DE2027909A1

DE2027909A1 - Halbleiterverformungsmeßvorrichtung mit steuerbarer Empfindlichkei

Info

Publication number: DE2027909A1
Application number: DE19702027909
Authority: DE
Inventors: Alexander John Scotia N Y. 6v.St.A.) Yerman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-06-09
Filing date: 1970-06-06
Publication date: 1970-12-17
Also published as: US3582690A; FR2050143A5; JPS498468B1; GB1317815A

Description

Patentanwälte

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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 herrühren_o 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,

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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 V_GS 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.

T Λ 3 Σι . λ.1 Ij Xj X

Die Wirkung der Kristallrichtung auf dem Längs- und dem Quer-Eichfaktor in p-leitendeia Silicium (7_t8 Ohm · cm)

Richtung GP_L GP_T

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 (V_ßa) 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 V_ß -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 ν_ΛΟ 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 V_GS 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 T_atsache, 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 Steuerspannung_sdaß 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

Patentansprüche

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.

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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,

daß die 'Feldeffekttransistoren (16,27) Silicium-Feldeffekttransistoren vom p-Typ mit isolierter Steuerelektrode sind.

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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.

Rei/Lo

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