DE1252258C2

DE1252258C2 - Nach dem elektrostatischen prinzip arbeitender elektroakustischer wandler und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE1252258C2
Application number: DENDAT1252258D
Authority: DE
Priority date: 1965-04-13
Publication date: 1974-06-20
Also published as: US3445596A; CH442430A; NL6604883A; GB1036837A; DE1252258B

Description

a) auf die Mantelfläche eines p-leitenden SiIi- ⁴^ cium-Einkristallstabs (10) wird eine n-leitende Siliciumschicht (11) und auf diese eine p-leitende Siliciumschicht (12) epitaktisch aufgebracht (Fig. 2);

b) der so beschichtete Stab (10, 11, 12) wird in Scheiben geschnitten (F i g. 3) und auf die Schnittflächen je eine η-leitende Siliciumschicht (13) aufgebracht (F i g. 4);

c) ein zentral gelegener runder Bereich jeder η-leitenden Siliciumschicht (13) wird zusammen mit einem kleinen Teil des darunterliegenden Grundmaterials (10'), insbesondere durch einen Sandstrahl, entfernt (Fig. 5);

d) eine schwingfähige vordere Kondensatorplatte (17) wird leitend oder isoliert auf dem Quellring (14) befestigt (F i g. 6) und im Fall isolierter Befestigung mittels einer Feder od. dgl. leitend mit dem Quellenring (14) verbunden;

e) die der vorderen Kondensatorplatte (17) abgewandte Oberfläche (20) des Grundmaterials (10") wird, z. B. mittels Siliciumdioxyd, für die Anbringung integrierter Schaltkreise isoliert.

4. Verfahren zur Herstellung eines Wandlers nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) auf einer Seite einer η-leitenden Silicium-Einkristallscheibe (21) wird eine p-leitende Siliciumschicht (22) und auf diese eine n-leitende Siliciumschicht (23) epitaktisch aufgebracht (Fig. 9);

b) jeweils ein zentral gelegener runder Bereich jeder der aufgebrachten Siliciumschichten (23, 22) wird zusammen mit einem kleinen Teil des darunterliegenden Trägermaterials (21) mittels eines Sandstrahles und unter Zuhilfenahme einer Maske abgetragen (Fig. 10);

c) auf die so geformte Oberfläche wird eine p-leitende Siliciumschicht (24) epitaktisch aufgebracht (Fig. 11);

d) mittels eines Sandstrahles und einer Maske wird diese Schicht (24) mit Ausnahme der Teile, die seitlich an den ringförmigen Siliciumschichten (22', 23') anliegen, wieder entfernt, desgleichen wird in der anderen Oberfläche ein zentral gelegener runder Bereich des Trägermaterials (21') abgetragen (Fig. 12);

e) eine schwingfähige vordere Kondensatorplatte (29) wird leitend oder isoliert auf dem entstandenen Ring (28) des Trägermaterials (21") befestigt (F i g. 13) und im Fall isolierter Befestigung mittels einer Feder od. dgl. leitend mit diesem Ring (28) verbunden;

f) die der vorderen Kondensatorplatte (29) abgewandte Oberfläche des Trägermaterials (21") wird, z. B. mittels Siliciumdioxyd, für die Anbringung integrierter Schaltkreise isoliert.

Die Erfindung bezieht sich auf einen nach dem elektrostatischen Prinzip arbeitenden elektroakustischen Wandler mit einer schwingfähig aufgehängten Kondensatorplatte aus elektrisch leitendem Material oder aus mit einem Metallmantel überzogenem Plastikmaterial als Membran (vordere Kondensatorplatte) und mit einer starren Kondensatorplatte, die von einem Teil der Obefläche eines Halbleiterbauelements mit verschiedenartig leitenden Schichten gebildet ist, als Gegenelektrode (hintere Kondensatorplatte).

In der Elektroakustik werden elektromechanische Wandler verwendet, die auf dem elektrostatischen Prinzip beruhen. Ihr unerwünscht hoher Quellwiderstand wird mittels Impedanzwandlern herabgesetzt, um den Einfluß der Leitungskapazität möglichst klein zu halten bzw. um Apassung an nachgeschaltete Verstärker zu erreichen. Auch verwendet man Vorverstärker, um den Spannungsabfall auf der Leitung kompensieren zu können. Vielfach werden diese Impedanzwandler bzw. Vorverstärkerschaltungen schon im Wandlergehäuse mit untergebracht, wie dies z. B. die Unterlagen der deutschen Gebrauchs-

muster 1 834 567 und 1 785 246 zeigen. Diese Schaltungen sind jedoch mit konzentrierten Schaltelementen aufgebaut. Das Wandlergehäuse wird dadurch zu kompakt, schwer und unhandlich.

Weiterhin sind nach der deutschen Patentschrift 1006169 elektroakustischer Wandler bekannt, die die mechanischen Schwingungen in elektrische unter Verwendung eines Halbleiterbauelements umwandeln. Hierbei wird der Ladungsträgerübergang einer Grenzschicht des Halbleiterbauelements von den mechanischen Schwingungen gesteuert. Diese Anordnungen mit Einzel- oder Multikontakt sind verhältnismäßig störanfällig, und die Charakteristik läßt sich nicht ändern. Auch muß weiter verstärkt werden, bevor das Signal über eine Leitung weitergeleitet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der hinsichtlich seiner elektroakustischen Eigenschaften, Größe, Gewicht, elektrischen Leistungsfähigkeit und veränderlichen Einstellung den gestellten Anforderungen besser gerecht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Wandler der in Rede stehenden Art dadurch gelöst, daß das Halbleiterbauelement ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor mit scheibenförmiger Steuerelektrode ist, an deren Peripherie die Quellenzone und die Senkenzone des Feldeffekttransistors liegen, die durch einen Kanal verbunden sind, daß in gegenüberliegenden Oberflächen der Steuerelektrode zentrale Vertiefungen angebracht sind, daß die vordere Kondensatorplatte an ihrer Peripherie gegenüber einer dieser Vertiefungen, deren Oberfläche die hintere Kondensatorplatte bildet, befestigt und elektrisch mit der Quelle des Feldeffekttransistors verbunden ist, daß der Feldeffekttransistor Bestandteil eines Vorverstärkers für das vom Wandler abgegebene Signal ist und daß der Anpassungswiderstand und der Lastwiderstand dieses Vorverstärkers samt einem oder mehreren weiteren Verstärkern auf der mit einer Isolierschicht versehenen Oberfläche der anderen Vertiefung der Steuerelektrode als integrierte Schaltung untergebracht sind.

Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 den Stromverlauf und ein konstruktives Detail eines elektroakustischen Wandlers gemäß der Erfindung,

F i g. 2 bis 6 Teilansichten,

F i g. 7 einen Grundrißausschnitt der F i g. 6, wobei die F i g. 2 bis 7 die aufeinanderfolgenden Herstellungsstufen des Wandlers nach einem ersten Herstellungsverfahren darstellen,

F i g. 8 bis 13 Teilansichten,

F i g. 14 einen Teilgrundriß von F i g. 13, wobei die F i g. 8 bis 14 die aufeinanderfolgenden Herstellungsstufen eines Wandlers nach einem zweiten Herstellungsverfahren darstellen,

F i g. 15 ein Schaltbild des Wandlers nach F i g. 1 mit einem nachgeschalteten mehrstufigen Verstärker,

F i g. 16 ein Schaltbild der geänderten ersten Stufe der Schaltung von F i g. 15,

F i g. 17 ein Schaltbild eines Wandlers gemäß F i g. 1 zusammen mit einer weiteren Ausführung eines mehrstufigen Verstärkers.

In Fig. 1 ist schematisch das Prinzip eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers dargestellt, der aus einer vorderen, schwingfähig aufgehängten Kondensatorplatte 1 als Membran besteht, hinter der die hintere, starre Kondensatorplatte angeordnet ist, die von der Oberfläche 2 der p-leitenden Schicht 3 eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors mit einem η-leitenden Kanal 4 gebildet wird.

Die vordere Kondensatorplatte 1, die aus elektrisch leitendem Material oder aus mit einem elektrisch leitenden Mantel überzogenen Plastikmaterial besteht, steht der Oberfläche 2 gegenüber.

ίο Der pn-übergang des Transistors liegt über den Anpassungswiderstand S an negativem Potential. Der Widerstand 5 ist an den ohmschen Innenwiderstand des Wandlers angepaßt. Der Transistor wird in quellengeerdeter Schaltung betrieben; er liegt mit der Quellenelektrode 6 sowie mit der vorderen Kondensatorplatte 1 an Masse, die Senkenelektrode 7 liegt über den Lastwiderstand 8 an positivem Potential.

Im Betrieb hat die Änderung der Kapazität zwischen den Platten 1 und 2 ein elektrisches Signal zur Folge, das, durch den Feldeffekttransistor verstärkt, an den Ausgangsklemmen 9 abgenommen werden kann.

Die Fig. 6 und 13 zeigen zwei grundsätzliche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Wandlers. Jeder der Sperrschicht-Feldeffekttransistoren besteht aus einer scheibenförmigen Steuerelektrode 10" bzw. 21", an deren Peripherie jeweils die Quellzone 14 bzw. 25 und die Senkenzone 15 bzw. 26 liegen, die durch eine Kanal 16 bzw. 27 verbunden sind. In gegenüberliegenden Oberflächen der Steuerelektrode sind zentrale Vertiefungen angebracht. Die Membran (vordere Kondensatorplatte) des Wandlers ist an ihrer Peripherie gegenüber einer dieser Vertiefungen, deren Oberfläche die hintere Kondensatorplatte bildet, befestigt.

Nach einer Herstellungsmethode eines solchen Wandlers wird auf die Mantelfläche eines Einkristallstabes 10 (F i g. 2) aus p-leitendem Silicium mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ω cm und einem Durchmesser von 2 cm epitaktisch eine n-leitende Siliciumschicht 11 mit einem spezifischen Widerstand von 1 Ω cm und einer Dicke von 10 μ und auf diese eine p-leitende Siliciumschicht 12 mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ω cm und einer Dicke von 25 μ aufgebracht.

Der so beschichtete Stab 10 wird dann in Scheiben (F i g. 3) mit einer Dicke von 150 μ zerschnitten. Auf die beiden Schnittflächen wird je eine η-leitende Siliciumschicht 13 (F i g. 4) mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ω cm und einer Dicke von 10 μ aufgebracht.

Ein runder, zentraler Bereich jeder η-leitenden Siliciumschicht 13 wird dann zusammen mit einem kleinen Teil des darunterliegenden Grundmaterials 10' z.B. durch einen lokal begrenzten Strahl eines Schleifmittels entfernt (F i g. 5).

Insgesamt wird eine Schicht von etwa 12,5 μ Stärke an jeder Oberfläche entfernt. Die verbleibenden Ringe der η-leitenden Siliciumschichten 13 sind über die Ringschicht 11' durch die Scheibe hindurch miteinander verbunden. Somit ergibt sich ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor, bei dem die sich gegenüberliegenden Ringe aus η-leitendem Material die Quelle 14 und die Senke 15 bilden, die durch den η-leitenden Kanal 16 verbunden sind. Die p-leitende Steuerzone aus Silicium wird von dem verbliebenen Grundmaterial 10" gebildet.

Nach F i g. 6 und 7 ist eine schwingfähige vordere

Kondensatorplatte 17 leitend auf der Oberseite des Quellenringes 14 befestigt. Wenn als vordere Kondensatorplatte 17 eine mit Metall überzogene Plastikmembran verwendet wird, kann sie mit einem Plastiklot 18 oder einem elektrisch leitenden Klebemittel auf dem Quellenring 14 befestigt werden. Es kann auch der Metallmantel auf der Vorderseite aufgebracht werden, wobei die elektrische Verbindung getrennt vorgenommen wird. Die Oberfläche 19 des Grundmaterials, die durch den Quellenring 14 begrenzt wird, bildet die hintere Kondensatorplatte.

Die andere Oberfläche 20 des Halbleitergrundmaterials, die durch den Senkenring 15 begrenzt wird, bildet eine geeignete Stelle für die in bekannter Weise vorzunehmende Aufbringung der Widerstände 5 und 8 (Fig. 1) in Form von Festkörperschaltelementen. Bevor die Widerstandsschichten aufgebracht werden, muß die Oberfläche 20 z. B. mit Siliciumdioxyd isoliert werden.

Nach der anderen Herstellungsmethode entsprechend den Fig. 8 bis 14 weist der Feldeffekttransistor eine Quelle und eine Senke aus p-leitendem Silicium sowie eine Steuerzone aus η-leitendem Silicium auf. Während die Ausführungsform nach den F i g. 6 und 7 im Betrieb mit den Potentialen der F i g. 1 verbunden werden kann, werden für die im folgenden zu beschreibende Ausführungsform die umgekehrten Potentiale benötigt.

Auf die eine Oberfläche einer Scheibe 21 (F i g. 8) aus η-leitendem Einkristallsilicium mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ω cm, einer Dicke von 150 μ und einem Durchmesser von 2 cm wird epitaktisch eine p-leitende Siliciumschicht 22 (F i g. 9) aufgebracht, die eine Stärke von 10 μ und einen spezifischen Widerstand von 5 Ω cm aufweist, und auf diese eine η-leitende Siliciumschicht 23 mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ω cm und einer Dicke von 20 μ.

Teile der Schichten 22 und 23 und des darunterliegenden Trägermaterials 21 werden mittels eines Sandstrahles und einer geeigneten Maske bis zu einer Tiefe von 35 μ abgeschliffen, und es verbleiben ringförmige Schichten 22' und 23' (F i g. 10).

Auf die so geformte Oberfläche wird eine 10 μ dicke p-leitende Siliciumschicht 24 mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ω cm epitaktisch aufgebracht (Fig. 11).

Die Schicht 24 wird dann mittels eines Sandstrahles und einer geeigneten Maske entfernt (Fig. 12) mit Ausnahme der Teile der Schicht 24, die seitlich an den ringförmigen Schichten 22' und 23' liegen. Der so ausgebildete Feldeffekttransistor vom pn-Übergangtyp weist eine Quelle 25 und eine Senke 26 auf, die durch den p-leitenden Kanal 27 verbunden sind; die Steuerzone wird von dem verbliebenen Trägermaterial 21" gebildet.

Die andere Oberfläche der Scheibe 21" wird mittels eines Sandstrahls um 12,5 μ abgetragen, wobei ein Ring 28 überstehenbleibt, auf den z. B. mittels eines Isolierklebemittels 30 die schwingfähige vordere Kondensatorplatte29 (Fig. 13 und 14) isoliert aufgebracht wird.

Die durch den Ring 28 begrenzte Oberfläche 31 der Scheibe, auf dem die vordere Kondensatorplatte befestigt ist, bildet die hintere Kondensatorplatte.

Die Oberfläche 32 der Scheibe bietet einen geeigneten Platz für die in bekannter Weise durchführbare

ίο Unterbringung der Widerstandes und 8 (Fig. 1) in Form von Festkörperschaltelementen. Vorher muß eine geeignete Isolierschicht auf die Oberfläche 32 aufgebracht werden, um die Widerstände von der Oberfläche 32 des Trägermaterials elektrisch zu isolieren.

Bei beiden Herstellungsmethoden kann der Hohlraum zwischen der vorderen und der hinteren Kondensatorplatte mit der Außenluft dadurch verbunden werden, daß eine oder mehrere Bohrungen in der Scheibe angebracht werden. Solche Bohrungen sorgen für den notwendigen Druckausgleich bei Temperaturänderungen und/oder haben eine akustische Funktion in Übereinstimmung mit dem gewünschten Richtungsverhalten des Wandlers, d.h. ob ein Druck-, ein Druckgradient- oder ein dazwischenliegendes Verhalten erwünscht ist. Zur weiteren Verstärkung des vom Wandler gelieferten Ausgangssignals können auch andere Halbleiterverstärker, wie z. B. der Metalloxyd-Feldeffekttransistor, herangezogen werden.

Der Metalloxyd-Feldeffekttransistor kann durch geeignete Vorspannung stromerregend oder stromdrosselnd betrieben werden.
Die beschriebene Anordnung ist von vollständig integrierter Bauweise. Die Fig. 15 bis 17 zeigen einen mehrstufigen Verstärker.

Nach Fig. 15 ist der Wandler43 über den Kondensator 33 an eine Transistorverstärkerstufe 34 angekoppelt, die ihrerseits auf einen Emitterfolger 35 arbeitet. Die Auskopplung erfolgt am niederohmigen Emitter über den Kondensator 36 bei 9. Der vollständige Transistorverstärker kann auf dem Grundmaterial des Feldeffekttransistors als integrierte Schaltung untergebracht werden. Sollten die elektrischen Werte der Kondensatoren 33 und 36 zu groß für die integrierte Bauweise sein, so können sie auch aus konzentrierten Bauelementen bestehen.

Fi g. 16 zeigt eine Abwandlung der Eingangsschaltung der Fig. 15 mit einer an den Klemmen 37 anzulegenden Eichspannung und mit einem einseitig an Masse gelegten kleinen Eichwiderstand 38.

In Fig. 17 steuert der Wandler43 einen dreistufigen, gleichstromgekoppelten Transistorverstärker 39 40, 41 an, der bei 42 eine Gegenkopplung aufweist.

Wie bei der Schaltung nach Fig. 15 können auch hier alle Schaltelemente als Festkörperschaltelemente in integrierter Bauweise auf dem Grundkörper angeordnet werden.

Hierzu 1 Bhitt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Nach dem elektrostatischen Prinzip arbeitender elektroakustischer Wandler mit einer schwingfähig aufgehängten Kondensatorplatte aus elektrisch leitendem Material oder aus mit einem Metallmantel überzogenem Plastikmaterial als Membran (vordere Kondensatorplatte) und mit einer starren Kondensatorplatte, die von einem Teil der Oberfläche eines Halbleiterbauelements mit verschiedenartig leitenden Schichten gebildet ist, als Gegenelektrode (hintere Kondensatorplatte), dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement ein Sperrschicht-Feldeffektransistor mit scheibenförmiger Steuerelektrode (3; 10"; 21") ist, an deren Peripherie die Quellenzone (6; 14; 25) und die Senkenzone (7; 15; 26) des Feldeffekttransistors liegen, die durch einen Kanal (4; 16; 27) verbunden sind, daß in gegenüberliegenden Oberflächen der Steuerelektrode (3; 10"; 21") zentrale Vertiefungen angebracht sind, daß die vordere Kondensatorplatte (1; 17; 29) an ihrer Peripherie gegenüber einer dieser Vertiefungen, deren Oberfläche (2; 19; 31) die hintere Kondensatorplatte bildet, befestigt und elektrisch mit der Quelle (6; 14; 25) des Feldeffekttransistors verbunden ist, daß der Feldeffekttransistor Bestandteil eines Vorverstärkers für das vom Wandler abgegebene Signal ist und daß der Anpassungswiderstand (5) und der Lastwiderstand (8) dieses Vorverstärkers samt einem oder mehreren weiteren Verstärkern auf der mit einer Isolierschicht versehenen Oberfläche (20; 32) der anderen Vertiefung der Steuerelektrode (3; 10"; 21") als integrierte Schaltung untergebracht sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Bohrungen durch die Steuerelektrode hindurchgehen.

3. Verfahren zur Herstellung eines Wandlers nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: