DE1176211B - Arrangement for generating, transmitting, filtering and / or amplifying electrical vibrations - Google Patents
Arrangement for generating, transmitting, filtering and / or amplifying electrical vibrationsInfo
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Description
Anordnung zur Erzeugung, Übertragung, Filterung und/oder Verstärkung elektrischer Schwingungen Es ist bekannt, daß der piezoelektrische Effekt in Übertragungsgliedern vorteilhaft angewendet werden kann, z. B. zur Ausfilterung bestimmter Frequenzbänder. Verwendet werden dabei die in F i g. 1 schematisch dargestellten keramischen Filter, die aus einem piezoelektrischen Grundkörper 1 und zwei oder mehr leitenden Belägen 2 bestehen. Unter dem Einfluß eines zwischen den Belägen 2 aufrechterhaltenen elektrischen Wechselfeldes wird der keramische Grundkörper 1 zu Schwingungen, beispielsweise in den Pfeilrichtungen, angeregt, die im Falle der Resonanz ihre größte Amplitude erreichen. Die Resonanzfrequenz ist dabei durch die mechanischen Eigenschaften des Grundkörpers, insbesondere durch den Elastizitätsmodul des keramischen Materials, sowie durch die Abmessungen des Grundkörpers bestimmt; durch geeignete Wahl der geometrischen Abmessungen ist es möglich, die Resonanzfrequenz innerhalb eines weiten Frequenzbereiches zu wählen und festzulegen. Der Nachteil dieser Anordnung bei Anwendung von Keramikkörpern ist der hohe Temperaturkoeffizient des keramischen Materials und die dadurch bedingte starke Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz.Arrangement for generation, transmission, filtering and / or amplification electrical vibrations It is known that the piezoelectric effect in transmission links can be used advantageously, e.g. B. to filter out certain frequency bands. The ones shown in FIG. 1 ceramic filter shown schematically, that consists of a piezoelectric base body 1 and two or more conductive coatings 2 exist. Under the influence of an electric maintained between the pads 2 With the alternating field, the ceramic base body 1 becomes vibrations, for example in the directions of the arrows, excited, which in the case of resonance has its greatest amplitude reach. The resonance frequency is determined by the mechanical properties of the Base body, in particular due to the modulus of elasticity of the ceramic material, as well as determined by the dimensions of the base body; by suitable choice of geometric dimensions it is possible to set the resonance frequency within a wide To select and define the frequency range. The disadvantage of this arrangement in use of ceramic bodies is the high temperature coefficient of the ceramic material and the resulting strong temperature dependence of the resonance frequency.
Eine Verbesserung in der Frequenzkonstanz wird erhalten, wenn elektromechanische Filter benutzt werden. Wie in F i g. 2 gezeigt, wird hierbei ein metallischer Grundkörper 21 mit nur wenig von der Temperatur abhängigen mechanischen Eigenschaften als Schwingkörper verwendet, an dessen Enden kleine piezoelektrische Keramikscheiben 22 mit aufgebrachten Metallbelägen 23 sitzen; eine an die Metallbeläge 23 angelegte Eingangswechselspannung bringt die Keramikscheiben 22 zum Schwingen. Diese Schwingungen übertragen sich auf den metallischen Grundkörper 21, der auf diese Weise zu Resonanzschwingungen angeregt wird. Die Resonanzfrequenz ist in diesem Fall durch die mechanischen Eigenschaften des Schwingkörpers 21 und seine Dimensionen festgelegt, der seinerseits die an anderer Stelle angebrachten piezoelektrischen Keramikscheiben 24 in Schwingungen versetzt, so daß diese über die Kontakte 25 eine Ausgangsspannung liefern. Das Grundprinzip bei derartigen Filter- und Wandlertypen beruht darauf, daß man die hohe Güte eines mechanischen Resonanzkreises auszunutzen versucht, man wandelt daher die elektrische Energie in mechanische um und wandelt dann die mechanische frequenzstabilisierte Schwingung wieder über einen zweiten Wandler in elektrische Schwingungen zurück.An improvement in the frequency constancy is obtained when electromechanical Filters can be used. As in Fig. 2, a metallic base body is shown here 21 with only little temperature-dependent mechanical properties as an oscillating body used, at the ends of which small piezoelectric ceramic disks 22 are also applied Metal coverings 23 sit; an AC input voltage applied to the metal pads 23 causes the ceramic disks 22 to vibrate. These vibrations are transmitted on the metallic base body 21, which in this way causes resonance vibrations is stimulated. The resonance frequency in this case is due to the mechanical properties of the oscillating body 21 and its dimensions set, which in turn those of others Place attached piezoelectric ceramic disks 24 vibrated, so that they supply an output voltage via the contacts 25. The basic principle with such filter and converter types is based on the fact that you have the high quality of a tries to exploit the mechanical resonance circuit, so one converts the electrical one Energy converts into mechanical and then converts the mechanical frequency-stabilized Oscillation back into electrical oscillations via a second converter.
Verwendet man wie üblich als zweiten Wandler ein piezoelektrisches System, so kann der elektrische Ausgangskreis über dieses aktive Element auf den mechanischen Schwingungskörper und den Eingangskreis zurückwirken.As usual, a piezoelectric transducer is used as the second transducer System, the electrical output circuit can be accessed via this active element mechanical oscillating body and the input circuit react.
Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, den Piezowiderstandseffekt von Halbleitermaterial für elektromechanische Wandler auszunutzen.The present invention is based on the knowledge, the piezoresistance effect of semiconductor material for electromechanical converters.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung, Übertragung, Filterung und/oder Verstärkung elektrischer Schwingungen unter Verwendung eines piezoelektrischen Körpers, der mit Metallbelegungen so versehen ist, daß er mechanische Schwingungen auszuführen in der Lage ist, sie ist dadurch gekennzeichnet, daß sich an den piezoelektrischen Körper ein piezoresistiver Halbleiterkörper anschließt, daß über Kontakte dem Halbleiterkörper ein Gleichstrom eingeprägt ist, so daß die durch die mechanischen Resonanzschwingungen bedingten Widerstandsänderungen in dem Halbleiterkörper zu entsprechenden Spannungsschwankungen am Halbleiterkörper führen. Der große Vorteil, den die vorliegende Erfindung besitzt, besteht darin, daß die obengenannte Rückwirkung vermieden wird, weil der den Piezowiderstandseffekt eines Halbleiters ausnützende zweite Wandler ein passives Element darstellt.The present invention relates to an arrangement for generating, transmitting, Filtering and / or amplification of electrical vibrations using a piezoelectric body, which is provided with metal coatings so that it is mechanical Is able to carry out vibrations, it is characterized by the fact that a piezoresistive semiconductor body is connected to the piezoelectric body, that a direct current is impressed on the semiconductor body via contacts, so that the Resistance changes in the caused by the mechanical resonance vibrations Semiconductor bodies lead to corresponding voltage fluctuations on the semiconductor body. The great advantage that the present invention has is that the The above-mentioned reaction is avoided because of the piezoresistance effect of a Semiconductor-utilizing second converter represents a passive element.
Durch die besondere Ausgestaltung der Erfindung ist außerdem erreicht, daß als mechanisches Schwingungssystem der Halbleiterkörper selbst verwendet wird.The special embodiment of the invention also achieves that the semiconductor body itself is used as the mechanical vibration system.
Außerdem besteht der große Vorteil bei der Anordnung gemäß der Erfindung, daß der verwendete Halbleiterkörper in seiner mechanischen Güte durchaus den Güteeigenschaften hochwertigen Materials bei mechanischen Filtern, z. B. dem Stahl, entspricht.In addition, there is the great advantage of the arrangement according to the invention, that the used Semiconductor body in its mechanical quality the quality properties of high-quality material in mechanical filters, z. B. the steel corresponds.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die erzielte hohe Güte nicht so sehr von dem verwendeten Halbleitermaterial abhängt, sondern auch mit anderen Halbleitermaterialien in der gleichen Größenordnung erzielt wird und daß dadurch die Wahl des Halbleitermaterials und die entsprechende Dotierung weiteren Bedingungen angepaßt werden kann.Another advantage is that the high quality achieved is not depends so much on the semiconductor material used, but also with others Semiconductor materials in the same order of magnitude is achieved and that thereby the choice of the semiconductor material and the corresponding doping further conditions can be customized.
Insbesondere ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der piezoelektrische Körper aus Keramik, insbesondere aus Bariumtitanat besteht. Besteht der Halbleiterkörper aus einkristallinem Material, beispielsweise aus Silizium, Germanium AIIIB@-- oder AIIB@-I-Verbindungen, so ist der gemäß der Erfindung erzielte Effekt besonders groß. Der Wirkungsgrad der Anordnung wird wesentlich von der Kristallrichtung des Halbleiterkörpers beeinflußt. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Halbleiterkörper Stabform besitzt und seine Längsrichtung mit der Richtung größten Piezoeffektes zusammenfällt. Die Kontakte sind an dem Halbleiterkörper sperrschichtfrei angebracht, an einer oder beiden Stirnflächen des Halbleiterkörpers können sich dann die piezoelektrischen Körper anschließen.In particular, it is provided according to the invention that the piezoelectric Body made of ceramic, in particular made of barium titanate. If the semiconductor body exists of monocrystalline material, for example silicon, germanium AIIIB @ - or AIIB @ -I compounds, the effect achieved according to the invention is particularly great. The efficiency of the arrangement depends essentially on the crystal direction of the semiconductor body influenced. According to a development of the invention it is provided that the semiconductor body Has rod shape and its longitudinal direction with the direction of greatest piezo effect coincides. The contacts are attached to the semiconductor body without a barrier layer, on one or both end faces of the semiconductor body the piezoelectric Connect body.
Es ist im besonderen darauf zu achten, daß der Kontakt zwischen dem piezoelektrischen und dem piezoresistiven Körper so ausgebildet ist, daß die mechanischen Schwingungen von dem piezoelektrischen nach dem piezoresistiven Körper hin übertragbar sind, ohne die mechanische Stabilität der Verbindungsstelle zu zerstören.It is particularly important to ensure that the contact between the piezoelectric and the piezoresistive body is designed so that the mechanical Vibrations can be transmitted from the piezoelectric to the piezoresistive body without destroying the mechanical stability of the connection point.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Kopplung zwischen dem Halbleiterkörper und dem piezoelektrischen Körper möglichst reflexionsfrei und dämpfungsarm ausgeführt ist. Die Arbeitsfrequenz wird durch die Dimensionen, insbesondere durch die Gesamtlänge des Halbleiterstabes festgelegt; der Halbleiterstab wird insbesondere in der Grundwelle angeregt, so daß im wesentlichen nur ein Knotenpunkt vorhanden ist. Bei der dazugehörigen Schaltungsanordnung ist vorgesehen, daß das Eingangssignal an die Kontakte des piezoelektrischen Elementes anzulegen und das Ausgangssignal über den Arbeitswiderstand bzw. Verbraucher am Halbleiterkörper abzunehmen ist. Zweckmäßigerweise sind Ein- und Ausgangskreis durch entsprechende Übertrager galvanisch voneinander getrennt und können somit an Quelle und Verbraucher angepaßt werden. Eine Anpassung des spezifischen Widerstandes des Halbleitermaterials an den angeschlossenen Verbraucher ist außerdem noch durch entsprechend gewählte Dotierung möglich.A development of the invention provides that the coupling between the semiconductor body and the piezoelectric body as reflection-free and as possible is designed to be low-damping. The working frequency is determined by the dimensions, in particular determined by the total length of the semiconductor rod; the semiconductor rod becomes in particular excited in the fundamental wave, so that essentially only one node is present is. The associated circuit arrangement provides that the input signal to apply to the contacts of the piezoelectric element and the output signal is to be removed via the working resistance or consumer on the semiconductor body. Appropriately, the input and output circuits are galvanic through appropriate transformers separated from each other and can thus be adapted to the source and consumer. An adaptation of the specific resistance of the semiconductor material to the connected Consumption is also still possible through appropriately selected doping.
Bei der Anwendung als Filter ergibt sich als weiterer Vorteil, daß durch Änderung des eingeprägten Gleichstromes die Ausgangsspannung geregelt werden kann.When used as a filter, there is a further advantage that the output voltage can be regulated by changing the impressed direct current can.
Da die Ausgangsleistung nicht allein von der Eingangsleistung bestimmt ist und als weitere Energiequelle der eingeprägte Gleichstrom hinzukommt, kann die ganze Anordnung als Verstärker wirken und verwendet werden.Since the output power is not determined solely by the input power and the impressed direct current is added as a further source of energy, the whole arrangement act and be used as an amplifier.
Wird ein Teil der Energie vom Ausgang auf den Eingang in an sich bekannter Weise zurückgeführt, so kann die Anordnung gemäß der Erfindung auch als Oszillator betrieben werden. Es ist möglich, einen sehr einfach aufgebauten, hohe Frequenzkonstanz aufweisenden Oszillator, wie er beispielsweise als Frequenznormal Verwendung findet, herzustellen.Part of the energy from the output to the input is known per se Way returned, the arrangement according to the invention can also be used as an oscillator operate. It is possible to have a very simply structured, high frequency constancy having an oscillator, as it is used, for example, as a frequency standard, to manufacture.
Die Erfindung wird an Hand der in den F i g. 3 bis 7 dargestellten, als Ausführungsbeispiele zu wertenden Schaltschematas und eines Diagramms näher erläutert.The invention is illustrated with reference to the FIGS. 3 to 7 shown, as exemplary embodiments to be evaluated circuit diagrams and a diagram explained.
Eine einfache Ausführungsform als Filter ist in F i g. 3 dargestellt. Der Halbleiterkörper 31, der aus piezoresistivem Material hergestellt ist, trägt an seiner Stirnseite das piezoelektrische System 32. 31 und 32 bilden den mechanischen Schwingkörper. Das Eingangssignal wird über die Kontakte 33 und 34 dem piezoelektrischen System zugeführt und kann über die Kontakte 34 und 35 an dem piezoresistiven Material abgenommen werden.A simple embodiment as a filter is shown in FIG. 3 shown. The semiconductor body 31, which is made of piezoresistive material, carries the piezoelectric system 32 on its end face. 31 and 32 form the mechanical system Vibrating body. The input signal is via the contacts 33 and 34 the piezoelectric System supplied and can via the contacts 34 and 35 on the piezoresistive material be removed.
Der zum Betrieb notwendige Gleichstrom wird von der Batterie 36 geliefert. Das Ausgangssignal, dessen Größe durch den eingeprägten Gleichstrom eingestellt werden kann, wird dem Verbraucher 37 zugeführt.The direct current required for operation is supplied by the battery 36. The output signal, the size of which is set by the impressed direct current can be supplied to the consumer 37.
Das Diagramm nach F i g. 4 zeigt die am Verbraucher 37 der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 auftretende Ausgangsspannung U in Abhängigkeit von der Frequenz f.The diagram according to FIG. 4 shows the load 37 of the circuit arrangement according to FIG. 3 occurring output voltage U as a function of the frequency f.
Wenn in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 für das Halbleitermaterial 31 n-leitendes Silizium Verwendung findet und der piezoelektrische Körper 32 aus Bariumtitanat hergestellt wird, so ergibt sich bei einer Gesamtlänge von beispielsweise etwa 2 cm eine Resonanzfrequenz fo von 158,2 kHz mit einer Halbwertsbreite von etwa =120 Hz. Dies entspricht einer Filtergüte von 380, die mit rein elektrischen Mitteln nur unter größerem Aufwand zu erreichen wäre.If in the embodiment of FIG. 3 is used for the semiconductor material 31 n-conductive silicon and the piezoelectric body 32 is made of barium titanate, a resonance frequency fo of 158.2 kHz with a half-width of about = 120 Hz results with a total length of, for example, about 2 cm corresponds to a filter quality of 380, which could only be achieved with purely electrical means with greater effort.
Die Schaltungsanordnung nach F i g. 5 zeigt als Ausführungsbeispiel der Anordnung gemäß der Erfindung eine Verstärkeranordnung.The circuit arrangement according to FIG. 5 shows an exemplary embodiment the arrangement according to the invention an amplifier arrangement.
Wie in der Anordnung gemäß F i g. 3 schließt sich an den Halbleiterkörper 31 der piezoelektrische Körper 32 an. Die Kontaktierung erfolgt durch Elektroden 33, 34 und 35. Das Eingangssignal wird über einen Übertrager 58 dem piezoelektrischen Körper 32 zugeführt. Der zum Betrieb erforderliche eingeprägte Gleichstrom wird von der Batterie 36 geliefert, wobei er einen Ausgangsübertrager 57 durchfließt, über den - galvanisch abgetrennt - das Ausgangssignal abgenommen wird. Bei geeigneter Größe des eingeprägten Gleichstromes kann am Ausgang eine höhere Leistung entnommen werden als am Eingang eingespeist wird, so daß die Anordnung als Leistungsverstärker wirkt.As in the arrangement according to FIG. 3 connects to the semiconductor body 31 of the piezoelectric body 32. The contact is made by electrodes 33, 34 and 35. The input signal is transmitted via a transformer 58 to the piezoelectric Body 32 supplied. The applied direct current required for operation is supplied by the battery 36, flowing through an output transformer 57, Via which - galvanically separated - the output signal is picked up. With suitable The size of the impressed direct current can draw a higher power at the output are than fed in at the input, so that the arrangement as a power amplifier works.
Der Verstärkungsgrad kann weitgehend durch Veränderung der Größe des eingeprägten Gleichstromes eingestellt werden, damit ist die Möglichkeit gegeben, durch Rückführung eines Teiles der Ausgangsenergie auf den Eingang, wie dies beispielsweise bei der Anordnung nach F i g. 6 dargestellt ist, einen Oszillator zu erzeugen. Hierbei sind Eingangs- und Ausgangsübertrager in an sich bekannter Weise so kombiniert, daß die Rückkopplungsbedingungen erfüllt sind und am Ausgang 69 eine gut frequenzkonstante elektrische Schwingung geliefert wird.The gain can largely be adjusted by changing the size of the impressed direct current, so that the possibility is given by returning part of the output energy to the input, as is the case for example in the arrangement according to FIG. 6 is shown to generate an oscillator. Here input and output transformers are combined in a manner known per se in such a way that that the feedback conditions are met and a good frequency constant at output 69 electrical vibration is delivered.
In F i g. 7 ist eine Oszillatoranordnung gezeigt, die eine Weiterbildung der Oszillatoranordnung nach F i g. 6 darstellt.In Fig. 7 shows an oscillator arrangement which is a further development the oscillator arrangement according to FIG. 6 represents.
Hierbei erfolgt die Anregung der Stabschwingungen durch zwei systematisch angeordnete piezoelektrische Körper 32 und 82. Die Rückkopplung erfolgt in entsprechender Weise, wie bei Anordnung in Fig. 6, mittels des Übertragers 77, an dessen Sekundärwicklung 79 die gewünschte Schwingung abgenommen werden kann.The excitation of the rod vibrations is carried out systematically by two arranged piezoelectric bodies 32 and 82. The feedback he follows in a corresponding manner, as in the arrangement in Fig. 6, by means of the transformer 77, at the secondary winding 79 of which the desired oscillation can be picked up.
Claims (17)
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