DE4321254A1

DE4321254A1 - Force sensor

Info

Publication number: DE4321254A1
Application number: DE4321254A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Ing Habil Ahlers
Original assignee: Horst Dr Ing Habil Ahlers
Current assignee: JENASENSORIC E.V., 07743 JENA, DE; VIRTUALFAB TECHNOLOGIE GMBH, 07745 JENA, DE
Priority date: 1993-06-25
Filing date: 1993-06-25
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2013-06-26
Also published as: DE4321254C2

Abstract

The invention relates to a sensor having a light transmitter designed as a semiconductor diode and a light receiver designed as a semiconductor diode, which are arranged on a common carrier. Both the semiconductor diodes are arranged on the common carrier in such a way and at a mutual distance that the light receiver lies in the radiation range of the light transmitter. The common carrier is formed between the two semiconductor diodes as a flexible elastic tongue which is clamped fast at one end and, at the movable tongue end, is designed as the engagement point for a force acting on the tongue surface. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor, mit dem Kräfte, zum Beispiel Druck und/oder Beschleunigung gemessen werden können und der einen, vorzugsweise als Halbleiterdiode ausgebildeten Lichtempfänger umfaßt, die auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind.The invention relates to a sensor with which forces, for example pressure and / or Acceleration can be measured and the one, preferably as Semiconductor diode trained light receiver comprises, on a common carrier are arranged.

Sensoren dieser Art sind beispielsweise in dem Buch "Mikroelektronische Sensoren" von Ahlers-Waldmann, erschienen 1989 im Verlag Technik, Berlin, auf den Seiten 105 bis 111 mit zahlreichen Literaturnachweisen beschrieben und dargestellt. Diese Sensoren arbeiten nach unterschiedlichen physikalischen Konzepten und sind relativ aufwendig.Sensors of this type are described, for example, in the book "Microelectronic Sensors" von Ahlers-Waldmann, published in 1989 by Verlag Technik, Berlin pages 105 to 111 with numerous references and shown. These sensors work according to different physical Concepts and are relatively complex.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der einleitend angegebenen der Empfindlichkeit weitgehend den Anforderungen des jeweiligen Benutzungs falles anpaßbar ist.The invention has for its object a sensor of the introduction the sensitivity largely to the requirements of the respective use is customizable.

Gemäß der Erfindung wird dies, ausgehend von einem Sensor mit einem als Halt leiterdiode ausgebildeten Lichtsender und einem als Halbleiterdiode ausgebildeten Lichtempfänger, die auf einem gemeinsamen Träger unter Bildung einer trennenden grabenförmigen Vertiefung derart im gegenseitigen Abstand angeordnet sind, daß der Lichtempfänger im Strahlungsbereich des Lichtsenders liegt, dadurch erreicht, daß der gemeinsame Träger im Bereich zwischen den beiden Halbleiterdioden als biegsame, elastische Zunge ausgebildet ist, die an einem Ende mit einer fest einspannenden Halterung versehen ist und an deren anderem, beweglichen Ende eine Angriffsstelle für auf die Zungenfläche wirkende Kräfte vorgesehen ist.According to the invention, this is based on a sensor with a stop conductor diode trained light transmitter and a semiconductor diode Light receivers on a common support to form a separating trench-shaped depression arranged in such a way at a mutual distance are that the light receiver is in the radiation range of the light transmitter, achieved in that the common carrier in the area between the two Semiconductor diodes is designed as a flexible, elastic tongue, which on a End is provided with a fixed clamping bracket and on the other, movable end a point of attack for those acting on the tongue surface Forces is provided.

In Weiterbildung der Erfindung wird die Zunge als eine an den Enden nach Art einer Saite oder Membran eingespannte Doppelzunge ausgebildet und der bewegliche Zungenteil als Angriffsstelle für die Kraft vorgesehen.In a further development of the invention, the tongue is a a double tongue clamped in a string or membrane and the movable Tongue part intended as a point of attack for the force.

Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird die elastische Zunge mit einem Biegebalken, insbesondere aus Silizium oder Federmaterial, verstärkt. Dieser Biegebalken kann zugleich Träger weiterer elektrischer Bauteile, ins besondere einer integrierten Steuer- und/oder Auswerteschaltung sein.According to another development of the invention, the elastic tongue is used a bending beam, in particular made of silicon or spring material, reinforced. This bending beam can also support other electrical components, ins be an integrated control and / or evaluation circuit.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn über die Zungenlänge verteilt mehrere graben förmige Vertiefungen auf wenigstens einer der beiden Zungenseiten vorgesehen sind, insbesondere derart, daß mehrere auf der Zunge hintereinanderliegende Sensoren gebildet werden. Es können auch mehrere Lichtempfänger in einer Ebene um den Lichtsender herum verteilt angeordnet werden. Auch ist es von Vorteil, wenn die Zunge auf den beiden gegenüberliegenden Zungenflächen spiegel bildlich mit Sensoren versehen wird.It is also advantageous if several dig over the length of the tongue shaped depressions are provided on at least one of the two tongue sides are, in particular such that several lying on the tongue one behind the other Sensors are formed. There can also be several light receivers on one level can be arranged around the light transmitter. It is also an advantage when the tongue is mirrored on the two opposite tongue surfaces is provided with sensors.

Durch die Deutsche Patentschrift DD 261 673 A1, auf die sich auch das vor stehend zitierte Buch bezieht, ist ein Sensor zur Untersuchung von Gasen be kannt, der aus einem als Halbleiterdiode ausgebildeten Lichtsender und einem als Halbleiterdiode ausgebildeten Lichtempfänger, die auf einem gemeinsamen Träger unter Bildung einer trennenden grabenförmigen Vertiefung derart im gegen seitigen Abstand angeordnet sind, daß der Lichtempfänger im Strahlungsbe reich des Lichtsenders liegt. In der Fig. 3 der Patentschrift und in dem da zugehörigen Text ist darauf hingewiesen, daß dieser Sensor auch auf Kräfte reagiert, die senkrecht auf die Sendediode oder die Empfängerdiode einwirken, indem hierdurch unterschiedliche Koppeleigenschaften bewirkt werden. Das beruht auf den bekannten druckabhängigen Eigenschaften des Halbleitermaterials. Diesem bekannten Sensor gegenüber unterscheidet sich der erfindungsgemäße Sensor vor allem dadurch, daß der gemeinsame Träger im Bereich zwischen den beiden Haltleiterdioden als biegsame, elastische Zunge ausgebildet ist, die an einem Ende mit einer fest einspannenden Halterung versehen ist und an deren anderem, beweglichen Ende eine Angriffsstelle für auf die Zungenfläche wirkende Kräfte vorgesehen ist, so daß bei einer Krafteinwirkung eine Ver schränkung zwischen der durch die Strahlung der Sendediode bestimmten Ebene und der durch die Empfängerdiode bestimmten Ebene eintritt.By the German patent DD 261 673 A1, to which the book cited before also refers, a sensor for the investigation of gases is known, which consists of a light transmitter designed as a semiconductor diode and a light receiver designed as a semiconductor diode, which are on a common carrier Formation of a separating trench-shaped depression are arranged in such a way that the light receiver is in the radiation area of the light transmitter. In Fig. 3 of the patent specification and in the associated text, it is pointed out that this sensor also reacts to forces which act perpendicularly on the transmitter diode or the receiver diode, thereby causing different coupling properties. This is based on the known pressure-dependent properties of the semiconductor material. Compared to this known sensor, the sensor according to the invention differs primarily in that the common carrier in the region between the two semiconductor diodes is designed as a flexible, elastic tongue, which is provided at one end with a firmly clamped holder and at the other, movable end one Point of attack is provided for forces acting on the tongue surface, so that when a force is applied, a restriction occurs between the plane determined by the radiation from the transmitter diode and the plane determined by the receiver diode.

Bei der Realisierung der Erfindung kann mit Vorteil auf eine Technologie zu rückgegriffen werden, die in dem erwähnten Buch u. a. auf den Seiten 160 und 162 und in der oben erwähnten Deutschen Patentschrift für einen Sensor zur Untersuchung von Gasen beschrieben ist.When realizing the invention, technology can advantageously be used be used, which in the book mentioned u. a. on pages 160 and 162 and in the above-mentioned German patent specification for a sensor for Examination of gases is described.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigtThe invention based on exemplary embodiments and a Drawing explained in more detail. In the drawing shows

die Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Sensor in räumlicher Darstellung, Fig. 1 shows a sensor according to the invention in three-dimensional representation,

die Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen solchen Sensor und eine mögliche Einspannungsart der Zunge, Fig. 2 is a longitudinal section through such a sensor and a possible Einspannungsart the tongue,

die Fig. 3 die Verteilung des Lichtsenders im bezug auf die Lichteintrittsöffnung des Lichtempfängers, Fig. 3 shows the distribution of the light transmitter in relation to the light entry port of the light receiver,

die Fig. 4 die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Sensors als Be schleunigungssensor, training schleunigungssensor Fig. 4 of a sensor of the invention as Be,

die Fig. 5 eine Mehrfachanordnung erfindungsgemäßer Sensoren zur Steigerung der Empfindlichkeit und der Redundanz, FIG. 5 shows a multiple arrangement of sensors according to the invention for increasing the sensitivity and redundancy,

die Fig. 6 eine mechanische Reihenschaltung von Sensoren, FIGS. 6, a mechanical series arrangement of sensors,

die Fig. 7 einen Schnitt durch einen Sensor mit Material- und Maß angaben,the disclosures Fig. 7 is a section through a sensor with a material and dimension,

die Fig. 8 einen auf einem Biegebalken befestigten Sensor,a mounted on a bending beam sensor FIGS. 8,

die Fig. 9 einen Sensor mit aufliegendem Biegebalken, FIGS. 9 a sensor with lifting the bending beam,

die Fig. 10 einen Sensor für Auftriebsmessungen, FIG. 10 is a sensor for buoyancy measurements,

die Fig. 11 einen Sensor für Strömungsmessungen, FIG. 11 is a sensor for flow measurement,

die Fig. 12 einen Sensor für die Messung von elektromagnetischer Strahlung und von Wärmestrahlung, Fig. 12 shows a sensor for the measurement of electromagnetic radiation and heat radiation,

die Fig. 13 einen Sensor zur Bestimmung von Reaktionswärme, FIG. 13 is a sensor for determining the heat of reaction,

die Fig. 14 einen Sensor zur Messung eines elektrostatischen Feldes, FIG. 14 is a sensor for measuring an electrostatic field,

die Fig. 15 einen Sensor mit einer Einspannung nach Art einer Saite, Fig. 15 shows a sensor with a clamping manner of a string,

die Fig. 16 einen Mehrfachsensor in Aufsicht, FIG. 16 is a multiple sensor in top view,

die Fig. 17 einen weiteren Mehrfachsensor, Fig. 17 shows a further multi-sensor,

die Fig. 18 einen Doppelsensor, FIG. 18 is a double sensor,

die Fig. 19 den durch Differenzschaltung erreichbaren Verlauf des Ausgangssignals eines Doppelsensors nach der Fig. 18, Figs. 19 to be achieved by the differential circuit of the output signal of a dual sensor according to the Fig. 18,

die Fig. 20 einen Sensor für das Abtastscannen von Oberfächen, der beispielsweise zur molekularen Oberflächenstruktur-Unter suchung einsetzbar ist, Figs. 20 a sensor for Abtastscannen Oberfächen of which is, for example, on the molecular surface structure investigation used,

die Fig. 21 einen mit einem Skalpell-Messer als Werkzeug versehenen Sensor, das durch den Strom im Lichtsender erwärmt und das durch dessen Licht auch beleuchtet werden kann, und Figs. 21 a provided with a scalpel-blade as a tool sensor, heated by the current in the light transmitter and which can also be illuminated by the light, and

die Fig. 22 eine Auswerteschaltung zur weitgehenden Ausschaltung störender Umgebungseinflüsse. FIG. 22 is an evaluation circuit for the substantial elimination of disturbing environmental influences.

Im einzelnen der Figuren ist die Halterung beziehungsweise Einspannung des Sensors der örtlichen Lage nach durch eine Schraffur angedeutet.In the individual of the figures, the holder or clamping of the Sensor according to the local position indicated by hatching.

Der in der Fig. 1 dargestellte Sensor umfaßt einen Lichtsender S und einen Lichtempfänger E, die auf einem n-leitenden GaAsP-Substrat 1 jeweils mittels einer p-leitenden Schicht 2 bzw. 3 in Form eines sogenannten pn-Überganges gebildet werden. Für die Kontaktierung ist auf jeder der beiden Halbleiter dioden eine flächenhafte, lichtundurchlässige Aluminium-Elektrode auf den p-leitenden Schichten 2, 3 vorgesehen. Auf der Unterseite des n-leitenden Substrats 1 befindet sich eine gemeinsame, lichtundurchlässige flächenhafte AuGe-Elektrode zur Kontaktierung. In an sich bekannter Weise sind die den Lichtsender S bildende Halbleiterdiode in Flußrichtung und die den Lichtem pfänger E bildende Halbleiterdiode in Sperr-Richtung zu betreiben. Wird das Material GaAsP benutzt, so hat man einen guten Lichtsender und einen - wenn auch mit geringerer Empfindlichkeit im Vergleich zu Silizium-Fotodioden vor liegenden - Lichtempfänger im gleichen Substrat zur Verfügung.The sensor shown in FIG. 1 comprises a light transmitter S and a light receiver E, which are formed on an n-type GaAsP substrate 1 by means of a p-type layer 2 or 3 in the form of a so-called pn junction. For contacting, a planar, opaque aluminum electrode is provided on the p-type layers 2 , 3 on each of the two semiconductor diodes. On the underside of the n-type substrate 1 there is a common, opaque, planar AuGe electrode for contacting. In a manner known per se, the semiconductor diode forming the light transmitter S is to be operated in the direction of flow and the semiconductor diode forming the light receiver E is to be operated in the blocking direction. If the GaAsP material is used, you have a good light transmitter and a light receiver in the same substrate, albeit with a lower sensitivity compared to silicon photodiodes.

Der Substratbereich zwischen dem Lichtsender S und dem Lichtempfänger E ist beispielsweise durch Ätzung, Einsägung oder durch Laserbearbeitung stark ver dünnt, so daß eine elastische Zunge entsteht. An den Enden der Zunge sind S und E. Wird als Ausgangsmaterial eine großflächig mit einem pn-Übergang versehene Substratscheibe verwendet, so lassen sich in vorteilhaft einfacher Weise der Lichtsender und der Lichtempfänger durch eine entsprechende tiefe Ätzung oder Einsägung bilden.The substrate area between the light transmitter S and the light receiver E is strongly ver, for example, by etching, sawing or by laser processing thins so that an elastic tongue is formed. At the ends of the tongue are S and E. If a pn junction is provided over a large area as the starting material Substrate disk used, can be advantageously easier Way of the light transmitter and the light receiver by a corresponding depth Form etching or sawing.

Für die den Lichtsender bildende Halbleiterdiode ist angenommen, daß sie als sogenannte Lumineszenzdiode in Form eines Kantenstrahlers seitlich strahlt. Das Licht tritt also in der durch den pn-Übergang dieser Halbleiterdiode be stimmten Ebene in Richtung der beiden eingezeichneten Pfeile aus. Es ist relativ stark gebündelt, und zwar so, wie es die Kurve 7 in der Fig. 2 an deutet. Auf der Abszisse ist der Austrahlungswinkel α bezogen auf die durch den pn-Übergang bestimmte Ebene aufgetragen und auf der Ordinate die für den jeweiligen Abstrahlwinkel relevante Lichtenergie. Unterhalb des Diagramms ist die fotosensible Eintrittsöffnung 8 des pn-Übergangs der Halbleiterdiode an gedeutet, die den Lichtempfänger bildet.The semiconductor diode forming the light transmitter is assumed to emit laterally as a so-called luminescent diode in the form of an edge radiator. The light thus emerges in the plane determined by the pn junction of this semiconductor diode in the direction of the two arrows. It is bundled relatively strongly, in the way that curve 7 in FIG. 2 indicates. The radiation angle α is plotted on the abscissa in relation to the plane determined by the pn transition, and the light energy relevant for the respective radiation angle is plotted on the ordinate. Below the diagram, the photosensitive inlet opening 8 of the pn junction of the semiconductor diode is indicated, which forms the light receiver.

Wird - siehe Fig. 3 - der Sensor im Bereich des Lichtsenders S starr gehalten, zum Beispiel mittels einer zugleich der Kontaktierung dienenden Klammer 9, 10 und wirkt auf das freie Ende der Zunge eine Druck- und Zugkraft P ein, so wird die Zunge leicht gebogen und die sich gegenüberstehenden, zwangskali brierten Ebenen der pn-Übergänge beider Halbleiterdioden werden gegeneinander verschoben. Das hat zur Folge, daß - bezogen auf die Fig. 2 - die fotosensible Eintrittsöffnung 8 des Lichtempfängers seitlich gegenüber dem Strahlungs maximum des Lichtsenders in Richtung auf die gestrichelt eingezeichnete Position verschoben und damit das Ausgangssignal des Lichtempfängers vermindert wird.If - see FIG. 3 - the sensor is held rigidly in the area of the light transmitter S, for example by means of a clamp 9 , 10 which also serves for contacting, and a pressure and tensile force P acts on the free end of the tongue, the tongue becomes light bent and the opposing, forcibly calibrated levels of the pn junctions of both semiconductor diodes are shifted against each other. The result of this is that - with reference to FIG. 2 - the photosensitive inlet opening 8 of the light receiver is laterally displaced with respect to the maximum radiation of the light transmitter in the direction of the position shown in dashed lines and thus the output signal of the light receiver is reduced.

Beim Ausführungsbeispiel besteht die Klammer aus den beiden Teilen 9, 10, die durch eine Isolierung elektrisch voneinander getrennt sind. An den Teilen 9, 10 sind damit die schematisch angedeuteten Anschlußdrähte für die Stromzuführung zum Lichtsender anbringbar. Die Kontaktierung des Lichtempfängers erfolgt, wie bereits erwähnt, über die Flächenelektroden 5 und 6. Der elektrische Anschluß der Flächenelektrode 5 kann in an sich bekannter Weise durch einen entsprechenden Anschlußdraht hergestellt werden, während der Anschluß der Flächenelektrode 6 mit dem des Lichtsenders zusammenfällt. Die Teile 9, 10 bestehen aus leitendem Material. Anstelle einer Klammerhaltung kann die Zunge mit ihrem starr zu haltenden Ende auch auf einen entsprechenden Trä ger aufgelötet werden. Die Lötverbindung und die elektrischen Anschlüsse können in für Halbleitervorrichtungen bekannter Weise erfolgen.In the exemplary embodiment, the clip consists of the two parts 9 , 10 , which are electrically separated from one another by insulation. The schematically indicated connecting wires for the power supply to the light transmitter can thus be attached to the parts 9 , 10 . As already mentioned, the light receiver is contacted via the surface electrodes 5 and 6 . The electrical connection of the surface electrode 5 can be established in a manner known per se by means of a corresponding connecting wire, while the connection of the surface electrode 6 coincides with that of the light transmitter. The parts 9 , 10 consist of conductive material. Instead of holding the clamp, the tongue with its rigidly held end can also be soldered onto a corresponding carrier. The solder connection and the electrical connections can be made in a manner known for semiconductor devices.

Ein Sensor dieser Art ist auch als Beschleunigungssensor verwendbar, wenn am freien Zungenende, so wie in der Fig. 4 dargestellt, ein Teil M hinreichend großer Masse befestigt wird. Bei Bewegung des Sensors wird dann je nach der Beschleunigung die Zunge in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung in der einen oder in der anderen Richtung abgelenkt. Dabei ist die Auslenkung eine Funktion der Beschleunigung.A sensor of this type can also be used as an acceleration sensor if a part M of sufficiently large mass is attached to the free end of the tongue, as shown in FIG. 4. When the sensor is moved, the tongue is then deflected in one direction or the other in the direction indicated by an arrow, depending on the acceleration. The deflection is a function of the acceleration.

Die beiden Sperrschichten müssen nicht in einer Ebene liegen. Werden sie gering fügig höhenversetzt, so ist in der Ausgangsstellung, also bei nicht aus gelenkter Zunge, die Lichteintrittsöffnung außerhalb des Strahlungsmaximums. In der Fig. 3 entspricht dies z. B. der gestrichelt eingezeichneten Lichtein trittsöffnung 8′. Abhängig von der Höhenversetzung sind dadurch entsprechend unterschiedliche Signale am Ausgang des Lichtempfängers erreichbar. Liegt die Lichteintrittsöffnung 8′ z. B. mittig auf der Flanke der Strahlung des Licht senders, das heißt auf einer der Flanken der Kurve 7 in Fig. 3, so lassen sich Zug- und Druckkräfte aus dem Ausgangssignal des Lichtempfängers unter scheiden. Durch größeren Höhenversatz ist es auch möglich, daß Auslenkungen der Zunge in einer Richtung kein Ausgangssignal ergeben, während Auslenkungen der Zunge in die andere Richtung ein mit der Ausnehmung zunehmendes Signal zur Folge haben.The two barrier layers do not have to lie in one plane. If they are slightly offset in height, in the starting position, i.e. when the tongue is not deflected, the light entry opening is outside the radiation maximum. In Fig. 3, this corresponds to z. B. the dashed light opening 8 '. Depending on the height offset, different signals can be reached at the output of the light receiver. Is the light entry opening 8 'z. B. in the middle of the flank of the radiation from the light transmitter, that is on one of the flanks of curve 7 in Fig. 3, tensile and compressive forces can be distinguished from the output signal of the light receiver. Due to a larger height offset, it is also possible that deflections of the tongue in one direction give no output signal, while deflections of the tongue in the other direction result in a signal increasing with the recess.

Werden mehrere Zungenabschnitte nach der Fig. 1, so wie in der Fig. 5 dar gestellt, in Form einer längeren Zunge aneinandergereiht, so wird eine ent sprechende Anzahl von Einheiten aus Lichtsender und Lichtempfänger gebildet. Eine solche Anordnung kann in verschiedener Weise schaltungstechnisch ausgenutzt werden. So kann jede Einheit zur Ableitung eines eigenen Ausgangssignals entsprechend den Ausführungen zu den Fig. 1 bis 4 verwendet werden. Es kann aber auch eine Reihenschaltung der Lichtempfänger vorgenommen werden. Dann ist das aus der Reihenschaltung resultierende Ausgangssignal in seiner kraftabhängigen Größenänderung dem Produkt der Änderungen der einzelnen Aus gangssignale proportional. Es werden also schon bei sehr geringen Auslenkungen, beziehungsweise auf das freie Zungenende einwirkenden Kräften P, relativ große Änderungen des Ausgangssignals erhalten.If several tongue sections according to FIG. 1, as shown in FIG. 5, are strung together in the form of a longer tongue, a corresponding number of units of light transmitter and light receiver is formed. Such an arrangement can be used in various ways in terms of circuitry. Each unit can be used to derive its own output signal in accordance with the explanations for FIGS. 1 to 4. However, the light receivers can also be connected in series. Then the output signal resulting from the series connection is proportional in its force-dependent size change to the product of the changes in the individual output signals. Even with very small deflections, or forces P acting on the free end of the tongue, relatively large changes in the output signal are obtained.

Eine solche Reihenschaltung kann auch dazu verwendet werden, Einfluß auf die Auswirkungen mechanischer Resonanzen auf das Ausgangssignal zu nehmen. Bei unterschiedlicher Abstimmung der durch die einzelnen Sensorabschnitte be stimmten mechanischen Resonanzen der Zungen lassen sich bei elektrischen Reihenschaltungen der einzelnen Sensoren die Auswirkungen der Resonanzen auf das elektrische Summenverhalten reduzieren oder, falls gefordert, auch verstärken. Dies ist in der Fig. 6 durch unterschiedliche Abstände zwischen den einzelnen Sensorabschnitten angedeutet.Such a series connection can also be used to influence the effects of mechanical resonances on the output signal. With different coordination of the mechanical resonances of the tongues determined by the individual sensor sections, the effects of the resonances on the electrical sum behavior can be reduced or, if required, also amplified in electrical series connections of the individual sensors. This is indicated in FIG. 6 by different distances between the individual sensor sections.

Die Sensorempfindlichkeit hängt außer von der Länge des zwischen Lichtsender und zugehörigem Lichtempfänger gelegenen Zungenabschnitts, auch vom Zungen querschnitt und dem Zungenmaterial ab. Je länger der Zungenabschnitt und je geringer die Zungenstärke ist, umso empfindlicher ist der Sensor.The sensor sensitivity depends on the length of the light transmitter and associated light section of the tongue section, also from the tongue cross section and the tongue material. The longer the tongue section and the the thinner the tongue, the more sensitive the sensor.

Für Anwendungen des Sensors bei zeitlich stark variablen Kräften empfiehlt es sich, durch entsprechende Wahl der Abmessungen der Zunge in Abhängigkeit von den Materialkonstanten, die Eigenresonanzen in solche Frequenzbereiche zu legen, daß sie nicht stören. Es ist andererseits aber auch möglich, die Eigen resonanzen so zu legen, daß sie funktionsbestimmend sind, beispielsweise um bei bestimmten Frequenzen, auszuwerten.It is recommended for applications of the sensor with strongly variable forces yourself, by appropriate choice of the dimensions of the tongue depending on the material constants, to place the natural resonances in such frequency ranges, that they don't bother. On the other hand, it is also possible to own to set resonances in such a way that they determine the function, for example to at certain frequencies.

Die Herstellung erfindungsgemäßer Sensoren geschieht zweckmäßig in der Weise, daß in einem, im Vergleich zum einzelnen Sensor großflächigen Substrat in an sich bekannter Weise großflächig ein pn-Übergang beispielsweise durch Diffusion entsprechender Dotierungsmaterialien hergestellt wird. Das Substrat wird dann durch grabenförmige Vertiefungen, die bis unter den pn-Übergang reichen, unterbrochen. Außerdem werden, der späteren Vereinzelung des Sub strats in die einzelnen Sensoren dienende Vertiefungen in das Substrat ein gebracht. Anschließend kann das großflächige Substrat in die einzelnen Sensoren in an sich bekannter Weise zerlegt werden. Als Substratmaterial eignet sich insbesondere ein Material, das bei entsprechender Dotierung sowohl als Lichtsender und auch als Lichtempfänger geeignet ist, wie Galliumarsenid phosphid, Galliumphosphid und Siliziumkarbid.The sensors according to the invention are expediently produced in such a way that that in a, compared to the single sensor large area substrate in a pn junction is known over a large area, for example by diffusion appropriate doping materials is produced. The substrate is then formed by trench-shaped depressions that extend below the pn junction range, interrupted. In addition, the later isolation of the Sub Strats in the individual sensors serving recesses in the substrate brought. The large-area substrate can then be placed in the individual sensors be disassembled in a manner known per se. Suitable as substrate material is in particular a material which, with appropriate doping, can be used both as Light transmitter and is also suitable as a light receiver, such as gallium arsenide phosphide, gallium phosphide and silicon carbide.

Ein Ausführungsbeispiel für eine solche Ausgestaltung ist in der Fig. 7 gezeigt, und zwar mit entsprechenden Angaben über die verwendeten Materialien und Abmessungen für die Dicke der einzelnen Schichten und die Tiefe der das Substrat in einen Lichtsender und einen Lichtempfänger aufteilenden graben förmigen Vertiefung V. Die Verwendung von Materialien, die sowohl als Licht empfänger als auch als Lichtempfänger einsetzbar sind, bringt den zusätzlichen Vorteil, daß bei dem Sensor die Senderseite ohne Schwierigkeiten mit der Empfängerseite durch entsprechend unterschiedlichen Betrieb vertauscht werden kann.An embodiment of such an embodiment is shown in FIG. 7, with corresponding information about the materials and dimensions used for the thickness of the individual layers and the depth of the trench-shaped recess V which divides the substrate into a light transmitter and a light receiver The use of materials which can be used both as light receivers and as light receivers brings the additional advantage that the transmitter side can be interchanged without difficulty with the receiver side by correspondingly different operation in the sensor.

Vor allem bei starker mechanischer Belastung der Zunge ist es von Vorteil, wenn das den Sensor bildende Substrat mit einem Biegebalken, zum Beispiel aus Silizium oder einem Federmaterial, wie Federbronze, verstärkt ist. Dieser kann zugleich Träger einer integrierten Schaltung sein, die zum Beispiel der Aus wertung des Sensorsignals und/oder der Steuerung des Lichtsenders dient. Aus führungsbeispiele für den Biegebalken zeigen die Fig. 8 und 9. Der Sensor kann dabei mit seiner Unterseite auf dem Biegebalken B, wie in der Fig. 8 gezeigt, liegen oder, wie in der Fig. 9 gezeigt, mit dem Biegebalken B auf der Seite von Lichtsender und Lichtempfänger abgedeckt sein. Die Ver wendung eines Metalles ist vor allem dann von Interesse, wenn damit die Kon taktierung der Schicht vorgenommen wird, die dem Lichtsender und dem Licht empfänger elektrisch gemeinsam ist.Especially when the tongue is subjected to high mechanical loads, it is advantageous if the substrate forming the sensor is reinforced with a bending beam, for example made of silicon or a spring material such as spring bronze. This can also be the carrier of an integrated circuit, which is used, for example, to evaluate the sensor signal and / or to control the light transmitter. 8 and 9 show exemplary embodiments of the bending beam . The sensor can lie with its underside on the bending beam B, as shown in FIG. 8, or, as shown in FIG. 9, with the bending beam B on the Be covered by the light transmitter and light receiver. The use of a metal is of particular interest if it is used to contact the layer that is electrically common to the light transmitter and the light receiver.

Der erfindungsgemäße Sensor ist auch als Auftriebsmesser ausbildbar. Hierzu ist an das bewegliche Zungenende, wie in der Fig. 10 gezeigt, ein Auftriebs körper AK an das freie Zungenende anzubringen. Beim Eintauchen in eine Flüssig keit wirkt dann auf das freie Zungenende die auftretende Auftriebskraft, die damit über den Sensor meßbar wird. Der Antriebskörper kann auch die Form und das Profil eines hydromechanischen Flügels erhalten, wodurch dann mit dem Sensor indirekt auch Strömungsgeschwindigkeiten von Gasen oder Flüssigkeiten meßbar werden. Es ist aber auch möglich, den Druck von strömenden Gasen oder Flüssigkeiten mit einem erfindungsgemäßen Sensor dadurch zu messen, daß man die Strömung St auf das freie Zungenende einwirken läßt, wie es die Fig. 11 schematisch zeigt.The sensor according to the invention can also be designed as a buoyancy meter. For this purpose, a buoyancy body AK is to be attached to the free end of the tongue on the movable end of the tongue, as shown in FIG. 10. When immersed in a liquid speed then acts on the free end of the tongue, the buoyancy force that can be measured with the sensor. The drive body can also be given the shape and profile of a hydromechanical wing, as a result of which the flow velocities of gases or liquids can also be measured indirectly with the sensor. However, it is also possible to measure the pressure of flowing gases or liquids with a sensor according to the invention by allowing the flow St to act on the free end of the tongue, as shown schematically in FIG. 11.

Der Sensor läßt sich auch als Strahlungsdetektor einsetzen, wenn - wie in der Fig. 12 schematisch gezeigt - der Lichtsenderbereich und/oder der Lichtem pfängerbereich mit einer als Bolometer wirkenden Schicht Bo versehen wird, die durch die aufgenommene Strahlung erwärmt wird und dabei mechanische Ver spannungskräfte auf die Zunge des eigentlichen Sensors ausübt. Bei dem Bei spiel nach der Fig. 12 ist die Bolometerschicht Bo auf dem freien, den Licht empfänger tragenden Zungenende vorgesehen.The sensor can also be used as a radiation detector if - as shown schematically in FIG. 12 - the light transmitter area and / or the light receiver area is provided with a layer Bo acting as a bolometer, which is heated by the radiation absorbed and thereby mechanical stress forces on the tongue of the actual sensor. In the case of the game according to FIG. 12, the bolometer layer Bo is provided on the free tongue end which carries the light.

Wird statt der Bolometerschicht, so wie in derFig. 13 gezeigt, ein wärme produzierendes Mikroreaktorgefäß MR aufgebracht, so treten die erwähnten Ver spannungskraft dann auf, wenn im Mikroreaktor MR ein Wärme erzeugender biologischer oder chemischer Vorgang abläuft. Das Mikroreaktorgefäß kann mit der Reaktionswärme auch direkt auf den zwischen dem Lichtsender und dem Licht empfänger gelegenen Zungenbereich einwirken und dort angeordnet werden. Man kann auch Kraftwirkungen chemischer oder biologischer Vorgänge oder Reaktionen unmittelbar an dem beweglichen Zungenende des Sensors angreifen lassen.If, instead of the bolometer layer, as shown in FIG. 13, a heat-producing microreactor vessel MR is applied, the tensioning force mentioned occurs when a biological or chemical process that generates heat takes place in the microreactor MR. With the heat of reaction, the microreactor vessel can also act directly on the tongue area located between the light transmitter and the light receiver and be arranged there. Force effects of chemical or biological processes or reactions can also be attacked directly on the movable tongue end of the sensor.

Bekanntlich entwickeln auch akustische, elektrostatische und magnetische Felder mechanische Kräfte. Läßt man diese auf das freie Zungenende einwirken, so können sie mit dem Sensor gemessen werden. Das läßt sich zum Beispiel dadurch realisieren, daß wie in Fig. 14 dargestellt, das Substrat des Sensors als eine der beiden Elektroden eines Kondensators C verwendet wird, in dem ein durch eine elektrische Spannung Uc erzeugtes elektrostatisches Feld gegeben ist.As is known, acoustic, electrostatic and magnetic fields also develop mechanical forces. If you let these act on the free end of the tongue, they can be measured with the sensor. This can be achieved, for example, by using the substrate of the sensor as one of the two electrodes of a capacitor C, as shown in FIG. 14, in which there is an electrostatic field generated by an electrical voltage Uc.

Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen erfolgt die Halterung am beweglichen Zungenende. Die Halterung kann jedoch auch an beiden Enden erfolgen, so daß die Gesamtanordnung mehr einer Saiten- oder Membranhalterung entspricht. Ein Beispiel hierfür zeigt die Fig. 15. In einer U-förmigen Halterung H ist der eigentliche Sensor eingespannt. Dabei ist ebenso wie bei den übrigen Ausfüh rungsbeispielen darauf zu achten, daß bei Ausführung der Halterung aus leitfähigem Material, insbesondere Metall, die pn-Übergänge von Lichtsender und Lichtempfänger nicht kurzgeschlossen werden. Das kann zum Beispiel dadurch sichergestellt werden, daß zwischen der jeweiligen Halterungswand und dem Lichtsender bzw. dem Lichtempfänger ein kleiner Zwischenraum (Z in Fig. 14) freigelassen wird und nur das eigentliche Substrat unmittelbar anliegt oder die Halterung - wie in der Fig. 15 dargestellt - unterhalb des pn-Übergangs angreift. Es kann mechanisch eingespannt oder in das U-Profil eingelötet sein. Durch den Sensor in seinem mittleren Bereich P oder auf die Seitenwände des U-Profils ausgeübten Druck P tritt eine Verformung der Zunge im Sinne einer Biegung ein. Eine entsprechende Dehnung ergibt eine gleichartige Wirkung.In the previous embodiments, the bracket is on the movable tongue end. However, the holder can also be made at both ends, so that the overall arrangement corresponds more to a string or membrane holder. An example of this is shown in FIG. 15. The actual sensor is clamped in a U-shaped holder H. As with the other examples, it is important to ensure that when the holder is made of a conductive material, in particular metal, the pn junctions of the light transmitter and light receiver are not short-circuited. This can be ensured, for example, by leaving a small space (Z in FIG. 14) between the respective mounting wall and the light transmitter or the light receiver and only the actual substrate lying directly on it or the mounting - as shown in FIG. 15 - attacks below the pn junction. It can be mechanically clamped or soldered into the U-profile. A deformation of the tongue in the sense of a bend occurs through the sensor in its central region P or pressure P exerted on the side walls of the U-profile. A corresponding stretch results in a similar effect.

Die grabenförmigen Vertiefungen V können bei einem erfindungsgemäßen Sensor nicht nur auf einer Seite, sondern auch auf beiden Seiten des Trägers, ins besondere des Substrats vorgesehen werden. Auch ist die austretende Lichtstrahlung des Lichtsenders, gegebenenfalls in Verbindung mit optischen Mitteln für Drittanwendungen nutzbar. Auch können, so wie in der Fig. 16 gezeigt, mehrere Sensoren mechanisch im Bereich des Lichtsenders parallel angeordnet werden. Beim Beispiel sind vier Zungen vorgesehen, denen Lichtempfänger am freien Zungenende zugeordnet sind, während ein einziger Lichtsender allen Sensoren gemeinsam ist und mit seinem Substrat die Zungen mechanisch trägt.In a sensor according to the invention, the trench-shaped depressions V can be provided not only on one side, but also on both sides of the carrier, in particular the substrate. The emerging light radiation from the light transmitter can also be used for third-party applications, if appropriate in conjunction with optical means. Also, as shown in FIG. 16, several sensors can be mechanically arranged in parallel in the area of the light transmitter. In the example, four tongues are provided, to which light receivers are assigned at the free tongue end, while a single light transmitter is common to all sensors and mechanically carries the tongues with its substrate.

In der Fig. 17 ist eine Ausführungsform wiedergegeben, bei der der Träger bzw. ein großflächiges Substrat nach Art einer Membran gehalten wird, in dessen Mitte ein Lichtsender S liegt, um den vier Lichtempfänger E angeordnet sind. Die auf die Membran einwirkende Kraft beeinflußt abhängig von ihrer An griffsrichtung die einzelnen Sensoren unterschiedlich, so daß auch eine Infor mation über die Angriffsrichtung der Kraft aus dem Sensormodul ableitbar ist. Es können analog auch mehrere Lichtsender um einen Lichtempfänger angeordnet sein.In Fig. 17 an embodiment is shown, in which the carrier or a large area substrate is held in the manner of a diaphragm in the middle of a light emitter S is located, are arranged around the four light receiver E. The force acting on the membrane influences the individual sensors depending on their direction of grip, so that information about the direction of attack of the force can be derived from the sensor module. Analogously, several light transmitters can also be arranged around a light receiver.

Der Sensor kann auch, wie in der Fig. 18 gezeigt als Doppelsensor - bezogen auf das Substrat - ausgebildet werden. Das eröffnet die schaltungstechnische Möglichkeit für eine elektrische Differenzschaltung der beiden Sensoren, wenn diese entsprechend den Fig. 2 und 3 höhenversetzte pn-Übergänge haben. Die Art der dadurch erzielten Differenzkennlinie ist zum besseren Verständnis in der Fig. 19 wiedergegeben. Mit Ua ist die Sensorausgangsspannung und mit d die Sensorauslenkung bezeichnet.As shown in FIG. 18, the sensor can also be designed as a double sensor, based on the substrate. This opens up the circuitry for electrical differential switching of the two sensors if they have height-offset pn junctions in accordance with FIGS. 2 and 3. The type of the differential characteristic thereby obtained is shown in FIG. 19 for better understanding. Ua is the sensor output voltage and d is the sensor deflection.

Der erfindungsgemäße Sensor ist auch als, vor allem hochauflösender, Abtaster verwendbar. Wird, wie in der Fig. 20 gezeigt, das freie Zungenende mit einem Abtaster versehen, der in eine feine Spitze beispielsweise von weniger als 1 µm ausläuft und der Abtaster mit der Spitze über eine zu scannende Ober fläche geführt, so ist das Ausgangssignal ein den Oberflächenverlauf entlang der Scanbahn wiedergebendes elektrisches Signal, das aufgezeichnet oder auf dem Bildschirm eines Oszillographen wiedergegeben werden kann.The sensor according to the invention can also be used as a, above all high-resolution, scanner. If, as shown in Fig. 20, the free end of the tongue is provided with a scanner which ends in a fine tip, for example less than 1 µm, and the scanner is guided with the tip over a surface to be scanned, the output signal is a Electrical signal representing the course of the surface along the scan path, which can be recorded or reproduced on the screen of an oscillograph.

Bei Schneid-, Schweiß- und Koagulierungsarbeiten, vor allem im medizinischen Bereich, wäre es oft erwünscht, die jeweils auf das Objekt einwirkende Kraft während des entsprechenden Vorgangs zu messen beziehungsweise zu überwachen. Der erfindungsgemäße Sensor ist auch hierfür einsetzbar, indem an das freie und bewegliche Zungenende das entsprechende Werkzeug, zum Beispiel ein Messer Mr angesetzt oder das Zungenende als Messer ausgebildet wird. Dieser Fall ist in der Fig. 21 dargestellt. Dabei kann ein Teil des vom Lichtsender abgege benen Lichts zugleich zur Beleuchtung der Arbeitsstelle verwendet werden. Wird der Lichtsender auf dem beweglichen Zungenende vorgesehen, die das entsprechende Werkzeug trägt, so ist nicht nur die Beleuchtung leicht realisierbar. Es kann vielmehr gegebenenfalls auch die vom Lichtsender erzeugte Verlustwärme zur Erhitzung des Werkzeugs Verwendung finden. Dazu kann auch der den Lichtsender durchfließende Strom erhöht werden.In cutting, welding and coagulation work, especially in the medical field, it would often be desirable to measure or monitor the force acting on the object during the corresponding process. The sensor according to the invention can also be used for this in that the corresponding tool, for example a knife Mr, is attached to the free and movable tongue end or the tongue end is designed as a knife. This case is shown in FIG. 21. Part of the light emitted by the light transmitter can also be used to illuminate the workplace. If the light transmitter is provided on the movable end of the tongue, which carries the corresponding tool, it is not only easy to implement the lighting. Rather, the heat loss generated by the light transmitter can also be used to heat the tool. For this purpose, the current flowing through the light transmitter can also be increased.

Lichtsender und Lichtempfänger sind auch als Vierpol schaltbar. Das kann, wie in der Fig. 22 schaltungstechnisch gezeigt, in an sich bekannter Weise auch zur Minderung des Einflusses von Umgebungsstörungen benutzt werden. Diese Mög lichkeit kann bei einem erfindungsgemäßen Sensor dadurch realisiert werden, daß ein entsprechendes Modulationssignal MS zum einen dem Lichtsender S und zum anderen einer als Phasenvergleicher wirkenden Multiplizierschaltung MP zugeführt wird, die als weiteres Signal das Ausgangssignal des Lichtempfängers E erhält. Durch Nachschalten eines nur das gewünschte Signal durchlassenden Tiefpasses TP wird dadurch ein nahezu störfreies Signal erhalten. In Abwandlung dieses Prinzips kann die Modulation auch dadurch erfolgen, daß im Lichtsender und/oder Lichtempfänger durch Stromstöße akustische und/oder Temperaturwellen erzeugt werden, die den Elastizitätsmodul des sich zwischen ihnen befindlichen Substrats modulieren.The light transmitter and light receiver can also be switched as four-pole. As can be seen in FIG. 22 in terms of circuit technology, this can also be used in a manner known per se to reduce the influence of environmental disturbances. This Possibility can be realized in a sensor according to the invention in that a corresponding modulation signal MS is supplied to the light transmitter S and to a multiplier circuit MP which acts as a phase comparator and which receives the output signal of the light receiver E as a further signal. By connecting a low-pass filter TP that only allows the desired signal, an almost interference-free signal is obtained. In a modification of this principle, the modulation can also take place in that acoustic and / or temperature waves are generated in the light transmitter and / or light receiver by current surges, which modulate the modulus of elasticity of the substrate located between them.

Anstelle von Halbleiterdioden sind auch andere Lichtquellen geeignet, wenn sie, gegebenenfalls unter Anwendung zusätzlicher Mittel, die an die Strah lungscharakteristik zu stellenden Forderungen erfüllen. (22 Patentansprüche, 22 Figuren).Instead of semiconductor diodes, other light sources are also suitable, if they, if necessary with the use of additional funds to the Strah lung characteristics to be met. (22 claims, 22 figures).

Claims

1. Force sensor with a preferably designed as a semiconductor diode light transmitter and a preferably designed as a semiconductor diode light receiver, which are arranged on a common carrier to form a separating trench-shaped depression in such a mutual distance that the light receiver is in the radiation range of the light transmitter, characterized marked is that the common carrier in the region between the two semiconductor diodes formed as a flexible, resilient tongue which is provided at one end with a fixed chucking holder and is provided at the other, movable end a point of application for acting on the tongue surface forces.

2. Force sensor according to claim 1, characterized in that the tongue as a double clamped at the ends like a string or membrane tongue is formed, and that the movable tongue part as a point of attack is intended for the force.

3. Force sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the elastic Tongue with a bending beam, in particular made of silicon or spring material is reinforced.

4. Force sensor according to claim 3, characterized in that the bending beam at the same time carrier of further electrical components, especially an inte is control and / or evaluation circuit.

5. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that several trench-shaped depressions distributed over the length of the tongue are provided on at least one of the two tongue sides, in particular such that several sensors lying one behind the other on the tongue be formed.

6. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized net that several light receivers arranged in a plane around the light receiver are.

7. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized net that the tongue on the opposite tongue surfaces mirror image Lich is provided with sensors.

8. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized net that for determining an acceleration at the movable end of the tongue a defined, additional mass is provided.

9. Force sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that to determine a driving force at the movable end of the tongue drive body is provided.

10. Force sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that to determine the speed of a liquid or gas jet the movable tongue end is provided with a flow resistance part.

11. Force sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the mobile to determine the energy of electromagnetic radiation Tongue end is provided with a radiation absorption part.

12. Force sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that to determine electrostatic, magnetic or acoustic fields movable end of the tongue provided as the point of action and with corresponding Interaction parts such as ferromagnetic or magnetic material for magnetic fields.

13. Force sensor according to claim 12, characterized in that for determination of an electrostatic field the moving part of the sensor as one of the two electrodes of a capacitor containing the field is provided.

14. Force sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that to determine the chemical and / or biological processes Heat of reaction at the movable tongue end of a microreactor is arranged that the reaction heat accumulating in it to the tongue is delivered.

5. Force sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the movable tongue end is provided as a tool and / or tool carrier is.

16. Force sensor according to claim 15, characterized in that the tool Scanner, in particular a scanning tip for surface scanning.

17. Force sensor according to claim 15, characterized in that the tool Welding tool for coagulation purposes or a knife.

18. Force sensor according to one of claims 15 to 17, characterized in that the light transmitter with its heat loss for heating the tool is provided.

19. Force sensor according to one of claims 15 to 18, characterized in that the light from the light transmitter also illuminates the work place of the tool is provided.

20. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized net that several oppositely on a force acting on the spring tongue responding sensors are provided and that these sensors with respect their electrical evaluation are switched in opposite directions.

21. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized net that the lateral layer changing due to the action of force of a conductivity area in the light receiver as an additional measure is provided for the force acting on the sensor.

22. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized net that a modulation circuit is provided for the light transmitter that a signal multiplication circuit is provided which, in addition to the module tion signal, the output signal of the light receiver is supplied, and that the signal multiplication circuit one of the screening of the useful signal serving electrical filter is connected.