AT230451B - Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische - Google Patents

Description

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  Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische 
 EMI1.1 
 

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 lässt sich diese zweckmässig mit einer elektrischen Brückenschaltung kombinieren, bei welcher die beiden
Schichten in entsprechenden Zweigen der Brückenschaltung liegen. 



   Wenn die erfindungsgemässe Anordnung mit Verstärkerelementen zusammenzuschalten ist, so kann man diese mit einer bzw. den piezoresistiven Schichten kombinieren. Dies kann einerseits so geschehen, dass ein Teil einer Schicht durch entsprechende Dotierung als verstärkendes Element mit den zugehörigen
Anschlüssen ausgebildet wird, anderseits kann man einer Schicht einen Transistor auflegieren. Auch auf die Eingangswiderstände angeschlossene elektrische Organe, insbesondere Verstärker, kann Rücksicht ge- nommen werden, indem man jeder Schicht durch entsprechende Dotierung eine solche Leitfähigkeit gibt, dass die Organe angepasst sind. 



   Von den Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellenden Figuren zeigen Fig. 1 einen Stab mit einer
Schicht 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 Seitensicht und Fig. 5 eine Scheibe mit einem aufgebrachten Streifen aus piezoresistivem
Halbleitermaterial in Draufsicht. 



   Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 ist ein aus einem Halbleitermaterial bestehender Stab 1 vorgesehen, der so schwach dotiert ist, dass er sich praktisch im   eigenleitenden Zustand   befindet und dementsprechend in diesem Zusammenhang als Isolator anzusprechen ist. Durch Diffusion ist der nach oben gerichteten Oberfläche dieses Stabes eine so hohe Leitfähigkeit gegeben, dass sich eine piezoresistive Schicht 2 ergibt, auf welche sich der   piezoresistive Effekt dieser   Anordnung im wesentlichen konzentriert. 



  Diese Schicht 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 piezoresistivem Material keine Sperrschichten entstehen. Zur Erzeugung der piezoresistiven Schicht kann auch ein anderes Verfahren, z. B. ein Legierungsverfahren verwendet werden. 



   Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 dient als Ausgangsmaterial wieder ein schwachdotierter bzw. eigenleitender Halbleiter, der praktisch als Isolator wirkt. Einer an seiner Oberfläche liegenden dünnen Schicht 5   ist 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 Stabes 4 so herumgezogen, dass die Schicht im Querschnitt die Gestalt eines U besitzt, zwischen dessen Schenkeln das schwach dotierte bzw. eigenleitende Halbleitermaterial liegt. Diese Ausführungsform ist besonders 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. Auch bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist die piezoresistive Schicht mit Kontakten 6 versehen. 



   In der 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 als Isolator wirkenden Halbleiterstabes 10 befestigt ist. Dieser Halbleiterstab 10 weist an seiner Oberfläche zwei piezoresistive Schichten 11 und 12 auf und ist einseitig starr eingespannt. Bei der Auslenkung der Membran 7 wird somit der Stab 10 in Richtung der eingezeichneten Pfeile gebogen. Es findet also eine Umsetzung von auf die Membran 7 auftreffenden Schallschwingungen in entsprechende Verbiegungen des Stabes 9 statt, wobei die Schichten 11 und 12 gedehnt bzw. gestaucht werden. Wie ersichtlich, ist hiezu eine Kraftkomponente erforderlich, welche in senkrechter Richtung auf die Schicht 11 bzw. 12 wirkt. 



   Eine Anordnung mit zwei Schichten, wie sie beispielsweise in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt ist, eignet sich besonders dazu, mit einer elektrischen Brückenschaltung zusammengeschaltet zu werden. 



   Es sei noch darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich auch möglich ist, bei dem Aufbau gemäss Fig. 3 beispielsweise die in Fig. 1 dargestellte Struktur einzusetzen, d. h. einen Stab mit nur einer piezoresistiven 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 eine Stromquelle anschliesst. Durch Widerstandsänderung in der Schicht wird dann der von der Stromquelle gelieferte Strom entsprechend gesteuert. Bei Verwendung einer Brückenschaltung ist die Stromquelle an die eine Diagonale anzuschlie- ssen, 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 je nach 

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 dem gewählten schaltungstechnischen Aufbau entsprechend anzuschliessen sind. Bei den Fig.   1 - 3   han- delt es sich aus zeichnerischen Gründen um eine überhöhte Darstellungsweise. Für praktisch gut verwend- bare Mikrophone beträgt die Dicke des jeweils dargestellten Stabes etwa 0,5 mm, wobei die Schicht- dicke etwa 0,005 mm ist. 



   Eine gegenüber der stabförmigen Ausbildung der erfindungsgemässen Anordnung andersartige Bauweise ist in Fig. 4 dargestellt. Hiebei handelt es sich um eine Halbleiterscheibe 16, die zu ihren beiden Seiten   dünne piezoresistive Schichten 17 und 18 besitzt. Die Scheibe   16 mit den beiden Schichten 17 und 18 ist an ihrem Rand gehalten, u. zw. zweckmässig frei drehbar eingespannt. Die Schichten 17 und 18 sind wie bei den vorher behandelten Ausführungsbeispielen mit Kontakten 19 versehen. Die Anordnung kann selbst als schallaufnehmende Membran verwendet werden, wobei infolge Durchbiegung der Membran eine ent- sprechende Stauchung bzw. Streckung der Schichten 17 und 18 erfolgt, die, wie vorher beschrieben, in elektrische Wechselspannungen umsetzbar sind. 



   Es ist nicht erforderlich, dass die piezoresistiven Schichten die Scheibe voll bedecken. Wie Fig. 5 zeigt, kann man die Schichten auch streifenförmig ausbilden, wobei man zwecks Erzielung einer grösst- möglichen Deformation bei einer runden Membran den Streifen diametral legt. Bei der in Fig. 5 darge- stellten runden Membran 20 besitzt der Streifen 21 an seinen beiden Enden die Kontakte 22. 



    PATENTANSPRÜCHE :    
1. Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische mittels eines gestreckten Körpers aus piezoresistivem Halbleitermaterial, welcher durch von den mechanischen Schwingungen abgeleitete Kräfte gebogen wird, gekennzeichnet durch die Verwendung eines schwach dotierten oder eigenleitenden Halbleiters, von dem einer an seiner Oberfläche liegenden dünnen Schicht, z. B. durch Diffusion, eine so hohe Leitfähigkeit gegeben ist, dass sich der piezoresistive Effekt in seiner Auswirkung im wesentlichen auf diese Schicht konzentriert.

Claims (1)

1. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleitermaterial ein organischer Halbleiter verwendet ist.

   3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleitermaterial eine A -B - Verbindung verwendet ist.

   4. Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoresistive Schicht mit Kontakten zum Anschluss elektrischer Leitungen versehen ist.

   5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je eine piezoresistive Schicht zu beiden Seiten des gestreckten Körpers angebracht ist.

   6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine stabförmige Ausbildung des gestreckten Körpers mit der bzw. den piezoresistiven Schichten.

   7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoresistive Schicht um ein Ende des Stabes herumgezogen ist und daher im Querschnitt die Gestalt eines U annimmt, zwischen dessen Schenkeln der schwach dotierte bzw. eigenleitende Teil des Halbleiters liegt.

   8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schichten in entsprechender Zweigen einer elektrischen Brückenschaltung liegen.

   9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab zumindest an seinem einen Ende mechanisch mit einer schallaufnehmenden Membran verbunden ist.

   10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine scheibenförmige Ausbildung des gestreckten Körpers aus Halbleitermaterial mit der bzw. den piezoresistiven Schichten.

   11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe eine schallaufnehmende Membran bildet.

   12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine piezoresistive Schicht als diametraler Streifen ausgebildet ist.

   13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil einer piezoresistiven Schicht durch entsprechende Dotierung als verstärkendes Element mit den zugehörigen Anschlüssen ausgebildet ist.

   14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass einer piezoresistiven Schicht ein Transistor auflegiert ist.

   15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoresistiven Schicht bzw. den piezoresistiven Schichten durch entsprechende Dotierung eine solche Leitfä- <Desc/Clms Page number 4> higkeit gegeben ist, dass sie daran angeschlossenen elektrischenorganen, insbesondere Verstärkern, angepasst sind.