DE1256443B

DE1256443B - Mechanisch-elektrischer Kraftwandler

Info

Publication number: DE1256443B
Application number: DE1964R0037398
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Rindner; Roger Frederick Nelson
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1963-03-28
Filing date: 1964-03-07
Publication date: 1967-12-14
Also published as: SE308031B; NL6403085A; DE1441853A1; NL6411143A; NL133019C; GB1045934A; SE306562B; GB1056390A

Description

Mechanisch-elektrischer Kraftwandler Die Erfindung betrifft einen mechanisch-elektrischen Kraftwandler mit einem mindestens einen pn-trbergang aufweisenden, mit Elektroden versehenen Halbleiterelement in Form eines zwei planparallele Flächen aufweisenden Körpers, in dem der pn-Übergang sehr nahe einer dieser Flächen und parallel zu ihr angeordnet ist und der einseitig eingespannt ist und auf Biegung beansprucht wird.
Durch die USA.-Patentschrift 3 049 685 ist ein mechanisch-elektrischer Kraftwandler bekanntgeworden, der aus einem Kristallblock besteht, der an einer oder an zwei einander gegenüberliegenden, planparallelen Seiten je eine sehr dünne p-leitende Schicht aufweist. Von den Eigenschaften des pn-Überganges zwischen den sehr dünnen p-leitenden Schichten und dem n-leitenden Kristallblock wird bei der bekannten Anordnung kein Gebrauch gemacht.
Es werden vielmehr die Widerstandsänderungen der p-leitenden Schichten gemessen, die bei einer Durchbiegung des Kristallblockes entstehen. Die durch die pn-Übergänge gebildeten Sperrschichten dienen lediglich dazu, die beiden p-leitenden Schichten, die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Kristalls angeordnet sind und zur Widerstandsmessung benutzt werden, elektrisch voneinander zu isolieren. Der bekannte Wandler bildet daher einen reinen Dehnungsmeßstreifen und findet auch in entsprechender Weise Verwendung.
Durch die USA.-Patentschrift 2 929 885 ist ein mechanisch-elektrischer Kraftwandler mit einem einen pn-Übergang aufweisenden Halbleiterelement bekanntgeworden, bei dem in dem Körper eines Halbleiterkristalls eine Perle eines Legierungsmetalls eingeschmolzen ist, so daß sich an der Oberfläche der eingeschmolzenen Perle ein gekrümmter pn-tZbergang ausbildet. Mit der Oberfläche des Kristallkörpers und der freien Oberfläche der Metallperle ist jeweils eine Elektrode verlötet. Die Elektroden sind zugleich so ausgebildet, daß sie das Ausüben von Druckkräften auf die Legierungsperle ermöglichen. Dadurch wird der Spannungszustand in dem pn-Übergang verändert, was eine Veränderung des Stromflusses durch den pn-tRbergang zur Folge hat. Diese bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß die Form des pn-Überganges, die für die Charakteristik des Wandlers ausschlaggebend ist, nur schlecht kontrollierbar ist. Daher ist es praktisch unmöglich, einen Wandler bestimmter Charakteristik zu erzeugen.
Weiterhin hat der bekannte Wandler nur eine relativ geringe Empfindlichkeit, weil die in dem pn-tZbergang erzeugbaren Spannungen nur relativ gering sind.
Endlich bestehen auch erhebliche Schwierigkeiten bei der Herstellung des bekannten Wandlers, die insbesondere durch die Verlötung der Elektroden mit der Perle aus Legierungsmetall bedingt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechanisch-elektrischen Kraftwandler der eingangs beschriebenen Art zu verbessern und einen Wandler zu schaffen, der sich durch einen sehr einfachen Aufbau und eine hohe Empfindlichkeit auszeichnet und der mit in engen Grenzen reproduzierbaren Charakteristiken herstellbar ist. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der mechanischelektrische Kraftwandler mit einer Anordnung zur Erzeugung einer örtlich begrenzten anisotropen Spannung im Halbleiterelement versehen ist.
Durch die Erfindung wird also ein mechanischelektrischer Kraftwandler geschaffen, der ähnlich wie der Kraftwandler mit der eingeschmolzenen Perle aus einem Legierungsmetall auf Druckkräfte anspricht und nicht wie der andere vorbekannte Wandler einen Dehnungsmeßstreifen bildet. Gegenüber dem bekannten Kraftwandler mit einer eingeschmolzenen Legierungsperle wird durch die Erfindung der Vorteil erzielt, daß durch die Verwendung eines Halbleiterkörpers mit planparallelen Flächen, bei dem der pn-Übergang im wesentlichen parallel zu diesen Flächen verläuft, von der Diffusionstechnik Gebrauch gemacht werden kann, die sehr gut kontrollierbar ist und zu Schichten mit wohl definierten Eigenschaften führt, so daß auch die Eigenschaften des Wandlers in engen Grenzen vorherbestimmbar sind. Weiterhin wird gegenüber dem bekannten Wandler durch die Schaffung örtlich begrenzter, anisotroper Spannungen im Halbleiterelement eine sehr viel höhere Empfindlichkeit erzielt, als sie der bekannte Wandler aufweist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird der Halbleiterkörper im Abstand von der Einspannstelle entweder mit einer punkt- oder linienhaften Abstützung oder aber mit einer punkt- oder linienhaften Schwächung versehen. Die Abstützung kann beispielsweise von einer Spitze oder Schneide und die Schwächung von einer Kerbe oder einem Einschnitt gebildet werden. Weiterhin ist es besonders einfach, an den planparallelen Flächen des Halbleiterkörpers Elektroden anordnungen anzubringen. So ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Halbleiterkörper in eine Elektrodenanordnung eingespannt, die zwei Elektroden aufweist, die zu beiden Seiten des pn-Überganges an den planparallelen Flächen des Halbleiterkörpers anliegen und durch einen Isolierkörper voneinander getrennt sind. Dabei kann der Halbleiterkörper aus einem länglichen Streifen bestehen und die Elektrodenanordnung an einem Ende des Streifens angebracht sein. Es ist aber auch denkbar, daß der Halbleiterkörper aus einer runden Platte besteht und die Elektrodenanordnung die Platte ringförmig umgibt.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 einen Kraftwandler mit frei tragendem Arm und einer örtlich begrenzten Abstützung, F i g. 2 einen Kraftwandler mit frei tragendem Arm, dessen Querschnitt örtlich vermindert ist, Fig.3 einen Kraftwandler, bei dem der Halbleiterkörper in Verbindung mit einer Spitze als Membran benutzt wird, und Fig.4 eine weitere, nach der Erfindung ausgebildete Kraftwandleranordnung.
Bei einer Vorrichtung, die von der Wirkung anisotropischer Spannungen Gebrauch macht, ist ein Halbleiterelement mit einem pn-Übergang so angeordnet, daß eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Spannung, beispielsweise eine Spitze oder eine Schneide, in der Weise auf den Halbleiterkörper einwirken kann, daß in einem begrenzten Bereich des Überganges eine anisotropische Spannung erzeugt wird, die eine Veränderung der Charakteristik des Überganges zur Folge hat. Eine solche Anordnung ist besonders vorteilhaft, weil bei ihr nur eine geringe Amplitude der Bewegung benötigt wird, und es ist weiterhin vorteilhaft, daß der Betrag der Leistung, welcher der Übertragungsvorrichtung zugeführt wird, nur klein zu sein braucht.
F i g. 1 zeigt einen Kraftwandler, bei dem die Anzahl der mechanischen Glieder, die zur Erzeugung der Vorrichtung zur Signalumsetzung benötigt werden, auf ein Minimum reduziert ist und der einen Halbleiterkörper 10 umfaßt, der eine Übergangszone 11 enthält und von der Elektrodenanordnung 12 nach Art eines frei tragenden Armes derart gehalten wird, daß die Fläche 13 des Halbleiterkörpers 10 an einer Spitze 14 anliegt. Die Spitze 14 wird mechanisch von dem Glied 15 getragen, das auch dazu dient, die Elektrodenanordnung 12 zu halten.
Die Elektrodenanordnung 12 umfaßt eine erste Elektrode 16, die in Berührung mit der Fläche 13 steht, und eine zweite Elektrode 17, die mit Hilfe eines Isolators 18 in festem Abstand von der ersten Elektrode 16 gehalten wird. Die Elektroden 16 und 17 bilden zusammen mit dem Isolatorl8 ein Befestigungsglied, mit dessen Hilfe der Körper 10 nach Art eines frei tragenden Armes gehalten wird. Wird bei einer solchen Vorrichtung, wie sie F i g. 1 zeigt, auf das freie, nicht unterstützte Ende des Körpers 10 in Richtung des Pfeiles 19 ein Druck ausgeübt, so drückt die Spitzel4 gegen die Fläche 13, wodurch eine anisotrope Spannung quer über der Übergangszone 11 erzeugt wird. Dies erlaubt mit Hilfe der Elektroden 16 und 17 eine Messung der ausgeübten Kraft, da die in dem Übergang erzeugte anisotrope Spannung eine Veränderung der Charakteristik dieses Überganges bewirkt. War die Anordnung so getroffen, daß die Spitze 14 ständig eine Kraft auf die Fläche 13 ausübt, so daß also ständig eine Spannung quer zum Übergang 11 aufrechterhalten ist, kann auch eine Veränderung der Charakteristik des Überganges dadurch erzielt werden, daß die auf den Übergang ausgeübte Vorspannung aufgehoben wird. Die Kraft zur Aufhebung dieser Spannung müßte in Richtung des Pfeiles 20 angewendet werden. In jedem Fall, d. h. sowohl dadurch, daß der Übergang 11 einer Spannung ausgesetzt wird, als auch dadurch, daß eine auf den Übergang 11 ausgeübte Spannung aufgehoben wird, wird eine entsprechende Änderung der Charakteristik des Überganges erzielt und kann durch geeignete Mittel mit Hilfe der Elektroden 16 und 17 gemessen werden, wie es in der Halbleitertechnik wohlbekannt ist.
F i g. 2 zeigt einen zweiten Kraftwandler mit einem frei tragenden Arm, der einen Körper 21 mit dem Übergang enthält, der an einem Ende durch die Elektrodenanordnung 12 gehalten wird, die der Elektrodenanordnung nach Fig. 1 gleich ist und ebenfalls von einem Teil 15 getragen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird jedoch die geeignete Konzentration der Spannung nicht mit Hilfe einer scharfen Spitze erzielt, die an die Fläche 23 ange drückt wird, sondern durch einen Einschnitt 24, der an einer Seite des Körpers 21 nahe zu dem Tragglied 12 angeordnet ist. Der Schnitt 24 ist vorzugsweise im Körper 21 so tief ausgeführt, daß er bis dicht an den Übergang 22 heranreicht, diesen jedoch noch nicht berührt. Der Einschnitt 24 kann die Form eines Sägeschnittes oder einer V-förmigen Nut oder jede andere Form einer geeigneten Verminderung mindestens einer Dimension des Körpers 21, wie dessen Dicke, aufweisen, sofern durch diese Reduktion ein kleiner Flächenabschnitt des Überganges 22 einer anisotropen Spannung ausgesetzt wird. Wie erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn der Einschnitt 24 nahe dem eingespannten Ende des Körpers 21 angeordnet wird, so daß bei der Anwendung einer Kraft längs der Wirkungslinien der Pfeile 25 und 26 der Vorteil der mechanischen Hebelwirkung ausgenutzt wird, um eine anisotrope Spannung im Übergang 22 am Grund des Einschnittes 24 zu erzeugen. Dadurch wird es möglich, eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften des Überganges 22 zu erzielen, die der Kraft proportional ist, die entweder in Richtung des Pfeiles 25 oder des Pfeiles 26 ausgeübt wird.
Fig. 3 zeigt einen Kraftwandler, bei dem eine dünne Membran aus Halbleitermaterial 30 in einem ringförmigen, die Elektroden bildenden Träger 31 angeordnet ist. Der Halbleiterkörper 30 enthält mindestens einen Übergang 32 und hat weiterhin eine Fläche 33, die in Kontakt mit der Spitzenanordnung 34 steht. Die Spitzenanordnung 34 kann durch jede geeignete Kraft gehalten werden, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dient dazu das Teil 35. Die ringförmige Elektrodenanordnung 31 umfaßt eine Elektrode 36, die von dem Teil 35 getragen wird. Die Elektrode 36 besteht beispielsweise aus einem flachen, kreisförmigen Ring. Der Körper 30 liegt auf der obersten Fläche dieses Ringes auf. Ein Isolator 37 umgibt und schützt die Kante des Körpers 30, auf dessen obere außenliegende Fläche eine weitere Elektrode 38 aufgesetzt ist. Es versteht sich, daß die Elektrode 38 von der Elektrode 36 durch den Isolator 37 getrennt und isoliert wird. Wird eine Kraft auf die Mitte des Körpers 30 längs der Linie 39 ausgeübt, so wird eine entsprechende Veränderung der elektrischen Eigenschaften des Überganges 32 erzielt, weil der Übergang 32 wegen der Spitze einer Anisotropenspannung ausgesetzt wird, wie es oben in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben worden ist.
F i g. 4 zeigt eine Anordnung, bei der von den an Hand F i g. 2 erläuterten Prinzipien Gebrauch gemacht wird. In diesem Fall enthält jedoch der Körper 40 mindestens zwei Übergänge 41 und 42. Der Körper 40 hat ferner zwei Einschnitte bzw. Schwächungen 43 und 44. Die Einschnitte sind so ausgeführt, daß der Einschnitt 43 bis nahe zum Übergang 42 und der Einschnitt 44 bis nahe zum Übergang 41 in den Körper eindringt. Eine Elektrodenanordnung 12, wie sie an Hand F i g. 1 erläutert worden ist, hält den Körper 40 an dem Ende, in dessen Nähe die Einschnitte 43 und 44 angebracht worden sind. Eine dritte Elektrode 45 ist auf der Oberfläche 46 des Körpers 40 angeordnet, so daß Signale an den beiden Übergängen 41 und 42 abgegriffen werden können, wenn der Körper 40 in Richtung der Pfeile 47 und 48 mit Kräften beaufschlagt wird. Wird eine Kraft in Richtung des Pfeiles 47 oder 48 ausgeübt, werden an den Übergängen 41 und 42 Spannungen hervorgerufen. Diese Spannungen sind natürlich am Grund der Einschnitte 43 und 44 konzentriert, wie es in Verbindung mit F i g. 2 erläutert worden ist. Es ist ersichtlich, daß bei der Verwendung zweier Übergänge und zweier Einschnitte die angewendete Kraft, sowohl durch eine Änderung der elektrischen Charakteristik des Überganges 43 als auch der Charakteristik des Überganges 44 erfaßt werden kann.
Der Vorteil der beschriebenen Vorrichtungen liegt darin, daß bei der Ausnutzung der Wirkung der anisotropen Spannung die Zahl mechanischer Verbindungsglieder auf ein Minimum reduziert werden kann, wodurch Leistungsverluste, unerwünschte Resonanzen und zusätzliche Massen und ein hoher Raumbedarf vermieden werden.
Die beschriebenen Vorrichtungen weisen ferner bedeutende Verbesserungen ihrer Eigenschaften im Hinblick auf die Konzessionen auf, die bei anderen Vorrichtungen wegen der vorhandenen Leistungsverluste, unerwünschter Resonanzen sowie großer Masse und großen Raumbedarfes getroffen werden müssen, und bieten ein einfaches Mittel, um einfache Mikrophone, Unterwasserhorchgeräte und andere pn-Kraftwandler herzustellen und zu benutzen. Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung bestimmter Halbleiterwerkstoffe beschränkt ist. Beispielsweise können die beschriebenen Halbleiterkörper aus Germanium, Silizium oder anderen Werkstoffen bestehen, wie z. B. Verbindungen von Elementen der III. und V. Gruppe bzw. der II. und VI. Gruppe. Statt der beschriebenen Spitze könnte auch eine Schneide oder ein Keil oder irgendeine andere Vorrichtung Anwendung finden, die geeignet ist, in dem Halbleiterkörper eine anisotrope Spannung zu erzeugen. Die Elektroden können beispielsweise aus Kupfer, Blei, Zinn oder anderen geeigneten Werkstoffen bestehen, die in der Halbleitertechnik wohlbekannt sind.

Claims

Patentansprüche: 1. Mechanisch-elektrischer Kraftwandler mit einem mindestens einen pn-tZbergang aufweisenden, mit Elektroden versehenen Halbleiterelement in Form eines zwei planparallele Flächen aufweisenden Körpers, der einseitig eingespannt und auf Biegung beanspruchbar ist und in dem der pn-tibergang sehr nahe einer dieser Flächen und parallel zu ihr angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Anordnung (14) zur Erzeugung einer örtlich begrenzten anisotropen Spannung im Halbleiterelement (10) versehen ist.
2. Kraftwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (10) im Abstand von der Einspannstelle (16, 17) mit einer punkt- oder linienhaften Abstützung (14) versehen ist.
3. Kraftwandler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung des Halbleiterkörpers (10) von einer Schneide oder einer Spitze (14) gebildet wird.
4. Kraftwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (21) im Abstand von der Einspannstelle (16, 17) mit einer örtlichen, insbesondere punkt- oder linienhaften Schwächung (24) versehen ist.
5. Kraftwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwächung des Halbleiterkörpers (21) von einem Einschnitt (24) oder einer Kerbe gebildet wird, die von der Seite des Halbleiterkörpers her, der dem Übergang (22) fernliegt, bis nahe an den Übergang heranreicht.
6. Kraftwandler nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (40) nahe seinen beiden planparallelen Flächen je einen pn-Übergang (41 bzw. 42) aufweist und zwei Einschnitte (43 und 44) oder Kerben vorgesehen sind, von denen der bzw. die eine von der einen Seite (46) her bis nahe an den der gegenüberliegenden Seite benachbarten Übergang (42) und der bzw. die zweite von der zweiten Seite her bis nahe an den der ersten Seite benachbarten Übergang (41) heranreicht.
7. Kraftwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (10) in eine Elektrodenanordnung eingespannt ist, die zwei Elektroden (16 und 17) aufweist, die zu beiden Seiten des pn-Überganges (11) an den zueinander parallelen Flächen des Halbleiterkörpers anliegen und durch einen Isolierkörper (18) voneinander getrennt sind.
8. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (10) aus einem länglichen Streifen besteht und die Elektrodenanordnung (12) an einem Ende des Streifens angebracht ist.
9. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (30) aus einer runden Platte besteht und die Elektrodenanordnung (31) die Platte ringförmig umgibt.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 929 885, 3 049 685.