DE1175746B - Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 04 m

Deutsche Kl.: 21 a2- 5/01

Nummer: 1175 746

Aktenzeichen: S 69642 VIII a / 21 a2

Anmeldetag: 28.JuIi 1960

Auslegetag: 13. August 1964

Bei der Umwandlung einer mechanischen Auslenkung in ein elektrisches Signal ist es bekannt, den Piezoeffekt eines Seignettekristalls auszunutzen. Derartige Systeme haben bei der Anwendung als Tonabnehmer Nachteile. Sie stellen ein hochohmiges Bauelement dar und sind demnach zum Betrieb mit Transistoren ungeeignet. Der kapazitive Charakter verleiht ihnen einen Frequenzgang, der oft störend empfunden wird. Die Leistungsabgabe ist gering, da die gesamte abzugebende Leistung mechanisch erzeugt werden muß. Sehr störend ist auch die hohe Feuchteempfindlichkeit der Seignettekristalle. Diese Nachteile haben derartige Anordnungen zur Umwandlung von mechanischen Schwingungen in elektrische als Mikrophone keine Bedeutung zukommen lassen.

Weiterhin sind Anordnungen zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische bekanntgeworden, welche auf dem Piezoeffekt in Halbleitern beruhen. So ist es beispielsweise bekannt, zwei elekirisch in Reihe geschaltete Halbleiterstäbchen durch Hebelübersetzung der auf eine Mikrophonmembran einwirkenden Schallenergie zu unterwerfen. Als Halbleitermaterial findet dabei Material mit abwechselnder Dotierung Verwendung, d.h. besteht das erste Stäbchen beispielsweise aus η-Germanium, so besteht das zweite Stäbchen aus p-Germanium. Das Vorzeichen des hierbei ausgenutzten piezoresistiven Effektes ist für verschiedene Dotierungen des Halbleitermaterials (n- bzw. p-Dotierung) von der Art der mechanischen Belastung — Zug- oder Druckbelastung — abhängig. Unterwirft man also beispielsweise das p-leitende Stäbchen einer Zugbelastung und das η-leitende Stäbchen einer Druckbelastung, so verläuft der piezoresistive Effekt in bezug auf das Vorzeichen gleichsinnig. Jedoch ist der Betrag der Widerstandsänderung stark von der Dotierungsart (p- bzw. n-Dotierung) abhängig. Allgemein ist der Betrag der Widerstandsänderungen bei p-leitenden Materialien klein gegen die Änderungen bei η-leitenden Materialien. Das bedeutet, daß in den Halbleiterstäbchen unterschiedliche Änderungen des Widerstandes erreicht werden. Der Wirkungsgrad derartiger Anordnungen ist daher beschränkt.

Weiterhin ist es bekannt, Transistoren, bei denen der Emitterkontakt als Druckkontakt ausgebildet ist, zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische zu verwenden. Dabei tritt jedoch der Nachteil auf, daß solche Anordnungen hochempfindlich gegen Überbelastungen sind, da der Druckkontakt bei zu hohen mechanischen Belastungen das Halbleitersystem zerstören kann.

Anordnung zur Umwandlung mechanischer
Schwingungen in elektrische

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,.

München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Dr. Manfred Zerbst,
Dipl.-Phys. Dr. Karl Gürs, München

Gemäß vorliegender Erfindung wird zur Vermeidung dieser Nachteile eine Anordnung zur Umwandlung mechanischer, insbesondere akustischer Schwingungen in elektrische angegeben mittels eines mit sperrschichtfreien Kontakten versehenen plättchen- bzw. streifenförmigen und aus einem bei Zug bzw. Druck seine spezifische Störstellenleitfähigkeit ändernden dotierten Halbleitermaterial bestehenden Halbleiterwiderstandes, bei der der Halbleiterwiderstand mit einer in Schwingungen zu versetzenden Membran mechanisch verbunden ist, so daß das Halbleitermaterial den Schwingungen der Membran entsprechend Zug- bzw. Druckspannung erfährt, mit dem Kennzeichen, daß der zwischen seinen Kontakten (6, 7) liegende Halbleiterwiderstand (4) direkt auf der Biegeschwingungen ausführenden Membran (1) und parallel zu ihr, beispielsweise mittels einer Kunstharzschicht (5) befestigt ist.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß, beispielsweise bei Überschußleitung aufweisendem Silizium, die Leitfähigkeit in dem Halbleitermaterial abhängig von der mechanischen Spannung ist. Dieser Effekt ist besonders stark in bestimmten Richtungen des Einkristalls, bei η-leitendem Silizium in der 100-Kristallrichtung und bei Uberschußleitung aufweisendem Germanium in der 111-Kristallrichtung. Er führt zu einer relativen Widerstandsänderung, die das 15Of ache der relativen Längenänderung betragen kann. Als Halbleitermaterial zur Fertigung der Anordnung gemäß der Erfindung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische sind im Prinzip sämtliche Halbleitermaterialien, wie sie

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in der Halbleitertechnik, beispielsweise durch Herstellung von Transistoren bekanntgeworden sind, verwendbar. Doch sind die zuvor erwähnten Materialien besonders geeignet, es sind Materialien mit sogenannter »Many-valley«-Bandstruktur.

Nach dem einfachen Bändermodell ist die Energie eines Ladungsträgers am Bandrand proportional dem Quadrat der Wellenzahl k. Dies bedeutet, daß z. B. das Energieminimum des Leitungsbandes bei den Wellenzahlwerten k — 0 liegt. Diese Halbleiter weisen nur eine geringe Abhängigkeit des Widerstandes von mechanischen Spannungen auf.

Bei mehreren Halbleitern, zu denen beispielsweise Germanium und Silizium gehören, zeigte sich jedoch eine weit größere Abhängigkeit der Leitfähigkeit von mechanischen Spannungen, als es nach dem einf achen Bändermodell zu erwarten ist. Genauere Untersuchungen haben ergeben, daß diese Effekte auf einer weit komplizierteren Struktur, im allgemeinen einer anisotropen, z. B. der sogenannten »Many-valley«- Bandstruktur des Leitungsbandes beruhen, und zwar liegt bei diesen Halbleitern nicht eine einfache quadratische Abhängigkeit der Energie der Ladungsträger von der Wellenzahl vor. Zudem liegen die Minima der Energie der Ladungsträger bei Wellenzahlwerten, bei denen k nicht gleich Null ist.

Bei Überschußleitung aufweisendem Silizium ergeben sich vier Energieminima in den Kristallrichtungen 100 und bei Überschußleitung aufweisendem Germanium sechs Minima in den Kristallrichtungen 111. Bei mechanischen Spannungen ändern sich daher die Belastungsdichten der verschiedenen Energieminima sehr stark, so daß eine entsprechend starke Anisotropie und Druckabhängigkeit der Leitfähigkeit auftritt.

Diese oben dargelegten Eigenschaften werden gemäß vorliegender Erfindung zur Konstruktion einer Anordnung zur Umwandlung von Schall und Ultraschall in elektrische Schwingungen ausgenutzt. Es sind geringe Kräfte zum Biegen eines derartigen Stäbchens notwendig.

Die Erfindung wird an Hand eines als Ausführungsbeispiel (Fig. 1 und 2) zu wertenden Prinzipbildes näher erläutert. Eine Schallmembran 1 besitzt die festen Einspannungen 2 und 3. Auf der Unterseite der Membran ist das Halbleiterplättchen 4, beispielsweise über eine Kunstharzschicht 5 befestigt. Die Stromversorgung erfolgt über die Kontaktfahnen 6 und 7.

Die Kontaktierung des Halbleitermaterials erfolgt beispielsweise mit Silber oder Gold, denen zur Gewährung der Sperrschichtfreiheit entsprechende Dotierungszusätze zugegeben sein können.

Wird eine Gleichspannung an die Elektroden 6 und 7 gelegt, so ergibt sich bei einer Biegung der Membran 1 bzw. des Halbleiterplättchens 4 eine Widerstandsänderung in dem Halbleiterplättchen und damit eine proportionale Spannungsänderung.

Aus dem in F i g. 2 dargestellten elektrischen Ersatzschaltbild sind die an dem Halbleiterstäbchen auftretenden Verhältnisse erkennbar.

Das Halbleiterstäbchen, von einer Gleichspannungsquelle U_B über einen äußeren Widerstand R_a gespeist, besitzt den Widerstand R.

Bei einer Schwingung des Systems ergeben sich in dem Halbleiterplättchen Widerstandsänderungen von +AR und dementsprechend eine an den Klemmen 8 und 9 abgreifbare Spannungsänderung Δ U.

Die Größe dieser Spannung Λ U ist gegeben durch

Das Bauelement gemäß der Erfindung kann sehr niederohmig ausgeführt werden, da die Dotierung ohne Güteminderung in weiteren Grenzen variiert werden kann, bei Silizium beispielsweise von 10¹² bis 1O^1S Donatoren, d. h. etwa zwischen 10 000 bis 0,1 Ohmcm.

Zur Anpassung an einen nachfolgenden Transistorverstärker kann das Halbleitermaterial durch entsprechende Dotierung hohe Leitfähigkeit, beispielsweise eine dem spezifischen Widerstand von 1 Ohmcm entsprechende, aufweisen, so daß der Widerstand der Anordnung selbst klein, beispielsweise 100 Ohm ist.

Zur Anpassung an einen Röhrenverstärker kann das Halbleitermaterial durch entsprechende Dotierung geringe Leitfähigkeit, beispielsweise eine dem spezifischen Widerstand von 1000 Ohmcm entsprechende, aufweisen, so daß der Widerstand der Anordnung selbst groß, beispielsweise 100 kOhm ist.

Die mechanische Leistung wird nur zur Steuerung der einer Gleichspannungsquelle entnommenen Leistung verwendet. Der Effekt ist im für die akustische (Schall und Ultraschall) Widergabe notwendigen Frequenzbereich unabhängig von der Frequenz.

Das Bauelement weist verschwindende Feuchteempfindlichkeit auf, es ist billig herzustellen und weist trotzdem hohe Tonqualität auf. Bei der Fertigung des Materials ist darauf zu achten, daß die Oberfläche des Halbleitermaterials frei von Kerben, Rissen od. dgl. gemacht ist.

In besonderer Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, daß ein insbesondere in der Nähe des Kontaktanschlusses befindliche Teil des Halbleiterplättchens durch entsprechende Dotierung als Verstärker ausgebildet wird. Ebenso ist es möglich, auf dem Halbleiterplättchen das System eines Transistors aufzulegieren, der dann als erste Verstärkerstufe dienen kann.

Zweckmäßigerweise ist die erfindungsgemäße Anordnung mittels einer Brückenschaltung an die Gleichstromversorgung angeschlossen, so daß eine galvanische Kopplung zur nachfolgenden Verstärkerstufe ermöglicht wird.

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Umwandlung mechanischer, insbesondere akustischer Schwingungen in elektrische mittels eines mit sperrschichtfreien Kontakten versehenen, plättchen- bzw. streifenförmigen und aus einem dotierten Halbleitermaterial, das bei Zug bzw. Druck seine spezifische Störstellenleitfähigkeit ändert, bestehenden Halbleiterwiderstandes, bei der der Halbleiterwiderstand mit einer in Schwingungen zu versetzenden. Membran mechanisch verbunden ist, so daß das Halbleitermaterial den Schwingungen der Membran entsprechend Zug- bzw. Druckspannungen erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen seinen Kontakten (6,7) liegende Halbleiterwiderstand (4) direkt auf der Biegeschwingungen ausführenden Membran (1) und parallel zu ihr, beispielsweise mittels einer Kunstharzschicht(5), befestigt ist (Fig. 1).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleitermaterial mit anisotroper, z.B. sogenannter »Many-valley«-Bandstruktur Verwendung findet.

3. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterplättchen so geschnitten ist, daß die Kristallrichtung, in der die Minima des Leitungsbandes bzw. Maxima des Valenzbandes liegen, senkrecht zu der Richtung, in der die Kraftwirkung erfolgt, steht.

4. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterstreifen so geschnitten ist, daß seine Längsrichtung der Kristallrichtung entspricht, in der große Anisotropie vorliegt, d. h. zum Beispiel die Minima des Leitungsbandes bzw. Maxima des Valenzbandes liegen.

5. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einkristallines Germanium bzw. Silizium mit Uberschußleitung Verwendung findet.

6. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Germanium die 111-Kristallrichtung senkrecht zur Richtung, in der die Kraftwirkung erfolgt, steht.

7. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Silizium die 100-Kristallrichtung senkrecht zur Richtung, in der die Kraftwirkung erfolgt, steht.

8. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Materials frei von Kerben, Rissen od. dgl. ist.

9. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kontaktmaterial Gold, vorzugsweise mit die Sperrschichtfreiheit gewährenden Dotierungszusätzen, Verwendung findet.

10. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kontaktmaterial Silber, vorzugsweise mit die Sperrschichtfreiheit gewährenden Dotierungszusätzen, Verwendung findet.

11. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial zur Anpassung an einen nachfolgenden Transistorverstärker durch entsprechende Wahl der Dotierung hohe Leitfähigkeit, beispielsweise eine dem spezifischen Widerstand von 1 Ohmcm entsprechende, aufweist, so daß der Widerstand der Anordnung selbst klein, beispielsweise 100 Ohm ist.

12. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial zur Anpassung an einen nachfolgenden Röhrenverstärker durch entsprechende Wahl der Dotierung geringe Leitfähigkeit, beispielsweise eine dem spezifischen Widerstand von 1000 Ohmcm entsprechende, aufweist, so daß der Widerstand der Anordnung selbst groß, beispielsweise 100 kOhm ist.

13. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Halbleiterplättchens, insbesondere der in der Nähe der Kontaktstelle, durch entsprechende Dotierung als verstärkendes Element ausgebildet ist.

14. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleiterstäbchen ein Transistor auflegiert ist, der die erste Verstärkerstufe bildet.

15. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterplättchen in einer Brückenschaltung an die Gleichstromversorgung angeschlossen ist, die eine galvanische Kopplung zur nachfolgenden Verstärkerstufe ermöglicht.

16. Verwendung der Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15 als Mikrophon.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 885 446, 815 493;
USA.-Patentschriften Nr. 2 497 770, 2 905 771,
866 014, 2 929 885.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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