DE2136096C3 - Piezoelectric transducer - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Meßwandler zur Kraft-, Drucl oder Beschleunigungsmessung, mit einer du-.ch Einwirkung einer mechanischen Kraft dielektrische Polarisation in Kristallmaterial und damit ein elektrisches Feld außerhalb des Kristalls erzeugenden piezoelektrischen Kristallanordnung, bei der direkt auf einer die Polarisationsrichtung schneidenden Fläche des Kristalls ein seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit vom piezoelektrisch erzeugten elektrischen Feld und damit in Abhängigkeit von der zu bestimmenden Meßgröße beeinflußter Halbleiterpfad vorgesehen ist.The invention relates to a piezoelectric transducer for measuring force, pressure or acceleration, with a du-.ch action of a mechanical force dielectric polarization in crystal material and thus a piezoelectric crystal arrangement generating an electric field outside the crystal, at the one directly on a surface of the crystal that intersects the direction of polarization its electrical resistance as a function of the piezoelectrically generated electrical field and thus Depending on the measured variable to be determined influenced semiconductor path is provided.
Bei piezoelektrischen Meßwandlern wird durch die Meßgröße eine Ladung an der Kristalloberfläche erzeugt, die durch Elektroden abgenommen und einem Verstärker mit hochohmigem Eingang zugeführt wird. Da die Ladungen relativ gering sind ist es erforderlich, Ladungsverstärker zu verwenden und die Zuleitung zum Verstärker sehr gut zu isolieren. Um diese Zuleitung kurz halten zu können ist es bekannt (österreichische Patentschrift 251913), den Piezomeßwandler und einen transistorisierten Ladungsverstärker in einer handlichen Baueinheit zusammenzufassen. In the case of piezoelectric transducers, the measured variable generates a charge on the crystal surface, which are removed by electrodes and fed to an amplifier with a high-impedance input will. Since the charges are relatively small, it is necessary to use charge amplifiers and the Insulate the lead to the amplifier very well. It is known to be able to keep this supply line short (Austrian patent specification 251913), the piezo transducer and a transistorized charge amplifier summarized in a handy unit.
Es ist ferner bekannt, Halbleiterelemente in Art von Dehnmeßstreifen zu verwenden. Diese Halbleiterelement« dienen als piezoresistive Geber (USA.-Patentschrift 3 023 627; 3 358 257; 3417 322 und 3 513 430), die wie Dehnmeßstreifen verwendet werden und gegenüber üblichen metallischen Dehnmeßstreifen lediglich eine höhere Empfindlichkeit aufweisen. Bei piezoresistiven Elementen wird unter der Einwirkung einer Dehnung oder Stauchung der Widerstand des Elementes verändert, wogegen bei piezoelektrischen Effekten unter der Einwirkung einer Kraft an den entsprechenden Oberflächen des Kristalles elektrische Ladungen in Erscheinung treten. Es ist dabei bekannt (französische Patentschrift 890 391), den Kristallschnitt in der Art zu legen, daß eine maximale Empfindlichkeit erreicht wird. It is also known to use semiconductor elements in the form of strain gauges. These semiconductor elements serve as piezoresistive transmitters (US Pat. No. 3,023,627; 3,358,257; 3417,322 and 3,513,430), which are used like strain gauges and only have a higher sensitivity than conventional metallic strain gauges. In the case of piezoresistive elements, the resistance of the element is changed under the action of expansion or compression, whereas in the case of piezoelectric effects, under the action of a force, electrical charges appear on the corresponding surfaces of the crystal. It is known (French patent 890 391) to lay the crystal cut in such a way that maximum sensitivity is achieved.
Es ist schließlich auch bekannt, die von einem Kristall infolge des Einwirkens eines Meßwertes erzeug· δ ten elektrischen Ladungen unmittelbar auf einen Halbleiterpfad einwirken zu lassen, der in Art eines Feldeffekttransistors aufgebaut ist. Es wird dabei die Steuerspannung an der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors ersetzt durch die unmittelbar auf denFinally, it is also known that a crystal generates as a result of the action of a measured value δ th electrical charges to act directly on a semiconductor path, which is in the manner of a Field effect transistor is constructed. The control voltage at the gate electrode of the field effect transistor is replaced by the one directly applied to the
to Halbleiter einwirkende Ladung des KnstalU Es werden auf diese Weise die meßtechnisch günstigen Eigenschaften des Kristalls kombiniert mit den Vorteilen, die Feldeffekttransistoren bieten. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wirdto semiconductor-acting charge of the artU In this way, the metrologically favorable Properties of the crystal combined with the advantages offered by field effect transistors. The object of the present invention becomes
darin gesehen, die Empfindlichkeit derartiger Meßwandler zu erhöhen. Gelöst wird diese Aufgabe, ausgehend von einem piezoelektrischen Meßwandler der eingangs genannten Art, erfindungsgemäß dadurch, daß zur Erzielung eines verstärkten elektrischen FeI-des an der Stelle der Halbleiterpfade eine konische Formgebung der Kristallkörper vorgesehen ist. seen in increasing the sensitivity of such transducers. Based on a piezoelectric transducer of the type mentioned, this object is achieved according to the invention in that a conical shape of the crystal bodies is provided at the location of the semiconductor paths in order to achieve a reinforced electrical field.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin, daß bei einer bestimmten Meßwertänderung eine erheblich vergrößerte Ände-A particular advantage of the arrangement according to the invention is that with a certain Change in measured value means a considerably larger change
»5 rung des Widerstandes des Halbleiterpfades und damit eine Vergrößerung des Ausgangssignals erzielt wird. Es ist dadurch möglich, eine bessere Auflösung zu erzielen und kleinere Meßbereiche zu verwirklichen, ohne daß die nachgeschaltete Verstärker- und/ oder Anzeigeanordnung aufwendig sein muß.»5 tion of the resistance of the semiconductor path and thus an increase in the output signal is achieved. It is thereby possible to have a better resolution to achieve and to realize smaller measuring ranges without the downstream amplifier and / or display arrangement must be complex.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist bei Ausnutzung des transversalen Piezoeffektes mindestens eine Fläche des Piezokristalls eine Halbleiterschicht auf und es sind in diese HaIbleiterschicht ein oder mehrere Widerstandspfade eindiffundiert, die einen Teil einer Wheatstoneschen Brückenschaltung bilden.In a preferred embodiment of the invention, when the transverse piezo effect is used at least one surface of the piezocrystal has a semiconductor layer and there are semiconductor layer in this one or more resistance paths diffused, which are part of a Wheatstone Form a bridge circuit.
Bei anderen AusführungsfoTnen der Erfindung wird der piezoelektrische Longitudinaleffekt angewandt. Bei weiteren Ausführungsformen wird die piezoelektrische Polarisation durch einen Schereffekt erzeugt. Je nach den unterschiedlichen meßtechnischen Aufgabenstellungen und dem vorhandenen Raum ist die eine oder die andere Bauart günstiger.In other embodiments of the invention, the longitudinal piezoelectric effect is used. In further embodiments, the piezoelectric polarization is caused by a shear effect generated. Depending on the different metrological tasks and the existing one Space is one or the other type of construction cheaper.
Die Piezokristall können unterschiedlich gestaltet sein. Bevorzugt sind sie in Form eines Zylindersegmentes ausgeführt.The piezo crystals can be designed differently. They are preferably in the form of a cylinder segment executed.
Erfindungsgemäße Meßwandler eignen sich für Kraftmessungen ebenso wie für Druck- und Beschleunigungsmessungen. Die angeschlossene Schaltungsanordnung kann in Teil- oder in Vollbrückenschaltung ausgeführt sein. Zur Weiterverarbeitung und Anzeige des Meßwertes können alle handelsüblichen Signalverarbeitungsgeräte verwendet werden.Measuring transducers according to the invention are suitable for force measurements as well as for pressure and acceleration measurements. The connected circuit arrangement can be in a partial or full bridge circuit be executed. For further processing and display of the measured value, all commercially available Signal processing equipment can be used.
Der Stand der Technik und Ausf üh rungsbdspiele sind in der Zeichnung dargestellt.The state of the art and execution are shown in the drawing.
Fig. 1 zeigt schematisch eine piezoelektrische Kraftmeßeinrichtung wie sie ohne weiteres aus handelsüblichen Teilen zusammengestellt werden kann;Fig. 1 shows schematically a piezoelectric force measuring device as it is readily available commercially Parts can be put together;
F i g. 2 zeigt ein Kraft-Zeit Diagramm eines Belastungsvorganges; F i g. 2 shows a force-time diagram of a loading process;
F i g. 3 zeigt ein Spannungs-Zeit Diagramm des Vorganges nach F i g. 2;F i g. 3 shows a voltage-time diagram of the process according to FIG. 2;
F i g. 4 zeigt schematisch im Schnitt einen Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode;F i g. 4 shows schematically in section a field effect transistor with an insulated control electrode;
F i g. 5 zeigt schematisch eine bekannte Kraftmeßanordnung die unter Zuhilfenahme des piezoelektrischen Transversaleffektes arbeitet;F i g. 5 shows schematically a known force measuring arrangement with the aid of the piezoelectric Transversal works;
:jg. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Kristallanord-: jg. 6 shows a crystal arrangement according to the invention
f{g,7 zeigt die Anordnung von Fig. 6 im Schnitt (Linie A-A- f {g, 7 shows the arrangement of Fig. 6 in section (line AA-
Oie Figuren erlSutem den gegenwärtigen Stand ' Piezoroeßtechnik und führen dann über zur Prinerklarung heutiger Feldeffekt-Transistoren, mit ■ierter Steuerelektrode, wie sie in den letzten Jab-L in den Handel kamen. Anschließend ist dann ein sfuhrungsbeispiel der erfiodungsgeraäßen piezoktrischen Feldetfekt-Meßwandler dargestellt. (n ρ i» 1 ist ein konventioneller piezoelektrischer eßwandler im Prinzip dargestellt, der nach dem sversaltn Piezoeffekt arbeitet. Wenn eine Kraft P er einen Stempel 1 auf einen piezoelektrischen Kn- »s Jl 2, z. 8. Quarz, einwirkt und diesen längs seiner Achse zusammenpreßt entstehen im Quarz Defor- »tionen, die eine unterschiedliche Verschiebung der Rtomaren elektrischen Ladungen zur Folge haben. Die Gesamtheit der positiven Ladungen 3 kann, wie aneedeutet ist, etwas nach links und die Gesamtheit der negativen Ladungen 4 etwas nach rechts verschoben werden. Im Innern des Kristalls wird dadurch das Gleichgewicht der positiven und negativen Ladungen nicht gestört, jedoch an den Oberflächen entsteht links eine Schicht von überschüssigen gebundenen positiven Ladungen und rechts eine solche von negativen Ladungen. Durch das elektrische Feld dieser positiven gebundenen Ladungen werden links neeative freie Ladungen von der Masse her angezogen, die sich dann auf Elektrode S aufhalten, bzw. die positive Ladung abgestoßen die auf die Masse abfließen Rechts werden durch das Feld der negativen gebundenen Ladungen von Elektrode 6 positive freie Ladungen von der Steuerelektrode 7 des Feldeffekttransistors 8 auf die Elektrode 6 gezogen, bzw. freie neeative Ladungen auf die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 8 hinübergestoßen. Diese letzteren Ladungen 9 wirken durch ihr elektrisches Feld auf den Kanal 10 des Feldeffekttransistors 8 ein und bewirken je nach Typ des Feldeffekttransistors eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Kanalwiderstandes Diese Veränderung des Widerstandes kann auf einfache Weise gemessen werden, indem von einer Spannungsquelle 11 über einen Widerstand 12 ein Strom über Kanal 10 des Feldeffekttransistors eeführt wird, der an diesem einen Spannungsabi all bewirkt welcher mit einem Oszillographen 13 oder ireendeinem anderen Spannungsanzeige- oder Schreibgerät gemessen werden kann. Jede Veranderune des Kanalwiderstandes bewirkt eine Spannungsänderung am Kanal selbst, die dann vom Meßinstrument angezeigt wird, d.h. indirekt wird die Große der Kraft P die auf den piezoelektrischen Quarz einwirkt, zur Anzeige gebracht. Die vorher erwähnten abgestoßenen negativen Ladungen 9 können unter Umständen teilweise über einen Widerstand auf Masse abfließen, wodurch deren Fähigkeit auf die Steuerelektrode? des Feldeffekttransistors8 einzuwirken verlorengeht. Diese Ableitungsmöghchkeiten bestehen im praktischen Fall in der begrenzten Isolierfähigkeit der eingeschalteten Verbindungsmittel wie Kabel, Buchsen usw.Oie figures erlSutem the current state 'Piezoroeßtechnik and then run over today to Prinerklarung field effect transistors with ■ FOURTH control electrode as they came on the market in recent Jab- L. Then an example of the example of the piezoelectric field effect transducers according to the invention is shown. ( n ρ i »1, a conventional piezoelectric transducer is shown in principle, which works according to the sversaltn piezo effect. If a force P er acts a stamp 1 on a piezoelectric Kn-» s Jl 2, z. 8th quartz, and this along When its axis is compressed, deformations arise in the quartz which result in a different shift in the electrical charges. As indicated, the totality of the positive charges 3 can be shifted somewhat to the left and the totality of the negative charges 4 can be shifted somewhat to the right In the interior of the crystal, the balance of positive and negative charges is not disturbed, but on the surface there is a layer of excess bound positive charges on the left and a layer of negative charges on the right. The electric field of these positive bound charges creates neeative free charges on the left Charges attracted from the mass, which are then located on electrode S, or d The positive charge that flows off to the ground on the right is drawn by the field of the negative bound charges from electrode 6, positive free charges from the control electrode 7 of the field effect transistor 8 to the electrode 6, or free neeative charges pushed over to the control electrode of the field effect transistor 8. These latter charges 9 act through their electric field on the channel 10 of the field effect transistor 8 and, depending on the type of field effect transistor, cause an increase or decrease in the channel resistance a current is led through channel 10 of the field effect transistor, which causes a voltage table on this transistor, which can be measured with an oscilloscope 13 or other voltage display or writing device. Every change in the channel resistance causes a voltage change on the channel itself, which is then displayed by the measuring instrument, ie indirectly the magnitude of the force P acting on the piezoelectric quartz is displayed. The previously mentioned repelled negative charges 9 can under certain circumstances partially flow away to ground via a resistor, whereby their ability on the control electrode? of the field effect transistor8 is lost. In the practical case, these derivation possibilities consist in the limited insulating capacity of the connected means of connection such as cables, sockets, etc.
F i g 2 zeigt das Kraft-Zeitdiagramm der konstanten Stempelkraft P, welche eine kurze Zeit auf einen
Kristall einwirkt. Die:, entspricht im Diagramm
einem Rechteckimpuls.
Fig.3 zeigt das mi» dem Oszillographen 14 gemessen* Spannungs-Zeit-Diagremro des· IngJ>g*
nach F i g. 2 Infolge Abfließen» ewes TeUw der U
dung durch obenerwähnte Isolatoren ««J JJ
Spannungsverlust 15 der bei der f^^fdes
Quarzes sogar ein verkehrtes Signal 16 entstehen Fig. 2 shows the force-time diagram of the constant punch force P, which acts on a crystal for a short time. The: corresponds to a square pulse in the diagram.
3 shows the measurement with the oscilloscope 14 * voltage-time diagram of the IngJ> g * according to FIG. 2 As a result of the drainage "ewes TeUw of the U dung through the above-mentioned insulators""J JJ voltage loss 15 which in the case of the quartz even produces a wrong signal 16
Es ist ein viel beanstandeter Nachte«! der^oetek Irischen Meßmethode, daß solche Ladung*Verluste nicht vollständig vermieden werden kflw«. obwohl man nicht absichtlich einen solchen WiderstöndI 14 einbauen wird, insbesondere wenn lang andauern^ Drücke gemessen werden sollen, wo der Fehler besonders !tark zum Ausdruck kommt. °ie Ndungen der Piezokristall sind sehr klein, und die geringe Leitfähigkeit des Quarzes genügt um solche Span nungsverluste 15 (s. Fig.3) zu verursachetund es entstehen nach Entfernen der Stempelkraft Null punktfehler 16 (s. Fig.3) die erstjnach sehr langer Zeit verschwinden. Um sofort wieder den nchügen Nullpunkt herzustellen um weiter messen zu können, ist es notwendig über eine (nicht emgezeichne^ Erdtaste Elektrode 6 (Fig. 1) mit Erdezu verbinden um die noch vorhandenen Ladungen abzuleiten. Die Erscheinung, daß nach Entlastung en. negatives Si gnal 16 gemessen wird erklärt sich dadurch, daß die lebundeSen negativen Oberflächenladungen des Quarzes verschwinden und die positiven/ei<£ Ladungen auf der Elektrode 6, die durch das elek π sehe Feld der gebundenen Ladungen festgehalten waren freigeben'ursprünglich vor der Bettung mjd Polarisation des Kristalls warer,positiveϊ undI negative freie Ladungen im isolierten System bestehend aus Elektrode 6 Steuerelektrode 7 und Verbindung der beiden im Gleichgewicht. Da nun wahrend 5"I^ stung und Verschiebung der Ladung innerhalb dieses isolieren Systems ein Teil der negativen Ladung über Widerstand 14 abgeflossen '^hrend die po sitiven freien Ladungen vollumfänghch auf der Elektrode 6 erhalten geblieben sind entsteht nach der Entlastung des Quarzes und Aufhebung uer La dungsverschiebung im isolierten System ein Überschuß an positiven Ladungen, die sich E ^hmaßf auf dem isolierten System von der Elektrode s zur Steuerelektrode? inklusiv Verbindur.gsdraht ver teilen und mittels Steuerelektrode 7 auch au den Feldeffekttransistor 8 einwirken, was zu e.ner An zeige einer negativen Kraft 16 führt. Die £*« üb« Widerstand 14 abgeflossenen ^gat.ven Ladungen fl.e Ben über den gleichen Weg zurück und kompensieren diese positiven Überschußladungen wodurch d^eseIt's a much complained night! the ^ oetek Irish measuring method that such charge * losses are not completely avoided kflw «. although one will not intentionally incorporate such a resistance, especially when long pressures are to be measured, where the error is particularly pronounced. The piezocrystals are very small, and the low conductivity of the quartz is sufficient to cause such voltage losses 15 (see Fig. 3) and after removing the punch force zero point errors 16 (see Fig. 3) arise which are only very long afterwards Time to disappear. In order to immediately restore the next zero point in order to be able to continue measuring, it is necessary to connect electrode 6 (Fig. 1) to earth via an earth button (not shown) in order to dissipate the charges that are still present gnal is measured 16 were explained by the fact that the lebundeSen negative surface charges of the quartz disappear and the positive / ei <£ charges on the electrode 6, the see through the elec π field of bound charges held freigeben'ursprünglich before the bedding mjd polarization of Crystalline, positive and negative free charges in the isolated system consisting of electrode 6, control electrode 7 and connection of the two in equilibrium. Since now, during the 5 "output and shift of the charge within this isolated system, part of the negative charge has flowed off via resistor 14" ^ while the positive free charges are fully retained on the electrode 6 Is there an excess of positive charges after the quartz has been relieved and the charge shift is canceled in the insulated system, which can be measured on the insulated system from the electrode s to the control electrode? Including connecting wire and also acting on the field effect transistor 8 by means of the control electrode 7, which leads to a display of a negative force 16. The charges which have flowed off over the resistance 14 flow back over the same path and compensate for these positive excess charges as a result of this
negative Kraftanwige langsam verschwin.d^n^Sr. deiungen nach außerordentlich guten Isolat.onsw.de^negative force slowly disappears . d ^ n ^ S r . Deiungen after extraordinarily good Isolat.onsw.de ^
„tändcn, welche die Größenordnung 10· Ohm erreichen müssen, werden oft vom Benuteer <der piezoelektrischen Meßmethode als lastig empfunden, 0 sonders wenn man lange Übertragungskitungen, zwischen piezoelektrischem Aufnehmer ™d U dunesverstärke , d. h. in unserem Fall dem Feldet SransStor, nötig sind. Das piezoelektrische System ist somit nur für die Messung gänge geeignet, immerhin können solche aber quasistatisch geeicht werden."Tändcn, which is the order of magnitude of 10 ohms have to reach are often made by the user piezoelectric measuring method perceived as cumbersome, 0 especially if you have long transmission kits, between the piezoelectric transducer ™ d U dunes amplifier, d. H. in our case the SransStor field. The piezoelectric system is therefore only suitable for measuring gears, after all, such but can be calibrated quasi-statically.
Nach dem Gedanken der Erfindung; soltenjJ.e Ben Vorteile piezoelektrischer QuarAccording to the idea of the invention; soltenjJ.e Ben advantages of piezoelectric quartz
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schnelle Vorgänge zu messen, sowie auch der mit Feld verändert den Widerstand des U-förmigcn HaIb-to measure fast processes, as well as the field changes the resistance of the U-shaped half
keinem anderen Wandlerclement erreichte große lcitcrs 54, der sich auf dieser Oberfläche befindetno other transducer element reached large lcitcrs 54 located on this surface
Meßbereich beibehalten werden, die Nachteile des und auf dieser sehr eng aufliegt oder aufgewachsenMeasurement range are retained, the disadvantages of and on this very closely rests or grown
unvermeidlichen Verlustes von Meßladungen und ist. 55 und 56 sind die Kontaktstellen mit dem HaIb-unavoidable loss of measurement charges and is. 55 and 56 are the contact points with the HaIb-
damit der Beschränkung der Messung auf dynami- 5 leiter 54, sie sind mit der Meßeinrichtung verbunden,thus restricting the measurement to dynamic 5 conductors 54, they are connected to the measuring device,
sehe Vorgänge, vermieden werden. Elektrode 57 ist nicht unbedingt notwendig, es ist jc-see events to be avoided. Electrode 57 is not absolutely necessary, it is jc-
Fig.4 zeigt schematisch den Aufbau eines han- doch vorteilhaft, auf der nicht benutzten Quarzobcr-Fig. 4 shows schematically the structure of a but advantageous, on the unused quartz object
delsüblichen Feldeffekttransistors mit isolierter fläche die durch die Polarisation auftretenden gcbun-the usual field effect transistor with an insulated surface
Steuerelektrode. Ein solcher besteht aus einem Silizi- denen Oberflächenladungen durch eine Elektrode,Control electrode. Such consists of a silicon surface charge through an electrode,
Utnsubstrat 40, in das ein Leiterkanal 41 eindotiert io die mit dem Halbleiter verbunden ist, zu neutralisie-Utnsubstrat 40, into which a conductor channel 41 is doped and connected to the semiconductor, to be neutralized.
wurde, über den von der Quelle 42 zum Abfluß 43 rcn, andernfalls auf dieser Seite ebenfalls ein starkesbecame, via the rcn from the source 42 to the drain 43, otherwise also a strong one on this side
ein Strom geführt werden kann. Auf diesen Kanal elektrisches Feld auftritt, welches dasjenige, das dena current can be carried. An electric field occurs on this channel, which is the one that causes the
aufgebracht ist eine Isolationsschicht 44. Meistens Halbleiter beeinflussen soll, schwächt. Es ist somitAn insulation layer 44 is applied. Mostly intended to influence semiconductors, weakens. So it is
handelt es sich um Siliziumdioxyd SiO4, also Quarz, mit diesem Meßwandlcr möglich, statische Kräfte,it is silicon dioxide SiO 4 , i.e. quartz, possible with this measuring transducer, static forces,
auf dem die Steuerelektrode 45 aufgebracht ist. Wird 15 die eine lange Zeit einwirken, ständig zu überwachenon which the control electrode 45 is applied. Will 15 which act a long time, constantly monitor
an die Steuerelektrode 45 von außen her gegenüber und zu messen, ohne daß der Nullpunkt mit der Zeitto the control electrode 45 from the outside opposite and to measure without the zero point over time
dem Abfluß 43 eine Spannung angelegt, entsteht in verlorengeht.a voltage is applied to the drain 43, is lost.
der Quarzschicht ein elektrisches Feld, das das Silizi- Zur Signalanzeige ist die Spannungsquelle 57 nöumdioxyd
polarisiert. Wäre gegenüber der Steuerelek- tig, sowie das Anzeigegerät 58, welches die Spantrode
45 nicht der Kanal 41, sondern ebenfalls ein ao nungsändcrungen mißt. An Stelle: eines U-förmig ausmetallischer
Leiter, so wäre das Ganze nich\s ande- gelegten Halbleiterkanals 54 kann auch eine Brükres
als ein Kondensator und die elektrischen FeIdIi- kenanordnung gewählt werden. Für die Aufbringung
nien würden auf den inneren Oberflächen des Me- des Halbleitcrkanals bietet die Transistortechnologie
tails enden, und weil Ladungen in Leitern sehr mobil eine Reihe von interessanten Möglichkeiten. So
sind das Entstehen eines elektrisches Feldes im In- »5 könnte r B. auf einer Kristallfläche eine Siliziumnern
eines Metalls verhindern. In einem Halbleiter schicht 59 durch Aufdampfen oder mit chemischen
sind jedoch wegen dem Mangel von freien Ladungs- Mitteln erzeugt werden. In diese Schicht würde nach
trägern die Verhältnisse etwas anders. Das elektri- bekannten Methoden eine P oder N dotierte HaIbsdie
Feld vermag etwas in den Halbleiter einzudrin- leiterschicht eindiffundiert. Es hit aber auch möglich,
gen und bewirkt dort je nach Richtung des Feldes 30 auf die Kristalloberfläche in amorpher Form direkt
und Art des Halbleiters eine Verdrängung oder An- dotiertes Halbleitermaterial anzubringen und diesem
reicherung von Ladungsträgern, die entweder eine durch Ätzvorgänge die gewünschte Form zu geben.
Erhöhung oder Erniedrigung des Kanalwiderstandes In Anbetracht der komplexen Arbeitsvorgänge wird
zufolge haben. Dabei ist von Bedeutung, daß das üblicherweise nur eine Seite der Piezokristalle mit
elektrische Feld im Siliziumdioxyd eine dielektrische 35 einer Halbleiter-Schicht belegt, es ist für gewisse AnPolarisation
bewirkt, d.h. die elektrischen atomaren Wendungen aber durchaus denkbar, daß beide Kri-Ladungen
werden ebenfalls verschoben, wie es oben stallflächen auf diese Weise behandelt werden,
schon im Zusammenhang mit dem Pie^ueffekt er- Der in F i g. 5 dargestellte Meßwandler hat nur
klärt wurde, und es entstehen ebenfalls solche Ver- eine geringe Empfindlichkeit, weil der piezoelektrischiebungsoberflächenladungen,
welche das elektri- 40 sehe Effekt vom Quarz recht schwach ist. Anstatt
sehe Feld um ein Mehrfaches verstärken und damit Quarz wurde Piezokeramik aus Bariumlitanat oder
die Einwirkung auf den Halbleiter um den gleichen Bieizitkont-Titinat verwendet, deren Piezoeffekt etwa
Faktor vergrößern. Ein solches durch die dielektri- 100 Mal stärker ist als der von Quarz. Auch Kadmische
Polarisation erzeugtes Zusatzfeld entsteht auch, umsuifid wurde verwendet, das gleichzeitig halbleiwenn
die dielektrische Polarisation nicht durch ein +5 tend und piezoelektrisch ist. Die Praxir im Bau von
primäres elektrisches Feld erzeugt worden ist, son- Meßwandlern hat gezeigt, daß Piezokt.amik wegen
dem z. B. durch den Piezoeffekt, und es bleibt sich seiner Hysterese, Unlinearität, Temperaturabhängiggleich
in bezug auf den Halbleiter ob das Feld durch keit, AHersunbeständigkeit und geringerer Isolation
eine Elektrode und äußere Spannung plus Polarisa- nicht erlaubt, Meßzelten Von hoher Qualität herzution
oder nur durch Polarisation allein erzeugt wor- 50 stellen. Die Erfindung sieht vor, trotz dem Schwaden
ist. chen Piezoeffekt, Quarz zu verwenden, und durchThe quartz layer creates an electric field that polarizes the silicon dioxide. It would be compared to the control element, as well as the display device 58, which measures the bulkhead 45 not the channel 41, but also a change in voltage. Instead of a U-shaped, made of metallic conductor, the whole thing would not have been provided with a semiconductor channel 54, a bridge as a capacitor and the electrical field arrangement can also be selected. For the application, the transistor technology would never end on the inner surfaces of the semiconductor channel, and because charges in conductors are very mobile, a number of interesting possibilities. So are the emergence of an electric field at home "5 could prevent a metal r example, on a crystal surface is a silicon Africans. In a semiconductor layer 59 by vapor deposition or with chemical, however, are generated because of the lack of free charge means. In this layer the situation would be somewhat different. The electrical known methods a P or N doped half-field is able to diffuse something into the semiconductor. It is also possible, however, and, depending on the direction of the field 30, causes a displacement or partially doped semiconductor material to be applied directly to the crystal surface in amorphous form and type of semiconductor and this enrichment of charge carriers, which either give the desired shape through etching processes give. Increasing or decreasing the channel resistance in view of the complex work processes involved. It is important that only one side of the piezocrystals with an electric field in the silicon dioxide occupies a dielectric layer of a semiconductor layer; shifted as it is treated above stall areas in this way,
already in connection with the Pie ^ ueffekt he in F i g. The transducer shown in FIG. 5 has only been clarified, and such connections also result in low sensitivity because of the piezoelectric displacement surface charges, which see the electrical effect of quartz, is quite weak. Instead of amplifying the field by a multiple, and thus quartz, piezoceramics made of barium titanate or the effect on the semiconductor by the same biocontact titinate were used, the piezo effect of which increases a factor of about. Such a dielectric is 100 times stronger than that of quartz. The additional field generated by cadmic polarization also arises, unless it was used, which at the same time is semiconductive if the dielectric polarization is not by a +5 tend and piezoelectric. The practice in the construction of primary electric field has been generated, but measuring transducers has shown that Piezokt.amik because of the z. B. by the piezo effect, and it remains its hysteresis, non-linearity, temperature-dependent equal in relation to the semiconductor whether the field by speed, AHers instability and lower insulation an electrode and external voltage plus polarization not allowed, measuring tents of high quality or only through Polarization alone was generated. The invention provides in spite of the swath. chen piezo effect to use quartz, and by
Der Erfindungsgedanke besteht darin, ein piezo- eine konische Formgebung der Kristallstücke dieThe idea of the invention consists in a piezo-conical shape of the crystal pieces
elektrisches Element zu bauen, bei dem die piezoelek- Kraftlinien zusammenzudrängen um ortlich ein ho-to build an electrical element, in which the piezoelek lines of force are pressed together in order to
trisch erzeugte dielektrische Polarisation in einem hes elektrisches Feld zu erzielen, das zu einer bedeu-trically generated dielectric polarization in a H electric field, which leads to a significant
angrenzenden Halbleiter ein elektrisches Feld erzeugt 55 tenden Steigerung der Empfindlichkeit des Wandlersadjacent semiconductor generates an electric field, increasing the sensitivity of the transducer
das gleich wie im oben erklärten Prinzip der Feldef- führt.which leads to the same as in the principle of field efficiency explained above.
fekttransistoren den Widerstand eines Kanals verän- F i g. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Kristallanord-Effect transistors change the resistance of a channel. 6 shows a crystal arrangement according to the invention
dert Diese Widerstandsänderung kann mit elektri- nung bestehend aus einer Anzahl von segmentförmi-This change in resistance can be achieved with electrification consisting of a number of segment-shaped
schen Mitteln gemessen werden und ist ein Maß für gen Kristallen, bei denen der transversale Piezoeffektce means are measured and is a measure of gene crystals, in which the transversal piezo effect
die Kraft P, die auf das Element einwirkt 60 zur Anwendung kommt Zur besseren Sicht ist emthe force P, which acts on the element 60, is used. For a better view there is em
Fig. 5 zeigt schematisefr ein Modell eines bekann- Segment weggelassen. Die KraftP wirkt auf die ten Meßwandlers ausgebildet zur Kraftmessung. Ein Stirnseite der Segmente. Auf den Innenseiten 110 Piezokristall 51 wird zwischen dem Stempel 52 und sind wiederum die Halbleiterbarmen 111 aufge* der Unterläge 53 durch eine Kraft P unter mechani- bracht, die an den Stirnseiten der Segmente Ansehe Druck- oder Zugspannung gesetzt, welche pie- 65 schlußstellen 112 aufweisen, die zur Zo- und Wegzoelektrische Polarisation bewirkt Infolge dieser Po- führung des Stromes durch den Halbleiter dienen, larisation tritt aus den Quarzoberflächen senkrecht Die zylindersegmentförmigen Kristalle werden mit zur y-z-FIäche ein elektrisches FeIdF aus. Dieses nicht eingezeichneten plattenförmigen Boden- undFig. 5 shows a schematic diagram of a model of a known segment omitted. The force P acts on the transducer designed to measure force. One face of the segments. Piezo crystal 51 is placed on the inner sides 110 between the stamp 52 and the semiconductor arms 111 are in turn placed on the supports 53 by a force P which sets compressive or tensile stress on the end faces of the segments, which connecting points 112 which cause zo and zoelectric polarization. As a result of this polarization of the current through the semiconductor, polarization emerges from the quartz surfaces vertically. This not shown plate-shaped bottom and
Deckstücken in axialer Richtung zusammengepreßt, wobei entsprechende, in diese Platten eingelassene GegenkontaktC, mit dem Halbleiterelement die elektrische Verbindung herstellen.Cover pieces pressed together in the axial direction, with corresponding, embedded in these plates CountercontactC, establish the electrical connection with the semiconductor element.
Fig.7 zeigt einen Schnitt durch die Quarzkristallgruppe an der Stelle A-A von Fig. 6. Das Meßelement besieht hier aus 4 Segmenten 120, 121, 122 und 123, die passend in eine dünnwandige Hülse 124 eingebaut sind. Durch Krafteinwirkunjj in axialer Richtung entsteht in den äußeren Segmentbezirken dielektrische Polarisation 125 die an sich parallel zur x-Achsc Verlaufen möchte. Durch Beeinflußung seitens des Nachbarsegmentes entsteht eine Abdrängung dieser Vektoren 126 gegen die beträchtliche reduzierte Innenfläche 127, wodurch eine Konzentration der Polalisations- oder Feldvektorcn erreichtFIG. 7 shows a section through the quartz crystal group at point AA in FIG. Through the action of forces in the axial direction, dielectric polarization 125 arises in the outer segment areas, which itself would like to run parallel to the x-axis. By influencing the neighboring segment, these vectors 126 are displaced against the considerably reduced inner surface 127, whereby a concentration of the polarization or field vectors is achieved
wird. Mit einer solchen Anordnung ist somit eine Verstärkung des auf die Halblciterbahnen einwirkenden elektrischen Feldes erreichbar.will. With such an arrangement there is thus a reinforcement of the effect on the half-liter tracks electric field achievable.
Die Erfindung gestattet somit eine wesentliche Er-Weiterung der bestehenden Quarz-Piezomcßtcchnik, indem die Feldeffekt-Transistortechnik mit dem Piczocffckt auf eine neue Art vereint wird, wobei aber keine elektrostatischen Ladungen mehr als Signal auftreten, sondern wo vom Piczocffekt nur noch die erzeugte dielektrische Polarisation des Krislallmalcrials und die damit im Zusammenhang stehende Fcldwirkung von Bedeutung sind. Die Piezomeßtechnik kann damit von der rein dynamischen Anwendungstechnik in die quasistatische und statische überge- führt werden, ohne daß ihre großen Vorteile verlorengehen. The invention thus allows a substantial expansion the existing quartz piezomeasurement technique by using the field effect transistor technique with the piczo is united in a new way, but no more electrostatic charges appear as a signal, but where from the Piczoc effect only the generated dielectric polarization of the crystalline crystal and the associated impact are important. The piezo measuring technology can thus be transferred from the purely dynamic application technology to the quasi-static and static without losing its great advantages.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (2)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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ID=4373963
Family Applications (1)
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Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1970
- 1970-07-29 CH CH1148770A patent/CH518537A/en not_active IP Right Cessation
-
1971
- 1971-07-20 DE DE19712136096 patent/DE2136096C3/en not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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CH518537A (en) | 1972-01-31 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |