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Druckelektrischer Wandler, insbesondere Mikrophon
Neuerdings sind druckabhängige Halbleiteranordnungen bekanntgeworden, die sich zur Umwandlung mechanischer Drücke oder Bewegungen in eine analoge elektrogalvanische Grösse eignen. Eine derartige Transistoranordnung ist in dem Aufsatz" Highly-Sensitive Microphone Uses Transistors as Base" in Bell Laboraties Record, Dezember 1962, S. 418 und 419, und eine derartige Diodenanordnung in dem Auf- satz"Piezo-Funcions : Elements of a New Class of Semiconductor Devices" aus Proceedings of the Ire, Oktober 1962, s. 2106, beschrieben.
Diese Wandler besitzen einen einen pn-Übergang enthaltenden Halbleiter, auf den mit Hilfe eines Steuerorgans, beispielsweise einer Membran, über ein in punktartiger Berührung mit der Oberfläche des Halbleiters stehendes Druckelement, beispielsweise einer Saphirspitze, ein Druck ausgeübt wird.
Bei den bisher bekannt gewordenen druckelektrischen Wandlern dieser Art handelt es sich um Versuchsaufbauten, die für die praktische Anwendung, insbesondere die Massenfertigung, nicht recht geeignet sind. Es besteht bei einer wirtschaftlichen Verwertung des vorgenannten Wandlerprinzips das Problem, den Zusammenbau eines derartigen Wandlers möglichst einfach zu gestalten.
Dieses Problem ist durch die Erfindung dadurch gelöst, dass das Druckelement mit dem Halbleiter über eine seinen Angriffspunkt am Halbleiter bestimmende und das Druckelement führende elastische Befestigung zu einer in den das Steuerorgan tragenden Wandler einsetzbaren Baueinheit zusammengefasst ist.
Bei den bisher bekannten Anordnungen ist der Saphir fest mit dem Steuerorgan, beispielsweise einer Membran, verbunden. Das Justieren der Spitze - sie muss bekanntlich an einer ganz bestimmten Stelle auf den Halbleiter aufgesetzt werden - erfolgt beim Zusammenbau des Wandlers. Dies bereitet insofern Schwierigkeiten, als die Justierung im allgemeinen auf dem optischen Wege erfolgt und deshalb bei einem elektroakustischen Wandler für den Justiervorgang Öffnungen im Gehäuse vorgesehen werden müssten, die aus akustischen Gründen nachträglich wieder verschlossen werden müssten. Durch die Erfindung. wird der Justiervorgang unmittelbar dem Halbleiterelement zugeordnet. Man bekommt dadurch ein selbständiges Bauelement, das ohne Justierung in die grössere mechanische Einheit, die das Steuerorgan enthält, eingebracht werden kann.
Es ist weiterhin ein Wandler zur Umsetzung mechanischer Grössen in elektrische Grössen bekannt, bei dem auf den pn-Übergang eines Halbleiters über ein Erregermittel eine Zug- bzw. eine Druckbeanspruchung ausgeübt wird. Bei dieser Anordnung ist eine Erregerplatte grossflächig mit einer der Zonen des Halbleiterkörpers verlötet. Auf diese Weise ist zwischen der Erregerplatte und dem Halbleiterkörper eine starre Verbindung geschaffen worden, die geeignet ist, sowohl Druck- als auch Zugbeanspruchungen zu übertragen. Von einer derartigen Anordnung kann jedoch bei Wandlertypen, wie sie der Erfindung zugrunde liegen, bei denen von einem Druckelement Gebrauch gemacht wird, das mit der Oberfläche des Halbleiters in punktförmiger Berührung steht, kein Gebrauch gemacht werden.
Die druckabhängige Halbleiteranordnung ist geeignet, mechanische Drücke in eine analoge elektrogalvanische Grösse umzusetzen. Sollen mechanische Bewegungen umgesetzt werden, dann darf die Anregung der Saphirspitze nicht starr erfolgen, sondern es muss ein Federglied als Zwischenelement vorgese-
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hen werden.
Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an Hand von acht Figuren näher erläutert.
Fig. l zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Mikrophon, die Fig. 2-5 veranschaulichen das erfindungsgemässe Konstruktionselement mit einer Blattfeder als Halterung für die Saphirspitze, in Fig. 6 ist eine Saphirkugel auf einem Halbleiter federnd angeordnet, in Fig. 7 wird eine vorteilhafte Befestigungsart der erfindungsgemässen Einheit wiedergegeben und in Fig. 8 das Prinzip eines dynamoelektrischen Wandlers gezeigt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Mikrophon ist in bekannter Weise innerhalb eines Gehäuses 1 ein mit akustisch wirksamen Durchbrüchen 2 versehener Haltekörper 3 für eine Membran 4 vorgesehen. Die Membran besitzt hiebei ein Zentrum einer halbkugelförmigen Ausbuchtung 5, ähnlich der Membran bekannter Kohlemikrophone. Der Haltekörper 3 hat einen zylindrischen Teil 6, in dem ein Gewinde eingeschnitten ist. In diesen Teil ist der in den Fig. 2-5 vergrössert dargestellte mechanische Bauteil 7 einschraubbat. Dieser Bauteil besteht aus dem druckabhängigen Halbleiter 8, dem Träger 9 des Halbleiters, der Haltefeder 10 und dem Saphir 11. Der Saphir ist also nicht, wie bei den bekannten Anordnungen, an der Membran befestigt, sondern mittels der Haltefeder am Träger des Halbleiters und bildet mit diesem eine mechanische Einheit.
Beim Zusammenbau des elektroakustischen Wandlers wird nach vorherigem Justieren der Saphirspitze der mechanische Bauteil so weit in den zylindrischen Teil 6 des Haltekörpers eingeschraubt, bis der Saphir die Membran berührt. Die optimale mechanische Druckvorspannung kann einfach auf akustischem Wege herausgefunden werden, wenn der Halbleiter in bekannter Weise in eine Schaltung gefügt wird, die einen Hörer oder ein Messinstrument enthält. Beim Einschrauben des Bauteils 7 verändert sich dann, wenn der Saphir die gleichmässig beschallte Membran berührt, die hörbar oder sichtbar gemachte elektrogalvanische Grösse und es kann das Optimum eingestellt werden. Der Raum unterhalb der mechanischen Einheit 7 eignet sich besonders gut für elektrische Schaltungselemente, die die Halbleiteranordnung zu der gewünschten Schaltung ergänzen.
In den Fig. 2 und 3 ist die mechanische Einheit 7 der Fig. 1 in vergrössertem Massstab dargestellt, u. zw. in Fig. 2 im Aufriss und in Fig. 3 im Grundriss. Die Haltefeder 10 ist als Blattfeder ausgebildet, trägt in der Mitte den Saphir und ist an den Enden jeweils mittels einer Schraube 12 und 13 am Haltekörper 9 befestigt. Die Blattfeder besitzt an dem einen Ende einen schlitzförmigen Durchbruch 14 und kann dadurch vor dem Fixieren der Schraube 13 noch in einem gewissen Rahmen bewegt werden.
Hiedurch wird das Justieren der Saphirspitze erleichtert. Diese kann unter dem Mikroskop an der geeigneten Stelle aufgesetzt und dann mittels der Schrauben 12 und 13 fixiert werden. Die Bohrungen 15 und 16 auf der Unterseite des Trägers 9 sind als Eingriffslöcher für einen Schlüssel zum Einschrauben der mechanischen Einheit 7 in den Haltekörper 6 (vgl. Fig. 1) für das Steuerorgan gedacht. In der Regel wird die Haltefeder nur dazu dienen, die justierte Saphirspitze in der richtigen Lage zu halten. Es kann durch sie aber auch bereits die geeignete Druckvorspannung bewirkt werden.
In den Fig. 4 und 5 ist die erfindungsgemässe mechanische Einheit mit einer einseitig eingespannten Haltefeder 17 gezeigt. Im übrigen stimmt der Aufbau mit dem zu den Fig. 2 und 3 erläuterten Aufbau überein.
Bei der erfindungsgemässen mechanischen Einheit der Fig. 6 dient als Befestigungsmittel des Saphirs ein im erhärteten Zustand elastischer Kleber 18. Es ist hier einfach eine Saphirkugel 19 von geeignetem Durchmesser auf die geeignete Stelle des Halbleiters 20 aufgesetzt und angeklebt. Als geeignete Stelle erweist sich hiebei der pn-Übergang des Halbleiters. Bei dem Ausführungsbeispiel, das einen Transistor vom sogenannten Planartyp darstellt, ist dies der pn-Übergang zwischen der Emitterelektrode 21 und der Basiselektrode 22. Der Halbleiter 20 ist auf dem Sockel 23 aufgeklebt, der beispielsweise ähnlich wie der Träger 9 der Fig. l in ein Wandlergehäuse gebracht werden kann. Hiebei muss dann das Steuerorgan, in diesem Falle die Membran, mit der Saphirkugel in Berührung gebracht werden.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 dient als Haltefeder für den Saphir 11 die topfförmige Abdeckkappe 24 des Halbleiters. Das Halbleitermaterial ist, in den Zeichnungen nicht sichtbar, auf den Sockel 25 des Halbleiters aufgebracht. Auch bei dieser Art der Befestigung des Saphirs erfolgt das Justieren in der angestrebten einfachen Weise, wenn beispielsweise seitlich in der Abdeckkappe zunächst Öffnungen vorgesehen werden, die eine mikroskopische Beobachtung erlauben und das Halbleiterplättchen auf dem Sockel zunächst noch verschiebbar ist und erst nach dem Justieren beispielsweise mittels eines Klebers fixiert wird. Die Öffnungen in der Abdeckkappe können nachträglich ohne Schwierigkeiten wieder verschlossen werden, so dass der Piezo-Transistor einschliesslich Saphir ein geschlossenes Bauelement
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bildet.
Im vorliegenden Fall ist dieses Bauelement in ein Gehäuse 26 gebracht, in dem sich ein Silikonfett 27 befindet, und wird mittels einer weichen Druckfeder 28 an der Stelle, an der der Saphir an der Abdeckkappe befestigt ist, gegen einen Stempel 29 gedrückt, der eine Ankopplung an das Steuerorgan, hier an eine Membran 30, herstellt. Die Durchführung des Stempels durch das Gehäuse ist mittels einer Manschette 31 abgedichtet.
Die Druckfeder 28 hat die Aufgabe, den Piezo-Transistor mit einer gleichbleibenden Vorspannung gegen den Stempel 29 zu drücken. Da hiedurch ein Masse-Feder-System entsteht, ist, um Eigenschwingungen zu vermeiden, als Reibung das Fett im Gehäuse vorgesehen. Als besonders geeignet erweist sich ein Silikonfett, dessen Viskosität mit der Geschwindigkeit wächst. Das hat zur Folge, dass langsame Form- änderungen, Druckschwankungen usw. ausgeglichen werden und das System schnellen Schwankungen, wie Schallschwingungen, nicht folgen kann. Ausserdem bietet die Einlagerung des Piezo-Transistors in ein Fett noch den Vorteil eines Feuchtigkeitsschutzes.
Die Saphirspitze darf beim Aussteuern des Halbleiters nur innerhalb einer kleinen Strecke bewegt werden. Die Anordnung eignet sich somit nicht unmittelbar zur Umwandlung von Bewegungen in der Grössenordnung von mm in eine analoge elektrogalvanische Grösse. Zu diesem Zweck ist vielmehr noch ein Transformationsglied zwischen dem Steuerorgan und dem Saphir einzufügen, das die Bewegung in einen Druck umwandelt. Als derartiges Transformationsglied eignet sich eine geeignet bemessene Feder. In Fig. 8 ist ein dynamoelektrischer Wandler dargestellt, bei dem zwischen dem Steuerorgan 32 und dem Saphir 11 eine Feder 33 gefügt ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Druckelektrischer Wandler, insbesondere Mikrophon mit einem einen pn-Übergang enthaltenden Halbleiter, auf den mit Hilfe eines Steuerorgans, beispielsweise einer Membran, über ein in punktartiger Berührung mit der Oberfläche des Halbleiters stehendes Druckelement, beispielsweise eine Saphirspitze, ein Druck ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckelement (11, 19) mit dem Halbleiter (8) über eine seinen Angriffspunkt am Halbleiter (8) bestimmende und das Druckelement (11, 19) führende elastische Befestigung (10, 17, 18, 24) zu einer in ein das Steuerorgan (4) tragendes Wandlerge-
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