DE3742673A1

DE3742673A1 - Mikro-spannungssensor

Info

Publication number: DE3742673A1
Application number: DE19873742673
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Dr Villain; Hartwig Dipl Phys Dr Borner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1987-12-16
Filing date: 1987-12-16
Publication date: 1989-06-29

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der me chanischen Beanspruchungen, denen ein elektrisches bzw. elek tronisches Bauteil bei äußeren Belastungen, zum Beispiel beim Verguß, ausgesetzt ist.

Es ist bekannt, daß beim Vergießen von elektrischen und elek tronischen Bauteilen mechanische Spannungen auftreten, die unter Umständen zu einer Beschädigung einer Baugruppe führen können.

Für die Druckmessung hat man bereits Sensoren entwickelt, die den piezoresistiven Effekt von Halbleitern zur Messung der durch den Druck bewirkten Deformation von Membranen aus Sili zium ausnützen (elektronikpraxis 18 (1983) 9, Seiten 30 bis 33). Diese Vorrichtung erlaubt es aber nur, eine Normalspannung zu messen. Beim Vergießen herrscht aber im allgemeinen ein drei dimensionaler Spannungszustand mit sechs unbekannten Spannungs komponenten vor.

Außerdem hat man bereits die Anwendung des piezoresistiven Effektes für den Bau einzelner Sensoren, wie sie zum Beispiel bei den erwähnten Drucksensoren eingesetzt werden, untersucht (Sensors and Actuators, 10 (1986) Seiten 9 bis 23).

ten, zum Beispiel beim Verguß oder bei Temperaturwechselbean spruchung, zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 ge löst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die U-förmige Ausgestaltung des Sensorblockes bewirkt eine er höhte Dehnung im Bereich der Sensoren. Durch die Tiefe des Ein schnitts im U läßt sich dabei die Empfindlichkeit der Sensoren variieren. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine derartige Meßvorrichtung sich mit üblicher Silizium- Technologie herstellen läßt.

Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Mikro-Spannungs sensors und

Fig. 2 die Deckfläche eines derartigen Sensors.

Mit 1 ist ein U-förmiger Sensorblock bezeichnet, dessen Verbin dungssteg zwischen den U-Schenkeln die Bezugsziffer 2 trägt. Auf der Deckfläche 3 sind Anschlußpads 4 und Sensoren (Halblei ter-Widerstände) 5 angedeutet. In der Fig. 1 sind nur zwei pads und ein Sensor representativ für die Fig. 2 dargestellt. In der Fig. 2 sind die Sensoren 5 über Leiterbahnen 6 mit den pads 4 verbunden.

Bei Kräften, die vornehmlich senkrecht auf die Schenkel des U wirken, wird der Steg 2 zwischen den Schenkeln ähnlich wie ein Biegebalken verformt. Dadurch treten an der Oberfläche des Steges im Bereich der Sensoren Dehnungen und Spannungen auf, die eine entsprechend große Widerstandsänderung der Sensoren zur Folge haben. Die Widerstandsänderungen lassen sich für einzelne oder paarweise in einer Brücke zusammengeschaltete Sensoren ausmessen. Die Außenanschlüsse werden an die pads wahlweise angebondet oder gelötet.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist aber nicht auf die be schriebene Biegebalkenverformung beschränkt. Sie wirkt auch, wenn der Steg zwischen den beiden Schenkeln des U vornehmlich gestaucht oder gestreckt wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der mechanischen Beanspruchungen, denen ein elektrisches bzw. elektronisches Bauteil bei äußeren Belastungen, wie zum Beispiel beim Verguß, ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein U-förmig ausgebildeter, mit Widerständen (5) auf der Deckfläche (3) be stückter Spannungs- bzw. Dehnungssensor (1) vorgesehen ist, und daß die an den einzelnen Sensoren auftretenden Widerstandsände rungen über Anschlußflächen (pads) (4) gemessen und zur Bestim mung des Spannungs- bzw. Dehnungszustandes des Sensors ausge wertet werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der U-förmige Sensorkörper (1) im Ver gleich zu seiner Umgebung aus einem Material mit hohem Elasti zitätsmodul, zum Beispiel Silizium, besteht und daher nahezu verformungslos ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekenn zeichnet, daß die Meßwiderstände (5) aus dotiertem Halb leitermaterial, zum Beispiel Silizium, bestehen, dessen piezore sistiver Effekt ausgenutzt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß polykristallines Halbleitermaterial, zum Beispiel Polysilizium, für die Sensoren (5) verwendet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß durch die Wahl der Dotierung die Tempera turabhängigkeit der Widerstände (Sensoren) (5) minimiert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sensoren (5) einzeln oder im Verbund als verformungsloser Kraftsensor eingesetzt sind.