DE2027909A1 - Halbleiterverformungsmeßvorrichtung mit steuerbarer Empfindlichkei - Google Patents
Halbleiterverformungsmeßvorrichtung mit steuerbarer EmpfindlichkeiInfo
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Description
Patentanwälte
Dr.-Tnq.-\\r-;ilL:.i"-i E^1IO
Dipl-IihT. \. ;.;·.· ::/.r L. nid
6 i-iv 1,'uw.. α. i/i. 1
6312
GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y., V.St.A.
Halbleiterverformung/meßvorrichtung mit Bteuerbarer Empfindlichkeit
Die Erfindung befasst sich mit Halbleiterverformungsmeßvorrichtungen,
die eine Widerstandsänderung als Funktion einer zugeführten Verformung aufweisen^und sie bezieht sich insbesondere
auf eine Halbleiterverformungsmeßvorrichtung mit steuerbarer Empfindlichkeit.
Bestimmte Halbleiter, wie beispielsweise Silicium und Germanium haben große Eichfaktoren,und sie wurden deshalb als Verformungsmeßvorrichtungen
zur Bestimmung verschiedener Arten von Beanspruchungen verwendet. Die großen Eichfaktoren, wobei als· Eichfaktor
der Bruchteil der Widerstandsänderung pro Einheit der
Verformung definiert ist, sind dadrauf zurückzuführen, daß der Piezowiderstandseffekt der von der durch Verformung herrühreno
den Modulation des Leitungsraechanismus des Halbleiters gegeben ·? ist, bei diesen Werkstoffen besonders auftritt. Ein wünschens-
v* wertes Merkmal bei der Verwendung von Halbleiterverformungsmeß-
«^, Vorrichtungen ist die Fähigkeit, die Verformungsempfindlichkeit
J^ der Meßvorrichtung zu steuern. Dies betrifft die Fähigkeit die
°* Verformungsempfindlichkeit oder den Eichfaktor der Meßvorricho
·
tung in bestimmter Weise zu ändern. Es gibt viele Anwendungen, wo eine solche Steuerung nützlich ist? beispielsweise zur
Kompensation der normalen Abnahme des Eichfaktors von Halbleiterverformun^svorrichtungen
wenn die Temperatur erhöht wird. Andere mögliche Verwendungen ergeben sich bei der Kompensation zur
Verbesserung des Frequenzbereiches, bei der Verbesserung der Selektivität für ein bestimmtes Eingangssignal und bei der
Skalenlinearisierung, -dehnung oder-kompression.
Ein Feldeffekttransistor eignet sich zur Verwendung als Meßvorrichtung
zur Messung der Verformung. Der Feldeffekttransistor enthält im wesentlichen eine Schicht aus Halbleiterwerk-
k stoff, die einem Kanal für einen Majoritätsladungsträgerfluß
zwischen einer Quellenelektrode und einer Sekenelektrode bildet, wobei die Leitfähigkeit dieses Kanals durch die Spannung gesteuert
wird, die der Steuerelektrode, die über dem Kanal zwischen der Quellenelektrode und der Senkenelektrode liegt,
zugeführt wird. Der Widerstand des leitenden Kanals ändert sich mit dem Betrag der aufgebrachten Verformung. Man hat jedoch
bisher nicht erkannt, daß der Eichfaktoroder die Verformungsempfindlichkeit
eines Feldeffekttransistors oder eines Bauelementes mit irgend einem anderen Namen, welches jedoch
einen ähnlichen physikalischen Aufbau hat, dadurch gesteuert werden kann,· daß die Spannung an der Steuerelektrode verändert
wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine neue und verbesserte
Halbleiterverformungsvorrichtung zu schaffen, die eine steuerbare oder veränderbare Verformungsempfindlichkeit
aufweist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein verformungsempfindliches
Element vorgesehen ist, welches eine erste und eine zweite Elektrode und einen dazwischen liegenden Halbleiterkörper
aufweist, der einen Kanal zum Ladungsträgerfluß bildet, und welches eine dritte Elektrode aufweist, die mindestens
über einem Teil des Kanals liegt und welcher eine Spannung zur Steuerung der Leitfähigkeit des Kanals zugeführt wird, daß eine
eine Spannung zwischen der eraten und der zweiten Elektrode,
0098S1/U60-
sowie zwischen aer ersten und der dritten Elektrode zuführende
ücnaltun,; mit der. betreffenden Elektroden verbunden ist, daß
eine doa Element einer Verformung aufsetzende Vorrichtung vor-
^e^ehen ist und daß ein ausgewählter Parameter der dritten
Elektrode zur Änderung der Verfornungsempfindlichkeit veränderbar
ist.
Üemäti einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist das verformungsempfindliche
Element ein Feldeffekttransistor dessen Üteuerelektroden-Quellenelektroden-Spannung der Parameter ist,
der einstellbar ist und die Verformungsempfindlichkeit des Kanals verändert.
Auüführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand der
Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Schnitts durch
eine Ausfünrungsfo* .. ■„ ~"S Felaeffektransistors
nit isolierter Steuerelektrode, der als spannungsgesteuerte
Verformungsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung
verwendet werden kann,
Figur 2 ein Feld von Strom-Spannungskennlinien für verschiedene Werte der Steuerelektroden-Quellenelektroden-Spannung
für einen Feldeffektransistor nach Figur 1,
Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines Trägerarms mit einer in dem Trägerarm vorgesehenen Feldeffekttransistor-Verformungsmeßvorrichtung,
Figur en4und 5
jeweils mehrere Kurven des Eichfaktors in Abhängigkeit
von der Steuerelektroden-Quellenelektroden-Spannung
für verschiedene Umgebungstemperaturen für ',;wei Werte der Brückenspannung,
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Figur 6 ein schematisches Schaltbild einer Brückenschultung
mit einer Feldeffekttransistor-Meßvorrichtung,
die so verbunden ist, daß Steuerelektroden-Spannung als Punktion der Temperatur verändert wird, damit Änderungen der Empfindlichkeit
in Abhängigkeit von der Temperatur ausgeglichen werden und
Figur 7 ein schematisches Schaltbild ähnlich Figur 6,
welches jedoch eine Feldeffekttransistor-Verforraungsmeßvorrichtung
zeigt, deren Empfindlich- W keit zur Skalenlinearisierung gesteuert ist.
Es können zwar verschiedene Arten von Feldeffekttransistoren als in der Empfindlichkeit steuerbare Verforraungsmeßvorrichtungen
verwendet werden, jedoch ist das Bauelement 11, welches in Figur 1 dargestellt ist, ein p-Kanal-Metalloxidhalbleiter
(MOS)-Feldeffekttransistor vom Verstärkungstyp. Diese Ausführungsform
der Feldeffektransistoren mit isolierter Steuerelektrode
(Gate) ist in der Technik gut bekannt und wird ' im folgenden nur kurz beschrieben. Das Bauelement 11 ist an
einer Oberfläche eines η-leitenden Grundkörpers 12 aus Silicium oder einem anderen geeigneten Halbleiterwerkstoff
. gebildet und es weist zwei voneinander getrennte Zonen 15
und 14 aus stark dotiertem p-leitenden Silicium auf, die die Quellen- und die Senken-Elektrode:*bilden. Ohmsche >.
metallische Kontakte 15 und 16, die beispielsweise aus Aluminium bestehen, liegen teilweise über der Quellenelektrode
13 und der Senkenelektrode 14 und stellen eine Verbindung zu der Spannungsqueile für die Quellen-Senken-Spannung (hier
nicht dargestellt) her. Eine metallische Steuerelektrode 17 ist auf einer Schicht aus Isolierwerkstoff, beispielsweise
aus Siliciumdioxid aufgebracht, die wiederum auf der Oberfläche des Grundkörpers 12 zwischen der Quellenelektrode 13 und der
Senkenelektrode 14 liegt und diese beiden Elektroden teilweise überdeckt. Für den Grundkörper ist gewöhnlich ein getrennter
Kontakt vorgesehen, der jedoch nicht dargestellt iet. Dieser
Kontakt ist häufig mit der Quellenelektrode verbunden und für die folgende Beschreibung ist eine solche Verbindung vorausgesetzt.
Die Steuerelektrode 17 ist mit einer geeigneten Spannungsquelle für die Steuerelektroden-Quellenelektroden-Spannung
verbunden. Wenn man einmal annimmt, daß die Senkenelektrode H gegenüber der Quellenelektrode 13 negativ vorgespannt
iat, dann erzeugt eine negative Spannung, die der Steuerelektrode (Gate) 17 zugeführt wird und die größer ist,
als eine bestimmte charakteristische Schwellenspannung des Bauelements, ein elektrostatisches PeId,welches die positivgeladenen
Ladungsträger oder Löcher in dem η-leitenden Grundkörper 12 anzieht und einen p-leitenden Kanal 19 zwischen
der Quellenelektrode 13 und der Senkenelektrode 14 erzeugt, wodurch das Bauelement leit^end wird/. Wie man anhand eines
typischen Strom-Spannungs-Kennlinienfeldes, welches in Figur
2 dargestellt ist, erkennt, erhöht sich der Ausgangstrom I^
für einen bestimmten Wert der Senken-Quellen-Spannung V™ wenn
die Steuerelektroden-Quellen-Spannung VGS erhöht wird.
Wie bereits oben ausgeführt wurde, kann der Feldeffekttransistor als eine Halbleiterverformungsmeßvorrichtung verwendet
werden. Bei einer derartigen Anwendung wird der Feldeffekttransistor 11 in geeigneter Weise befestigt, so daß ei·-einer
Verformung ausgesetzt wird, damit er Kraft, Druck, Zug, Beschleunigung, Verschiebung oder andere interessierende Parameter bestimmten kann, wobei dieser Parameter in geeigneter
Weise eingekoppelt werden muß, damit die erforderliche Verformung erzeugt wird. Die Feldeffektranaistor-Verformungsmeßvorrichtung kann beispielsweise an oder in oder auf eine
biegsame Membran zur Bestimmung von Druck befestigt Bein oder aber an einem Tragerarm zur Bestimmung von Kraft, Verschiebung
oder Beschleunigung. Bei der in Figur 5 -dargestellten Anordnung ist die Feldeffektransistor-Verformungsmeßvorrichtung
11 an oder in der Oberfläche eines Halbleiterträgerarms vorgesehen, der an einem Ende an einer Stütze 22 befestigt ist,
damit die Verformung, die duroh eine Kraft dem freien Ende
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des Trägerarms zugeführt wird, bestimmt werden kann. .Der Feldeffekttransistor
11 kann in eine geeignete Widerstandsmeßschaltung, beispielsweise einen Widerstandsteiler oder eine
Wheatstonsehe Brückenschaltung eingeschaltet sein,und der
Widerstand der Verformungsmeßvorrichtung wird dann entsprechend der Verformung verändert, der sie ausgesetzt ist, die wiederum
eine Punktion der zugeführten Kraft ist. Der Trägerarm 21 besteht vorzugsweise aus einem einzigen Siliciumkristall und
der Eichfaktor der Peldeffekttransistor-Verformungsmeßvorrichtung
11 wird in erster Linie in bekannter V/eise durch die kristallografische Ebene und die. Richtung des leitenden Kanals
in dieser Ebene bestimmt. Um das letztere kurz deutlich·, zu machen, sei bemerkt, daß der Piezowiderstands-Koeffizient
eines Kristalls aus Halbleiterwerkstoff, beispielsweise aus
Silicium, von den kristallografischen Achsen des Kristalls abhängt. Bei Silicium oder anderen Werkstoffen, die eine
rhorabish-kubische Symmetvrie aufweisen, dienen drei Koeffizienten dazu die Piezowiderstandeeigenscfaaften vollständig
zu bestimmen. Diese wesentlichen Piezowideratandskoeffizienten
Tf1 -j, Tf.j 2 un(* "^44 dienen dazu» die Empfindlichkeit gegenüber
Beanspruchungen in Längsrichtung, in Querrichtung und gegenüber
Scherbeanspruchungen zu definieren. Einen größeren praktischen Wert haben die Piezowiderstandskonstanten die von diesen
Koeffizienten abgleitet sind und die Abhängigkeit von der Richtung im Kristall enthalten. Von diesen läßt eich gewöhnlich ein Satz von Eichfaktorön ableiten, die durch Verformungen in Längerichtung und in Querrichtung auegedrückt werden.
Diese Eiohfaktoren enthalten auch anisotrophe Elastizitäten kwöffizienten des Kristalls. Im allgemeinen ändern die . sich
für einen bestimmten Werkstoff mit der Richtung im Kristall und mit der Dotierungskonzentration· Insbesondere besieht
sich der Längseichfaktor für eine bestimmte Sichtung in dom
Kristall auf die Veränderungen äea Widerstands pro Einheit der Verformung, wenn Strom HBd Verformungerichtuiag
parallel verlaufen:
= Δ Η
1L
Der ^uereichfaktor id. ähnlich mit der Ausnahme, daß die Richtung
von Strom und Verformung senkrecht aufeinander stehen:
cv - Δ R
Bestimmte Richtungen im üiliciumkristall weisen eine große Empfindlichkeit
gegen Verformung auf, während andere nur eine . sehr geringe EiLpfinalichkeit dafür zeigen. Beispielsweise kenn für pleitendea
Silicium ait einem spezifischen Widerstand von 7»8 Ohra * cn unter Verwendung der Daten, die in dem Aufsatz "Piezoresiütance
Effect in Gerniinium and Silicon" von Charles S. Smith,
Physical Review 94, Xr.1, 42 - 49» 1954 die Veränderung des Längseichfaktora
und des Quereichfaktore mit der Kristallrichtung ausgerechnet
werden und es sind die entsprechenden Wertein Tabelle
I dargestellt.
Die Wirkung der Kristallrichtung auf dem Längs- und dem Quer-Eichfaktor
in p-leitendeia Silicium (7t8 Ohm · cm)
Richtung GPL GPT
Strom ' Verformung
+175 -
- -75
<,110> <T1O>
+120 -
-112
+8 -
-1
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Im allgemeinen ergibt sich die gleiche Abhängigkeit erster
Ordnung von der Kristallrichtung in einem Feldeffekttransistor·, wenn mun die Kanalstromrichtung als geeigneten Parameter wählt.
V/enn beispielsweise bei dem 'Trägerarm nach Figur 3 die Ebene des Trägerarras eine (11O)-Richtung ist unü die Richtung des
Stromes der durch den Kanal fließt parallel zur Längsrichtung des Trägerarms in einer \111^ -Richtung liegt, dann ergibt
sich die größte Empfindlichkeit gegenüber einer Verbiegeverformung
für einen p-Kanal-Peldeffektransistor. Entsprechend
den Figuren 1 und 3 wird dann . das Bauelement 11 so ausgerichtet,
daß die Richtung des Ladungsträgerflusses in dem p-Kanal 19parallel zu der Längsachse des Trägerarms 21 verläuft.
Dies ist natürlich nicht die einzige Anordnung, die einen praktischen Wert besitzt, es ergibt sich jedoch daraus,
daß entsprechend hohe Eichfaktoren in der Größenordnung von 100 oder'mehr erreicht werden können, dadurch daß die Ebene
des Siliciutns aus der der Trägerarm 21 besteht in geeigneter V/eise ausgewählt wird, ebenso wie die ausrichtung die Feldeff
ekttransistor-Verformungsmeßvorrichtung 11 auf dem Trägerarm. Die Merkmale, nach denen diese Wahljgetroffen wird, sind
genau die gleichen wie für andere Arten von Halbleiter-Verformungsmeßvorrichtungen.
Wenn ein Feldeffekttransistor als Verforrnungstneßvorrichtung
verwendet wird, dann unterscheidet er sich von den bekannten Verformungsmeßvorrichtungen jedoch dadurch, daß die Verformungsempfindlichkeit,
die durch die Leitfähigkeit des Kanals gegeben ist, durch die Spannung beeinflußt wird, die an der Steuerelektrode
anliegt. Die Figuren 4 und 5 zeigen typische Änderungen d es Eichfaktors als eine Funktion der Spannung, die
zwischen der Steuer- und der Quellen-Elektrode (Vßa) zugeführt
wird, bei "drei verschiedenen Temperaturen, nämlich 25°,
50° und 750Cl Die V/erte ergaben sich für einen p-Kanal-Metall
Oxid-Silicium-Feldeffektransistor vom Verstärkungetyp, der auf
einer (111)-Ebene eines einzigen Siliciumkristalls gebildet ist,·
wobei der Kanal in Längsrichtung d.h. in (11O)-Richtung ausgerichtet
ist. Als Prüfschaltung wurde eine Wheatstoneche Brücken-
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schaltung verwendet, die in den anderen Zweigen einen Bezugsfeldeffekttransiator
und zwei identische Widerstände enthielt, wobei Figur 4 die Werte zeigt, die man erhielt, wenn die
Brückenspeisespannung Vß -1 Volt ist, während in Figur 5
die Brückenspeisespannung V« -9 Volt ist.
Wenn man einmal die weit links liegenden Teile der Kurven vernachlässigt
zeigen die Figuren 4 und 5 den großen Abfall im Eichfaktor wenn νΛΟ erhöht wird. Die Änderung de3 Eichfaktors
für größere Senken-Quellen-Spannungen, die verwendet wurden, um die Werte in Figur 5 zu erhalten, weisen beinahe ein VerhäUnls
von 2 : 1 auf.. Das fehlerhafte Verhalten unter -4 Volt' in Figur 4 unter -6 Volt in Figur 5 ist wahrscheinlich durch
einen anderen Effekt bedingt, der dann bedeutsam wird. Die Eichfaktoren, die sich mit einer Brückenspannung von-9 Volt
erreichen lassen, sind etwas höher als die entsprechenden Werte,die man erhält, wenn man eine Brückenspannung von -1 Volt
verwendet und die Temperaturempfindlichkeit des Eichfaktors ist
auch etwas größer. Dieses Verhalten der Temperaturempfindlichkeit des Eichfaktors ist qualitativ mit dem von p-leitedem
Silicium mit einer mäßig großen Dotierung vergleichbar. Wenn auch die Gründe für das Abnehmen des Eichfaktors bei zunehmender
Steuerspannung nicht mit Gewissheit bekannt sind, so ergibt sich jedoch eine mögliche Erklärung für diese Veränderung des Eichfaktors
mit der Steuerspannung aus der Änderung der Trägerkonzentration und der Beweglichkeit mit der Gatterspannung bzw.
der Kanalspannung. Bei niedrigen Werten von VGS ist die Zahl
der Ladungsträger in dem Kanal 19 (siehe Figur 1) wegen des elektrostatischen Felds, welches durch die Steuerelektrode
17 hervorgerufen wird, gering, und da. die Ladungsträgerkonzentration
gering ist, ergibt sich ein hoher Eichfaktor. Wenn die Lad'ungsträgerkonzentration durch Erhöhung von V^3 erhöht wird
oder die Beweglichkeit der Ladungsträger durch Verminderung von V3Jg erhöht wird, dann wird der Eichfaktor vermindert. Dies ist
etwa analog zur Änderung im Eichfaktor als Funktion der Dotierung
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des Siliciums. Ein derartiger Mechanismus könnte die beobachteten
Veränderungen der Temperaturempfindlichkeit erklären. Eine größere Temperaturempfindlichkeit ergibt sich mit größeren
Eichfaktoren und folglich .mit geringerer Trägerkonzentration.
Auu der Tatsache, daß die Eichfaktoren größer sind für den
Fall, wenn V^ = - 9 Volt ist, und die Xanalverlustleistung
etwa hundertmal größer ist, als in dem entsprechenden Fall, wenn V^ = -1 Volt ist, ergibt sich, daß das Verhältnis
zwischen V„c, und Eichfaktor nicht durch die Verlustleistung
und die Selbsterwärmung des Kanals gegeben ist, (was man bei einer Erhöhung der Kanaltemperatur,wenn V,,^ ist erhöht wird,
erwarten könnte).
Andere Typen von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gatter
und auch Feldeffekttransistoren mit pn-übergang können in ähnlicher Weise als Halbleiter-Verformungsmeßvorrichtungen mit gesteuerter
Empfindlichkeit verwendet werden. Es gibt insbesondere 4 Arten von Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttrans.istoren
und zwar neben dem p-Kanal-Transistor vöia Verstärkungstyp, der
oben erwähnt worden ist, einen n-Kanal-Transistor vom Verstärkungstyp
und sowohl einen p-Kanal-und einen n-Kanal-Transistor
vom Verarmungstyp. Der n-Kanal-Transistor vom Verstärkungstyp
ist ähnlich dem p-Kanal-Transistor vom Verstärkungs- typ»
jedoch enthält, er stark dotierte η-leitende Zonen als Quellen- und Senken-Elektroden in einem p-leitenden Grundkörper
und. die Ladungsträger, die den leitenden Kanal bilden,sind Elektronen anstelle von Löchern. Die Transistoren vom Verarmungstyp
haben einen physikalischen Aufbau, der ähnlich dem nach Figur 1 ist, jedoch weisen sie Quellen-Senken- und
Kanalzonen auf, die aus Werkstoff vom gleichen Leitfähigkeitstyp bestehen, so daß sich ein wesentlicher Senkenstrom bei
einer Gattervorspannung von O Volt ergibt. Wenn eine entsprechende
Steuerpolarisierungsspannung der Steuerelektrode zugeführt wird,
dann verursacht eine Erhöhung der Steuerspannungsdaß das elektrostatische
Feld eine Verarmung von Iedungsträgern in dem Kanal
hervorruft, bis der Kanal abgequetscht ist und das Bauelement
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t leitend wire». Eine andere Art des Feldeffekttransistors
mil Isolierter Steuerelektrode ist als Dünnschichttransistor bejt
u η nt und aie weist gewöhnlich eine dünne Schicht aus HaIbleiterwerkötoff,
beispielsweise Kadtniumsulfit auf, ebenso wie
eine Steuerelektrode, die von dein Halbleiterkörper isoliert
■ist. Der Dünnschichltransiu tor ißt in Einzelheiten in den
Proceedings of the IRE, Juni 1962 Seiten 1462 bis 1469 beüchrieben.
Der Feldeffekttransistor mit pn-übergang enthält im wesentlichen einen Halbleiterkörper von hohem spezifischem
Widerstund der einen Kanui für einen Majoritätsträgerfluß zwischen
üwoi ohmschen Quellen- und Senken-Kontakten bildet,wobei eine
oder zwei Zonen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp und hoher Dotierung die Steuerelektrode oder die Steuerelektroden
biiaen. V/enn unter Verwendung einer geringen Vorspannung die
Steuerelektrode negativ gegenüber dem Kanal vorgespannt wird, dann kann ein großer Strom durch den Kanal von der Quelle zur
Senke fließen, wenn jedoch die Sperrspannung erhöht wird,
wird schließlich ein Punkt erreicht, bei dem der gesamte Kanal abgequetscht ist und ke„ ο·., -·αι fließen kann.
Die obige Übersicht über die verschiedenen Arten von Feldeffekttransistoren
ist nicht notwendigerweise umfassend und die Erfindung ist nicht auf diejenigen Bauelemente beschränkt,
die erwähnt worden sind. Tatsächlich kann jedes Halbleiterbauelement
mit irgendeinem Namen,welches den wesentlichen Aufbau und die Betriebseigenschaften eines Feldeffekttransistors aufweist, als eine Verformungsmeßvorrichtung mit steuerbarer
Empfindlichkeit verwendet werden. Im wesentlichen enthält ein solches Bauelement eine Schicht aus Halbleiterwerkstoff, die
einen Kanal für einen Majoritätsladungsträgerfluß zwischen
• Quellenelektrode und Senkenelektrode bildet, wobei die Leitfähigkeit des Kanals durch die Spannung gesteuert wird, die
einerSteuerelektrode zugeführt wird, die mindestens über einem Teil des Kanals-zwischen der Quellenelektrode und der Senkenelektrode
liegt. Alle'diese Bauelemente sind dann, wenn sie als Verformungsmeßvorrichtungen verwendet werden, dadurch gekennzeichnet,
daß sie die Verformungsempfindlichkeit dadurch steuern
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können, daß sich der Eichfaktor des Bauelementes ändert, wenn
die Steuerspannung erhöht wird.
Zwei Anwendungen für die Halbleiter-Verformungsmeßvorrichtung
mit steuerbarer veränderlicher Empfindlichkeit werden diskutiert
wenn auch andere Wege zur Ausnutzung des Effekts möglich und
auch denen offenbar sind, die sich'mit der Entwicklung von
Umformern befassen. Diese bestehen darin, daß man Änderungen
der Empfindlichkeit einer Halbleiter-Verformungsmeßvorrichtung aufgrund von Teraperaturänderungen ändern kann und daß man eine
okalenlinearisierung erzielen kann, wobei man die innewohnenden Nicht linear i.täten der Halbleiter-Verformungsmeßvorrichtung
kompensiert. In Figur 6 ist eine vollständige Brückenschaltung dargestellt, die eine ternperaturkompensierte Feldeffekttransistor-Verformungsmeßvorrichtung
aufweist. Die Schaltung enthält zwei Widerstände 24 und 25 und zwei MOS-Feldeffekttransistoren
26 und 27, die zusammen als die vier Arme einer wheatstonschen Brückenschaltung verbunden sind, die von einer
.jpannungsquelle mit der .Spannung E0 gespeist wird, die zwischen
aie beiden Gleichspannungspeiseklemmen 28 und 29 geschaltet ist. Die nicht abgeglichene Ausgangsspannung E tritt zwischen den
Leiden anderen Knotenpunkten der Brücke auf. Der Transistor1
26 wird als Verformungsmeßvorrichtung verwendet, während der
Transistor 27 vom gleichen Typ als unverformter oder Bezugstransistor
verwende.t wird. Eine veränderliche Quellenelektroden- · üteuereiektrodcn-ijpannung, die sich als Funktion der Temperatur
ändert, wird parallel zu den Steuerelektroden beider Transistoren zugefünrt. Zu diesem Zweck ist eine Wideratands-Spannungsteilerschaltung,
die einen in Reihe geschalteten Widerstand 30 an temperaturerapfindlichem Thermistor 31 und einen Widerstand
32 aufweist, zwischen die Gleichspannungsspeiseklenimen
geschaltet und die (.,uellen-und Steuerelektroden jedes Transis-
*«ors 26 und 27 sind an die .beiden zuletzt genannten Widerstandsbauelemente
angeschlossen. Die Widerstandswerte können go gewählt
sein, daß inch dann, wenn sich der Widerstand des Thermintoro
21 mit dem bestiernten Wert der Temperatur ändert, die veränderliche
Steuerelektrüden-Quellenelektrodenspannung die angelegt
wird, mit dem Eichfaktor der Verformungsnu ßvorrichtung 26 ändert,
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damit eine Veränderung der Empfindlichkeit aufgrund der
Temperatur kompensiert wird. Die Steuerelektrodenspannung,
die dem nicht-verformten Transistor 27 zugeführt wird, ist
die gleiche, wie die,die dem verformten Transistor 26 zugeführt wird, damit man konstante Brückengleichungen erhält.
In Figur 7 ist der Feldeffekttransistor 26 mit steuerbarer
Empfindlichkeit in einer ähnlichen Wheatstonschen Brückenschaltung
verwendet, die einen Schaltungsteil zur Kompensierung von Nichtlinearitäten im Ausgangssignal aufweist. Die
typische R/R-Verformungs-Kennlinie ist beispielsweise
für p-leitendes Silicium nicht linear. In dieser Schaltung wird die Steuerelektroden-Quellenelektroden-Spannung als
eine Funktion der nicht abgeglichenen Ausgangsspannung E
der Brückenschaltung verändert. Zu diesem Zweck ist ein Widerstands-Spannungsteiler, der die Widerstände 34, 35 und
36 aufweist, zwischen die Gleichspannungsspeiseklemmen 28 und 29 geschaltet, wobei die Klemme 28 negativ sein soll,
während die Klemme 29 mit Masse verbunden ist, und der Verbindungspunkt
der Widerstände 34 und 35 ist mit den Steuerelektroden der Transistoren 26 und 27 verbunden, während die
Quellenelektroden mit Masse verbunden sind. Die nicht abgeglichene
Spannung E erscheint zwischen Masse und dem Ausgang eines Differentialyerstärkers 37 dessen Eingangssignale die
entsprechenden Spannungen an den Verbindungspunkten zwischen dem Widerstand 24 und dem Transistor 26 und dem Widerstand
25 und dem Transistor 27 in der Brückenschaltung sind. Die
Ausgangsspannung des Differentialverstärkers 37, die gegenüber
Masse negativ sein muß, wird auch durch einen Widerstand 38 dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 35
und 36 zugeführt und ein Teil dieser Spannung ist in der
Widerstandsteilerschaltung, die die Widerstände 34, 35 und 36 enthält,derart wirksam , daß sie die Spannung an dem Verbindungspunkt
der Widerstände 34 und 35 ändert, welche wiederum die Steuerspannung der Transietoren 26 und 27 ist und zwar in
einer Richtung, daß an für sich vorhandene Skalen Nichtlinearitäten kompensiert werden. Wenn-in dieser Schaltung die Ver-
-H-
formung erhöht wird, dann erhöht sich die Ausgai goapannung E
und wird negativer und die Rückkopplungawirkung macht die ijteuerelektroden-Quellenelektroden-Spannung
negativer als sie eigentlich wäre. Die Richtung der Spannung (Figur 4 und 5) ist dabei
so vorgesehen, daß der Eichfaktor abnimmt und daß folglich die Ausgangsepannung linearisiert wird.
Eine erhöhte Verformungsempfindlichkeit läßt sich dadurch erreichen,
wenn es auch hier nicht dargestellt ist, daß mehrere ähnliche Feldeffekttransistoren,die der gleichen Beanspruchung
ausgesetzt werden,in Kaskade geschaltet werden, wobei sie beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten eines Trägerarms
befestigt sind oder wobei beispielsweise zwei komplementäre MOS-Transistoren verwendet werden, von denen einer eine positive
Ausgangsspannung und der andere eine negative Ausgangsspannung aufweist, und wobei dann die beiden Ausgangsspannungen algebraisch
addiert werden.
Ganz allgemein hat sich gezeigt, daß eineHalbleiter-Verformungsmeßvorrichtung
mit steuerbarer veränderlicher Empfindlichkeit durch einen Feldeffekttransistor dadurch vorgesehen werden kann,
daß die Steuerelektroden-Quellenelektroden-Spannung verändert wird, wodurch der Eichfaktor moduliert wird. Dieser Effekt läßt
sich bei verschiedenen Typen von Feldeffekttransistoren oder bei anderen Halbleiteranordnungen anwenden, die grundsätzlich
ähnlich aufgebaut, sind wie ein Feldeffekttransistor und er ist nicht notwendigerweise auf die Änderung der Steuerelektro'denspannung
begrenzt, da man das gleiche Ergebnis erreichen könnte, wenn man einige andere Steuerelektrodenparameter ändern würde,
beispielsweise dadurch, daß man die Steuerelektrode physikalisch bewegt, (wobei die Steuerelektrodenspannung konstant bleibt),
um den Leitungsmechanismus des Halbleiterwerkstoffs in entsprechender
Weise zu modulieren. Die Halbleiter-rVerformungsineßvorrichtung
mit steuerbarer. Empfindlichkeit kann durch einfache Zusätze zu bekannten Verformungemeßeohaltungen ergänzt werden,
und sie läßt sich in verschiedenen ttaforaergerttten anwenden, In
unnon elektromechanische Parameter gemeaaen werden sollen.
Insbesondere ergibt sich eine neue und verbesserte Möglichkeit,
die Eigenschaften von solchen Umformergeräten zu verbessern, dodurcn daß ein Mechüniümua zur Temperaturkompensation
oder zur Linearisierung der Skala derartiger Umformergeräte vorgesehen ist. ·
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Claims (8)
1.Halbleiterverformungsmeßvorrichtung mit steuerbarer Empfindlichkeit,
dadurch gekennzeichnet»
daß ein verformungsempfindliches Element vorgesehen ist,
welches eine erste und eine zweite Elektrode (13,14) und einen
dazwischenliegenden Halbleiterkörper (12) aufweist, der einen Kanal (19) zum Ladungsträgerfluß bildet,und welches eine dritte
ψ Elektrode (17) aufweist, die mindestens über einem Teil des
Kanals (19) liegt und welcher eine Spannung zur Steuerung der Leitfähigkeit des Kanals zugeführt wird, daß eine Spannung
zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (13,14) sowie
zwischen der ersten und der dritten Elektrode (13,17) zuführende Schaltung mit den betreffenden Elektroden verbunden ist, daß eine
das Element einer Verformung aussetzende Vorrichtung vorgesehen ist, und daß ein ausgewählter Parameter der dritten
Elektrode zur Änderung der Verformungsempfindlichkeit veränderbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
" daß zur Änderung eines ausgewählten Parameters der dritten
Elektrode (17) zur Änderung der Verformungsempfindlichkeit
eine einstellbare Spannung zwischen der ersten und der dritten Elektrode (13,17) zugeführt wird.
3. Vorrichtung, nach Anspruch 1,
dadurch g e k. e η η ζ e i c h η e t , ~
daß das verformungsempfindliche Element ein Feldeffekttransistor
(26) ist und daß die erste, die zweite und die dritte Elektrode
(13,14,17) die Quellen-, die Senken-,bzw. die Steuerelektrode sind.
009851/U60
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Änderung eines ausgewählten Parameters der Steuerelektrode (17) zur Änderung der Verformungsempfindlichkeit
des Feldeffektransistors (26) eine einstellbare Spannung
durch eine Schaltungsanordnung zwischen der Steuerelektrode (17) und der Quellenelektrode (13) zugeführt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Veränderung eines ausgewählten Parameters der dritten Elektrode (17) zur Änderung der Verformungsempfindlichkeit
des Elements eine Vorrichtung zur Bestimmung des zu steuernden Faktors und eine Vorrichtung zur Änderung des ausgewählten
Parameters der dritten Elektrode (17) entsprechend dem bestimmten Wert des zu steuernden Faktors vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung eine Brückenschaltung ist, die
mindestens zwei Feldeffekttransistoren (26,27) enthält und daß die Schaltungsanordnung zur Zuführung einer einstellbaren ·
Spannung die gleiche Steuerelektroden-Quellenelektroden-Spannung
beiden Feldeffekttransistoren Zuführt»
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die 'Feldeffekttransistoren (16,27) Silicium-Feldeffekttransistoren
vom p-Typ mit isolierter Steuerelektrode sind.
009851/U60
8. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch g eken. η zeichnet,
daß die Schaltungsanordnung eine einstellbare Spannung in
Abhängigkeit von einem zusteuernden Paktor abgibt und daß
die Schaltungsanordnung eine Meßvorrichtung für die Umgebungotemperatur
sowie einen Spannungsgenerator zur Erzeugung einer Spannung enthält, die eine Funktion des gemessenen Werts der
Temperatur ist.
9· Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltungsanordnung ein Generator zur Erzeugung einer Ausgangsspannung enthält, die auf eine Änderung des Widerstands anspricht, daß die einstellbare Spannung eine Punktion eines zu steuernden Paktors ist und daß die Schaltungsanordnung eine Rückkopplung aufweist, durch die mindestens ein Teil der Ausgangsspannung zu ihrer Linearisierung zurückgekoppelt ist.
daß die Schaltungsanordnung ein Generator zur Erzeugung einer Ausgangsspannung enthält, die auf eine Änderung des Widerstands anspricht, daß die einstellbare Spannung eine Punktion eines zu steuernden Paktors ist und daß die Schaltungsanordnung eine Rückkopplung aufweist, durch die mindestens ein Teil der Ausgangsspannung zu ihrer Linearisierung zurückgekoppelt ist.
Rei/Lo
0098S1/U60
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