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Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische
Zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische kann man bekanntlich Halbleiter ver- wenden, wobei verschiedenartige Eigenschaften der Halbleiter ausgenutzt werden.
Ein Anwendungsfall besteht darin, auf einem von den Schwingungen ausgelenkten Block aus piezo- elektrischem Material eine Halbleiterschicht vorzusehen, die in ihrem elektrischen Widerstand von dem an der Oberfläche des piezoelektrischen Blockes auftretenden elektrischen Feld beeinflusst wird. Schaltet man also die Halbleiterschicht in einen Stromkreis ein, so stellt sich in diesem ein Strom ein, dessen Grösse von der jeweiligen Auslenkung des piezoelektrischen Blockes abhängt. Führt dieser Block mechanische Schwingungen aus, so entsteht entsprechend im Stromkreis ein elektrischer Wechselstrom.
Eine andere Anwendungsmöglichkeit von Halbleitern zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische besteht darin, Halbleitermaterialien, welche den sogenannten piezoresistiven Effekt aufweisen, zu verwenden. Dieser Effekt besteht darin, dass in Abhängigkeit von einer auf den Halbleiter wirkenden mechanischen Spannung sich die elektrische Leitfähigkeit des Halbleitermaterials direkt ver- ändert.
Dieser Effekt wurde bisher unter anderem an Silizium und Germanium festgestellt, wobei der Effekt in bestimmten kristallographischen Richtungen, den sogenannten Vorzugsrichtungen, besonders gross ist.
Mit einem derartigen Halbleiter kann man ein Mikrophon aufbauen, indem man diesen stabförmig ausbildet und mechanischen Spannungen aussetzt, die von Schallschwingungen abgeleitet sind. Hiezu wird der Halbleiterstab an seinem einen Ende fest eingespannt und an seinem ändern Ende mit einer schwingenden Membran versehen, welche die Schallschwingungen aufnimmt und in entsprechende Verbiegungen des Halbleiterstabes umsetzt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass ein derartiger Aufbau wohl die Mikrophonwirkung zeigt, jedoch bei Verwendung von Halbleiterstäben aus Germanium oder Silizium, welche Materialien wegen ihrer Verwendung in der Transistortechnik bevorzugt zur Verfugung stehen, eine so geringe Empfindlichkeit besitzt, dass ein solches Mikrophon für die praktischen Bedürfnisse ungeeignet ist.
Ausser zur Anwendung bei Mikrophonen und Tonabnehmern lässt sich die vorliegende Erfindung ganz allgemein bei der Umwandlung von mechanischer Auslenkung in elektrische Signale verwenden. Beispielsweise ist eine Anwendung bei Beschleunigungsmessern möglich, die bekanntlich eine statische Auslenkung einer relativ frei beweglichen schweren Masse auf das umwandelnde Element übertragen.
Die Erfindung zeigt einen Weg, wie die Empfindlichkeit einer Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische mittels eines gestreckten Körpers aus piezoresistivem Halbleitermaterial (z. B. Silizium oder Germanium) wesentlich gesteigert werden kann. Zu diesem Zweck isterfindungsgemäss der Körper als Platte bzw. Schicht ausgebildet, die mit einem Träger mit gegenüber Silizium oder Germanium wesentlich kleinerem Elastizitätsmodul mechanisch verbunden ist, dessen Dicke wesentlich grösser ist als die der piezoresistiven Platte bzw. Schicht, wobei die Kräfte in senkrechter Richtung auf letztere wirken.
Durch einen derartigen Aufbau werden in verschiedener Richtung wirkende und sich gegenseitig unterstützende vorteilhafte Effekte erzielt. Einerseits hat man durch die Wahl des Materials des Trägers die Biegsamkeit der ganzen Anordnung in der Hand, anderseits wird durch die Verwendung eines Trägers das
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piezoresistive Material in eine Zone gerückt, in welcher die Biegebeanspruchungen am grössten sind, nämlich an der Aussenfläche der Anordnung, so dass Verbiegungen ein Höchstmass an Widerstandsänderung hervorrufen. Diese Widerstandsänderung ist in ihrer Wirkung voll ausnutzbar, da der Träger infolge seiner praktisch isolierenden Wirkung eine schädliche Nebenschlussbildung über die keinen Deformationen unter- liegende Zone im Bereich der neutralen Faser nicht zulässt.
Insbesondere ist es möglich, das piezoresistive
Material nach Art einer Folie mit dem Träger zu vereinigen, wodurch der sonst störende hohe Elastizi- tätsmodul von für diesen Zweck bereits verwendetem Germanium oder Silizium praktisch bedeutungslos wird. Es hat sich gezeigt, dass bei einem Elastizitätsmodul des Trägers in der vorstehend angegebenen Grössenordnung Mikrophonempfindlichkeiten erzielbar sind, die in der Grössenordnungdes Kohlemikrophons liegen. Darüber hinaus lässt sich durch die Wahl des Materials des Trägers auch die Resonanzfrequenz einer derartigen Anordnung günstig wählen, was bekanntlich bei Mikrophonen von wesentlicher Bedeutung ist.
Zweckmässig baut man den Träger aus einem Isoliermaterial, insbesondere aus einem Kunststoff auf.
Mit derartigen Materialien lässt sich die Elastizität der erfindungsgemässen Anordnung beliebig einstellen.
Bei Verwendung eines Halbleitermaterials mit relativ kleinem Elastizitätsmodul, insbesondere einem organischen Halbleitermaterial, ist es aber auch möglich, den Träger selbst aus gegenüber der piezoresistiven Schicht schwach leitendem, insbesondere eigenleitendem Halbleitermaterial herzustellen, wobei dieses praktisch als Isolator wirkt, von dem dann an seiner Oberfläche einer dünnen Schicht. z. B. durch Diffusion eine so hohe Leitfähigkeit gegeben wird, dass sich der piezoresistive Effekt in seinerAuswirkung im wesentlichen auf diese Schicht konzentriert.
Anderseits kann man zur Herstellung der piezoresistiven Schicht auch anorganisches Halbleitermaterial mit entsprechender Dotierung verwenden, was insofern von Vorteil ist, als sich organisches und anorganisches Halbleitermaterial günstig aneinander befestigen lässt. Insbesondere ist es möglich, die anorganische Halbleiterschicht in einkristalliner Struktur auf dem Träger aus organischem Halbleitermaterial aufwachsen zu lassen. Weiterhin kann man als Halbleitermaterial für die piezoresistiveSchicht eine ABy-Ver- bindung verwenden.
Je nach dem Verwendungszweck lässt sich die erfindungsgemässe Anordnung in verschiedener Gestalt darstellen. Einerseits kann sie als Scheibe aufgebaut sein und selbst als Membran dienen, anderseits ist es auch möglich, die Anordnung stabförmig auszubilden. Dabei ist ein Aufbau besonders vorteilhaft, bei welchem je eine Schicht aus piezoresistivemMaterial zu beiden Seiten des Trägers aufgebracht ist. Handelt es sich um eine solche Anordnung mit je einer piezoresistiven Schicht zu ihren beiden Seiten, so sind zwei Anwendungsfälle möglich, nämlich einerseits eine piezoresistive Wirkung der beiden Schichten jeweils mit gleichem Vorzeichen oder anderseits jeweils mit entgegengesetztem Vorzeichen.
Im ersteren Fall bewirkt eine Verbiegung, dass die eine Schicht hochohmiger und die andere niederohmiger wird (Dehnung und Stauchung bei gleichem Material in den beiden Schichten). Im andern Falle werden bei Verbiegung beide Schichten entweder höherohmiger oder niederohmiger (Materialien mit entgegengesetztem Vorzeichen der piezoresistiven Konstante in den beiden Schichten, z. B. einerseits orientiertes p-Silizium und anderseits n-Germanium).
Eine derartige Anordnung mit zwei Schichten lässt sich für beide Betriebsfälle zweckmässig mit einer elektrischen Brückenschaltung kombinieren, bei welcher die beiden Schichten in entsprechenden Zweigen der Brückenschaltung liegen. Bei einer Wirkung der beiden Schichten jeweils in entgegengesetztem Sinne kann man die Schichten auch elektrisch in Reihe schalten.
Wenn die erfindungsgemässe Anordnung mit Verstärkerelementen zusammenzuschalten ist, so kann man diese mit einer der piezoresistiven Platten bzw. Schichten kombinieren. Dies kann einerseits so geschehen, dass ein Teil einer Platte bzw. Schicht durch entsprechende Dotierung als verstärkendes Element mit den zugehörigen Anschlüssen ausgebildet wird, anderseits kann man einer Platte bzw. Schicht einen Transistor auflegieren. Auch auf dieEingangswiderstände angeschlossener elektrischer Organe, insbesondere Verstärker, kann Rücksicht genommen werden, indem man jeder Platte bzw. Schicht durch entsprechende Dotierung eine solche Leitfähigkeit gibt, dass die Organe angepasst sind.
Von den Ausführungsbeispielen die Erfindung darstellenden Figuren zeigen : Fig. l einen Stab mit einer aufgebrachten Platte aus piezoresistivem Halbleitermaterial, Fig. 2 einen Stab mit einer Schicht aus piezoresistivem Halbleitermaterial an der Oberfläche des Stabes, die U-förmig um den Stab herumgezogen ist, Fig. 3 einen einseitig eingespannten Stab mit zwei piezoresistiven Schichten, dessen freies Ende mit einer Membran mechanisch verbunden ist, Fig. 4 eine scheibenförmige Anordnung mit zwei piezoresistiven Schichten in Seitenansicht und Fig. 5 eine Scheibe mit einem aufgebrachten Streifen aus piezoresi- stivem Halbleitermaterial in Draufsicht.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 dient als Träger ein aus einem Kunststoff bestehender Stab 1,
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auf dessen einerSeite eineplatte 2 aus piezoresistivem Halbleitermaterial aufgebracht und mit dem Träger 1 mechanisch verbunden ist. Die Platte 2 ist an ihren beiden Enden jeweils mit einem Kontakt 3 versehen, wozu man als Material beispielsweise Gold oder Silber verwenden kann. Bei der Kontaktierung ist darauf zu achten, dass dabei zwischen der Kontaktstelle und dem piezoresistiven Material keine Sperrschichten entstehen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 dient als Träger4 ein Halbleitermaterial, das sich in schwach leitendem, insbesondere eigenleitendem Zustand befindet, so dass diese praktisch als Isolator wirkt. Einer an seiner Oberfläche liegenden dünnen Schicht 5 ist z. B. durch Diffusion eine so hohe Leitfähigkeit gegeben, dass sich der piezoresistive Effekt in seiner Auswirkung im wesentlichen auf die Schicht 5 konzentriert.
Die Schicht 5 ist um das eine Ende des Trägers 4 so herumgezogen, dass die Schicht im Querschnitt die Gestalt eines U besitzt, zwischen dessen Schenkeln der Träger 4 liegt. Diese Ausführungsform ist be- sonders dann zweckmässig, wenn ein mit zwei Schichten versehener Träger mit einer Schaltung zusammenarbeitet, bei welcher die beiden Schichten einseitig miteinander zu verbinden sind, z. B. Brückenschaltung. Diese einseitige Verbindung ergibt sich nämlich bei dieser Ausführungsform von selbst.
Bei der Wahl des Halbleitermaterials ist darauf zu achten, dass dieses gegenüber Germanium oder Silizium einen wesentlich kleineren Elastizitätsmodul besitzt, wofür sich besonders ein organischer Halbleiter eignet. Auch bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist die piezoresistive Schicht mit Kontakten 6 versehen.
In Fig. 3 ist dargestellt, wie man die erfindungsgemässe Anordnung zweckmässig beim Aufbau eines Mikrophons verwenden kann. Das Mikrophon besitzt die Membran 7, die mittels des starren Verbindungsgliedes 9 an dem einen Ende des stabförmig ausgebildeten Trägers 10 befestigt ist. Dieser Träger weist zwei piezoresistive Schichten 11 und 12 auf, die mit dem Träger 10 mechanisch verbunden sind. Der Träger mit den beiden Schichten 10 und 11 ist einseitig starr eingespannt und wird somit bei Auslen- kung der Membran 7 in Richtung der eingezeichneten Pfeile gebogen. Es findet also eine Umsetzung von auf die Membran 7 auftreffenden Schallschwingungen in entsprechende Verbiegungen des Trägers 10 statt, wobei die Schichten 11 und 12 gedehnt bzw. gestaucht werden.
Wie ersichtlich, ist hiezu eine Kräftekomponente erforderlich, welche in senkrechter Richtung auf die Schicht 11 bzw. 12 wirkt.
Wenn die beiden Schichten 11 und 12 jeweils in gleichem Sinne piezoresistiv wirken, ergibt sich für die eine Schicht eine Widerstandserhöhung und für die andere Schicht eine Widerstandsverminderung.
Wirken dagegen die beiden Schichten 11 und 12 jeweils in entgegengesetztem Sinne, so tritt bei Verbiegung in beiden Schichten entweder eine Widerstandserhöhung oder eine Widerstandsverminderung ein.
Beide Anwendungsfälle eignen sich dazu, mittels einer elektrischen Brückenschaltung ausgewertet zu werden. Im ersteren Falle sind die beiden Schichten in zwei benachbarte Zweige der Brückenschaltung zu legen, im letzteren Falle muss man die beiden Schichten in gegenüberliegende Zweige legen.
Im Falle der Wirksamkeit in entgegengesetztem Sinne ist es auch möglich, die beiden Schichten elektrisch in Reihe zu schalten. Hiefür eignet sich besonders der Aufbau gemäss Fig. 2, da dieser die Reihenschaltung in sich einschliesst.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich auch möglich ist, beim Aufbau gemäss Fig. 3 beispielsweise die in Fig. 1 dargestellte Konstruktion einzusetzen, d. h. einen Stab mit nur einer Schicht zu verwenden. In jedem der vorstehend behandelten Betriebsfälle ergibt sich bei Verbiegung der piezoresistiven Schichten eine Umsetzung in elektrische Schwingungen, die an den Kontakten der piezoresistiven Schichten abnehmbar sind, wenn man diese an Stromquellen anschliesst. Durch die Wider- ; tandsänderung in der Schicht wird dann der von der Stromquelle gelieferte Strom entsprechend gesteu - ert. Bei Verwendung einer Brückenschaltung ist die Stromquelle an die eine Diagonale anzuschliessen. während an der andern Diagonale die erzeugte Wechselspannung abnehmbar ist.
In Fig. 3 sind noch an jedem Ende der Schichten 11 und 12 Kontakte 13 und 14 gezeigt, die ja nach jem gewählten schaltungstechnischen Aufbau entsprechend anzuschliessen sind. Die beiden am freistehenden Ende des Stabes 10 herausgeführten Anschlüsse 13 können auch durch den Träger hindurchgeführt werden, wie dies durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Diese Durchführungen enden in den Anschlüs- ; en 15. Ein derartiger Aufbau besitzt den Vorteil, dass das freistehende Ende des Stabes 10 von elektri- ; chen Zuführungen völlig frei ist. Derartige Zuführungen können nämlich eine unerwünschte Dämpfung des Systems mit sich bringen.
Bei der Fig. 3 handelt es sich aus zeichnerischen Gründen um eine überhöhte Darstellungsweise. Für praktisch gut verwendbare Mikrophone beträgt die Dicke des jeweils dargestellten Stabes etwa 0, 5 mm, wobei die Schichtdicke etwa 0, 005 mm ist.
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