WO2020239752A1 - Elektrisches bauelement und verfahren zur sensierung einer mechanischen verformung - Google Patents

Elektrisches bauelement und verfahren zur sensierung einer mechanischen verformung Download PDF

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WO2020239752A1
WO2020239752A1 PCT/EP2020/064547 EP2020064547W WO2020239752A1 WO 2020239752 A1 WO2020239752 A1 WO 2020239752A1 EP 2020064547 W EP2020064547 W EP 2020064547W WO 2020239752 A1 WO2020239752 A1 WO 2020239752A1
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electrical component
memory cell
deformation
deformation sensor
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PCT/EP2020/064547
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Hermann Kohlstedt
Tom BIRKOBEN
Henning Ulrich WINTERFELD
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Christian-Albrechts-Universität Zu Kiel
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Publication date
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    • G—PHYSICS
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    • H01L29/7881—Programmable transistors with only two possible levels of programmation
    • H01L29/7883—Programmable transistors with only two possible levels of programmation charging by tunnelling of carriers, e.g. Fowler-Nordheim tunnelling

Definitions

  • the invention relates to an electrical component with which a mechanical deformation can be sensed.
  • the invention also relates to a method for Sen sizing a mechanical deformation of an object by means of at least egg Nes attached to the object electrical component of the aforementioned type.
  • Sensors suitable for sensing a mechanical deformation of an object are known in a wide variety of embodiments and are commercially available, e.g. in the form of strain gauges, vibration sensors or tension sensors. If such a sensor is designed as an analog sensor, it can generally only be used once and then has to be replaced. In addition, no automated evaluation of the measurement results is possible, i.e. the evaluation must be done by humans. If such sensors are designed as digital sensors, a considerable amount of computer technology is required in order to derive the data obtained from the sensor signal and convert it into a storable value.
  • the invention is based on the object of specifying an improved electrical component with which mechanical deformations can be sensed.
  • an electrical component with at least one electrical deformation sensor and at least one storage cell coupled to the deformation sensor, the deformation sensor emitting an electrical signal characterizing the deformation in the event of a deformation acting on it mechanically, the electrical signal characterizing the deformation being automatically as electrical parameter can be stored in the memory cell. So it becomes presented a completely new type of electrical component that combines the sensor function and the memory function. In the electrical component, the deformation sensor and the memory cell are thus connected to form a unit. Since the electrical signal is automatically stored in the memory cell, neither people nor additional technology, such as computer technology, is required.
  • the electrical component according to the invention allows the detection of any deformations, for example tension, with simultaneous storage of the electrical signal emitted by the deformation sensor due to the deformation as an electrical parameter in the memory cell.
  • the electrical signal emitted by the deformation sensor can be stored directly in the memory cell, i.e. the electrical signal given by the deformation sensor then forms the electrical parameter.
  • the electrical characteristic which is stored in the memory cell can also be derived in another way from the electrical signal of the deformation sensor, e.g. it can be strengthened or weakened.
  • any type of deformation is seen as mechanical deformation, for example physical tension, bends, compressive or tensile loads, vibration loads and the like.
  • the electrical component can be used in a wide variety of applications, e.g. for recording the mechanical load on aircraft components or on bridges.
  • the electrical signal characterizing the deformation can be automatically stored as an electrical parameter in the memory cell as a result of the coupling.
  • the deformation sensor can be electrically and / or mechanically coupled to the storage cell.
  • the electrical coupling can be a semiconductor coupling, for example.
  • the electrical parameter stored in the memory cell can, depending on the embodiment of the electrical component, either the instantaneous value of the Characterize deformation sensor acting mechanical deformation or a deformation summed up over time (time integral).
  • the memory cell is designed as a memristive component. This allows a simple evaluation of the electrical parameters stored in the memory cell, e.g. by simple resistance measurement. Accordingly, simply constructed evaluation circuits can be used. This is of particular advantage when a large number of electrical components are used to sense deformations.
  • a memristive component is an electrical component that has an electrical resistance between two external connections that increases or decreases with the charge flowing through the memristive component, depending on the direction of the charge flow.
  • a memristive device can e.g. by a floating gate transistor, e.g. a field effect transistor.
  • a memristive component can also be referred to as a memristive memory cell.
  • the electrical component with the deformation sensor and the memory cell is designed as an integrated circuit (IC).
  • IC integrated circuit
  • an electrical component that is easy to handle in practical operation is provided which, like other electrical components, can be used in the form of integrated circuits, e.g. when assembling on a printed circuit board.
  • the deformation sensor and the memory cell are parts of this integrated circuit, they are integrated in a particularly compact manner, so that a very small-sized electrical component can be implemented.
  • the deformation sensor is designed as a piezoelectric component or has a piezoelectric component.
  • This has the advantage that the deformation sensor can be implemented in a very simple and inexpensive manner.
  • the piezoelectric component basically all available pie zoelectric materials can be used, such as piezoelectric metals,
  • piezoelectric crystals e.g. Quartz crystals (S1O2), e.g. Lithium niobate, gallium orthophosphate, berlinite, minerals of the tourmaline group, suttonte salt and all ferroelectrics such as barium titanate (BTO),
  • S1O2 Quartz crystals
  • BTO barium titanate
  • piezoelectric ceramics (as a subset of crystals), e.g. made of synthetic, inorganic, ferroelectric and polycrystalline ceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT), lead magnesium niobate (PMN),
  • PZT lead zirconate titanate
  • PMN lead magnesium niobate
  • PVDF Polyvinylidene fluoride
  • Doped semiconductor materials e.g. doped Flf02.
  • the piezoelectric component has a voltage output coefficient g of at least 0.000001 V / m per N / m 2 , or at least 0.00001 V / m per N / m 2 , or at least 0.00002 V / m per N / m 2 , or at least 0.00003 V / m per N / m 2, or at least 0.00004 V / m per N / m 2, or at least 0.00005 V / m per N / m 2, or at least 0.00006 V / m per N / m 2, or at least 0.00007 V / m per N / m 2 , or at least 0.00008 V / m per N / m 2 , or at least 0.00009 V / m per N / m 2 , or we- shingless 0.0001 V / m per N / m 2, or at least 0.0002 V / m per N / m 2, or
  • the electrical component is designed as a semiconductor component with one or more doped semiconductor layers.
  • This allows a particularly efficient practical implementation of the electrical component, e.g. in the form of a transistor, in particular a special field effect transistor.
  • the field effect transistor can in particular be designed as a MOSFET.
  • the deformation sensor is arranged on at least one doped semiconductor layer or between doped semiconductor layers of the electrical component.
  • the deformation sensor can for example be arranged directly on a doped semiconductor layer or be embedded directly between two doped semiconductor layers.
  • the memory cell has a doped semiconductor layer that is isolated from the surroundings, in particular a floating gate or a multiplicity of floating gates.
  • the storage cell can e.g. like an EEPROM memory cell (FLOTOX-EEPROM) be designed. If the memory cell is in the form of a floating gate or a multiplicity of floating gates, the memory cell is particularly well suited for a combination with the mentioned embodiment as a field effect transistor.
  • the field effect transistor can e.g. be designed as a SONOS (silicon-oxide-nitride-oxide-polysilicon) field effect transistor. In this case, there are a number of island-shaped floating gates.
  • the deformation sensor is arranged as a material layer on the doped semiconductor layer of the memory cell that is isolated from the environment.
  • the deformation sensor can be designed as a piezo layer, for example.
  • This material layer, which forms the deformation sensor can be arranged directly on the aforementioned isolated doped semiconductor layer of the memory cell. It is advantageous here if the material layer forming the deformation sensor consists of insulating material in order to ensure the isolation from the environment. In this way, a highly integrated structure of the electrical component can be realized.
  • the deformation sensor which is not electrically insulating, that is to say has corresponding electrical conductivity in order to conduct an electrical current.
  • an additional insulating layer is arranged between the mentioned isolated doped semiconductor layer of the memory cell and the deformation sensor.
  • the deformation sensor if it has a corresponding electrical conductivity, can also be used, for example, as a control connection (control gate) of a field effect transistor.
  • the electrical component is set up to store the electrical parameter stored in the memory cell, which was generated on the basis of the electrical signals characterizing the deformation, even without electrical power supply to the electrical component. Accordingly, the electrical construction element does not require a permanent electrical energy supply.
  • the electrical component can even perform its function without any electrical energy supply, ie the sensing of mechanical deformations if, for example, the deformation sensor is designed as a piezo element.
  • a piezo element emits electrical signals in the event of mechanical deformation even without an electrical power supply.
  • an electrical parameter that characterizes the deformations can be stored in the memory cell directly and without an electrical energy supply.
  • the electrical component is designed as an n-pole component with only n separate electrical external connections (A, B), where n can be 2, 3 or 4, i.e. as a two-pole, three-pole or four-pole component.
  • n can be 2, 3 or 4, i.e. as a two-pole, three-pole or four-pole component.
  • the electrical component can have more than the n external electrical connections, but only n separate electrical external connections are present, i.e. If there are more than n external connections, respective external connections within the electrical component or outside can be electrically connected to one another.
  • the memory cell can be erased by applying an electrical signal to external connections of the electrical component.
  • the electrical signal for erasing the memory cell can be, for example, a voltage pulse which, in the case of a floating gate or a plurality of floating gates, allows the electrical charge accumulated therein to flow away.
  • the electrical component has a substrate on which the memory cell and the deformation sensor are arranged, the substrate having a mounting surface designed for mounting on an object to be sensed with respect to the deformation.
  • the electrical component can be manufactured using conventional manufacturing processes, for example manufacturing processes using semiconductor technology.
  • the substrate may, for example, be a semiconductor material, e.g. Silicon. Because the substrate provides a mounting surface, the electrical component can be easily handled and used for measuring deformations.
  • the electrical component can for example be glued to the object with its mounting surface or attached to it in some other way.
  • the substrate can be more or less thick depending on the embodiment of the electrical component. In general, it can be said that the sensitivity of the deformation sensor can be increased if the substrate is as thin as possible or at least as little stiff as possible.
  • the substrate can have a material thickness in the range of 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m or more, e.g. 300 pm to 700 pm. It is also possible to realize the substrate with significantly smaller material thicknesses, for example in the range of less than 100 ⁇ m, or less than 50 ⁇ m, or less than 20 ⁇ m, which is e.g. this can be implemented in that the silicon-on-insulator transistor technology is used for the production of the electrical component. This makes it possible to make the substrate very thin and accordingly membrane-like.
  • the deformation sensor is arranged on the side of the substrate facing away from the mounting surface. Accordingly, the deformation sensor is protected from the outside environment by the substrate. According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the memory cell and / or the deformation sensor is covered with an encapsulation material. In this way, the storage cell and / or the deformation sensor can also be protected and shielded from the outside environment in other spatial directions by the encapsulation material.
  • the encapsulation material fulfills different requirements with regard to light, dust and moisture protection. It can also serve as electrical insulation. With regard to the material thickness and the elasticity typical of the material, the encapsulation material should be such that the mechanical deformation of the deformation sensor is hindered as little as possible in order to ensure a high measurement sensitivity.
  • the electrical component according to the invention can be manufactured using known semiconductor manufacturing processes, e.g. silicon technology, and accordingly the associated known manufacturing possibilities can be used. In this way, the electrical component can be manufactured inexpensively and in a CMOS-compatible manner. Because of the inexpensive manufacture, the integration of such electrical components in large numbers in complex systems and in the form of larger arrays is particularly useful. Circuits with embedded sensors are also possible. They offer an approach to detect tension over a certain period of time and to read it out at desired time intervals.
  • the electrical component is suitable, for example, for monitoring in the infrastructure sector, e.g. Tension on bridges or in transport technology, e.g. Tension on critical load-bearing structures in aircraft. Applications in robotics as touch sensors are also conceivable.
  • the high degree of integrability and scalability of the electrical component allows adaptation to almost all physical and electrical quantities.
  • the above-mentioned object is also achieved by a method for sen- sation of a mechanical deformation of an object by means of at least one electrical component attached to the object according to one of the preceding claims, wherein during at least one detection phase the deformations mechanically acting on the deformation sensor are based on the Deformation-characterizing electrical signals of the deformation sensor he recorded and automatically stored as an electrical parameter in the memory cell.
  • the electrical parameter is read from the memory cell during or after the acquisition phase.
  • the acquisition phase can be a single acquisition phase or several acquisition phases running one after the other with interruptions. The invention thus allows either online monitoring of the sensed mechanical deformation of the object or offline monitoring at desired times.
  • the electrical component is disconnected from any electrical energy supply after the detection phase and then the electrical parameter is read out from the storage cell.
  • the information stored in the memory cell by the electrical component is not lost, even if the power supply fails.
  • the electrical parameter is read from the memory cell by measuring the resistance of the electrical component. This allows the electrical parameters to be read out particularly easily. As is well known, a resistance measurement can be easily carried out by measuring current and voltage and then using Ohm's law to determine the resistance.
  • Figure 1 shows an electrical component in a sectional side view
  • Figure 2 - a first circuit application of the electrical component from Fi gur 1
  • the electrical component shown in Figure 1 comprises a substrate 8 which is formed from a semiconductor material, e.g. made of silicon.
  • a substrate 8 which is formed from a semiconductor material, e.g. made of silicon.
  • two doped semiconductor regions or layers 6, 7 are formed, which form the source 6 and the drain 7 of a field effect transistor.
  • the semiconductor layers 6, 7 can either be n-doped or p-doped.
  • a corresponding channel e.g. an n-channel or a p-channel, designed for charge transport.
  • An insulating layer 5 is also arranged on the substrate 8, e.g. a gate oxide.
  • the insulation layer 5 partially or completely covers the semiconductor layers 6, 7.
  • a floating gate 4 is formed on the insulation layer 5 and serves to store the electrical characteristic of the memory cell of the electrical component, e.g. by storing a certain amount of charge. The floating gate 4 thus forms an essential part of the memory cell of the electrical component.
  • the floating gate 4 there is a layer which forms the deformation sensor 3, e.g. a layer of piezoelectric material.
  • a material for the deformation sensor 3 is used here which additionally has insulating properties, so that the isolation of the floating gate 4 is still guaranteed.
  • a layer which forms a control gate 2 (control connection) of a field effect transistor is arranged on the deformation sensor 3.
  • the structure described with the substrate 8, the semiconductor layers 6, 7, the insulation layer 5, the floating gate 4, an insulation layer 3 and the control gate 2 corresponds to the structure of a FLOTOX EEPROM memory cell, with the difference that in According to the present invention, the upper insulation layer 3 is not an arbitrary insulation layer, but instead the deformation sensor 3 is formed by this, in that the piezoelectric material, for example, is arranged there instead of any insulation material.
  • the electrical component formed in this way, with which mechanical deformations can be detected, has a mounting surface 10 on the underside of the substrate 8. Depending on the application, electrical insulation of the mounting surface 10 is useful. With the mounting surface 10, the electrical component can be attached to an object whose deformation is to be sensed. It is also advantageous to cover the described arrangement on the side facing away from the mounting surface 10 with an encapsulating material 1 in order to protect the entire arrangement from environmental influences.
  • the encapsulation material can be a single material or a mixture of several materials.
  • the electrical component according to the invention described with reference to FIG. 1 differs from conventional memory cells in that there is a transition region 9 between the floating gate 4 and the insulation layer 5, in which the floating gate 4 extends further into the insulation layer 5 and thus has a smaller distance from the drain 7 there.
  • the thickness of the insulation layer 5 is reduced in the transition region 9.
  • the transition region 9 facilitates the injection of electrons from the drain 7 into the floating gate 4.
  • the electrical component described can e.g. a gate connection G, which is connected to the control gate 2, a source connection S which is connected to the source 6, and a drain connection D which is connected to the drain 7.
  • a substrate connection Bi connected to the substrate 8 can be present. In this way, for example, the substrate 8 can be raised to a defined potential, e.g. Ground potential.
  • FIGS. 2 and 3 show exemplary connection options for the electrical component described with reference to FIG.
  • FIG. 2 shows an interconnection of the connections of the electrical component as a memristive arrangement through the electrical lines connected to the control gate 2, the source 6 and the drain 7.
  • the control gate 2 is short-circuited with the source 6 and connected to a first external connection B of the electrical component.
  • the substrate connection Bi can also be connected to the first external connection B.
  • a second external connection A of the electrical component is connected to the drain 7.
  • a voltage VAB can be applied to the external connections A, B.
  • the external connection B can be connected to ground potential, then the external connection A is connected to a positive potential.
  • the deformation sensor 3 which is designed as a piezoelectric layer, automatically generates a potential difference in the control gate 2 when the electrical component is deformed.
  • This potential difference generates a control voltage at the control gate 2 which is comparable to the application of an external gate voltage in a field effect transistor. Due to the function of the field effect transistor, this voltage at control gate 2 influences the charge carriers in the channel in substrate 8 between source 6 and drain 7. With a positive voltage VAB, this leads to charge carriers being accumulated in floating gate 4.
  • the charge carriers accumulated in the floating gate 4 which thus represent an electrical parameter of the storage cell, depend directly on the mechanical deformation that acts on it and is detected by the deformation sensor 3.
  • the electrical component is operated, for example, with a voltage VAB somewhat below the voltage required for tunneling. If a mechanical deformation acts on the component, an additional voltage is generated by the deformation sensor 3 in the control gate 2, which allows the floating gate 4 to be charged, ie the voltage threshold for tunneling is exceeded. In this way, it is possible for the component to give a direct response to the mechanical deformation acting on the component in the form of a change in current at the output and at the same time to provide information about this deformation to save. In the case of large mechanical deformations acting on the component, it is also possible to operate the component as a memory without real-time response, in particular without an electrical power supply. For this purpose, for example, all contacts can be earthed.
  • a resistance measurement at the external connections A, B can simply be carried out for this purpose. If the voltage VAB is known, only the flowing current needs to be measured in order to determine the electrical resistance.
  • the external connections A, B can represent the only external connections of the electrical component.
  • a two-pole electrical component can be implemented that can be used and connected very easily.
  • the electrical component according to FIG. 3 largely corresponds to the electrical component according to FIG. 2, the electrical connection of the external connection B to the substrate 8 being separated here and in the form of an additional external connection C or two external connections
  • the external connections B, D are connected to one another, i.e. they can be implemented as an external connection or as two external connections.
  • the embodiment according to FIG. 3 has the advantage that the substrate 8 can be placed at a defined potential which can differ from the potential present at the outer connection B. For example, a voltage VCD can be applied between the external connections C, D. In this way, the electrical component can be used even more flexibly in different applications.

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Abstract

Vorgestellt wird ein elektrisches Bauelement (1), mit dem eine mechanische Verformung eines Gegenstands sensiert werden kann, außerdem ein Verfahren zur Sensierung einer mechanischen Verformung eines Gegenstands mittels wenigstens eines an dem Gegenstand angebrachten elektrischen Bauelementes der zuvor genannten Art.

Description

Elektrisches Bauelement und Verfahren zur Sensierung einer mechanischen Verformung
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement, mit dem eine mechanische Verfor mung sensiert werden kann. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Sen sierung einer mechanischen Verformung eines Gegenstands mittels wenigstens ei nes an dem Gegenstand angebrachten elektrischen Bauelementes der zuvor ge nannten Art.
Sensoren, die zur Sensierung einer mechanischen Verformung eines Gegenstands geeignet sind, sind in verschiedensten Ausführungsformen bekannt und im Handel erhältlich, z.B. in Form von Dehnungsmessstreifen, Vibrationssensoren oder Ver spannungssensoren. Ist ein solcher Sensor als analoger Sensor ausgebildet, kann er in der Regel nur ein einziges Mal genutzt werden und muss dann ausgetauscht wer den. Zudem ist keine automatisierte Auswertung der Messergebnisse möglich, d.h. die Auswertung muss durch den Menschen erfolgen. Sind solche Sensoren als digi tale Sensoren ausgeführt, ist ein erheblicher Aufwand an Computertechnik erforder lich, um die gewonnenen Daten aus dem Sensorsignal abzuleiten und in einen spei cherbaren Wert zu überführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes elektrisches Bauelement anzugeben, mit dem mechanische Verformungen sensiert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisches Bauelement mit wenigstens einem elektrischen Verformungssensor und wenigstens einer mit dem Verformungssensor gekoppelten Speicherzelle, wobei der Verformungssensor bei einer mechanisch auf ihn einwirkenden Verformung ein die Verformung charakterisierendes elektrisches Signal abgibt, wobei das die Verformung charakterisierende elektrische Signal auto matisch als elektrische Kenngröße in der Speicherzelle speicherbar ist. Es wird somit ein völlig neuartiges elektrisches Bauelement vorgestellt, das die Sensorfunktion und die Speicherfunktion vereint. In dem elektrischen Bauelement sind somit der Verfor mungssensor und die Speicherzelle zu einer Einheit verbunden. Da die Speicherung des elektrischen Signals automatisch in der Speicherzelle erfolgt, ist hierfür weder eine Beteiligung durch Menschen noch durch zusätzliche Technik, wie z.B. Compu tertechnik, erforderlich. Das erfindungsgemäße elektrische Bauelement erlaubt die Erfassung jeglicher Verformungen, z.B. Verspannungen, bei simultaner Speicherung des aufgrund der Verformung durch den Verformungssensor abgegebenen elektri schen Signals als elektrische Kenngröße in der Speicherzelle.
Hierbei kann das durch den Verformungssensor abgegebene elektrische Signal di rekt in der Speicherzelle gespeichert werden, d.h. das vom Verformungssensor ab gegebene elektrische Signal bildet dann die elektrische Kenngröße. Die elektrische Kenngröße, die in der Speicherzelle gespeichert ist, kann auch in anderer Weise von dem elektrischen Signal des Verformungssensors abgeleitet werden, z.B. kann es verstärkt oder abgeschwächt werden.
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird als mechanische Verformung jegliche Art von Verformung gesehen, beispielsweise physische Verspannungen, Biegungen, Druck- oder Zug-Belastungen, Vibrationsbelastungen und ähnliches. Auf diese Weise ist das elektrische Bauelement in vielfältigen Einsatzmöglichkeiten nutzbar, z.B. zur Erfassung der mechanischen Belastung von Flugzeugbauteilen oder an Brü cken.
Dadurch, dass der Verformungssensor mit der Speicherzelle gekoppelt ist, kann das die Verformung charakterisierende elektrische Signal in Folge der Kopplung automa tisch als elektrische Kenngröße in der Speicherzelle gespeichert werden. Der Verfor mungssensor kann dabei elektrisch und/oder mechanisch mit der Speicherzelle ge koppelt sein. Die elektrische Kopplung kann beispielsweise eine Halbleiter-Kopplung sein.
Die in der Speicherzelle gespeicherte elektrische Kenngröße kann je nach Ausfüh rungsform des elektrischen Bauelementes entweder den Momentanwert der auf den Verformungssensor einwirkenden mechanischen Verformung charakterisieren oder eine über die Zeit aufsummierte Verformung (zeitliches Integral).
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Speicherzelle als memristives Bauelement ausgebildet ist. Dies erlaubt eine einfa che Auswertung der in der Speicherzelle gespeicherten elektrischen Kenngröße, z.B. durch einfache Widerstandsmessung. Dementsprechend können einfach aufgebaute Auswerteschaltungen eingesetzt werden. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn eine Vielzahl elektrischer Bauelemente zur Sensierung von Verformungen eingesetzt wird.
Ein memristives Bauelement ist ein elektrisches Bauelement, das zwischen zwei Au ßenanschlüssen einen elektrischen Widerstand aufweist, der mit durch das memris- tive Bauelement hindurchgeflossener Ladung größer oder kleiner wird, je nach Rich tung des Ladungsflusses. Ein memristives Bauelement kann z.B. durch einen Floa ting Gate Transistor, z.B. einen Feldeffekttransistor, realisiert werden. Ein memristi ves Bauelement kann auch als memristive Speicherzelle bezeichnet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement mit dem Verformungssensor und der Speicherzelle als inte grierter Schaltkreis (IC) ausgebildet ist. Auf diese Weise wird ein im praktischen Be trieb gut handhabbares elektrisches Bauelement bereitgestellt, das wie andere elekt rische Bauelemente in Form integrierter Schaltkreise genutzt werden kann, z.B. bei einer Bestückung auf einer Leiterplatte. Dadurch, dass der Verformungssensor und die Speicherzelle Teile dieses integrierten Schaltkreises sind, sind sie besonders kompakt integriert, sodass ein sehr kleinbauendes elektrisches Bauelement realisiert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verformungssensor als piezoelektrisches Bauelement ausgebildet ist oder ein piezo elektrisches Bauelement aufweist. Dies hat den Vorteil, dass der Verformungssensor auf sehr einfache und kostengünstige Weise realisiert werden kann. Für die Realisie rung des piezoelektrischen Bauelementes können grundsätzlich alle verfügbaren pie zoelektrischen Materialien eingesetzt werden, wie z.B. piezoelektrische Metalle,
nichtleitende ferroelektrische Materialien,
Materialien mit permanentem elektrischen Dipol, beispielsweise Bariumtita- nat und Blei-Zirkonat-Titanat (PZT),
piezoelektrische Kristalle, z.B. Quarzkristalle (S1O2), z.B. Lithiumniobat, Galliu- morthophosphat, Berlinit, Minerale der Turmalingruppe, Seignettesalz und alle Ferroelektrika wie Bariumtitanat (BTO),
piezoelektrische Keramiken (als Untergruppe der Kristalle), z.B. aus syntheti schen, anorganischen, ferroelektrischen und polykristallinen Keramikwerkstof fen wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Blei-Magnesium-Niobate (PMN),
Polymere, z.B. Polyvinylidenfluorid (PVDF),
Bariumtitanat (BaTiOß)
Dotierte Flalbleitermaterialien, z.B. dotiertes Flf02.
Vorteilhaft sind beispielsweise Aluminiumnitrit, mit dem eine CMOS-kompatible pie zoelektrische Struktur bereitgestellt werden kann, oder Aluminiumscandiumnitrit, Quarz-Material, Polymere oder Gallium-Nitrit.
Wird piezoelektrisches Material mechanisch belastet, so verformen sich dessen Ele mentarzellen. Die daraus resultierende Trennung der positiven und negativen Ladun gen führt zu einer Aufladung der Außenfläche. Wenn Elektroden mit gegensätzlichen Oberflächen verbunden sind, erzeugen die Ladungen eine Spannung U (in Volt) bzw. eine elektrische Feldstärke E (in Volt/Meter = V/m). Eine charakteristische Kenn größe eines piezoelektrischen Bauelements ist der Spannungsausgangskoeffizient g, der die vom piezoelektrischen Bauelement erzeugte elektrische Feldstärke E abhän gig vom auf das piezoelektrische Bauelement einwirkenden Druck (in Newton/Quad ratmeter = N/m2) angibt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das piezoelektrische Bauelement einen Spannungsausgangskoeffizienten g von wenigstens 0.000001 V/m pro N/m2 auf, oder wenigstens 0.00001 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.00002 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.00003 V/m pro N/m2, o- der wenigstens 0.00004 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.00005 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.00006 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.00007 V/m pro N/m2, oder we nigstens 0.00008 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.00009 V/m pro N/m2, oder we- nigstens 0.0001 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0002 V/m pro N/m2, oder wenigs tens 0.0003 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0004 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0005 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0006 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0007 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0008 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.0009 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.001 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.002 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.003 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.004 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.005 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.006 V/m pro N/m2, o- der wenigstens 0.007 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.008 V/m pro N/m2, oder we nigstens 0.009 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.01 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.02 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.03 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.04 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.05 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.06 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.07 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.08 V/m pro N/m2, oder we nigstens 0.09 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.1 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.2 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.3 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.4 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.5 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.6 V/m pro N/m2, oder wenigs tens 0.7 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.8 V/m pro N/m2, oder wenigstens 0.9 V/m pro N/m2, oder wenigstens 1 V/m pro N/m2, oder wenigstens 10 V/m pro N/m2, oder wenigstens 20 V/m pro N/m2, oder wenigstens 30 V/m pro N/m2, oder wenigstens 40 V/m pro N/m2, oder wenigstens 50 V/m pro N/m2.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement als Halbleiterbauelement mit einer oder mehreren dotierten Halbleiterschichten ausgebildet ist. Dies erlaubt eine besonders effiziente praktische Realisierung des elektrischen Bauelementes, z.B. in Form eines Transistors, insbe sondere eines Feldeffekttransistors. Der Feldeffekttransistor kann insbesondere als MOSFET ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verformungssensor an wenigstens einer dotierten Halbleiterschicht oder zwischen dotierten Halbleiterschichten des elektrischen Bauelementes angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass der Verformungssensor unmittelbar in den Halbleiter-Aufbau des elektrischen Bauelementes integriert werden kann, sodass eine unmittelbare Signal übertragung beispielsweise zur Speicherzelle möglich ist. Gesonderte elektrische Leitungen für die Signalübertragung können dann entfallen. Der Verformungssensor kann beispielsweise unmittelbar an einer dotierten Halbleiterschicht angeordnet sein oder unmittelbar zwischen zwei dotierten Halbleiterschichten eingebettet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Speicherzelle eine gegenüber der Umgebung isolierte dotierte Halbleiterschicht auf weist, insbesondere ein Floating Gate oder eine Vielzahl von Floating Gates. Dies er laubt eine einfache und kostengünstige Realisierung der Speicherzelle. Die Spei cherzelle kann z.B. wie eine EEPROM-Speicherzelle (FLOTOX-EEPROM) ausgebil det sein. Ist die Speicherzelle in Form eines Floating Gate oder einer Vielzahl von Floating Gates ausgebildet, eignet sich die Speicherzelle insbesondere gut für eine Kombination mit der erwähnten Ausgestaltung als Feldeffekttransistor. Der Feldef fekttransistor kann z.B. als SONOS (silicon-oxide-nitride-oxide-polysilicon) Feldeffekt transistor ausgebildet sein. In diesem Fall ist eine Vielzahl von inselförmigen Floating Gates vorhanden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verformungssensor als Materialschicht auf der gegenüber der Umgebung isolierten dotierten Halbleiterschicht der Speicherzelle angeordnet ist. Dementsprechend kann der Verformungssensor beispielsweise als Piezoschicht ausgebildet sein. Diese Ma terialschicht, die den Verformungssensor bildet, kann dabei unmittelbar auf der zuvor erwähnten isolierten dotierten Halbleiterschicht der Speicherzelle angeordnet sein. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die den Verformungssensor bildende Materialschicht aus isolierendem Material besteht, um die Isolation gegenüber der Umgebung sicher zustellen. Hierdurch kann ein hochintegrierter Aufbau des elektrischen Bauelementes realisiert werden.
Alternativ kann auch ein Material zur Bildung des Verformungssensors eingesetzt werden, das nicht elektrisch isolierend ist, d.h. entsprechende elektrische Leitfähig keit aufweist, um einen elektrischen Strom zu leiten. In diesem Fall wird zwischen der erwähnten isolierten dotierten Halbleiterschicht der Speicherzelle und dem Verfor mungssensor eine zusätzliche isolierende Schicht angeordnet. Der Verformungs sensor kann, wenn er eine entsprechende elektrische Leitfähigkeit aufweist, bei spielsweise auch als Steueranschluss (Control Gate) eines Feldeffekttransistors ge nutzt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement dazu eingerichtet ist, die in der Speicherzelle gespeicherte elektrische Kenngröße, die aufgrund der die Verformung charakterisierenden elektri schen Signale erzeugt wurde, auch ohne elektrische Energieversorgung des elektri schen Bauelementes zu speichern. Dementsprechend benötigt das elektrische Bau element keine permanente elektrische Energieversorgung. Je nach Ausführung des elektrischen Bauelementes kann dieses sogar ganz ohne elektrische Energieversor gung seine Funktion ausführen, d.h. das Sensieren von mechanischen Verformun gen, wenn z.B. der Verformungssensor als Piezoelement ausgebildet ist. Ein Piezoe- lement gibt auch ohne elektrische Energieversorgung bei mechanischen Verformun gen elektrische Signale ab. Bei entsprechender Verschaltung des Verformungs sensors mit der Speicherzelle kann direkt und ohne elektrische Energieversorgung eine elektrische Kenngröße, die die Verformungen charakterisiert, in der Speicher zelle gespeichert werden. Durch Hinzunehmen einer elektrischen Energieversorgung des elektrischen Bauelementes zumindest während der Erfassung von Verformun gen kann die Messempfindlichkeit des elektrischen Bauelements aber wesentlich er höht werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement als n-poliges Bauelement mit nur n voneinander getrennten elektrischen Außenanschlüssen (A, B) ausgebildet ist, wobei n gleich 2, 3 oder 4 sein kann, D. h. als zweipoliges, dreipoliges oder vierpoliges Bauelement. Auf diese Weise ist das elektrische Bauelement einfach handhabbar und bedarf keiner aufwen digen Verschaltung mit weiteren Bauteilen. Das elektrische Bauelement kann dabei mehr als die n elektrischen Außenanschlüsse aufweisen, jedoch sind nur n voneinan der getrennte elektrische Außenanschlüsse vorhanden, d.h. es können bei mehr als n Außenanschlüssen jeweilige Außenanschlüsse innerhalb des elektrischen Bauele mentes oder außerhalb galvanisch miteinander verbunden sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Speicherzelle durch Anlegen eines elektrischen Signals an Außenanschlüssen des elektrischen Bauelementes löschbar ist. Dies erlaubt es, die Speicherzelle dauerhaft einzusetzen und nach einer Erfassung von mechanischen Verformungen wieder in den Ausgangszustand zu versetzen und weiter zu nutzen. Das elektrische Signal zum Löschen der Speicherzelle kann beispielsweise ein Spannungspuls sein, der im Falle eines Floating Gate oder einer Vielzahl von Floating Gates die darin gesam melte elektrische Ladung abfließen lässt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement ein Substrat aufweist, an dem die Speicherzelle und der Ver formungssensor angeordnet sind, wobei das Substrat eine zur Montage an einem bezüglich der Verformung zu sensierenden Gegenstand eingerichtete Montagefläche aufweist. Auf diese Weise kann das elektrische Bauelement mit üblichen Herstel lungsprozessen, beispielsweise Herstellungsprozessen der Halbleitertechnologie, hergestellt werden. Das Substrat kann beispielsweise ein Halbleitermaterial sein, z.B. Silizium. Dadurch, dass das Substrat eine Montagefläche bereitstellt, ist eine einfa che Handhabung und Verwendung des elektrischen Bauelementes zur Messung von Verformungen möglich. Das elektrische Bauelement kann beispielsweise an dem Gegenstand mit seiner Montagefläche angeklebt werden oder auf andere Weise da ran befestigt werden.
Das Substrat kann je nach Ausführungsform des elektrischen Bauelementes mehr oder weniger dick sein. Allgemein kann gesagt werden, dass die Empfindlichkeit des Verformungssensors gesteigert werden kann, wenn das Substrat möglichst dünn ist oder zumindest möglichst wenig steif ist. Das Substrat kann eine Materialdicke im Bereich von 100 pm bis 1000 pm oder mehr haben, z.B. 300 pm bis 700 pm. Es ist auch möglich, das Substrat mit deutlich geringeren Materialdicken zu realisieren, bei spielsweise im Bereich von weniger als 100 pm, oder weniger als 50 pm, oder weni ger als 20 pm, was z.B. dadurch realisiert werden kann, dass die Silicon-on-lnsula- tor-Transistortechnologie für die Herstellung des elektrischen Bauelementes einge setzt wird. Dies erlaubt es, das Substrat sehr dünn und dementsprechend membran artig zu gestalten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verformungssensor auf der von der Montagefläche abgewandten Seite des Sub strats angeordnet ist. Dementsprechend ist der Verformungssensor durch das Sub strat von der Außenumgebung geschützt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Speicherzelle und/oder der Verformungssensor mit einem Kapselungsmaterial über deckt ist. Auf diese Weise können die Speicherzelle und/oder der Verformungs sensor durch das Kapselungsmaterial auch in anderen Raumrichtungen von der Au ßenumgebung geschützt und abgeschirmt werden. Das Kapselungsmaterial erfüllt dabei unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Licht-, Staub- und Feuchtigkeits schutz. Zudem kann es als elektrische Isolation dienen. Das Kapselungsmaterial sollte dabei hinsichtlich der Materialstärke und der materialtypischen Elastizität derart sein, dass dadurch die mechanische Verformung des Verformungssensors möglichst wenig behindert wird, um eine hohe Messempfindlichkeit zu gewährleisten.
Das erfindungsgemäße elektrische Bauelement kann unter Verwendung bekannter Halbleiter-Herstellungsprozesse, z.B. der Silizium-Technologie, hergestellt werden und dementsprechend können die damit verbundenen bekannten Fertigungsmöglich keiten genutzt werden. Auf diese Weise kann das elektrische Bauelement preiswert und CMOS-kompatibel hergestellt werden. Aufgrund der kostengünstigen Herstel lung bietet sich insbesondere die Integration solcher elektrischen Bauelemente in großer Stückzahl in komplexen Systemen und in Form größerer Arrays an. Auch Schaltungen mit eingebetteten Sensoren sind somit möglich. Sie bieten einen An satz, um Verspannungen über einen bestimmten Zeitraum zu detektieren und in ge wünschten Zeitintervallen auszulesen. Das elektrische Bauelement eignet sich bei spielsweise für ein Monitoring im Infrastrukturbereich, z.B. Verspannungen an Brü cken, oder in der Transporttechnik, z.B. Verspannungen an kritischen tragenden Strukturen in Flugzeugen. Ebenso sind Anwendungen in der Robotik als Berührungs sensor denkbar. Darüber hinaus erlaubt die hohe Integrierbarkeit und Skalierbarkeit des elektrischen Bauelementes eine Anpassung auf nahezu alle physischen und elektrischen Größen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Sen- sierung einer mechanischen Verformung eines Gegenstands mittels wenigstens ei nes an dem Gegenstand angebrachten elektrischen Bauelementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während wenigstens einer Erfassungsphase die auf den Verformungssensor mechanisch einwirkenden Verformungen anhand der die Verformung charakterisierenden elektrischen Signale des Verformungssensors er fasst und automatisch als elektrische Kenngröße in der Speicherzelle gespeichert werden. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Kenngröße aus der Speicherzelle während oder nach der Erfassungs phase ausgelesen wird. Die Erfassungsphase kann eine einzige Erfassungsphase oder mehrere mit Unterbrechungen hintereinander ablaufende Erfassungsphasen sein. Somit erlaubt die Erfindung wahlweise ein Online-Monitoring der sensierten me chanischen Verformung des Gegenstands oder ein Offline-Monitoring zu gewünsch ten Zeitpunkten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement nach der Erfassungsphase von jeglicher elektrischer Ener gieversorgung getrennt wird und danach die elektrische Kenngröße aus der Spei cherzelle ausgelesen wird. Auf diese Weise geht die durch das elektrische Bauele ment in der Speicherzelle gespeicherte Information auch bei Ausfall der Energiever sorgung nicht verloren. Zudem wird es möglich, das Auslesen der elektrischen Kenn größe aus der Speicherzelle zeitlich in erheblichem Maße von der Erfassungsphase zu trennen, beispielsweise wenn bei einem Monitoring an Brücken nur in Abständen von mehreren Monaten oder Jahren Messwerte ausgelesen werden sollen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Kenngröße aus der Speicherzelle ausgelesen wird, indem der Widerstand des elektrischen Bauelementes gemessen wird. Dies erlaubt ein besonders einfa ches Auslesen der elektrischen Kenngröße. Eine Widerstandsmessung kann be kanntlich einfach durch Messung von Strom und Spannung durchgeführt werden und aus dem Ohm’schen Gesetz dann der Widerstand bestimmt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwen dung von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Figur 1 ein elektrisches Bauelement in seitlicher Schnittdarstellung, Figur 2 - eine erste Schaltungsapplikation des elektrischen Bauelements aus Fi gur 1 ,
Figur 3 - eine zweite Schaltungsapplikation des elektrischen Bauelements aus
Fig. 1 .
Das in Figur 1 dargestellte elektrische Bauelement weist ein Substrat 8 auf, das aus einem Flalbleitermaterial gebildet ist, z.B. aus Silizium. In dem Substrat 8 sind zwei dotierte Flalbleiterbereiche oder -schichten 6, 7 ausgebildet, die das Source 6 und das Drain 7 eines Feldeffekttransistors bilden. Die Flalbleiterschichten 6, 7 können entweder n-dotiert oder p-dotiert sein. In dem Substrat 8 wird dann in dem Bereich zwischen den Flalbleiterschichten 6, 7 ein entsprechender Kanal, z.B. ein n-Kanal o- der ein p-Kanal, für den Ladungstransport ausgebildet.
Auch dem Substrat 8 ist eine Isolationsschicht 5 angeordnet, z.B. ein Gateoxid. Die Isolationsschicht 5 überdeckt die Halbleiterschichten 6, 7 teilweise oder vollständig. Auf der Isolationsschicht 5 ist ein Floating Gate 4 ausgebildet, das zur Speicherung der elektrischen Kenngröße der Speicherzelle des elektrischen Bauelementes dient, z.B. durch Speichern einer bestimmten Ladungsmenge. Das Floating Gate 4 bildet somit einen wesentlichen Teil der Speicherzelle des elektrischen Bauelementes.
Auf dem Floating Gate 4 befindet sich eine Schicht, die den Verformungssensor 3 bil det, z.B. eine Schicht aus piezoelektrischem Material. Vorteilhafterweise wird hierbei ein Material für den Verformungssensor 3 eingesetzt, das zusätzlich isolierende Ei genschaften hat, sodass die Isolation des Floating Gates 4 weiterhin gewährleistet ist. Auf dem Verformungssensor 3 ist eine Schicht angeordnet, die ein Control Gate 2 (Steueranschluss) eines Feldeffekttransistors bildet.
Der beschriebene Aufbau mit dem Substrat 8, den Halbleiterschichten 6, 7, der Isola tionsschicht 5, dem Floating Gate 4, einer Isolationsschicht 3 und dem Control Gate 2 entspricht soweit dem Aufbau einer FLOTOX-EEPROM-Speicherzelle, mit dem Un terschied, dass bei der vorliegenden Erfindung obere Isolationsschicht 3 keine belie bige Isolationsschicht ist, sondern hierdurch der Verformungssensor 3 gebildet wird, indem dort das beispielsweise piezoelektrische Material angeordnet ist statt eines beliebigen Isolationsmaterials. Das auf diese Weise gebildete elektrische Bauelement, mit dem mechanische Ver formungen erfasst werden können, weist auf der Unterseite des Substrats 8 eine Montagefläche 10 auf. Je nach Anwendung ist eine elektrische Isolierung der Monta gefläche 10 sinnvoll. Mit der Montagefläche 10 kann das elektrische Bauelement an einem Gegenstand, dessen Verformung sensiert werden soll, angebracht werden. Es ist ferner vorteilhaft, die beschriebene Anordnung auf der der Montagefläche 10 ab gewandten Seite mit einem Kapselungsmaterial 1 zu überdeckten, um die gesamte Anordnung vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Das Kapselungsmaterial kann ein einzelnes Material oder eine Mischung aus mehreren Materialien sein.
Weiterhin unterscheidet sich das anhand der Figur 1 beschriebene erfindungsge mäße elektrische Bauelement von herkömmlichen Speicherzellen dadurch, dass zwi schen dem Floating Gate 4 und der Isolationsschicht 5 ein Übergangsbereich 9 vor handen ist, in dem das Floating Gate 4 sich weiter in die Isolationsschicht 5 hineiner streckt und damit dort einen geringeren Abstand zum Drain 7 aufweist. Mit anderen Worten, die Dicke der Isolationsschicht 5 ist in dem Übergangsbereich 9 verringert. Flierdurch kann die Empfindlichkeit des elektrischen Bauelementes bei der Erfassung und Speicherung der elektrischen Signale, die vom Verformungssensor 3 aufgrund einwirkender mechanischer Verformungen erzeugt werden, erhöht werden, da be reits sehr geringe Ladungsmengen einfacher durch Tunnel-Effekte auf das Floating Gate 4 übertragen werden können. Der Übergangsbereich 9 erleichtert die Elektro neninjektion vom Drain 7 in das Floating Gate 4.
Das beschriebene elektrische Bauelement kann z.B. einen Gate-Anschluss G auf weisen, der mit dem Control Gate 2 verbunden ist, einen Source-Anschluss S, der mit dem Source 6 verbunden ist, und einen Drain-Anschluss D, der mit dem Drain 7 verbunden ist. Zusätzlich kann ein Substrat-Anschluss Bi vorhanden sein, der mit dem Substrat 8 verbunden ist. Hierdurch kann beispielsweise das Substrat 8 auf ein definiertes Potential, z.B. Massepotential, gelegt werden.
Die nachfolgenden Figuren 2 und 3 zeigen beispielhafte Verschaltungsmöglichkeiten des anhand der Figur 1 beschriebenen elektrischen Bauelementes. Die Figur 2 zeigt durch die mit dem Control Gate 2, dem Source 6 und dem Drain 7 verbundenen elektrischen Leitungen eine Verschaltung der Anschlüsse des elektri schen Bauelementes als memristive Anordnung. Hierzu ist das Control Gate 2 mit dem Source 6 kurzgeschlossen und mit einem ersten Außenanschluss B des elektri schen Bauelementes verbunden. Der Substratanschluss Bi kann auch mit dem ers ten Außenanschluss B verbunden sein. Ein zweiter Außenanschluss A des elektri schen Bauelementes ist mit dem Drain 7 verbunden. An die Außenanschlüsse A, B kann eine Spannung VAB angelegt werden. Beispielsweise kann der Außenanschluss B auf Massepotential gelegt werden, dann wird der Außenanschluss A auf ein positi ves Potential gelegt.
Die Erfassung einer mechanischen Verformung und die entsprechende Speicherung der sich hieraus ergebenden elektrischen Signale des Verformungssensors 3 in der Speicherzelle erfolgt dadurch, dass der als piezoelektrische Schicht ausgebildete Verformungssensor 3 bei einer Verformung des elektrischen Bauelementes selbsttä tig eine Potentialdifferenz im Control Gate 2 erzeugt. Durch diese Potentialdifferenz wird eine Steuerspannung am Control Gate 2 erzeugt, die vergleichbar ist mit dem Anlegen einer externen Gate-Spannung bei einem Feldeffekttransistor. Diese Span nung am Control Gate 2 führt aufgrund der Funktion des Feldeffekttransistors zu ei ner Beeinflussung der Ladungsträger in dem Kanal im Substrat 8 zwischen Source 6 und Drain 7. Bei positiver Spannung VAB führt dies dazu, dass Ladungsträger im Floating Gate 4 angesammelt werden. Die im Floating Gate 4 angesammelten La dungsträger, die somit eine elektrische Kenngröße der Speicherzelle repräsentieren, hängen dabei unmittelbar von der über den Verformungssensor 3 erfassten, auf ihn einwirkenden mechanischen Verformung ab.
Das elektrische Bauelement wird z.B. mit einer Spannung VAB etwas unterhalb der für ein Tunneln nötigen Spannung betrieben. Wirkt nun eine mechanische Verfor mung auf das Bauelement ein, wird durch den Verformungssensor 3 im Control Gate 2 eine zusätzliche Spannung erzeugt, welche das Aufladen des Floating Gates 4 er laubt, d.h. die Spannungsschwelle für das Tunneln wird überschritten. Auf diese Weise ist es dem Bauelement möglich, eine direkte Antwort der auf das Bauelement einwirkenden mechanischen Verformung in Form einer Stromänderung am Ausgang abzugeben und zum gleichen Zeitpunkt Informationen über diese Verformung zu speichern. Bei großen auf das Bauelement einwirkenden mechanischen Verformun gen ist auch ein Betrieb des Bauelementes als Speicher ohne Echtzeitantwort mög lich, insbesondere ohne elektrische Energieversorgung. Hierfür können beispiels weise alle Kontakte geerdet werden.
Soll das in der Speicherzelle gespeicherte elektrische Signal des elektrischen Bau elementes ausgelesen werden, kann hierfür einfach eine Widerstandsmessung an den Außenanschlüssen A, B durchgeführt werden. Bei bekannter Spannung VAB ist somit nur noch der fließende Strom zu messen, um den elektrischen Widerstand zu bestimmen.
Die Außenanschlüsse A, B können auf diese Weise die einzigen Außenanschlüsse des elektrischen Bauelementes darstellen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein zweipoliges elektrisches Bauelement realisiert werden, das sehr einfach angewendet und verschaltet werden kann.
Anhand der Figur 3 wird eine weitere Möglichkeit der Nutzung des elektrischen Bau elementes gemäß Figur 1 beschrieben, bei dem drei oder vier Außenanschlüsse A,
B, C, D vorhanden sein können. Das elektrische Bauelement gemäß Figur 3 ent spricht weitgehend dem elektrischen Bauelement gemäß Figur 2, wobei die elektri sche Verbindung des Außenanschlusses B mit dem Substrat 8 hier aufgetrennt ist und in Form eines zusätzlichen Außenanschlusses C oder zweier Außenanschlüsse
C, D realisiert sein kann. Wie erkennbar ist, sind die Außenanschlüsse B, D miteinan der verbunden, d.h. sie können als ein Außenanschluss oder als zwei Außenan schlüsse realisiert sein. Die Ausführungsform gemäß Figur 3 hat den Vorteil, dass das Substrat 8 auf ein definiertes Potential gelegt werden kann, das von dem am Au ßenanschluss B vorhandenen Potential abweichen kann. Beispielsweise kann zwi schen den Außenanschlüssen C, D eine Spannung VCD angelegt werden. Auf diese Weise kann das elektrische Bauelement noch flexibler in unterschiedlichen Anwen dungen eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Elektrisches Bauelement mit wenigstens einem elektrischen Verformungs
sensor (3) und wenigstens einer mit dem Verformungssensor (3) gekoppelten Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8), wobei der Verformungssensor (3) bei einer me chanisch auf ihn einwirkenden Verformung ein die Verformung charakterisieren des elektrisches Signal abgibt, wobei das die Verformung charakterisierende elektrische Signal automatisch als elektrische Kenngröße in der Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) speicherbar ist.
2. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) als memristives Bauelement ausgebildet ist.
3. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauelement mit dem Verformungssensor (3) und der Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) als integrierter Schaltkreis (IC) ausge bildet ist.
4. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungssensor (3) als piezoelektrisches Bauele ment ausgebildet ist oder ein piezoelektrisches Bauelement aufweist.
5. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauelement als Halbleiterbauelement mit einer oder mehreren dotierten Halbleiterschichten (2, 4, 6, 7) ausgebildet ist.
6. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungssensor (3) an wenigstens einer dotierten Halbleiterschicht (2, 4, 6, - 2
7) oder zwischen dotierten Halbleiterschichten (2, 4, 6, 7) des elektrischen Bau elementes angeordnet ist.
7. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) eine gegenüber der Umge bung isolierte dotierte Halbleiterschicht aufweist, insbesondere ein Floating Gate (4) oder eine Vielzahl von Floating Gates (4).
8. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungssensor (3) als Materialschicht auf der gegenüber der Umgebung isolierten dotierten Halbleiterschicht der Speicher zelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) angeordnet ist.
9. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauelement dazu eingerichtet ist, die in der Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) gespeicherte elektrische Kenngröße, die auf grund der die Verformung charakterisierenden elektrischen Signale erzeugt wurde, auch ohne elektrische Energieversorgung des elektrischen Bauelemen tes zu speichern.
10. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauelement als n-poliges Bauelement mit nur n voneinander getrennten elektrischen Außenanschlüssen (A, B, C, D) aus gebildet ist, wobei n gleich 2, 3 oder 4 sein kann.
11. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) durch Anlegen eines elektrischen Signals an Außenanschlüssen des elektrischen Bauelementes löschbar ist.
12. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauelement ein Substrat (8) aufweist, an dem die Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) und der Verformungssensor (3) angeord- - 3 - net sind, wobei das Substrat (8) eine zur Montage an einem bezüglich der Ver formung zu sensierenden Gegenstand eingerichtete Montagefläche (10) auf weist.
13. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungssensor (3) auf der von der Montagefläche (10) abgewandten Seite des Substrats (8) angeordnet ist.
14. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) und/oder der Verformungssensor (3) mit einem Kapselungsmaterial (1 ) überdeckt ist.
15. Verfahren zur Sensierung einer mechanischen Verformung eines Gegenstands mittels wenigstens eines an dem Gegenstand angebrachten elektrischen Bau elementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass während wenigstens einer Erfassungsphase die auf den Verfor mungssensor mechanisch einwirkenden Verformungen anhand der die Verfor mung charakterisierenden elektrischen Signale des Verformungssensors (3) er fasst und automatisch als elektrische Kenngröße in der Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) gespeichert werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kenngröße aus der Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) während oder nach der Erfas sungsphase ausgelesen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das elekt rische Bauelement nach der Erfassungsphase von jeglicher elektrischer Ener gieversorgung getrennt wird und danach die elektrische Kenngröße aus der Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) ausgelesen wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 17, dadurch ge kennzeichnet, dass die elektrische Kenngröße aus der Speicherzelle (2, 4, 5, 6, 7, 8) ausgelesen wird, indem der Widerstand des elektrischen Bauelementes gemessen wird.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5254504A (en) * 1989-04-13 1993-10-19 Trustees Of The University Of Pennsylvania Method of manufacturing ferroelectric MOSFET sensors
US20080094074A1 (en) * 2006-09-27 2008-04-24 Myongseob Kim Transistor with floating gate and electret
US20090120200A1 (en) * 2006-08-24 2009-05-14 Board Of Trustees Of Michigan State University Self-powered sensor

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017204670A1 (de) * 2017-03-21 2018-09-27 Robert Bosch Gmbh Sensoreinrichtung und Überwachungsverfahren

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5254504A (en) * 1989-04-13 1993-10-19 Trustees Of The University Of Pennsylvania Method of manufacturing ferroelectric MOSFET sensors
US20090120200A1 (en) * 2006-08-24 2009-05-14 Board Of Trustees Of Michigan State University Self-powered sensor
US20080094074A1 (en) * 2006-09-27 2008-04-24 Myongseob Kim Transistor with floating gate and electret

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