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Dokumentenidentifikation DE3851631T2 23.02.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0371990
Titel SYSTEM UND VERFAHREN ZUM NACHWEIS DER POSITION UND BEWEGUNG.
Anmelder Sarcos, Inc., Salt Lake City, Utah, US
Erfinder JACOBSEN, Stephen, C., Salt Lake City, UT 84102, US;
PHILLIPS, Richard, P., Salt Lake City, UT 84102, US;
WOOD, John, E., Salt Lake City, UT 84108, US
Vertreter Ostertag, U., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Ostertag, R., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 70597 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 3851631
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, FR, GB, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 05.07.1988
EP-Aktenzeichen 889065652
WO-Anmeldetag 05.07.1988
PCT-Aktenzeichen US8802260
WO-Veröffentlichungsnummer 8900295
WO-Veröffentlichungsdatum 12.01.1989
EP-Offenlegungsdatum 13.06.1990
EP date of grant 21.09.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.02.1995
IPC-Hauptklasse G01R 29/12
IPC-Nebenklasse H04R 19/00   G01B 7/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Sensoren und insbesondere neuartige Systeme und Verfahren zum Erfassen der Position und/oder Bewegung eines Gegenstandes in mehrfachen Freiheitsgraden.

Beim Betrieb elektrischer und elektromechanischer Systeme ist es oft notwendig oder wünschenswert, die Position, Bewegung und/oder Orientierung eines Gegenstandes zu erfassen und/oder kontinuierlich zu überwachen. Eine derartige Erfassung und/oder Überwachung ist für die richtige Funktionsweise vieler derartiger Systeme tatsächlich von wesentlicher Bedeutung.

Beispielsweise verwenden Druck- und Spannungs-Meßaufnehmer verbreitet die Position eines Gegenstandes als Anzeige von Druck oder Spannung. Ein derartiger Meßaufnehmer enthält beispielsweise eine Membran oder ein anderes Teil, welches entsprechend dem Druck oder der Spannung, die es erfährt, ausgelenkt wird. Demzufolge enthält der Meßaufnehmer notwendigerweise eine Einrichtung, welche die Position der Membran oder des anderen Teiles derart erfaßt, daß der Druck oder die Spannung genau bestimmt werden kann.

In ähnlicher Weise verwenden Beschleunigungsmesser und Gyroskope typischerweise die Position, Bewegung und/oder Orientierung eines internen Teiles dazu, die Beschleunigung und/oder eine Orientierungsveränderung zu erfassen und zu messen. Beispielsweise kann ein Beschleunigungsmesser ein Teil enthalten, welches aus einer gewissen Bezugsposition immer dann ausgelenkt wird, wenn der Beschleunigungsmesser eine Beschleunigung erfährt. In derartigen Fällen erfordert auch der Beschleunigungsmesser eine Einrichtung, welche die Größe und die Richtung der Auslenkung des Gegenstandes erfaßt, woraus dann die Größe und die Richtung der Beschleunigung bestimmt werden können.

Auch ein herkömmlicher Plattenspieler muß irgendeine Einrichtung zur Bewegungserfassung enthalten. Während die Nadel des Plattenspielers sich entlang der Rillen der Schallplatte bewegt, schwingt die Nadel entsprechend den Klängen, die auf der Platte gespeichert sind. Es ist somit irgendeine Einrichtung erforderlich, welche die Schwingungen der Plattenspielernadel erfaßt, derart, daß die Schwingungen in hörbare Klänge umgewandelt werden können.

Der jüngste technologische Fortschritt im Feld der Robotik und in der Entwicklung von Gliedmaßen-Prothesen hat zu einem noch größeren Bedarf an verschiedene Sensorarten geführt. Beispielsweise wird ein Sensor häufig dazu eingesetzt, anzuzeigen, daß ein Roboter oder eine Gliedmaßen-Prothese in Kontakt mit einem Gegenstand gekommen ist bzw. diesen "berührt". In vielen Fällen sollte der Sensor auch in der Lage sein, die Größe des Druckes, der auf den Gegenstand ausgeübt wird, zu erfassen. Zusätzlich werden Sensoren häufig dazu eingesetzt, die Position und Orientierung jeder der verschiedenen Komponenten eines Roboters oder einer Gliedmaßen-Prothese zu überwachen. Die von all den Sensoren erhaltene Information wird dann einem Kontrollsystem zugeführt.

Um Sensoren zu schaffen, die sich für Anwendungsfälle wie oben erläutert eignen, haben die Fachleute eine Anzahl unterschiedlicher Arten von Einrichtungen entwickelt, welche die Position und/oder die Bewegung erfassen. Einige der am weitesten verbreiteten Arten von Einrichtungen werden allgemein nachfolgend beschrieben.

Die meisten der frühen Positionssensoren waren mechanischer Art; derartige Einrichtungen sind auch heute noch in verbreitetem Gebrauch. Bei mechanischen Sensoren steht der Gegenstand, dessen Position oder Bewegung überwacht werden soll, typischerweise in physikalischer Verbindung mit einem Zeiger, einer Skala oder einer anderen Art visueller Anzeigeeinrichtung. Die Bewegung des Gegenstandes wird auf diese Weise mechanisch auf den Zeiger bzw. die Skala übertragen. Die Position und Bewegung des Zeigers oder der Skala wird dann periodisch beobachtet; auf diese Weise können die Position und/oder die Bewegung des Gegenstandes bestimmt werden.

Mechanische Sensoren sind zwar für viele Anwendungsfälle angemessen; sie eignen sich jedoch nicht gut für die Automation, da das "Ausgangssignal" derartiger Einrichtungen im allgemeinen visuell wahrgenommen werden muß. Demzufolge haben die Fachleute eine Anzahl von Sensoren entwickelt, die statt dessen ein elektrisches Ausgangssignal liefern.

Ein verhältnismäßig einfacher Sensor, der ein elektrisches Ausgangssignal abgibt, enthält einen Kondensator, der in einer bestimmten Weise mit dem Gegenstand gekoppelt ist, dessen Position und/oder Bewegung erfaßt werden soll. Der Kondensator ist typischerweise derart mit dem Gegenstand gekoppelt, daß die Bewegung des Gegenstandes die elektrische Nettoladung auf den Platten des Kondensators verändert. Beispielsweise kann der Gegenstand mit einer der parallelen Platten eines Kondensators verbunden sein, während die andere Kondensatorplatte fest bleibt. Die Spannung zwischen den beiden Platten des Kondensators wird konstant gehalten. Eine Bewegung des Gegenstandes verändert somit sowohl die Entfernung zwischen den Platten des Kondensators als auch, im Ergebnis, die elektrische Nettoladung auf jeder der Kondensatorplatten.

Diese Veränderung in der Nettoladung kann dann erfaßt und überwacht werden, wobei bekannte Verstärkungs- und Abstimm-Schaltkreise mit hoher Impedanz eingesetzt werden.

Andere bekannte Sensoren, die ein elektrisches Ausgangssignal abgeben, erfassen die Position und/oder Bewegung eines Gegenstandes auf optischem Wege. Derartige optische Sensoren können verschiedene Konfigurationen aufweisen.

Beispielsweise kann ein optischer Sensor eine Lichtquelle enthalten, die an dem Gegenstand, dessen Position erfaßt werden soll, befestigt ist oder von diesem reflektiert wird. Die Einrichtung enthält außerdem eine oder mehrere lichtempfindliche Komponenten, beispielsweise Photozellen, Photodioden, Lateraleffekt-Photodioden oder photoleitende Plättchen oder Schichten bestimmter Art. Die lichtempfindlichen Komponenten werden in geeigneter Weise um den zu erfassenden Gegenstand herum so positioniert, daß sie mit dem Licht, welches von dem Gegenstand ausgeht oder an diesem reflektiert wird, wechselwirken. Das elektrische Antwort- Ausgangssignal der lichtempfindlichen Komponenten wird dann dazu eingesetzt, die Position und/oder Bewegung des Gegenstandes anzuzeigen.

Ein bekannter optischer Sensor kann auch als Interferometer ausgebildet sein. Grundsätzlich ist ein Interferometer eine Einrichtung, welche dazu verwendet werden kann, mit hoher Genauigkeit Entfernungsveränderungen zu messen, indem die Phasen/Amplituden-Beziehungen erfaßt werden, die sich bei wechselwirkenden Lichtwellen einstellen.

Beispielsweise kann Licht, welches von einer kohärenten Lichtquelle ausgeht, in zwei getrennte Strahlen aufgeteilt werden. Ein Strahl wird dann an einem Spiegel reflektiert, der an dem Gegenstand befestigt ist, dessen Position erfaßt werden soll. Der andere Strahl wird an einem stationären Spiegel reflektiert. Die beiden Strahlen werden dann zu einem einzigen Strahl wieder zusammengeführt. Der zusammengeführte Strahl weist dann bestimmte Phasen/ Amplituden- Eigenschaften auf, die von der relativen Entfernung abhängen, die von den beiden Strahlen getrennt durchlaufen wurde. Eine lichtempfindliche Komponente beispielsweise der oben angegebenen Art wird dann dazu verwendet, diese Phasen/ Amplituden-Eigenschaften in dem rekombinierten Strahl zu erfassen. Das Ausgangssignal der lichtempfindlichen Komponente gibt dann eine Anzeige etwaiger Veränderungen in der Position des Gegenstandes.

Einige bekannte Einrichtungen enthielten radioaktive Sensoren zur Erfassung und Überwachung einer Position. Bei einer derartigen Einrichtung, die einen Beschleunigungsmesser umfaßt, ist eine radioaktive Kugel innerhalb einer Kammer angeordnet. Radioaktive Teilchen, die von der Kugel ausgehen, werden von zwei beta-empfindlichen Dioden, die hinter einem Schlitzsystem angeordnet sind, erfaßt. Die Intensität der Betastrahlung an den Dioden wird dazu verwendet, die Position der Kugel innerhalb der Kammer anzuzeigen.

Es werden auch in weitem Umfange Radar- und Sonar-Verfahren beim Stande der Technik zur Erfassung der Position und/oder Bewegung eingesetzt. Bei der Verwendung derartiger Verfahren werden zunächst Radio- oder Schallwellen auf einen Gegenstand gesandt. Die Radio- oder Schallwellen, die an dem Gegenstand reflektiert werden, werden dann analysiert, um so die Position und/oder die Bewegung des Gegenstandes zu bestimmen.

Trotz der Verfeinerung und der großen Zahl bekannter verfügbarer Sensoren leiden die bekannten Einrichtungen und Verfahren an einer ganzen Anzahl erheblicher Nachteile.

Beispielsweise sind die bekannten Sensoren allgemein auf die Erfassung der Position, Bewegung und/oder Orientierung eines Gegenstandes in nur einem Freiheitsgrad beschränkt. Das heißt: Die bekannten Einrichtungen und Verfahren sind typischerweise darauf beschränkt, die Position und Bewegung in nur einer Dimension, beispielsweise entlang einer bestimmten Linie, zu erfassen. Wenn demzufolge die bekannten Einrichtungen und Verfahren zur Erfassung der Bewegung in einer Mehrzahl von Freiheitsgraden verwendet werden sollen (beispielsweise um die Position eines Gegenstandes im dreidimensionalen Raum zu fixieren), ist eine aufwendige und teure Tragestruktur im allgemeinen erforderlich, welche die Anbringung zahlreicher Sensoren in verschiedene Positionen räumlich um den Gegenstand herum erlaubt.

Die meisten bekannten Sensoren sind außerdem verhältnismäßig komplex und erfordern zur richtigen Funktion ausgeklügelte Hilfssysteme. Dies gilt besonders im Falle der oben beschriebenen optischen Sensoren. Die Komplexität der bekannten Einrichtungen und Verfahren erhöht die Wahrscheinlichkeit dafür, daß derartige Einrichtungen und Verfahren fehlerhaft arbeiten. Die Komplexität erhöht außerdem die Kosten der Herstellung und der Benutzung der bekannten Einrichtungen erheblich.

Die bekannten Sensoren sind außerdem verhältnismäßig groß. In vielen Fällen ist es jedoch wünschenswert, Sensoren einzusetzen, die sehr klein sind. Dies gilt insbesondere im Gebiet der Robotik und der Gliedmaßen-Prothesen. In diesen Anwendungsgebieten sind die großen Abmessungen von Sensoren häufig ein erheblicher Nachteil und können die Entwicklung und Funktion der Robotik und der Prothesen erheblich behindern.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Sensoren, die oben beschrieben wurden, besteht darin, daß sie zur Verwendung zusammen mit Halbleitern nicht gut geeignet sind. Es ist bekannt, daß Licht die Funktionseigenschaften von Halbleitern verändert. Wenn demzufolge gemeinsam mit bekannten Sensoren eine Halbleitertechnologie eingesetzt werden soll, muß eine möglicherweise teure und aufwendige Abschirmung im allgemeinen vorgesehen werden, welche die Halbleiterelemente davor schützt, dem Licht ausgesetzt zu werden.

Häufig ist es außerdem wünschenswert, Sensoren zusammen mit bestimmten Arten integrierter Schaltkreise zu verwenden; die bekannten Sensoren eignen sich jedoch typischerweise nicht gut zum Einsatz mit herkömmlichen integrierten Schaltkreisen. Die meisten bekannten Sensoren können nicht unter Verwendung herkömmlicher Integrierter-Schaltkreis-Technologie hergestellt werden. Derartige Sensoren können demzufolge nicht ohne weiteres in direkter Verbindung mit integrierten Schaltkreisen hergestellt werden sondern müssen getrennt hergestellt und danach mit den gewünschten integrierten Schaltkreisen verbunden werden. Im Ergebnis werden die Herstellungs- und Montagekosten der bekannten, zusammen mit integrierten Schaltkreisen verwendeten Sensoren erheblich erhöht.

Die britische Patentanmeldung GB-A-1 088 794 beschreibt einen Feldeffekttransistor, der einen Körper aus Halbeitermaterial umfaßt. Dieser weist mindestens zwei feste Elektroden auf, die mit ihm elektrisch verbunden sind, derart, daß ein elektrischer Strom auf einem Pfad zwischen den Elektroden zum Strömen gebracht werden kann. Eine bewegliche Elektrode besitzt einen Abstand von dem Körper in der Nähe des Strompfades und ist in der Lage, ein stromsteuerndes elektrostatisches Feld in dem Körper aufzubauen, so daß eine Schwingung der beweglichen Elektrode eine Feldeffekt-Modulation des elektrischen Stromes hervorruft. Die in der GB-A-1 088 794 beschriebene Einrichtung soll nicht nur den beispielhaft angegebenen elektroakustischen Wandler sondern darüber hinaus allgemein eine Einrichtung bilden, mit welcher Druck, Geschwindigkeit oder Beschleunigung gemessen werden kann.

Kurze Zusammenfassung und Ziele der Erfindung

Angesichts des oben Ausgeführten ist es ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zum Erfassen der Position und/oder Bewegung eines Gegenstandes in mehrfachen Freiheitsgraden zu schaffen.

Es ist außerdem Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Positions-Sensorsystem und ein Verfahren zu schaffen, die sowohl in der Herstellung als auch im Gebrauch einfach und preiswert sind.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Positions-Sensorsystem zu schaffen, welches mit sehr kleinen Abmessungen hergestellt und verwendet werden kann.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Positions-Sensorsystem zu schaffen, welches ohne weiteres zusammen mit Halbleitern und herkömmlichen integrierten Schaltkreisen hergestellt und benutzt werden kann.

Außerdem ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Positions-Sensorsystem und ein Verfahren zu schaffen, welche durch die Anwesenheit verbreiteter Verunreinigung, beispielweise von Natriumchlorid (NaCl), nicht beeinträchtigt werden.

Entsprechend den oben genannten Zielen richtet sich die vorliegende Erfindung auf Sensorsysteme und Verfahren, welche die Position und die Bewegung eines Gegenstandes in mehrfachen Freiheitsgraden erfassen können und die sich unter Verwendung herkömmlicher Integrierter-Schaltkreis- Technologie (IT) mit außerordentlich kleinen Abmessungen herstellen lassen.

Das erfindungsgemäße Sensorsystem umfaßt eine Mehrzahl von Feldeffekttransistoren (FET). Jeder FET ist vorzugsweise mit einem leitendem Gate versehen, welches der Channel- Zone des FET benachbart, von dieser jedoch isoliert ist. Um zu verhindern, daß die Funktionseigenschaften des FET als Folge der Verschmutzung des Gate mit Verunreinigungen modifiziert werden, kann das leitende Gate des FET wahlweise auch vollständig mit isolierendem Material umgeben sein.

Der Gegenstand, dessen Position und/oder Bewegung erfaßt werden soll, wird zunächst so präpariert, daß von ihm ein elektrisches Feld ausgeht. Die FETs werden danach in die Nähe des Gegenstandes gebracht. Das von dem Gegenstand ausgehende elektrische Feld wechselwirkt mit dem Gate und/ oder der Channelzone der FETs, so daß die Größe des elektrischen Stromes, der durch die Channel-Zone fließt, modifiziert wird. Der Strom durch die Channel-Zone wird dann erfaßt und dazu verwendet, Informationen über die Position und Bewegung des Gegenstandes gegenüber der Channel-Zone der FETs zu gewinnen. Durch Positionierung einer Mehrzahl von im wesentlichen koplanaren FETs in der Nähe des Gegenstandes können die Position und/oder die Bewegung des Gegenstandes in jeder gewünschten Zahl von Freiheitsgraden erfaßt und überwacht werden.

Diese und weitere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen zusammen mit der anliegenden Zeichnung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Positions- Sensorsystemes;

Fig. 2 A ist ein Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 gemäß Linie 2 A-2 A dieser Figur und illustriert die Wechselwirkung des Sensors mit dem elektrischen Feld, das von dem zu erfassenden Gegenstand ausgeht;

Fig. 2 B ist ein Querschnitt, ähnlich der Fig. 2 A, in welchem der zu erfassende Gegenstand sich näher an dem Sensor befindet;

Fig. 3 ist ein Querschnitt, ähnlich der Fig. 2 A, welcher ein zweites Positions-Sensorsystem darstellt;

Fig. 4 ist ein Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Positions-Sensorsystem;

Fig. 5 ist eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel von Fig. 4 gemäß der Schnittlinie 5-5 von Fig. 4;

Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm, welches ein gegenwärtig bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfassungsschaltung für den elektrischen Strom darstellt, die zusammen mit dem erfindungsgemäßen Positions-Sensorsystem verwendet werden kann;

Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystemes zum Erfassen der Position und Bewegung eines Gegenstandes in mehrfachen Freiheitsgraden;

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht eines gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispieles eines Sensorsystemes zum Erfassen der Position und Bewegung eines Gegenstandes in mehrfachen Freiheitsgraden;

Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispieles eines Sensorsystemes zum Erfassen der Position und Bewegung eines Gegenstandes in mehrfachen Freiheitsgraden;

Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispieles eines Sensorsystemes zum Erfassen der Position und Bewegung eines Gegenstandes in mehrfachen Freiheitsgraden;

Fig. 11 ist eine Seitenansicht eines Druckwandlers;

Fig. 12 ist ein Querschnitt durch den Druckwandler von Fig. 11 gemäß Linie 12-12 von Fig. 11;

Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht eines Meßwandlers, welcher ein erfindungsgemäßes Positions- Sensorsystem enthält;

Fig. 14 ist ein Querschnitt durch den Meßwandler von Fig. 13 gemäß Linie 14-14 von Fig. 13;

Fig. 15 ist eine perspektivische Ansicht des Aufnahmesystemes eines Stereo-Plattenspielers, das ein erfindungsgemäßes Positions-Sensorsystem enthält;

Fig. 15 A ist eine Endansicht des Aufnahmesystemes von Fig. 15.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Es versteht sich, daß die verschiedenen Komponenten der vorliegenden Erfindung, wie sie allgemein beschrieben und in den Figuren dargestellt sind, in einer großen Vielzahl unterschiedlicher Konfigurationen angeordnet und konstruiert werden können. Die nachfolgende genauere Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Positions-Sensorsystemen und Verfahren, wie sie in den Fig. 1-15A dargestellt sind, soll daher den Umfang der beanspruchten Erfindung nicht beschränken sondern soll ausschließlich die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen.

Die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung lassen sich am besten anhand der Zeichnung verstehen, in welcher entsprechende Teile durchgängig mit denselben Bezugszeichen versehen sind.

1. Allgemeine Diskussion

Ein Positions-Sensorsystem ist in Fig. 1 dargestellt. Es umfaßt einen Gegenstand 20 und einen Feldeffekttransistor 110 (hiernach als "FET" bezeichnet).

Der Gegenstand 20, dessen Position und/oder Bewegung erfaßt werden soll, ist so ausgebildet oder präpariert, daß von dem Gegenstand 20 ein elektrisches Feld ausgeht. Dieses elektrische Feld ist schematisch durch die Linien 14 und 16 in den Fig. 2A bzw. 2B dargestellt.

Der FET 110 umfaßt vorzugsweise ein leitendes Gate 140, welches mit dem von dem Gegenstand 20 ausgehenden elektrischen Feld wechselwirkt. Das Ausmaß der Wechselwirkung zwischen dem Gate 140 und dem elektrischen Feld wird gemessen und dazu verwendet, Informationen über die Position und/oder die Bewegung des Gegenstandes 20 gegenüber dem FET 110 zu gewinnen.

Nunmehr wird auf die Fig. 2A und 2B Bezug genommen. Der hier dargestellte FET 110 umfaßt zwei leitende Zonen 132 und 134, welche Drain- bzw. Source-Zone genannt werden. Die Drain-Zone 132 und die Source-Zone 134 sind durch eine schmale Channel-Zone 136, die ebenfalls leitend ist, voneinander getrennt. Die Drain-Zone 132 und die Source-Zone 134 werden typischerweise auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen gehalten, so daß ein elektrischer Strom zwischen der Drain-Zone 132 und der Source-Zone 134 durch die Channel- Zone 136 fließt.

Wenn das elektrische Feld, welches von dem Gegenstand 20 ausgeht, mit dem Gate 140 des FET 110 wechselwirkt, wird auf der Oberfläche des Gates 140 eine elektrische Ladung induziert. Diese Oberflächenladung modifiziert die Leitfähigkeit der Channel-Zone 136 des FET 110 und beeinflußt so die Größe des elektrischen Stromes, der zwischen der Drain-Zone 132 und der Source-Zone 134 fließt.

Die beweglichen elektrischen Ladungsträger innerhalb der Zonen 132, 134 und 136 des FET 110 können sowohl positiv als auch negativ geladen sein. Wenn diese Ladungsträger beispielsweise negativ geladen sind, kann das von dem Gegenstand 20 ausgehende elektrische Feld dadurch erzeugt werden, daß eine negative elektrische Nettoladung innerhalb des Gegenstandes 20 bzw. auf seiner Oberfläche angegebracht wird. Wenn in diesem Falle das elektrische Feld 14 (vgl. Fig. 2A) mit dem Gate 140 des FET 110 wechselwirkt, wird eine negative elektrische Ladung auf der Oberfläche des Gates 140, welche dem Channel 136 benachbart ist, induziert. Die negative Oberflächenladung auf dem Gate 140 stößt die negativen Ladungsträger innerhalb der Channel-Zone 136 des FET 110 ab, was die Channel-Zone 136 weniger leitfähig macht. Als Folge der geringeren Anzahl verfügbarer Ladungsträger innerhalb der Channel- Zone 136 fließt weniger elektrischer Strom zwischen der Drain-Zone 132 und der Source-Zone 134 des FET 110 als fließen würde, wenn der Gegenstand 20 sich nicht in der Nähe des FET 110 befinden würde.

Fig. 2B zeigt, was passiert, wenn der Gegenstand 20 näher am FET 110 positioniert ist. Wie dargestellt, wechselwirkt das elektrische Feld 16 nunmehr intensiver mit dem Gate 140 des FET 110. Als Folge ist die Größe der Oberflächenladung, die auf dem Gate 140 des FET 110 induziert wird, größer; dies führt zu einer verstärkten Abstoßung der negativen Ladungsträger innerhalb der Channel-Zone 136. Demzufolge ist der Strom, der zwischen der Drain-Zone 132 und der Source-Zone 134 des FET 110 fließt, kleiner, wenn der Gegenstand 20, wie in Fig. 2B dargestellt, positioniert ist als in dem Falle, in dem das Objekt 20 wie in Fig. 2A positioniert ist.

Indem also der Strom, der zwischen der Drain-Zone 132 und der Source-Zone 134 des FET 110 fließt, überwacht wird, läßt sich die Position des Gegenstandes 20 gegenüber dem FET 110 erfassen und/oder kontinuierlich überwachen. Durch Verwendung einer Vielzahl von FETs 110, die in der Nähe des Gegenstandes 20 positioniert sind, ist es außerdem, wie aus der nachfolgenden Erörterung noch deutlicher werden wird, möglich, die Position und die Bewegung des Gegenstandes 20 in jeder gewünschten Anzahl von Freiheitsgraden positiv zu bestimmen und zu überwachen.

Ein weitergehendes Verständnis der Funktion und des Einsatzes des Positions-Sensorsystemes läßt sich dadurch erhalten, daß die mathematischen Gleichungen geprüft werden, welche die Systemfunktion darstellen. Eine Prüfung dieser Gleichungen zeigt außerdem, wie die Größe des elektrischen Stromes, der zwischen der Drain-Zone 132 und der Source-Zone 134 des FET 110 fließt, dazu verwendet werden kann, Informationen über die Position des Gegenstandes 20 zu gewinnen. Demzufolge wird nachfolgend eine kurze Ableitung der einschlägigen Gleichungen für einen vereinfachten Fall gegeben.

Bei der herkömmlichen Benutzungsart wird der Strom zwischen der Source-Zone und der Drain-Zone eines FET dadurch modifiziert, daß eine Spannung an das Gate des FET gelegt wird. Wenn beispielsweise die Channel-Zone eines FET im wesentlichen rechteckig ist, kann der Strom Id der zwischen der Source-Zone und der Drain-Zone des FET fließt, durch die folgende Gleichung angenähert werden:

ID = un W/LC'ox(VG - Vth(VB))(VD - Vs); (1)

Hierbei sind:

un = Elektronenbeweglichkeit im Channel (cm²/Volt-sec.)

W = Channelbreite (cm)

L = Channellänge (cm)

C'ox = Metall-Oxid-Halbleiter("MOS")-Kapazität (Farad/ cm²)

VG = Gate-Spannung (Volt)

Vth = Schwellspannung (Volt)

VB = Körper-(Substrat)-Spannung (Volt)

VD = Drain-Spannung (Volt)

VS = Source-Spannung (Volt)

Der Ausdruck "C'ox (VG-Vth(VB))" in der Gleichung (1) stellt, wie dies der Fachmann erkennt, die Oberflächenladungsdichte am Gate des FET dar, welche der Spannung (VG), die an das Gate angelegt ist, zugeordnet ist. Im Falle des FET 110 von Fig. 1 wird jedoch die Oberflächenladungsdichte am Gate 140 nicht durch Anlegen einer Spannung (VG) am Gate 140 verändert. Vielmehr wird die Spannung (VG) am Gate 140 dazu benutzt, die anfängliche Oberflächenladungsdichte am Gate 140 zu beschreiben. Die Oberflächenladungsdichte am Gate 140 des FET 110 wird dann mittels des elektrischen Feldes 14 (Fig. 2A) verändert, welches mit dem Gate 140 derart wechselwirkt, daß an dem Gate 140 eine zusätzliche Oberflächenladung induziert wird.

Mit dem obigen konsistent kann die Funktion des FET 110 genauer durch eine Modifikation der Gleichung (1) charakterisiert werden, bei welcher diese einen zusätzlichen Term enthält. Dieser stellt die Oberflächenladungsdichte dar, welche vom elektrischen Feld 14 am Gate 140 induziert wird. Die modifizierte Gleichung, bei welcher es sich bemerkenswerterweise um eine lineare Gleichung im interessierenden Betriebsbereich handelt, lautet wie folgt:

ID = un W/L[Q'ind + C'ox(VG-Vth(VB))](VD-VS); (2)

Hierbei ist:

Q'ind = im Gate induzierte Oberflächenladung (Coulomb/cm²)

Die Gleichung (2) kann folgendermaßen vereinfacht werden:

ID = IºD + un W/L(VD-VS)Q'ind (3)

Hierbei ist:

IºD = Strom zwischen Source und Drain ohne externes elektrisches Feld

Die Größe der elektrischen Ladung (Q'ind), die auf der Oberfläche des Gates 140 durch das elektrische Feld 14 induziert wird, hängt natürlich von der speziellen Konfiguration des elektrischen Feldes 14 ab.

Wenn beispielsweise ein elektrisches Feld von einer unendlichen Ladungslinie erzeugt wird, läßt sich das elektrische Feld (E) durch die folgende Gleichung darstellen:

E = λ/2πr (4)

Hierin sind:

λ = Linienladungsdichte (Coulomb/cm)

r = Entfernung von der Ladungslinie (cm)

In diesem Falle kann die Oberflächenladungsdichte (σind), die in einer leitenden Ebene, welche im wesentlichen parallel zur Ladungslinie verläuft, induziert wird, wie folgt ausgedrückt werden:

σind = -λh/π(h²-y² (5)

Hierin sind:

h = Höhe der Linie über der leitenden Ebene (cm)

y = seitliche Entfernung von der Linie entlang der leitenden Ebene (cm)

Die gesamte Oberflächenladung (Qind), die in einem rechteckigen Gebiet der leitenden Ebene mit der Breite W und der Länge L induziert wird, läßt sich unter Verwendung der Gleichung (5) wie folgt errechnen:

Die durchschnittliche Oberflächenladungsdichte, die in dem rechteckigen Gebiet der leitenden Ebene induziert wird, ist gleich der gesamten Oberflächenladungsdichte (Qind) geteilt durch die Fläche des rechteckigen Gebietes (WL). Die durchschnittliche Oberflächenladungsdichte (Q'ind), errechnet aus der Gleichung (7), ist somit wie folgt:

Die Gleichung (8) kann nunmehr mit der Gleichung (3) kombiniert werden, woraus eine Darstellung des Stromes erhalten wird, welcher zwischen der Drain-Zone 132 und der Source-Zone 134 des FET 110 fließen würde, wenn eine unendliche Ladungslinie in der Nähe des FET 110 positioniert wird. Die sich ergebende Gleichung ist wie folgt:

Unter Verwendung der Gleichung (9) läßt sich die Höhe einer Ladungslinie über der Channel-Zone 136 des FET 110 aus einer Messung des elektrischen Stromes (Id), der zwischen der Drain-Zone 132 und der Source-Zone 134 des FET 110 fließt, errechnen. Ähnliche Gleichungen lassen sich für andere Konfigurationen des elektrischen Feldes ableiten.

2. Konfiguration des FET-Sensors

Der erfindungsgemäße FET-Positionssensor kann eine Vielzahl unterschiedlicher geometrischer Konfigurationen aufweisen. Die besondere Konfiguration, die im Einzelfall gewählt wird, hängt in großem Maße von dem speziellen Anwendungszweck ab, welchem das gesamte Positions-Sensorsystem dienen soll. Eine bevorzugte FET-Konfiguration für einen Teil des erfindungsgemäßen Positions-Sensorsystems ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 110 versehen und in den Fig. 1, 2A und 2B dargestellt.

Wie am besten in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist, umfaßt der FET 110 ein dotiertes Halbleiter-Substrat 130. Das Substrat 130 kann beispielsweise einen Siliziumkristall umfassen, der derart unter kontrollierten Bedingungen gezogen wurde, daß er im wesentlichen frei von unerwünschten Verunreinigungen ist.

Das Substrat 130 enthält zwei Zonen 132 und 134, die mit einer bestimmten Art von Verunreinigungen so dotiert sind, daß sie eine Vielzahl freier Ladungsträger aufweisen. Die Zonen 132 und 134 sind durch eine Channel-Zone 136 voneinander getrennt, die ebenfalls leicht dotiert ist, so daß sie in entsprechender Weise mit zahlreichen freien Ladungsträgern versehen ist. Bei diesen kann es sich entweder um positive oder negative Ladungsträger handeln.

Die physikalischen Abmessungen der Zonen 132, 134 und 136 sind vorzugsweise recht klein. Beispielsweise können die Zonen 132 und 134 über eine Entfernung von ungefähr 2 bis 3 Mikron in das Substrat 130 eindringen, während die Zone 136 über eine Entfernung von ungefähr 1 Mikron in das Substrat 130 eindringt. Die Entfernung zwischen den Zonen 132 und 134 (manchmal als "Länge" der Channel- Zone 136 bezeichnet), kann beispielsweise nur ungefähr 0,5 Mikron klein oder beispielsweise bis zu ungefähr 40 Mikron betragen. Gleichzeitig kann die "Breite" der Zone 136 beispielsweise im Bereich zwischen ungefähr 0,5 Mikron und ungefähr 500 Mikron liegen.

Es ist allgemein bekannt, daß die Beweglichkeit negativer Ladungsträger innerhalb eines Halbleitermaterials größer als diejenige positiver Ladungsträger ist. Es wird daher gegenwärtig bevorzugt, daß die Verunreinigung, die zur Dotierung der Zonen 132, 134 und 136 verwendet wird, von der Art ist, bei welcher diese Zonen mit überschüssigen negativen Ladungsträgern versehen werden. Eine derartige Verunreinigung wird allgemein als "n-Typ-Verunreinigung" bezeichnet. Der FET 110 wird dann als "n-Channel"-FET bezeichnet. Eine geeignete n-Typ-Verunreinigung kann beispielsweise Arsen, Antimon und/oder Phosphor umfassen.

Wie weiter in den Fig. 2A und 2B dargestellt, ist das Substrat 130 mit einer Schicht 138 aus isolierendem Material versehen. Die Schicht 138 kann beispielsweise Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid umfassen. Die Schicht 138 ist vorzugsweise recht dünn. Beispielsweise kann die Schicht 138 ungefähr 1 Mikron dick sein. Wahlweise kann die Schicht 138 in der Nähe der Channel-Zone 136 eine kleinere Dicke, wie dargestellt, aufweisen, beispielsweise 0,1 Mikron.

Der FET 110 ist außerdem mit zwei leitenden Zonen 133 und 135 versehen. Die Zonen 133 und 135 sind Kontakt- Pads, welche sich durch die Schicht 138, wie dargestellt, hindurcherstrecken und einen elektrischen Kontakt zu den Zonen 132 und 134 des Substrats 130 herstellen. Die Kontakt-Pads 133 und 135 stellen somit eine Einrichtung dar, mit welcher ein elektrischer Kontakt zu den Zonen 132 bzw. 134 hergestellt wird.

Der FET 110 enthält vorzugsweise auch eine leitende Zone 140. Die leitende Zone 140 ist das Gate des FET 110 und so ausgebildet, daß sie sich über die Channel-Zone 136 und Bereiche der beiden Zonen 132 und 134 hinweg erstreckt. Das Gate 140 ist vorzugsweise elektrisch durch die Schicht 138 gegenüber dem Substrat 130 isoliert.

Die leitenden Zonen 133, 135 und 140 können aus jedem geeigneten leitenden Material gebildet sein. Beispielsweise können die leitenden Zonen 133, 135 und 140 aus Aluminium gebildet sein.

Eine zweite gegenwärtig bevorzugte Konfiguration eines FET zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Positions- Sensorsystem ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 210 gekennzeichnet und in Fig. 3 dargestellt. Wie der FET 110 umfaßt der FET 210 ein Halbleitersubstrat 230, welches dotierte Zonen 232, 234 und 236 enthält. Das Substrat 230 und die Zonen 232, 234 und 236 sind im wesentlichen identisch mit dem Substrat 130 bzw. den Zonen 132, 134 und 136, die oben anhand der Fig. 1, 2A und 2B beschrieben wurden.

Das Substrat 230 des FET 210 ist mit einer isolierenden Schicht 238 versehen, die beispielsweise entsprechend der Schicht 138 des Sensors 110 aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid geformt sein kann. Außerdem sind leitende Zonen 233 und 235 auf der Oberseite der isolierenden Schicht 238 positioniert und erstrecken sich durch die Schicht 238, wie gezeigt, hindurch, so daß sie einen elektrischen Kontakt zu den Zonen 232 bzw. 234 herstellen. Die leitenden Zonen 233 und 235 sind im wesentlichen mit den leitenden Zonen 133 und 135 identisch, die oben anhand der Fig. 1, 2A und 2B beschrieben wurden.

In die Schicht 238 des FET 210 eingebettet ist eine leitende Zone bzw. ein Gate 240. Das Gate 240 des FET 210 entspricht dem Gate 140 des FET 110. Das Gate 240 ist gegenüber dem Substrat 230 durch eine isolierende Schicht 238 elektrisch isoliert. Zusätzlich umgibt die isolierende Schicht 238 das Gate 240 vollständig so, daß sie das Gate 240 von den Zonen, welche den FET 210 umgeben, isoliert.

In einigen Anwendungsfällen wird das erfindungsgemäße Positions-Sensorsystem möglicherweise in einer Umgebung eingesetzt, die bestimmte Verunreinigungen aufweist. Zu derartigen Verunreinigungen gehören verbreitet beispielsweise Natriumionen oder andere geladene Teilchen. Wenn man zuließe, daß derartige Verunreinigungen mit dem Bereich der Schicht 238 in Berührung kommen, der dem Channel 236 des FET-Sensors unmittelbar benachbart ist, könnten diese Verunreinigungen durch diesen Bereich der Schicht 238 adsorbiert werden. Dies würde die Funktionseigenschaften des FET verändern und demzufolge die gewonnene Positionsinformation verfälschen.

Um das obige Problem zu vermeiden, kann ein FET 210 eingesetzt werden, der so, wie in Fig. 3 dargestellt, konfiguriert ist. Das Gate 240 des FET 210 ist vollständig von einer isolierenden Schicht 238 umgeben. Als Folge können Verunreinigungen nicht mit demjenigen Bereich der Schicht 238 in Berührung kommen und von diesem adsorbiert werden, der unmittelbar benachbart dem Channel 236 ist. Demzufolge läßt sich der FET 210 verläßlich in Umgebungen einsetzen, die Verunreinigungen enthalten.

Das Gate 240 des FET 210 kann aus jedem geeigneten Material gebildet werden. Beispielsweise kann das Gate 240 aus einem polykristallinen Siliziummaterial gebildet werden. Ein derartiges polykristallines Siliziumgate 240 kann durch Mittel, die in der Halbleiterindustrie bestens bekannt sind, innerhalb der Schicht 238 vorgesehen werden.

Wie weiter in Fig. 3 dargestellt, kann das Gate 240 asymmetrisch ausgebildet werden. Das heißt: Ein größerer Bereich des Gates 240 erstreckt sich über die Oberseite der Zone 232 als über die Oberseite der Zone 234. Zusätzlich kann eine leitende Zone bzw. ein Vorspannkontakt 242 auf der Oberseite der Schicht 238 so angeordnet sein, daß er dem größeren Bereich des Gates 240 benachbart ist. Der Vorspannkontakt 242 läßt sich vorteilhafterweise dazu einsetzen, den Strom, der durch den FET 210 fließt, in bestimmten Fällen zu modifizieren.

Aus der obigen Gleichung (2) folgt, daß der Strom (Id) durch einen FET dadurch modifiziert werden kann, daß die Schwellspannung (Vth) des FET verändert wird. Die Schwellspannung ist dabei eine Funktion der Spannung (VB) am FET-Substrat. So kann beispielsweise die Spannung (VB) am Substrat 230 des FET 210 derart eingestellt werden, daß der Strom (Id), welcher durch den FET 210 fließt, gleich einem gewünschten Referenzwert ist, wenn sich der Gegenstand 20 an einer gewünschten Referenzposition befindet.

In vielen Fällen kann jedoch eine ganze Anzahl weiterer Schaltungskomponenten auf dem Substrat 230 zusammen mit dem FET 210 vorgesehen sein. Die Spannung (VB) am Substrat 230 läßt sich demzufolge möglicherweise nicht willkürlich verändern, ohne die Funktion dieser weiteren Schaltkreiskomponenten zu beeinträchtigen. In diesen Fällen kann eine Spannung an den Vorspannkontakt 242 derart angelegt werden, daß eine Oberflächenladung am Gate 240 des FET 210 induziert und hierdurch der Strom (Id), der durch den FET 210 fließt, modifiziert wird. Die Spannung am Kontakt 242 kann beispielsweise so gewählt werden, daß der durch den FET 210 fließende Strom (Id) gleich einem gewünschten Referenzwert ist, wenn sich der Gegenstand 20 an einer gewünschten Referenzposition befindet. Auf diese Weise kann der Vorspannkontakt 242 dazu eingesetzt werden, eine Referenzposition zu schaffen, gegenüber welcher die Position des Gegenstandes 20 bestimmt wird.

Eine dritte gegenwärtig bevorzugte Konfiguration eines FET für ein erfindungsgemäßes Positions-Sensorsystem ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 310 gekennzeichnet und in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Wie dargestellt, ist der FET 310 so geformt, daß er im wesentlichen eine ringförmige Konfiguration aufweist.

Wie der FET 110 umfaßt der FET 310 ein Halbleitersubstrat 330 und dotierte Zonen 332, 334 und 336. Das Substrat 330 entspricht in Form und Funktion dem oben im Zusammenhang mit dem FET 110 beschriebenen Substrat 130. In entsprechender Weise entsprechen die Zonen 332, 334 und 336 des FET 310 den Zonen 132, 134 bzw. 136 des FET 110. Die Zonen 332, 334 und 336 haben jedoch eine ringförmige Konfiguration, wie am besten in Fig. 5 dargestellt ist.

Das Substrat 330 des FET 310 ist außerdem mit einer isolierenden Schicht 338 versehen. Die Schicht 338 ist praktisch identisch mit der Schicht 238 des FET 210, der oben in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurde. Leitende Zonen 333 und 335 sind auf der Oberseite der Schicht 238, wie dargestellt, vorgesehen und erstrecken sich durch die Schicht 338 hindurch, so daß sie einen elektrischen Kontakt zu den Zonen 332 bzw. 334 herstellen. Die leitenden Zonen 333 und 335 sind im wesentlichen identisch mit den Zonen 133 und 135 des oben beschriebenen FET 110.

Eingebettet in die Schicht 338 des FET 310 ist eine leitende Zone bzw. ein Gate 340. Das Gate 340 weist eine im wesentlichen ringförmige Konfiguration auf und kann, wie das Gate 240 des FET 210, beispielsweise aus einem polykristallinen Siliziummaterial gebildet sein.

Ein Hauptvorteil des FET 310 ergibt sich aus der Tatsache, daß die Channel-Zone 336 des FET 310 keine "Ecken" aufweist, die bei der Bestimmung der Position eines Gegenstandes berücksichtigt werden müssen. Dies vereinfacht erheblich die Rechnung, die zur Bestimmung der Position eines Gegenstandes gegenüber dem FET 310 erforderlich ist, und ermöglicht, daß der FET 310 als im wesentlichen omnidirektionaler Positionssensor arbeiten kann.

Beispielsweise kann der Gegenstand 20, dessen Position bestimmt werden soll, als gleichförmig geladene Kugel, wie in Fig. 1 dargestellt, konfiguriert werden. Der FET 110 von Fig. 1 kann dann dazu verwendet werden, die Position des Gegenstandes 20 zu erfassen. Da jedoch in diesem Falle die Channel-Zone 136 (vergl. Fig. 2A) des FET 110 rechteckig ist, hängt das Antwortsignal des FET 110 sowohl von der Entfernung zwischen dem Gegenstand 20 und dem FET 110 und von der Drehorientierung des FET 110 gegenüber dem Gegenstand 20 ab.

Das Antwortsignal des FET 310 auf den Gegenstand 20 ist dagegen sehr viel einfacher. Die aktiven Zonen des FET 310 haben keine "Ecken". Somit hängt das Antwortsignal des FET 310 auf den Gegenstand 20 nicht von der Drehorientierung des FET 310 gegenüber dem Gegenstand 20 ab. Vielmehr hängt das Antwortsignal des FET 310 auf den Gegenstand 20 ausschließlich von der Entfernung zwischen dem Gegenstand 20 und dem FET 310 ab. Es ist leicht einzusehen, daß im Ergebnis die Rechnung, die zur Bestimmung der Position eines Gegenstandes durchgeführt werden muß, durch Verwendung eines FET 310 mit einer ringformigen Konfiguration erheblich vereinfacht werden kann.

Die oben beschriebenen Konfigurationen illustrieren nur einige der möglichen Konfigurationen für den erfindungsgemäßen FET-Sensor. Der Fachmann weiß, daß der FET-Sensor eine praktisch unbegrenzte Anzahl unterschiedlicher geometrischer Konfigurationen einnehmen kann. Insbesondere beeinflussen die Größe und die Geometrie des FET-Sensors dessen Empfindlichkeit. Somit kann die Konfiguration des FET-Sensors für jeden bestimmten Anwendungsfall so modifiziert werden, daß er besser den speziellen Empfindlichkeits- und räumlichen Anforderungen entspricht.

3. Fabrikation des FET-Sensors

Der erfindungsgemäß FET-Positionssensor kann als FET mit isoliertem Gate unter Verwendung herkömmlicher Halbleitertechnologie hergestellt werden. Zu Erläuterungszwecken wird nachfolgend eine kurze Beschreibung eines möglichen Herstellungsverfahrens für den in den Fig. 1, 2A und 2B dargestellten FET 110 gegeben.

Zuerst wird ein Siliziumkristall-Wafer 130 unter kontrollierten Bedingungen derart gezogen, daß er praktisch frei von unerwünschten Verunreinigungen ist. Der Silizium-Wafer 130 wird dann bei hohen Temperaturen in der Größenordnung von 1000ºC bis 1100ºC Sauerstoffgas ausgesetzt. Dieses Aussetzen führt dazu, daß eine dünne, gleichförmige Schicht 138 aus Siliziumdioxid auf der Oberfläche des Wafers 130 "wächst".

Nach dem Abkühlen wird die Siliziumdioxid-Schicht 138 mit einem organischen, photoempfindlichen Material überzogen, welches allgemein "Photoresist" genannt wird. Ein geeignetes Photoresistmaterial wird beispielsweise gegenwärtig von der Fa. Shipley Company, Newton, Massuchetts, hergestellt und unter der Bestellnummer AZ 1375 vertrieben. Das Photoresistmaterial wird dann getrocknet und auf die Siliziumdioxid-Schicht 138 bei Temperaturen der Größenordnung 250ºC aufgebrannt.

Wenn das Photoresist-Material auf die Schicht 138 aufgebracht ist, wird eine Maske auf der Oberseite der Schicht 138 plaziert. Die Maske ist eine Form einer "Schablone", welche die Zonen 132 und 134 des FET 110 definiert.

Wenn sich die Maske am Ort befindet, werden ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlen oder eine andere Art ionisierender Strahlung angewandt. Die Maske ermöglicht eine Berührung der ionisierenden Strahlung nur mit bestimmten, spezifizierten Bereichen der Schicht 138 und bildet für die anderen Bereiche eine Abschirmung. Beispielsweise kann die Maske so konfiguriert sein, daß sie die Strahlung so durchläßt, daß diese nur diejenigen Bereiche der Schicht 138 berührt, die in der Nähe der Zonen 132 und 134 des Wafers 130 liegen. In diesem Falle ist das verwendete Photoresistmaterial von dem Typ, welches in kleinere Moleküle auseinanderbricht, wenn es der Strahlung ausgesetzt wird.

Als nächstes wird der Wafer 130 in ein Lösungsmittel eingetaucht, wodurch das "entwickelte" Photoresistmaterial weggewaschen wird. Dabei werden die Bereiche der Schicht 138 unterhalb des entwickelten Photoresistmaterials freigelegt. Das Ergebnis ist, daß das Photoresistmaterial unmittelbar über den Zonen 132 und 134 des Wafers 130 weggewaschen wird, während die anderen Bereiche des Wafers 130 mit dem Photoresistmaterial überzogen bleiben.

Der Wafer 130 wird dann einer ätzenden Substanz, beispielsweise Fluorwasserstoffsäure, ausgesetzt. Die ätzende Substanz löst die freiliegenden Bereiche der Schicht 138 auf, hat jedoch auf den Wafer 130 bzw. auf diejenigen Bereiche der Schicht 138, die noch mit dem Photoresistmaterial überzogen sind, keinen Einfluß. Das verbleibende Photoresistmaterial, welche die Schicht 138 überdeckt, wird danach dadurch entfernt, daß der Wafer 130 einem starken organischen Lösungsmittel, einer starken Säure (beispielsweise Chromsäure) oder atomarem Sauerstoff ausgesetzt wird.

Durch die obigen Schritte wurde der Wafer 130 so präpariert, daß er mit einer gleichförmigen Schicht 138 aus Siliziumdioxid überzogen ist, mit Ausnahme der Bereiche unmittelbar auf der Oberseite der Zonen 132 und 134. Die Zonen 132 und 134 des Wafers 130 können daher nunmehr mit einer geeigneten Verunreinigung dotiert werden. Die Dotierung kann dadurch erfolgen, daß der Wafer 130 in eine Kammer eingebracht wird, die eine bestimmte Menge des Verunreinigungsmateriales bei höherer Temperatur enthält, und daß man die Atome des verunreinigungsmateriales in die Oberfläche des Wafers 130 eindiffundieren läßt. Alternativ kann die Dotierung der Zonen 132 und 134 unter Verwendung herkömmlicher Ionenimplantationsverfahren erfolgen. Wichtig ist, daß die Atome des Verunreinigungsmateriales die intakte Schicht 138 des Siliziumdioxides nicht durchdringen. Demzufolge werden nur die freigelegten Zonen 132 und 134 des Wafers 130 mit der Verunreinigung dotiert, wobei allerdings die Zone 136 als Ergebnis einer Diffusion aus den Zonen 132 und 134 ebenfalls leicht dotiert wird.

Wenn die Zonen 132 und 134 mit einer geeigneten Verunreinigung dotiert sind, wird der Wafer 130 erneut bei einer hohen Temperatur (1000ºC bis 1100ºC) Sauerstoffgas ausgesetzt. Dies führt dazu, daß wiederum eine Schicht aus Siliziumdioxid über die gesamte Oberfläche des Wafers 130 wächst.

Unter Verwendung der oben beschriebenen Schritte kann ein Bereich der Siliziumdioxidschicht 138 in der Nähe der Zone 136 des Wafers 130 weggeätzt werden; eine dünnere Schicht von Siliziumdioxid kann auf der Oberseite der Zone 136, wie in den Fig. 2A und 2B dargestellt, vorgesehen werden. Außerdem können kleine Bereiche der Schicht 138 über den Zonen 132 und 134 derart weggeätzt werden, daß durch die Schicht 138 ein elektrischer Kontakt zu den Zonen 132 und 134 hergestellt werden kann.

Als abschließender Schritt werden geeignete leitende Zonen 133, 135 und 140 auf der Oberseite der Siliziumdioxidschicht 138 aufgebracht. Beispielsweise können die Zonen 133, 135 und 140 aus Aluminiummetall gebildet und unter Verwendung herkömmlicher Aufdampfverfahren hergestellt werden.

4. Schaltung des Sensorsystems

Im Gebrauch muß das erfindungsgemäße Positions-Sensorsystem selbstverständlich mit einer geeigneten Einrichtung versehen sein, welche den Stromfluß zwischen der Source-Zone und der Drain-Zone des FET-Positionssensors erfaßt. Dieser Stromfluß ist typischerweise recht klein. Wenn beispielsweise ein Gegenstand sich ungefähr 0,1 mm vom FET weg befindet, beträgt der Strom, der durch den FET fließt, möglicherweise nur 60 Mikroampere. Demzufolge muß der Stromdetektor, der zusammen mit dem erfindungsgemäßen Positions-Sensorsystem verwendet wird, in der Lage sein, derartig kleine Ströme genau zu erfassen und zu messen.

Fig. 6 zeigt eine einfache und gegenwärtig bevorzugte Schaltung, welche in angemessener Weise die erforderliche stromerfassende Funktion erfüllt. Der erfindungsgemäße FET- Positionssensor ist insgesamt in Fig. 6 mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Der FET 10 ist so ausgebildet und hergestellt, wie dies oben ausführlich erläutert wurde.

Die Drain-Zone des FET 10 ist bei 58 mit einer positiven Spannungsquelle verbunden. Wenn somit beispielsweise der FET 10, wie in den Fig. 2A und 2B dargestellt, ausgebildet ist, ist die Zone 132 mittels des Kontaktes 133 mit der Spannungsquelle bei 58 verbunden. Bei der am Kontakt 58 vorgesehenen Spannung kann es sich um jede geeignete Spannung handeln. Beispielsweise kann, wie in Fig. 6 angedeutet, der Kontakt 58 auf einer Spannung von ungefähr 2,5 V gehalten werden.

Die Source-Zone des FET 10 ist mit dem invertierenden Eingang 52 eines Operationsverstärkers 50 verbunden. Wenn also beispielsweise der FET 10, wie in den Fig. 2A und 2B dargestellt, ausgebildet ist, ist die Zone 134 durch den Kontakt 135 mit dem invertierenden Eingang 52 des Verstärkers 50 verbunden.

Der nicht invertierende Eingang 54 des Verstärkers 50 ist, wie dargestellt, mit Masse verbunden. Außerdem ist ein Rückkopplungswiderstand 60 zwischen dem invertierenden Eingang 52 und dem Ausgang 56 des Verstärkers 50 vorgesehen.

Bei dem Verstärker 50 kann es sich um jede geeignete Verstärkereinrichtung handeln. Ein Operationsverstärker, der unter Verwendung herkömmlicher integrierter Schaltkreistechnologie hergestellt wurde, ist zur Verwendung zusammen mit der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet. Ein derartiger Operationsverstärker ist von der Fa. National Semiconducter unter der Bestellnummer LM 422 hergestellt. Wahlweise kann unter Verwendung herkömmlicher Integrierte-Schaltungsverfahren ein geeigneter Verstärker 50 auf demselben Substratwafer hergestellt werden, der zur Ausbildung des FET 10 benutzt wird.

Auch bei dem Rückkopplungswiderstand 60 kann es sich um irgendeinen geeigneten Widerstand handeln. Der Wert des Widerstandes 60 wird so gewählt, daß er der Schaltung von Fig. 6 im gewünschten Betriebsbereich eine angemessene Empfindlichkeit verleiht. Bei der speziellen in Fig. 6 dargestellten Konfiguration kann der Widerstand 60 also beispielsweise so gewählt werden, daß er einen Wert von ungefähr 1 kOhm aufweist.

Im Betrieb wechselwirkt das von dem Gegenstand, dessen Position erfaßt wird, ausgehende Feld mit dem FET 10, wie schematisch durch den Pfeil 15 angedeutet. Diese Wechselwirkung führt dazu, daß die Größe des durch den FET 10 fließendes Stromes variiert, wodurch der effektive Widerstand des FET 10 verändert wird. Beispielsweise führt nach dem Ohm'schen Gesetz eine Vergrößerung des Stromes, der durch den FET 10 fließt, zu einer proportionalen Verringerung des effektiven Widerstandswertes des FET 10.

Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 50 ist direkt sowohl mit dem Wert des Widerstandes 60 als auch mit effektiven Widerstandswert des FET 10 verknüpft. Genauer ist der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 56 der Größe nach ungefähr gleich dem Wert des Widerstandes 60 geteilt durch den effektiven Widerstandswert des FET 10. Wenn somit der effektive Widerstandswert des FET 10 variiert wird, variiert der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 50, wodurch eine Veränderung der Ausgangsspannung hervorgerufen wird, die sich am Ausgang 56 einstellt.

Die Spannung am Ausgang 56 des Verstärkers 50 läßt sich auf eine ganze Anzahl von Arten leicht überwachen. Beispielsweise kann der Ausgang 56 mit einem Oszilloskop, einem Bandschreiber oder einem anderen Anzeige/Aufzeichnungsgerät verbunden sein. Der Ausgang 56 kann alternativ mit einem Analog/Digitalwandler verbunden werden, derart, daß die Größe der Spannung am Ausgang 56 digital überwacht werden kann.

Wichtig ist, wie dies aus der vorhergehenden Erörterung deutlich wird, daß die Größe der Spannung am Ausgang 56 des Verstärkers 50 direkt mit dem Strom verknüpft ist, der durch den FET 10 fließt. Der durch den FET 10 fließende Strom wiederum wird durch die Wechselwirkung des elektrischen Feldes 15 mit dem FET 10 bestimmt. Die Wechselwirkung des elektrischen Feldes 15 mit dem FET 10 ist eine Funktion der Position des Gegenstandes, von welchem das elektrische Feld 15 ausgeht. Durch Überwachung der Spannung am Ausgang 56 des Verstärkers 50 läßt sich somit Information über die Position des Gegenstandes gegenüber dem FET 10 gewinnen.

Offensichtlich können andere Formen der elektrischen Schaltung und andere Stromerfassungseinrichtungen und -vorrichtungen mit dem erfindungsgemäßen Positions-Sensorsystem bei gleichermaßen akzeptablen Ergebnissen eingesetzt werden. Die in Fig. 6 dargestellte Schaltung zeigt ausschließlich einen Weg, auf dem der durch den FET 10 fließende Strom in geeigneter Weise erfaßt und überwacht werden kann. Die in Fig. 6 dargestellte Schaltung ist allerdings in vorteilhafter Weise sowohl einfach als auch preiswert und wird aus diesem Grunde gegenwärtig bevorzugt.

5. Funktion des Sensorsystems

Um die Position und/oder Bewegung eines Gegenstandes unter Verwendung des erfindungsgemäßen Positions-Sensorsystemes zu erfassen, ist es zuerst notwendig, den Gegenstand, dessen Position erfaßt werden soll, derart zu präparieren, daß von dem Gegenstand ein elektrisches Feld ausgeht. Das elektrische Feld kann praktisch jede gewünschte Konfiguration aufweisen. In den meisten Fällen wird es jedoch wünschenswert sein, ein nicht-uniformes elektrisches Feld zu erzeugen. Der Ausdruck "nicht-uniformes elektrisches Feld", wie er hier verwendet wird, bedeutet ein elektrisches Feld, dessen Größe in irgendeiner Weise von der Entfernung zwischen dem Meßpunkt und dem Gegenstand, von welchem das elektrische Feld ausgeht, abhängt.

Ein elektrisches Feld, das von einem Gegenstand ausgeht, kann auf verschiedene Arten erzeugt werden.

Eine Möglichkeit, ein derartiges elektrisches Feld zu erzeugen, besteht darin, den Gegenstand mit einem oder mehreren Elektreten auszustatten. Der Ausdruck "Elektret", wie er hier verwendet wird, bezeichnet ein abgegrenztes Gebiet mit einer von Null abweichenden elektrischen Nettoladung. Der Elektret kann entweder "kompensiert" (relativ nahe an einer Grundebene) oder "unkompensiert" (relativ weit von einer Grundebene) sein. Ein Gegenstand kann auf verschiedene Arten mit einem Elektret ausgestattet werden.

Beispielsweise kann ein Gegenstand in den Weg eines Elektronenstrahles gebracht werden. Ein geeigneter Elektronenstrahl läßt sich leicht unter Verwendung eines Raster- Elektronenmikroskopes erzeugen. Solch ein Elektronenstrahl kann durch das Mikroskop auf jeden geeigneten Durchmesser (beispielsweise auf 0,1 Mikron) fokussiert werden. Der Strahl kann dann durch einen Computer durch den Gegenstand geführt werden. Viele Polymermaterialien können auf diese Weise mit Elektreten versehen werden; die in dem Polymer eingebetteten Elektronen bleiben bei Raumtemperatur über einen Zeitraum von einer ganzen Anzahl von Jahren verhältnismäßig unbeweglich.

Es ist auch möglich, einen Gegenstand dadurch mit einem Elektret zu versehen, daß eine Hochspannungsnadel in die Nähe des Gegenstandes gebracht wird. Die Koronarentladung zwischen der Nadel und dem Gegenstand drückt Elektronen in den Gegenstand, so daß ein Elektret gebildet wird.

Ein ähnliches Ergebnis läßt sich dadurch erreichen, daß ein Tropfen einer leitenden Flüssigkeit auf einen Gegenstand aufgebracht und danach die Flüssigkeit einer hohen Spannung ausgesetzt wird. Die leitende Flüssigkeit fördert geladene Leiter in den Gegenstand und erzeugt auf diese Weise einen Elektret.

Ein geeignetes elektrisches Feld, welches von einem Gegenstand ausgeht, kann auch dadurch erzeugt werden, daß der Gegenstand mit einem oder mehreren Gebieten versehen wird, welche eine elektrische Nettopolarisation aufweisen. Beispielsweise kann der Gegenstand in ein starkes elektrisches Feld bei einer höheren Temperatur gebracht werden. Bei der höheren Temperatur sind die Moleküle des Gegenstandes recht beweglich und beginnen, sich selbst elektrisch auszurichten. Das heißt, der Gegenstand wird polarisiert. Wenn der Gegenstand danach abgekühlt und dann aus dem elektrischen Feld entfernt wird, bleiben die Moleküle des Gegenstandes derart ausgerichtet, daß der Gegenstand eine elektrische Nettopolarisation behält, welche ein elektrisches Feld erzeugt.

Alternativ können bestimmte Bereiche eines Gegenstandes durch Adsorption bestimmter Proteinmoleküle polarisiert werden. Es ist bekannt, daß viele Proteine permanente elektrische Dipole aufweisen. Ein Gegenstand kann deshalb in Berührung mit derartigen Proteinen gebracht werden, so daß Proteinmoleküle auf dem Gegenstand adsorbiert werden. Bereiche des Gegenstandes werden auf diese Weise polarisiert, so daß ein elektrisches Feld erzeugt wird.

Noch ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Feldes, welches von einem Gegenstand ausgeht, besteht darin, eine oder mehrere leitende Zonen auf dem Gegenstand zu schaffen. Eine Spannung mit einem im wesentlichen festen Wert kann dann an die leitenden Zonen gelegt werden und so ein geeignetes elektrisches Feld erzeugen.

Der Gegenstand, dessen Position und/oder Bewegung erfaßt werden soll, kann praktisch jede Form aufweisen. Die Form des Gegenstandes sowie die spezifische Konfiguration des elektrischen Feldes, welches von dem Gegenstand ausgeht, hängt sowohl von dem jeweiligen Anwendungsfall als auch von der Art der Information ab, die man zu erhalten wünscht. Dies wird aus der nachfolgenden Erläuterung noch deutlicher.

Wie in Fig. 7 dargestellt, kann ein Gegenstand 20, dessen Position erfaßt werden soll, als Kugel konfiguriert werden. Der Gegenstand 20 wird nach einem der oben beschriebenen Verfahren so präpariert, daß er ein elektrisches Feld erzeugt.

Die Position des Gegenstandes 20 im dreidimensionalen Raum läßt sich unter Verwendung von drei FETs 10 bestimmen, die an einer Basis 12, wie dargestellt, befestigt sind. Die FETs 10 sind so konfiguriert und hergestellt, wie dies oben beschrieben wurde; jeder FET 10 ist mit einer geeigneten stromerfassenden Schaltung ausgestattet.

Vor dem Gebrauch wird die Schwellspannung von jedem FET 10 so eingestellt, daß ein Bezugspunkt gebildet wird, gegenüber dem die Position des Gegenstandes 20 bestimmt wird. Wenn beispielsweise die FETs 10 n-Channel-FETS sind und wenn eine negative Oberflächenladung auf den Gegenstand 20 aufgebracht ist, wird der FET 10 so eingestellt, daß er eine negative Schwellspannung aufweist. Ein geeigneter Wert für die Schwellspannung kann beispielsweise -2,0 V sein. Alternativ kann, wie oben verläutert, ein Vorspannkontakt 242 (vergl. Fig. 3) an jedem FET 10 vorgesehen sein, der bei der Bildung eines gewünschten Bezugspunktes mithilft.

Der Strom durch jeden FET 10 wird danach überwacht und dieser Strom kann dazu verwendet werden, die Position des Gegenstandes 20 gegenüber jedem FET 10 zu bestimmen. Mit dieser Information kann die Position des Gegenstandes 20 über der Basis 12 zu jedem beliebigen Zeitpunkt bestimmt und kontinuierlich überwacht werden.

Bei einigen Anwendungsfällen ist es möglicherweise nicht ausreichend, nur die dreidimensionale Position zu überwachen; vielmehr möchte man bestimmte weitere Informationen. In derartigen Fällen muß der Gegenstand, dessen Position überwacht wird, in etwas anderer Weise präpariert werden und es wird eine größere Zahl von FETs 10 eingesetzt.

Beispielsweise zeigt Fig. 8, welche eine erfindungsgemäße Anordnung darstellt, einen Gegenstand 120, der als Stange ausgebildet ist. Der Gegenstand 120 wird nach einem der oben beschriebenen Verfahren präpariert und kann beispielsweise mit einer im wesentlichen gleichförmigen Oberflächenladung versehen sein.

Wie in Fig. 8 dargestellt, können sechs FETs 10 an einer geeigneten Basis 12 in einer erwünschten Anordnung montiert sein. Beispielsweise können die FETs 10 in zwei im wesentlichen parallelen Reihen, wie dargestellt, angeordnet sein. Jeder FET 10 ist mit einer geeigneten stromerfassenden Schaltung versehen und in geeigneter Weise eingestellt, so daß ein gewünschter Bezugspunkt gebildet wird.

Indem gleichzeitig der Strom durch jeden FET 10 von Fig. 8 überwacht wird, lassen sich die Position und die Bewegung des Gegenstandes 120 bestimmen und überwachen. Insbesondere kann zusätzlich zur Erfassung der Position des Gegenstandes 120 im dreidimensionalen Raum auch die Drehung des Gegenstandes 120 um eine oder mehr Achsen bestimmt werden.

Allgemein ist es möglich, mehr Informationen über einen Gegenstand (größere "Auflösung") unter Verwendung einer größeren Anzahl von FETs 10 zu erhalten. Während also die FET-Anordnung, die in Fig. 7 dargestellt ist, nur dreidimensionale Positionsinformationen abgibt, kann die FET-Anordnung, die anhand der Fig. 8 beschrieben wurde, sowohl Positions- als auch Rotationsinformationen liefern. Wie oben angemerkt, beeinflussen auch die Form des Gegenstandes und die Konfiguration des elektrischen Feldes die Menge an Information, die erhalten werden kann.

Nunmehr wird auf Fig. 9 Bezug genommen. Ein Gegenstand 222, dessen Position erfaßt werden soll, ist als Wafer ausgebildet. Ein Array von neun FETs 10 ist unterhalb des Gegenstandes 222 vorgesehen, wobei die FETs 10 an einer geeigneten Basis 12 befestigt sind. Die FETs 10 können in jeder gewünschten Konfiguration auf der Basis 12 angeordnet werden (beispielsweise in drei getrennten Reihen). Jeder FET 10 ist mit einer geeigneten stromerfassenden Schaltung ausgerüstet und so eingestellt, daß ein gewünschter Referenzpunkt gebildet wird.

Der Gegenstand 222 von Fig. 9 kann in vielfältiger Weise nach den oben beschriebenen Verfahren präpariert sein. Wenn beispielsweise nur eine allgemeine Positionsinformation benötigt wird, kann der Gegenstand 222 mit einer im wesentlichen gleichförmigen Oberflächenladung versehen werden. Alternativ kann der Gegenstand 222 so präpariert werden, daß er eine nicht-uniforme Oberflächenladung aufweist. Eine nicht-uniforme Oberflächenladung kann in vorteilhafter Weise zur Lieferung zusätzlicher Informationen über die Position und die Bewegung des Gegenstandes 222 beitragen.

Beispielsweise kann, wie in Fig. 9 dargestellt, der Gegenstand 222 mit einer Anzahl von Ladungsstreifen 220 versehen werden. Die Streifen 220 können beispielsweise dadurch gebildet werden, daß der Gegenstand 222 unter dem fokussierten Strahl eines Raster-Elektronenmikroskopes hindurchgeführt wird. Indem der Gegenstand 222 auf diese Weise präpariert wird und durch Verwendung einer ausreichenden Zahl von FETs 10, ist es möglich, auch sehr kleine Veränderungen der Position des Gegenstandes 222 zu erfassen. Eine derartige Anordnung läßt sich also dazu verwenden, die Genauigkeit der Positionsmessung zu erhöhen.

Fig. 10 zeigt noch eine weitere Anordnung von Gegenstand und Sensor. Die Anordnung von Gegenstand und Sensor nach Fig. 10 läßt sich beispielsweise leicht zur Verwendung mit einem Gyroskop adaptieren.

Wie in Fig. 10 gezeigt, ist der Gegenstand 322, dessen Position erfaßt werden soll, im wesentlichen als Kreisscheibe konfiguriert. Der Gegenstand 322 ist so präpariert, daß ein geeignetes elektrisches Feld von dem Gegenstand 322 ausgeht. Beispielsweise kann der Gegenstand 322 mit einem geladenen Ring 320, wie dargestellt, versehen sein. Alternativ kann der Gegenstand 322 mit geladenen radialen Armen oder mit einem anderen geeigneten Ladungsmuster versehen sein.

Wie dargestellt, ist eine Mehrzahl von FETs 10 auf einer geeigneten Basis 12 vorgesehen und in im wesentlichen kreisförmiger Konfiguration angeordnet. Wiederum ist jeder FET 10 mit einer geeigneten stromerfassenden Schaltung ausgerüstet und so eingestellt, daß ein Bezugspunkt gebildet wird.

Der Gegenstand 322 von Fig. 10 kann beispielsweise um eine im wesentlichen senkrechte Achse, die durch die Mitte des Gegenstandes 322 verläuft, verdreht werden. Die FETs 10 können dann dazu eingesetzt werden, ein etwaiges Verkippen der Drehachse zu erfassen. Somit läßt sich die Anordnung von Gegenstand und Sensor nach Fig. 10 als hochempfindliches Gyroskop einsetzen.

In manchen Fällen kann auch gewünscht sein, Drehungen zu zählen und/oder die Drehzahl, mit welcher der Gegenstand 322 sich um seine Achse dreht, zu überwachen. Dementsprechend kann ein Unterbrechung 321 im Ring 320 vorgesehen sein. Die Unterbrechung 321 modifiziert natürlich das elektrische Feld, welches den Gegenstand 322 umgibt. Diese Modifikation des elektrischen Feldes kann erfaßt und überwacht werden. Die Drehzahl des Gegenstandes 322 und/oder die Anzahl von Drehungen, die von dem Gegenstand 322 ausgeführt wird, läßt sich auf diese Weise bestimmen.

Aus den wenigen anhand der Fig. 7 bis 10 beschriebenen Beispielen ist ohne weiteres zu entnehmen, daß der Gegenstand, dessen Position erfaßt werden soll, in einer praktisch unbegrenzten Zahl von Arten konfiguriert sein kann. Die besondere Art, in welcher der Gegenstand konfiguriert wird, hängt von der gewünschten Information und von dem jeweiligen Anwendungsfall ab. Außerdem kann praktisch jede Anzahl von FETs 10 verwendet werden. Die Anzahl und Anordnung der FETs 10 hängt von der Art und der Menge der gewünschten Information ab.

Wie in den Fig. 7 bis 10 dargestellt, werden die FETs 10 direkt innerhalb des elektrischen Feldes positioniert, welches von dem Gegenstand ausgeht, dessen Position erfaßt wird. Das heißt: Wie in Fig. 7 dargestellt, werden die FETs 10 so positioniert, daß sie sich in unmittelbarer Nähe des Gegenstandes 20 befinden und auf diese Weise direkt mit dem primären Feld wechselwirken, welches von dem Objekt 20 ausgeht. Die FETs 10 könnten theoretisch durch Wechselwirkung mit einem sekundären elektrischen Feld in brauchbarer Weise funktionieren, welches beispielsweise aus der unmittelbaren Nachbarschaft eines Gegenstandes entlang eines Drahtes übertragen wird. In der Praxis jedoch können Rauschen und andere elektrische Störungen genaue Messungen unter Verwendung einer derartigen Anordnung schwierig machen. Deshalb wird bevorzugt, zur Erhöhung der Genauigkeit des Systemes die FETs 10 direkt innerhalb des elektrischen Feldes zu positionieren, welches von dem Gegenstand, welcher überwacht wird, ausgeht.

Wie oben dargestellt, können alle FETs 10 gegenüber dem erfaßten Gegenstand so positioniert werden, daß sie im wesentlichen in einer einzigen Ebene liegen. Verschiedene FETs können auf diese Weise auf einer einzigen Substratbasis unter Verwendung herkömmlicher Integrierter-Schaltkreis Technologie vorgesehen werden. Außerdem können unter Verwendung herkömmlicher Integrierter-Schaltkreis-Verfahren geeignete stromerfassende Schaltungen auf derselben Substratbasis in der Nähe von jedem FET 10 vorgesehen werden. Dies macht es möglich, ein Sensorsystem mit sehr kleinen Abmessungen herzustellen. Sogar ein verhältnismäßig komplexes erfindungsgemäßes Sensorsystem kann recht preiswert unter Verwendung herkömmlicher Technologie hergestellt werden; aufwendige und teure physikalische Trägerstrukturen sind nicht erforderlich.

6. Exemplarische Anwendungen

Die nachfolgend anhand der Fig. 13 bis 15A erläuterten exemplarischen Anwendungsfälle illustrieren einige Arten, wie die neuartigen erfindungsgemäßen positions-Sensorsysteme und Verfahren in der Praxis eingesetzt werden können. Der Fachmann erkennt selbstverständlich, daß die Anzahl spezieller Anwendungsfälle der erfindungsgemäßen Positions- Sensorsysteme und Verfahren praktisch grenzenlos ist. Die nachfolgend geschilderten exemplarischen Anwendungsfälle werden also nur zu Illustrationszwecken genannt und sollen nicht erschöpfend sein.

Die Fig. 11 und 12, die nicht in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, zeigen eine Art, wie ein FET dazu eingesetzt werden kann, einen Druckwandler oder einen Spannungs-Meßaufnehmer zu bilden. Ein FET 10 kann, wie dargestellt, innerhalb eines im wesentlichen zylindrischen Gehäuses 424 vorgesehen werden. Wichtig ist, daß das obere und untere Ende des zylindrischen Gehäuses 424 abgedichtet sind.

Wie am besten in Fig. 12 zu erkennen ist, kann das obere Ende des Gehäuses 424 eine flexible Membran 422 umfassen. Die Membran 422 ist mit einer geladenen Zone 420 versehen. Beispielsweise kann die geladene Zone 420 in der flexiblen Membran 422 dadurch vorgesehen werden, daß die Membran 422 unter den fokussierten Strahl eines Raster-Elektronenmikroskopes gebracht wird.

Aus der obigen Beschreibung ist zu erkennen, daß die Membran 422 in das Gehäuses 424 auf den FET 10 zu ausgebogen wird, wenn der Druck außerhalb des Gehäuses 424 wächst. Aufgrund der geladenen Zone 420 an der Membran 422 erfaßt der FET 10 die Ausbiegung der Membran 422. Das System läßt sich durch Mittel, die in der Industrie bekannt sind, derart eichen, daß der auf die Membran 422 ausgeübte Druck bestimmt werden kann.

Der Druckwandler, der in den Fig. 11 und 12 dargestellt ist, läßt sich vorteilhaft sehr klein machen, wobei herkömmliche integrierte Schaltkreistechnologie eingesetzt wird. Beispielsweise kann der Druckwandler der Fig. 11 und 12 so klein gemacht werden, daß er den Hohlraum einer Spritzennadel passieren und bequem in einem Blutgefäß des Körpers eines Lebewesens untergebracht werden kann. Der Druckwandler der Fig. 11 und 12 läßt sich daher dazu einsetzen, kontinuierlich den Blutdruck eines Patienten zu überwachen.

Das in den Fig. 11 und 12 gezeigte Gerät kann auch zur Verwendung als Mehrachsen-Spannungs-Meßaufnehmer adaptiert werden. Indem beispielsweise das Gehäuse 424 aus flexiblem Material gebildet und indem mehrere FETs 10 innerhalb des Gehäuses 424 untergebracht werden, kann das Gerät dazu eingesetzt werden, Druck oder Spannung in mehreren Dimensionen dadurch zu messen, daß die Position und Bewegung der Membran 422 in mehrfachen Freiheitsgraden erfaßt wird.

Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Positions- Sensorssystemes ist in den Fig. 13 und 14 dargestellt. Eine Reihe von FETs 10 ist, wie gezeigt, innerhalb eines Gehäuses 524 vorgesehen. Die Breite des Gehäuses 524 verringert sich entlang der Längsabmessung, wie dargestellt; das Gehäuse 524 ist abgedichtet, so daß es im wesentlichen luftdicht ist.

Die Oberseite des Gehäuses 52 umfaßt eine flexible Membran 522. Die Membran 522 weist eine Mehrzahl von geladenen Zonen 520 auf, die beispielsweise in diese dadurch eingebracht werden, daß die Membran 522 unter den Strahl eines Raster-Elektronenmikroskopes gebracht wird. Die geladenen Zonen 520 in der Membran 522 können so positioniert werden, daß sie sich direkt oberhalb eines FET 10 innerhalb des Gehäuses 524 befinden.

Die in den Fig. 13 und 14 dargestellte Einrichtung läßt sich auf verschiedene Arten verwenden. Beispielsweise kann die Einrichtung als Druckwandler eingesetzt werden. In diesem Falle wird bei einer Erhöhung des Außendruckes die Membran 522 nach innen ausgebogen. Insbesondere wird jedoch bei einem einzigen Druckwert der breiteste Bereich der Membran 522 um eine größere Entfernung als der schmälste Bereich der Membran 522 ausgebogen. Demzufolge erfaßt jeder der FETs 10 innerhalb des Gehäuses 524 einen geringfügig anderen Druckbereich. Die Einrichtung nach den Fig. 13 und 14 ermöglicht somit eine empfindlichere Druckerfassung über einen breiteren Druckbereich hinweg als der Druckwandler, der in den Fig. 11 und 12 dargestellt ist.

Die in den Fig. 13 und 14 dargestellte Einrichtung läßt sich außerdem als Berührungssensor für einen Roboter verwenden. Die FETs 10 geben bei einer derartigen Anwendung eine Anzeige des Berührungsdruckes, der auf die Membran 522 ausgeübt wird.

Die in den Fig. 13 und 14 dargestellte Einrichtung läßt sich außerdem dazu verwenden, variierende Audiofrequenzen zu erfassen. Da die Breite der Membran 522 entlang der Längsabmessung des Gehäuses 524 variiert, schwingt jede geladene Zone 520 auf eine geringfügig andere Frequenz hin. Das Gerät nach den Fig. 13 und 14 läßt sich auf diese Weise derart Schallwellen aussetzen, daß jeder der FETs 10 innerhalb des Gehäuses 524 auf eine andere Audiofrequenz anspricht. Auf diese Weise kann die Einrichtung nach den Fig. 13 und 14 beispielsweise als Audiomikrophon dienen.

Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Positions- Sensorsystemes ist in den Fig. 15 und 15A dargestellt. Eine Stereonadel 622 ist, wie gezeigt, am Trägerarm 612 eines Stereo-Plattenspielers befestigt. Die Nadel 622 ist an ihrem oberen Abschnitt mit einer geladenen Zone 620 ausgestattet. Zwei FET-Positionssensoren 10 sind, wie dargestellt, am Trägerarm 612 vorgesehen und erfassen die Bewegung der geladenen Zone 620 und der Nadel 622.

Wenn sich die Platte 626 auf dem Plattenteller dreht, vibriert die Nadel 622, während sie sich entlang der Rillen der Platte 626 in herkömmlicher Weise bewegt. Die Schwingungen erfolgen dabei entlang zweier im wesentlichen senkrecht aufeinander stehender Achsen entsprechend den beiden Stereokanälen. Die Schwingungen entlang jeder Achse werden getrennt von den beiden FETs 10 erfaßt und jeder FET 10 erfaßt so einen getrennten Stereokanal. Demzufolge können die FETs 10, wie in den Fig. 15 und 15A dargestellt, dazu eingesetzt werden, ein Stereo-Aufnahmesystem mit geringem Gewicht zu bilden.

7. Zusammenfassung

Aus der obigen Erläuterung wird deutlich, daß die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zur Erfassung der Position und/oder der Bewegung eines Gegenstandes in mehrfachen Freiheitsgraden schafft. Das erfindungsgemäße Positions-Sensorsystem läßt sich leicht unter Verwendung herkömmlicher Integrierter-Schaltkreis-Technologie konstruieren und leicht zusammen mit Halbleitern und herkömmlichen integrierten Schaltkreisen herstellen und einsetzen. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung ein Positions- Sensorsystem und ein Verfahren, die sowohl in der Herstellung als auch im Gebrauch einfach und preiswert sind.

Das erfindungsgemäße Positions-Sensorsystem kann so ausgebildet werden, daß es Dimensionen in der Größenordnung einiger Mikron aufweist. Somit schafft die vorliegende Erfindung auch ein Positions-Sensorsystem, welches mit außerordentlich kleinen Abmessungen hergestellt und eingesetzt werden kann. Da zudem das leitende Gate des FET- Sensors nach der vorliegenden Erfindung im wesentlichen vollständig von isolierendem Material umgeben sein kann, wird das erfindungsgemäße Sensorsystem nicht durch die Anwesenheit verbreiteter Verunreinigungen in nachteiliger Weise beeinflußt.

Die Erfindung läßt sich in anderen speziellen Formen verwirklichen, ohne von ihren wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen in jeder Hinsicht nur als illustrativ und nicht als beschränkend verstanden werden. Der Umfang der Erfindung wird demzufolge durch die anliegenden Ansprüche und nicht durch die vorausgehende Beschreibung bestimmt. Alle Veränderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Bereiches der Ansprüche liegen, sollen von ihrem Umfang mit umfaßt sein.


Anspruch[de]

1. Sensorsystem zum Erfassen der Position und Bewegung eines Gegenstandes (120, 222, 322) mit einer Einrichtung (120, 220, 320), welche ein von dem Gegenstand ausgehendes elektrisches Feld erzeugt, mit einer Vielzahl von Feldeffekt-Transistoren (10), die derart in der Nähe des Gegenstandes positioniert sind, daß sie sich direkt innerhalb des elektrischen Feldes befinden, wobei jeder Feldeffekt- Transistor eine Source-Zone, eine Drain-Zone und eine Channel- Zone aufweist, die Source- und die Drain-Zone durch die Channel-Zone voneinander getrennt sind und das erzeugte elektrische Feld aus einer nicht-sphärischen Ladungsverteilung resultiert, wobei das Sensorsystem außerdem eine Einrichtung (58, 50, 60) enthält, welche Variationen der Leitfähigkeit der Channel-Zone von jedem Feldeffekt-Transistor, die durch das elektrische Feld verursacht werden, erfaßt, wodurch die Position und die Bewegung des Gegenstandes bestimmt werden können.

2. Sensorsystem nach Anspruch 1, bei welchem die das elektrische Feld erzeugende Einrichtung eine Einrichtung umfaßt, welche abgrenzte Zonen bildet, die eine von Null verschiedene elektrische Nettoladung aufweisen.

3. Sensorsystem nach Anspruch 1, bei welchem die Feldeffekt-Transistoren (10) jeweils außerdem ein leitendes Gate (240) umfassen, welches in der Nähe der Channel-Zone von jedem Feldeffekt-Transistor angeordnet ist.

4. Sensorsystem nach nach Anspruch 3, bei welchem jedes leitende Gate im wesentlichen vollständig von isolierendem Material (238) umgeben ist.

5. Sensorsystem nach Anspruch 1, bei welchem der Gegenstand als im wesentlichen kreisförmige Scheibe (322) ausgebildet ist und bei welchem die das elektrische Feld erzeugende Einrichtung als im wesentlichen kreisförmiger Ring (321) ausgebildet ist, der im wesentlichen konzentrisch zu der Scheibe ist.

6. Sensorsystem nach Anspruch 1, bei welchem der Gegenstand eine flexible Membran (522) umfaßt und bei welchem die Position und die Bewegung der Membran von der Größe des Druckes abhängen, der auf die Membran ausgeübt wird.

7. Sensorsystem nach Anspruch 1, bei welchem der Gegenstand die Nadel (622) eines Stereo-Plattenspielers ist.

8. Sensorsystem nach Anspruch 1, bei welchem die Drain- Zone (334) von jedem Feldeffekt-Transistor (310) eine im wesentlichen kreisförmige Zone ist und bei welchem die Channel-Zone (336) und die Source-Zone (332) von jedem Feldeffekt-Transistor im wesentlichen konzentrische ringförmige Zonen sind, welche die Drain-Zone umgeben.

9. Sensorsystem nach Anspruch 1, bei welchem jeder Feldeffekt-Transistor außerdem einen Kontakt zum Anlegen einer Vorspannung aufweist, der in der Nähe des leitenden Gates, jedoch von diesem isoliert, angeordnet ist.

10. Sensorsystem nach Anspruch 1, bei welchem die Einrichtung, welche die Veränderungen der Leitfähigkeit erfaßt, einen operationsverstärker (50) umfaßt.







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