal ΔV&sub2; und das Ausgangssignal ΔV' einander überlagert werden (hierbei ist ΔV' in Tabelle 2 als negativ gezeigt), da sie die gleiche Polarität aufweisen.
Falls das Trägerbett als Beispiel ein Rechteck ist, bei dem die Form des horizontalen Querschnitts lange und kurze Achsen aufweist (die lange Achse des Querschnitts ist auf einen Winkel θ festgelegt, der innerhalb des Bereichs liegt, der zu einen negativen Wert von ΔV&sub2; führt), kann das Ausgangssignal der Vorrichtung dadurch vergrößert werden, daß sichergestellt wird, daß die vorstehend erwähnte Belastung b mit der Richtung der langen Achse des Trägerbetts zusammenfällt. Genauer gesagt, wird, wenn, wie in Fig. 3B dargestellt ist, b eine Druckbeanspruchung ist, das heißt ein negativer Wert ist, ein negativer und absoluter Maximalwert von ΔV&sub2; erreicht werden, wenn θ = 90º +/- 180nº ist, wobei n eine ganze Zahl bezeichnet, das heißt dann, wenn die lange Achse des Rechtecks entlang der Achse < 1-10> gerichtet ist. Es wurde gefunden, daß Richtungen innerhalb 35º der Achse < 1-10> zu einem negativen Wert von ΔV&sub2; führen würden, auch wenn Richtungen innerhalb von 30º noch zuverlässiger wären.
Die Abhängigkeit des Ausgangssignals ΔV&sub2; von dem Winkel θ wurde auch in der vorstehend erläuterten Weise für den Fall untersucht, bei dem die Eingangselektroden für den Kraftwandler um einen Winkel von 45º gegenüber der Achse < 001> gedreht waren. Diese Ergebnisse sind in Fig. 4A und 4B gezeigt. In Fig. 4A sind die Ergebnisse dargestellt, die bei einem Einkristall aus Silizium des Leitungstyps p erhalten werden, während in Fig. 4B die Ergebnisse gezeigt sind, die bei einem Einkristall aus Silizium des Leitungstyps n erhalten werden.
Wenn ein Einkristall aus Silizium des Leitungstyps p betrachtet wird, wie er in Fig. 4A gezeigt ist, ist der Wert von ΔV&sub2;, der von anderen Belastungen als der Belastung bzw. Beanspruchung &sub3; hervorgerufen wird, nahezu immer negativ. Gemäß der Tabelle 3 ist der Wert des Ausgangssignals ΔV', das durch die Belastung &sub3; verursacht wird, positiv und es wurde gefunden, daß der gesamte Erfassungswirkungsgrad des Kraftwandlers als ein Ergebnis der Überlagerung von ΔV&sub2; und Δ'V' verringert wird.
Im Hinblick hierauf ist bezüglich eines Einkristalls aus Silizium des Leitungstyps n ein positiver Wert für Richtungen innerhalb von +/- 35º der Achse < 001> dargestellt, wie es in Fig. 4B gezeigt ist. Es ist folglich möglich, das Ausgangssignal der Vorrichtung zu erhöhen, indem das Ausgangssignal ΔV' (in Tabelle 4 ist ΔV' als ein positiver Wert gezeigt) und das Ausgangssignal bei der vorstehend erwähnten Region ΔV&sub2; uberlagert werden. Tabelle 3 Piezowiderstandskoeffizient π' 6i *1 Belastung i Ausgangsgröße ΔV' p = 7,8 Ω cm *1: π' 6i (x 10&supmin;¹² cm² / dyn) Hierbei gilt: 1 dyn/cm² = 0,1 N/m². Tabelle 4 Piezowiderstandskoeffizient π' 6i *1 Belastung i Ausgangsgröße ΔV' = 11,7 Ω cm *1 : π' 6i (x 10&supmin;¹² cm² / dyn) Hierbei gilt: 1 dyn/cm² = 0,1 N/m².
In Fig. 1 ist eine Ansicht eines hauptsächlichen Aufbaus eines Kraftwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei dem Kraftwandler gemäß dieser Darstellung sind ein Paar von Eingangselektroden 12a und 12b und ein Paar von Ausgangselektroden 14a und 14b auf der (110)-Fläche 10a eines Einkristalis 10 des Leitungstyps n ausgebildet. Hierbei sind 12a und 12b mit einem Winkel von 135º im Gegenuhrzeigersinn bezüglich der Achse < 001> ausgebildet, und es sind 14a und 14b (lediglich eine ist gezeigt) in einem Winkel von 90º mit Bezug zu 12a und 12b ausgebildet. Es ist ein Trägerbett 30 vorhanden, das in der horizontalen Ebene unterhalb des Einkristalls 10 aus Silizium des Leitungstyps n rechteckförmig ist und bei dem diese lange Achse X dann, wenn θ = 0º in der Richtung von < 001> liegt, in einem Winkel von 60º +/- 180nº < = θ < = 120º +/- 180nº liegt (wobei n eine ganze Zahl bezeichnet), das heißt mit anderen Worten innerhalb von +/- 30º von der Achse < 1-10> liegt. In Fig. list θ= 90º. Weiterhin ist ein Kraftübertragungsblock 20, der in der horizontalen Ebene quadratisch ist, auf dem vorstehend erwähnten Siliziumkristall 10 angebracht. Eine Kraft W wird dann auf den Übertragungsblock 20 von der Oberseite im rechten Winkel zu der (110)-Fläche 10a des Einkristalls 10 aus Silizium ausgeübt.
Eine feste Spannung wird dann zwischen die Eingangselektroden 12a und 12b des Kraftwandlers 100 angelegt, oder es wird ein fester Stromfluß aufgebaut, wonach dann eine Kraft W auf die obere Fläche des Kraftübertragungblocks 20 ausgeübt wird. Ein Ausgangssignal, das dieser Kraft entspricht, wird dann zwischen den Ausgangselektroden 14a und 14b abgegriffen (lediglich eine der Ausgangselektroden ist gezeigt).
Eine Charakteristik der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Trägerbett 30 für diesen Kraftwandler 100 die Form eines flachen, horizontalen Querschnitts mit langen und kurzen Achsen, wie zum Beispiel eines Rechtecks, aufweist. Als ein Ergebnis dieser Gestalt tritt der maximale Wert der Belastung bzw. Beanspruchung b, die parallel zu der (110)-Fläche erzeugt wird, wenn eine Kraft im rechten Winkel zu der (110)-Fläche 10a des Einkristalis 10 aus Silizium des Leitungstyps n ausgeübt wird, entlang der Richtung der langen Achse X des Trägerbetts 30 auf. Da diese lange Achse auch innerhalb von +/- 30º von der Achse < 1-10> liegt, ergibt sich aus der Gleichung 2 und der Fig. 3B, daß das Ausgangssignal ΔV&sub2; das aus der Summe der Scherbeanspruchung &sub6; und den rechtwinklig verlaufenden Beanspruchungen &sub1; , &sub2; erhalten wird, einen negativen Wert aufweist, wie es auch bei dem Ausgangssignal der Fall ist, das durch die Belastung &sub3; hervorgerufen wird. Hieraus folgt, daß das Ausgangssignal des Kraftwandlers dadurch vergrößert werden kann, daß das Ausgangssignal V2', das durch die Belastung &sub3; hervorgerufen wird, und ΔV&sub2; einander überlagert werden. Die Wirkung dieses Sachverhalts besteht darin, daß ein Kraftwandler aufgebaut werden kann, der hinsichtlich der Umwandlung von einer Belastung in elektrische Energie sehr wirkungsvoll ist.
Weiterhin kann der Effekt der Überlagerung der Ausgangssignale gleichartig wie der zuvor beschriebene, bei der vorliegenden Erfindung, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, auch dadurch erhalten werden, daß ein Paar von Eingangselektroden 12a und 12b und ein Paar von Ausgangselektroden 14a und 14b auf der (110)-Fläche 10a eines Einkristalis 10 des Leitungstyps n derart ausgebildet werden, daß 12a und 12b in einem Winkel von 45º unter Bezugnahme auf die Achse < 001> ausgebildet werden, und 14a und 14b in einem Winkel von 90º unter Bezugnahme auf 12a und 12b gebildet werden. Dies bedeutet, daß die lange Achse X des Trägerbetts 30, das eine rechteckförmige Gestalt des horizontalen Querschnitts aufweist, in einem Winkel von -30º +/- 180nº < = θ < = 30º +/- 180nº liegt, wobei n eine ganze Zahl bezeichnet. Wenn diese Art des Aufbaus eingesetzt wird, dessen Effekt aus der Gleichung 2 und der Fig. 4B ersichtlich ist, wird erreicht, daß das Ausgangssignal ΔV', das durch die Belastung &sub3; hervorgerufen wird, und das Ausgangssignal ΔV&sub2;, das von anderen Belastungen als &sub3; verursacht wird, die gleiche Polarität besitzen. Somit ist es wie bei dem zuvor beschriebenen Fall möglich, das Ausgangssignal des Kraftwandlers zu vergrößern.
In Fig. 5 ist eine Ansicht dargestellt, die zeigt, wie sich das Ausgangssignal verändert, wenn sich das Verhältnis zwischen der langen Achse und der kurzen Achse (lange Achse dividiert durch die kurze Achse) des horizontalen Querschnitts des Trägerbetts (der horizontale Querschnitt ist rechteckförmig) bei dem zuvor erläuterten Kraftwandler ändert.
In diesem Fall wurde ein Strom dadurch zugeführt, daß eine Spannung von 5 V zwischen die Eingangselektroden angelegt wurde, wobei ein aufgebrachtes Gewicht von 15 kg die Kraft W hervorrief. Wenn, wie in Fig. 5, das Ausgangssignal ΔV bei der vorliegenden Erfindung mit demjenigen bei einer herkömmlichen Vorrichtung, bei der das Verhältnis von langer Achse/kurzer Achse 1 ist, verglichen wird, kann bestätigt werden, daß eine maximale Verbesserung von ungefähr 20 % erreicht wird. Bei der vorliegenden Erfindung ist ein Verhältnis zwischen der langen Achse/kurzen Achse vorzugsweise größer als 1,0 bis 4,0, insbesondere vorzugsweise 1,5 bis 4,0.
Es wurde der Aufbau der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen dahingehend erläutert, daß ein Trägerbett eingesetzt wird, das einen horizontalen Querschnitt in der Form eines Rechtecks aufweist, jedoch ist auch eine Gestalt geeignet, bei der die Achse in einer Richtung länger ist als diejenige in der anderen Richtung, wie etwa eine Ellipse, ein Rhombus oder ein Parallelogramm oder andere flache Formen.
Weiterhin kann der Einkristall aus Silizium des Leitungstyps n bei der vorliegenden Erfindung Einkristalle aus Silizium des Leitungstyps p enthalten, die zum Beispiel mit Verunreinigungen aus Phosphor oder Arsen zur teilweisen Bildung einer Kristallregion des Leitungstyps n diffündiert sind, wobei aber auch Einkristalle aus Silizium des Leitungstyps n eingesetzt werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht eines Kraftwandlers in Übereinstimmung mit einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 zeigt eine dreidimensionale, graphische Darstellung, in der die Beziehung zwischen der Hauptebene der Belastung und der Kristallachse dargestellt ist,
Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung, in der die Beziehung zwischen θ und dem Ausgangssignal ΔV&sub2; in dem Fall dargestellt ist, bei dem die Eingangselektroden in einem Winkel von 135º gegenüber der Achse < 001> ausgebildet sind, wobei in Fig. 3A eine Ansicht eines Einkristalls aus Silizium des Leitungstyps p und in Fig. 3B eine Ansicht eines Einkristalis aus Silizium des Leitungstyps n dargestellt sind,
Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen θ und dem Ausgangssignal ΔV&sub2; in dem Fall, bei dem die Eingangselektroden in einem Winkel von 45º gegenüber der Achse < 001> ausgebildet sind, wobei in Fig. 4A eine Ansicht eines Einkristalls aus Silizium des Leitungstyps p und in Fig. 4B eine Ansicht eines Einkristalis aus Silizium des Leitungstyps n dargestellt sind,
Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung, in der veranschaulicht ist, wie sich das Ausgangssignal ΔV ändert, wenn das Verhältnis zwischen der langen Achse und der kurzen Achse des Trägerbetts (lange Achse dividiert durch die kurze Achse) geändert wird,
Fig.6 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht eines Kraftwandlers in Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht eines Kraftwandlers in Übereinstimmung mit einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8A zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht, Fig. 8B eine Frontansicht und Fig. 8C zeigt eine Draufsicht auf den gleichen Kraftwandler in Übereinstimmung mit einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 9A zeigt eine Draufsicht und Fig. 9B eine Frontansicht eines Beispiels eines herkömmlichen Kraftwandlers.

Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen

Im folgenden wird eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gegeben.

Erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kraftwandlers 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Einkristall 10 aus Silizium des Leitungstyps n weist die Form eines rechteckförmigen Parallelepipeds auf, das eine (110)-Kristallfläche 10a mit einem Oberflächenbereich mit einer Länge von 1,5 mm und einer Breite von 1,5 mm, einem spezifischen Widerstandswert von ungefähr 12 Ωcm und einer Dicke von ungefähr 100 µm aufweist. Dieser Einkristall 10 ist auf einem rechteckförmigen Trägerbett 30 aus kristallinem Glas angebracht, das eine Länge von 3 mm, eine Breite von 1,5 mm und eine Dicke von 0,5 mm aufweist. Das Trägerbett 30 weist einen horizontalen Querschnitt in der Form eines Rechtecks auf, wobei sich die lange Achse X des Rechtecks in der Richtung < 1-10> erstreckt. Weiterhin ist seinerseits ein quadratischer Kraftübertragungsblock 20 aus kristallinem Glas mit einer Seitenlänge von 1 mm und einer Dicke von 0,5 mm auf dem vorstehend erwähnten Kristall 10 aus Silizium angebracht. Es ist dann ein Paar von Eingangselektroden 12a und 12b und ein Paar von Ausgangselektroden 14a und 14b auf der (110)-Fläche 10a des vorstehend erwähnten Einkristalls 10 aus Silizium durch Dampfabscheidung von Aluminium ausgebildet. Hierbei sind 12a und 12b in einem Winkel von 135º unter Bezugnahme auf die Achse < 001> ausgebildet und es sind 14a und 14b in einem Winkel von 90º unter Bezugnahme auf 12a und 12b ausgebildet.
Gemäß einer FEM-Analyse der Belastung, die erzeugt wird, wenn ein Gewicht von 15 kg auf den Kraftübertragungsblock 20 des Kraftwandlers 100 einwirkt, ist die Belastungskomponente &sub1; entlang der langen Achse X des Trägerbetts 30 negativ und es kann demzufolge die Erzeugung einer Druckbeanspruchung bestätigt werden. Hierbei beträgt das Ausgangssignal ΔV der Vorrichtung ungefähr 130 mV, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, was eine beträchtliche Verbesserung im Vergleich mit dem herkömmlichen Typ darstellt, bei dem das Verhältnis von langer Achse zu kurzer Achse 1 beträgt und die Ausgangsspannung der Vorrichtung ungefähr 110 mV ist.

Zweites Ausführungsbeispiel

In Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht eines Kraftwandlers 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein Einkristall 10 aus Silizium des Leitungstyps n weist die Form eines rechteckförmigen Parallelepipeds auf, das eine (110)-Kristallfläche 10a mit einem Oberflächenbereich mit einer Länge von 1,5 mm und einer Breite von 1,5 mm, einen spezifischen Widerstandswert von ungefähr 12 0cm und eine Dicke von ungefähr 100 µm aufweist. Der vorstehend erwähnte Einkristall 10 ist auf einem rechteckförmigen Trägerbett 30 aus kristallinem Glas angebracht, das eine Länge von 4,5 mm, eine Breite von 1,5 mm und eine Dicke von 0,5 mm aufweist, wobei sich die lange Achse X des Trägerbetts 30 entlang der Achse < 001> erstreckt. Weiterhin ist ein quadratischer Kraftubertragungsblock 20 aus kristallinem Glas mit einer Seitenlänge von 1 mm und einer Dicke von 0,5 mm seinerseits auf dem vorstehend erwähnten Einkristall 10 aus Silizium angebracht. Es ist dann ein Paar von Eingangselektroden 12a und 12b und ein Paar von Ausgangselektroden 14a und 14b auf der (110)-Fläche 10a des vorstehend erwähnten Einkristalis 10 aus Silizium durch Dampfabscheidung von Aluminium ausgebildet. Hierbei sind 12a und 12b in einem Winkel von 45º unter Bezugnahme auf die Achse < 001> ausgebildet und es sind 14a und 14b in einem Winkel von 90º unter Bezugnahme auf 12a und 12b ausgebildet.
Gemäß einer FEM-Analyse der Belastung, die erzeugt wird, wenn ein Gewicht von 15 kg auf den Kraftubertragungsblock 20 des Kraftwandlers 200 ausgeübt wird, ist die Belastungskomponente &sub1; entlang der langen Achse X des Trägerbetts 30 negativ, und es kann demzufolge die Erzeugung einer Druckbeanspruchung bestätigt werden. Hierbei ist das Ausgangssignal ΔV der Vorrichtung ungefähr 150 mV, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, was eine beträchtliche Verbesserung im Vergleich mit der herkömmlichen Ausführung darstellt, bei dem das Verhältnis von langer Achse zu kurzer Achse 1 ist und die Ausgangsspannung der Vorrichtung ungefähr 110 mV beträgt.

Drittes Ausführungsbeispiel

In Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Kraftwandlers 300 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein Einkristall 10 aus Silizium des Leitungstyps n weist die Form eines rechteckförmigen Parallelepipeds auf, das eine quadratische (110)-Kristallfläche 10a mit einer Seitenlänge von 1 mm, einem spezifischen Widerstandswert von ungefähr 12 Ω je cm und einer Dicke von ungefähr 100 µm aufweist. Der vorstehend erwähnte Einkristall 10 ist auf einem rechteckförmigen Trägerbett 30 aus kristallinem Glas angebracht, das eine Länge von 2 mm, eine Breite von 1 mm und eine Dicke von 0,5 mm aufweist. Diese lange Achse erstreckt sich entlang der Achse < 1-10> . Weiterhin ist ein quadratischer Kraftübertragungsblock 20 aus kristallinem Glas mit einer Seitenlänge von 1 mm und einer Dicke von 0,5 mm seinerseits auf dem vorstehend erwähnten Einkristall 10 aus Silizium angebracht. Es wird dann ein Paar von Eingangselektroden 12a und 12b und ein Paar von Ausgangselektroden 14a und 14b an den Ecken der Seitenflächen des vorstehend erwähnten Einkristalls 10 durch Dampfabscheidung von Aluminium ausgebildet. Hierbei werden 12a und 12b in einem Winkel von 135º unter Bezugnahme auf die Achse < 001> ausgebildet, und es werden 14a und 14b in einem Winkel von 90º unter Bezugnahme auf 12a und 12b ausgebildet.
Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorstehend erwähnten ersten Ausführungsbeispiel in den nachstehenden Aspekten: Der Einkristall 10 aus Silizium und der Kraftübertragungsblock 20 haben die gleichen Abmessungen und Formen in der horizontalen Querschnittsebene; der Einkristall 10 aus Silizium und der Kraftübertragungsblock 20 sind in einer solchen Weise laminiert, daß sie einander vollständig überlagert sind; und die Eingangselektroden 12a und 12b und die Ausgangselektroden 14a und 14b sind an den Ecken des Einkristalis 10 aus Silizium ausgebildet. Bei dieser Art der Ausgestaltung können ungültige elektrische Ströme, die aus der die Kraft aufnehmenden Fläche auf dem Einkristall 10 aus Silizium herausfließen, verringert werden, wodurch der Umwandlungswirkungsgrad der Vorrichtung verbessert wird.

Viertes Ausführungsbeispiel

Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kraftwandlers 400 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine die Kraft aufnehmende Schicht 42 des Leitungstyps n durch Diffüsion von Phosphor auf die Kristallfläche 40a eines Einkristalls 40 aus Silizium des Leitungstyps p, der eine Länge von 3 mm, eine Breite von 1,5 mm und eine Dicke von 0,10 mm aufweist, ausgebildet. Der vorstehend erwähnte Einkristall 40 aus Silizium des Leitungstyps p ist seinerseits auf einem Trägerbett 30 aus kristallinem Glas angebracht, das eine Länge von 3 mm, eine Breite von 1,5 mm und eine Dicke von 0,5 mm aufweist, wobei sich die lange Achse des Trägerbetts entlang der Achse < 1-10> erstreckt. Ein quadratischer Kraftübertragungsblock 20 aus kristallinem Glas mit einer Seitenlänge von 1,0 mm und einer Dicke von 0,5 mm wird dann auf der vorstehend erwähnten, die Kraft aufnehmenden Schicht 42a des Leitungstyps n angebracht.
Es werden dann ein Paar von Eingangselektroden 12a und 12b zusammen mit Kontaktlöchern 16a und 16b, die durch die die Kraft aufnehmende Fläche 42 hindurchgehen, und ein Paar von Ausgangselektroden 14a und 14b zusammen mit Kontaktlöchern 18a und 18b, die bis zu der die Kraft aufnehmenden Schicht 42 hindurchgehen, durch Dampfabscheidung von Aluminium auf der (110)-Fläche 40a des vorstehend erwähnten Einkristalis 40 angebracht. Hierbei werden 12a und 12b zusammen mit den Kontaktiöchern 16a und 16b, die bis zu der die Kraft aufnehmenden Schicht 42 hindurchgehen, in einem Winkel von 135º unter Bezugnahme auf die Achse < 001> ausgebildet, und es werden 14a und 14b zusammen mit den Kontaktlöchern 18a und 18b, die bis zu der die Kraft aufnehmenden Schicht 42 hindurchgehen, in einem Winkel von 90º bezüglich 12a, 12, 16a und 16b ausgebildet.
Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel wird als Einkristall aus Silizium des Leitungstyps n ein Kristallteil des Leitungstyps n durch die Diffüsion von Verunreinigungen wie etwa von Phosphor in einen Einkristall aus Silizium des Leitungstyps p ausgebildet. Durch den Einsatz dieser Art der Gestaltung kann ein Einkristallteil aus Silizium des Leitungstyps n mit einer beliebigen Region oder Größe, die einen beliebigen spezifischen Widerstandswert aufweist, unabhängig von den horizontalen Abmessungen des Querschnitts des Einkristalls 40 aus Silizium ausgebildet werden, und es kann ein elektrischer Stromfluß für diese Region definiert werden.
Diese Erfindung soll nicht durch die vorstehend beschriebenen Beispiele beschränkt sein und es können verschiedenartige Modifikationen vorgeschlagen werden, ohne den Bereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen.
Als Beispiel wurden diese Ausführungsbeispiele dahingehend beschrieben, daß ein Trägerbett benutzt wird, das einen horizontalen Querschnitt mit rechteckförmiger Gestalt besitzt, jedoch ist auch eine Form wie etwa eine Ellipse, ein Rhombus oder ein Parallelogramm geeignet, vorausgesetzt, daß der Effekt des Ausgangssignals ΔV&sub2;, das von anderen Belastungen als &sub6; hervorgerufen wird, das heißt durch die Belastungen bzw. Beanspruchungen &sub1;, &sub2; und &sub6;, ausreichend groß ist. Weiterhin wird auch hinsichtlich des Materials des Trägerbetts der Einsatz eines Materials, das einen hohen Grad von Festigkeit in einer Richtung wie etwa faserverstärktes Harz aufweist, zu den gleichen Ergebnissen führen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden das Ausgangssignal, das durch die rechtwinklige bzw. senkrecht wirkende Belastung &sub3; hervorgerufen wird, und das Ausgangssignal, das durch andere Beanspruchungen als &sub3; hervorrufen wird, einander dadurch überlagert, daß eine spezifische Gestalt bezüglich des Trägerbetts vorgesehen ist. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftwandler geschaffen, der einen einfachen Aufbau und eine hervorragende Empfindlichkeit aufweist und der im Hinblick auf die Umwandlung von Kraft in elektrische Energie äußerst effizient ist, verglichen mit herkömmlichen Kraftwandlern, bei denen die Vektoren von Strom und Spannung im rechten Winkel zueinander liegen.

Claims

1. Kraftwandler mit

(a) einem Siliziumeinkristall (10; 40) des Leitungstyps n, der eine (110)-Kristallfläche aufweist, auf die eine Kraft auszuüben ist,

(b) einem Paar erster Elektroden (12a, 12b) und einem Paar zweiter Elektroden (14a, 14b), die auf der (110)-Kristallfläche des Siliziumeinkristalls (10; 40) des Leitungstyps n angebracht sind, wobei die ersten Elektroden (12a, 12b) in eine Richtung gewandt sind, die winkelmäßig um 135º gegenüber der Richtung von < 001> des Kristalls beabstandet ist, und die zweiten Elektroden (14a, 14b) gegenüber den ersten Elektroden winkelmäßig um 90º beabstandet sind, wobei eines der Paare der ersten und der zweiten Elektroden dazu ausgelegt ist, als Eingangselektroden zu dienen, und das andere Elektrodenpaar dazu ausgelegt ist, als Ausgangselektroden zu dienen,

(c) einem Kraftübertragungsblock (20), der mit der (110)-Kristallfläche des Siliziumeinkristalls (10; 40) des Leitungstyps n für die Übertragung der Kraft rechtwinklig zu der Kristallfläche verbunden ist, und

(d) einem Trägerbett (30), das den Siliziumeinkristall des Leitungstyps n tragt und mit dem Siliziumeinkristall des Leitungstyps n an einer Fläche verbunden ist, die der Kristallfläche gegenüberliegt, mit der der Kraftübertragungsblock verbunden ist, wobei das Trägerbett in der Form eines ebenen Körpers vorliegt, der eine horizontale Querschnittsform mit einer kurzen Achse und einer langen Achse aufweist, deren Länge unterschiedlich ist, wobei die lange Achse des Trägerbetts (30) in einem Winkel zwischen ungefähr -80º und ungefähr -10º bezüglich der Richtung, in die die Eingangselektroden gewandt sind, orientiert ist.

2. Kraftwandler nach Anspruch 1, bei dem die horizontale Querschnittsform des Trägerbetts (30) derart ist, daß das Verhältnis von der langen Achse zu der kurzen Achse (lange Achse/kurze Achse) in dem Bereich von mehr als 1,0 bis 4,0 liegt.

3. Kraftwandler nach Anspruch 2, bei dem die horizontale Querschnittsform des Trägerbetts (30) derart ist, daß das Verhältnis von der langen Achse zu der kurzen Achse in dem Bereich von mehr als 1,5 bis 4,0 liegt.

4. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die horizontale Querschnittsform des Trägerbetts (30) rechteckförmig ist.

5. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die horizontale Querschnittsform des Trägerbetts (30) eine Ellipse, ein Rhombus oder ein Parallelogramm ist.

6. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Siliziumeinkristall (10; 40) des Leitungstyps n die Gestalt eines rechteckförmigen Parallelepipeds besitzt.

7. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Siliziumeinkristall (10; 40) des Leitungstyps n in Draufsicht gesehen kleiner ist als das Trägerbett.

8. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Elektroden auf einer oberen Oberfläche des Siliziumeinkristalls (10; 40) des Leitungstyps n angebracht sind.

9. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Siliziumeinkristall (10; 40) des Leitungstyps n eine Gestalt besitzt, die in Draufsicht gesehen identisch ist wie diejenige des Kraftübertragungsblocks (20),

bei dem der Siliziumeinkristall (10; 40) des Leitungstyps n und der Kraftübertragungsblock vollständig übereinanderliegen, und

bei dem die Elektroden an einer seitlichen Oberfläche des Siliziumeinkristalls des Leitungstyps n angebracht sind.

10. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Siliziumeinkristall (10; 40) des Leitungstyps n dadurch hergestellt ist, daß Verunreinigungen wie etwa Phosphor oder Arsen in einen Siliziumeinkristall des Leitungstyps p eindiffundiert sind.

11. Kraftwandler nach Anspruch 10,

bei dem der Siliziumeinkristall des Leitungstyps n auf einem Teil des Siliziumeinkristalis des Leitungstyps p ausgebildet ist, und

bei dem die Elektroden um den Siliziumeinkristall des Leitungstyps n herum angebracht sind.

12. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Trägerbett (30) aus einem Material hoher Festigkeit wie etwa kristallinem Glas oder faserverstärktem Harz hergestellt ist.

13. Kraftwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die lange Achse des Trägerbetts (30) in einem Winkel liegt, der bezüglich der Richtung, in der die Eingangselektroden gewandt sind, in einem Bereich zwischen ungefähr -75º und -15º liegt.

14. Kraftwandler nach Anspruch 13, bei dem die lange Achse des Trägerbetts (30) um -45º gegenüber der Richtung beabstandet ist, in der die Eingangselektroden gewandt sind.