DE1259599B - Kraftwandler mit einem piezoelektrischen Element und einem nachgeschalteten Feldeffekt-Transistor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIl

H04r;H011
Deutsche Kl.: 42 k-7/05

Nummer: 1259 599

Aktenzeichen: T 31205 IX b/42 k

Anmeldetag: 24. Mai 1966

Auslegetag: 25. Januar 1968

Die Erfindung betrifft einen Kraftwandler mit einem piezoelektrischen Element und einem nachgeschalteten Feldeffekt-Transistor und insbesondere einen Kraftwandler hoher Empfindlichkeit, niedriger linearer Verzerrung und minimaler Masse, wobei sich die Empfindlichkeit auf das Verhältnis der elektrischen Wirkung zur mechanischen Wirkung bezieht. Derartige Kraftwandler eignen sich zur Anwendung auf Mikrophone, Tonabnehmer, Dehnungsanzeiger, Beschleunigungsmesser, Meßgeräte für die Oberflächenbeschaffenheit usw.

Es sind bereits zahlreiche Vorrichtungen für die Umwandlung mechanischer Druckenergie in elektrische Energie mit Hilfe von Transistoren bekanntgeworden. Ferner ist die Maßnahme bekannt, einen mechanischen Druck auf ein piezoelektrisches Element auszuüben, welches Elektroden aufweist, und einen Transistor an diese Elektroden anzulegen, der als Spannungsmesser dient (siehe beispielsweise W. P. Mason, »Physical Acoustics«, Bd. 1, Teil A, »Methods and devices«, New York, 1964, Aufsatz von D. A. Berlincourt, »Piezoelectric and piezomagnetic materials and their function in transducers« sowie E. Wolfendale, »The junction transistor and its applications«, London, 1958, S. 138).

Diese Lösung bereitet wegen der niedrigen Impedanz des Transistors große Schwierigkeiten, weil die Anordnung dadurch eine viel zu geringe Empfindlichkeit erhält.

Eine andere Lösung des Problems besteht darin, den mechanischen Druck dadurch direkt zur Auswirkung zu bringen, daß man eine Spitze auf eine bestimmte Stelle an der Oberfläche eines Transistors drückt. Dadurch ist es möglich, eine etwas höhere Empfindlichkeit gegenüber der Empfindlichkeit zu erzielen, die man erhält, wenn man den entsprechenden direkten Druck auf eine der Transistorelektroden ausübt; dies geschieht dadurch, daß man insbesondere eine anisotropische elastische Kraft auf eine pn-Grenzschicht in der Nähe einer dünnen Halbleiterschicht auf einer Seite des Transistors benutzt. Siehe beispielsweise Digest of Technical Papers, International Solid State Circuits Conference, Philadelphia, 1964, S. 92, 93.

Aber auch diese Lösung hat Nachteile und bereitet Schwierigkeiten. Aus Gründen der Empfindlichkeitssteigerung benötigt man eine relativ sehr scharfe Spitze, d. h. eine Spitze mit einem Krümmungsradius in der Größenordnung von 3 bis 10 Mikron (3 bis 10 tausendstel mm) und außerdem mit einer relativ sehr hohen spezifischen Festigkeit in der Nähe der Grenze des linearen Elastizitätsbereichs, so daß die Kraftwandler mit einem piezoelektrischen
Element und einem nachgeschalteten Feldeffekt-Transistor

Anmelder:

Telefonaktiebolaget LM Ericsson, Stockholm

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke und Dipl.-Ing. H. Agular,

Patentanwälte,

8000 München 27, Pienzenauer Str. 2

Als Erfinder benannt:

Sune Lambert överby, Stockholm

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 25. Mai 1965 (6830)

Vorrichtung bereits auf eine ganz unbedeutende mechanische Überlastung sehr empfindlich reagiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und einen mechanisch kompakten Kraftwandler ausreichender Empfindlichkeit zu schaffen, der auf den Eigenschaften des festen Zustandes beruht und eine ganz besondere elektrisch aktive Komponente in Verbindung mit einem piezoelektrischen Material kombiniert, welches diese Komponente in hohem Maße wirksam werden läßt.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist bei einem Kraftwandler der oben geschilderten Art eine Schicht eines piezoelektrischen Materials unmittelbar auf die Isolierschicht eines isolierten Feldeffekt-Transistors aufgebracht, und die Kraft wirkt entweder auf die piezoelektrische Schicht oder auf eine darüberliegende Elektrode ein.

Vorzugsweise erfolgt die Krafteinwirkung mittelbar mit Hilfe einer Membran.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Kraftwandlers nach der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß die Krafteinwirkung mittelbar mit Hilfe eines einseitig gelagerten Hebels erfolgt, der an der anderen Seite mit einem Anschlag versehen ist. Für den neuen Kraftwandler eignen sich Transistoren, die auf der Verwendung unterschiedlicher Halbleitermaterialien basieren, die ihrerseits entweder monokristallin oder polykristallin sein können, also

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beispielsweise Silizium, Germanium, Cadmiumsulfid und Cadmiumselenid.

In der nun folgenden Beschreibung soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen näher erläutert werden. In der Zeichnung ist

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Ausführungsbeispiels eines Feldeffekt-Transistors, wie er in dem Kraftwandler nach der Erfindung benutzt werden kann,

entgegengesetzt gepolt und proportional zu dieser ist, einen Einfluß auf die Ladungen!) relativ zu S bewirkt. Ladungsänderungen auf der Außenfläche des Dielektrikums können auf diese Weise den nachD fließenden Strom direkt modulieren. Ein konstanter stromleitender Verbindungsweg von 3 nach 4 kann entweder elektrisch verwirklicht werden oder mit Hilfe besonderer anderer technischer Maßnahmen. Man kann beispielsweise an G eine konstante Gleich-Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Aus- io spannung gegenüber S anlegen, der Transistor kann

führungsform des Kraftwandlers nach der Erfindung, aber auch von vornherein mit einem stromleitenden F i g. 3 die Ansicht eines Schnitts durch eine prak- Verbindungsweg zwischen 3 und 4 ausgerüstet sein.

tische Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Die Führungseigenschaften der Elektrode 8 auf den

Erfindung in Form eines Kraftwandlers, Strom zwischen 3 und 4 sind in beiden Fällen die

F i g. 4 die Ansicht eines Schnitts durch ein Mikro- 15 gleichen. Es soll an dieser Stelle auch besonders dar-

phon mit einem Kraftwandler nach der Erfindung auf hingewiesen werden, daß trotz einer voll wirk-

F i g. 5 eine Seitenansicht eines Kraftwandlers nach der Erfindung, der hier ein druckempfindlicher Schalter ist.

Der Transistor nach F i g. 1, in welchem monokristallines Silizium benutzt wird, ist ein sogenannter »Steigerungstransistor« der Bauart MOS planar passiver Art. Das als Unterlage dienende Halbleitermaterial ist in dieser Figur mit 1 bezeichnet; es steht im Ohmschen Kontakt mit einer Elektrode 2 aus Metall mit dem äußeren Anschluß J. Die Unterlage ist eine monokristalline Siliziumschicht mit p-Leitfähigkeit und hohem spezifischen Widerstand. Die Unterlage 1 besitzt zwei Bereiche 3 und 4, die eine »Quelle« bzw. eine »Senke« darstellen, deren Leitfähigkeit der Leitfähigkeit der Unterlage entgegengesetzt ist und die in diesem Falle η-Leitfähigkeit, aber einen geringen spezifischen Widerstand haben, außerdem sind zwei Elektroden 5 und 6 mit den äußeren Anschlüssen S bzw. D vorgesehen. In geometrischer Hinsicht ist der Abstand zwischen den Bereichen 3 und 4 sehr klein und kann 1 zehntel Millimeter oder einige wenige Millimeter betragen. Das Stück zwischen den Besamen Isolation durch das Dielektrikum die Führungseigenschaften über den gesamten Bereich bis herunter zu der Frequenz Null und damit für Gleichstrom wirken. Der Transistor hat eine ungewöhnlich hohe Impedanz, die sich aus dem Isolationswiderstand des Dielektrikums 7 und aus der Kapazität zwischen der Elektrode 8 und dem Halbleiter ergibt.

Die F i g. 2 der Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Kraftwandler nach der Erfindung. Der Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor besteht aus einer oberen Schicht aus einem piezoelektrischen Material mit hochgradiger Ablöseenergie zwischen der Elektrode 8 und der dielektrischen Schicht?. Als piezoelektrisches Material kann man beispielsweise Bleizirkontitanat oder stabilisiertes Bariumtitanat wählen. Wird der Transistor so aufgebaut, dann erhält er die spezifische Eigenschaft, daß ein mechanischer Druck, der von einem Führungsstift /C auf die Elektrode 8 ausgeübt wird, Ladungen in der Piezoschicht 9 hervorruft, die ihrerseits das Dielektrikum 7 beeinflussen und damit den inneren Strom von der Quelle S zu der Senke D. Durch Verwendung eines Piezomaterials mit druckabhängigen

reichen 3 und 4 ist auf dem Halbleitermaterial bzw. 40 Piezokoeffizienten erreicht man Proportionalität zwi

schen dem mechanischen Druck und dem äußeren Strom des Transistors. Die Verbindungen SD GJ des Transistors erhalten in der üblichen Weise Gleichstrom je nach Lage des gewünschten Arbeitspunktes. Das Piezomaterial auf dem Dielektrikum? kann auf ganz verschiedene Weise aufgebracht sein. Es kann beispielsweise verdampft oder zu Staub zerkleinert und direkt auf die Schicht 7 aufgetragen werden, ein Verfahren, das insbesondere hinsichtlich der übri-

dessen Oberfläche mit einer dünnen dielektrischen
Schicht 7 bedeckt, welche die Halbleiteroberfläche
unempfindlich gegen die umgebende Luftschicht
macht, und teilweise als Zwischenschicht in bezug
auf die Führungswirkung an dem Halbleiter arbeitet. 45
Auch diese Schicht besitzt eine Elektrode 8 aus Metall, das sogenannte »Tor«, welches die Oberfläche
oberhalb des Stückes zwischen den Bereichen 3 und 4
bedeckt. Zu der Elektrode 8 gehört ein äußerer Anschluß G, Steht eine ausreichend hohe positive Span- 50 gen Technologie bei der Herstellung von Feldeffektnung an G relativ zu S zur Verfügung, dann wird ein Transistoren besonders geeignet erscheint. Es ist jedoch bekannt, daß nach der Durchführung der Verdampfung beispielsweise Piezotitanate eine schlechte Druckempfindlichkeit zeigen, daß diese aber für die gesamte Vorrichtung durch Wärmebehandlung bei 400 bis 700⁰C wiederhergestellt werden kann. Ein Silizium-Transistor, der mit einem Oxyd passiviert ist, sind die Eigenschaften für den Transistor selbst gut, um eine solche Wärmebehandlung auszuhalten. Eine andere Ausführung eines Piezo-Transistors basiert auf der Erscheinung, daß die Piezoschicht 9 auf übliche Weise in Form einer sehr dünnen Tablette hergestellt wird, beispielsweise durch Läppen, und daß die Tablette dann bleibend auf das Dielektri~ daß eine Ladung auf der Außenfläche der Schicht 7 65 kum 7 aufgeklebt wird, beispielsweise mit Hilfe einer eine Ladung auf ihrer Innenfläche bewirkt, das ist minimalen Menge eines hochwirksamen Klebstoffes, also hier die Halbleiterfläche, diese Innenfläche, die der selbsthärtend ist, also z. B. mit Hilfe eines ja genau so groß ist, aber hinsichtlich der Spannung Epoxydharzes.

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elektrisches Feld durch die Schicht 7 hindurch erzeugt, die ihrerseits eine Elektronensammelstelle in der Oberfläche des Halbleiters unterhalb der Schicht 7 darstellt. Das bedeutet natürlich, daß bei dem erörterten Beispiel zwischen den Stellen 3 und 4 ein Streifen mit η-Leitvermögen vorhanden ist, der die Ableitungen 5 und D miteinander verbindet. Die Breite des stromleitenden Streifens ist annähernd proportional der Spannung an dem Stück 8, welches seinerseits der Ableitung G Eigenschaften der elektrischen Modulation für die Dichte der Ladungsträger zwischen S und D erteilt. Dieser Sachverhalt kann auch so interpretiert werden, daß trotz der Tatsache,

Claims (3)

Eine besondere Ausführungsform ergibt sich, wenn man eine hochempfindliche geschützte Gebervorrichtung als Basis verwenden will und einen mechanischen Druck in eine proportionale elektrische Spannung verwandeln will. Die F i g. 3 der Zeichnung zeigt einen derartigen Schwingungswandler (Kraftwandler), der nach den Lehren der Erfindung aufgebaut ist. Mit 11 ist die Basis bezeichnet, deren Anschlüsse JSED zu den üblichen vier Anschlußdrähten der Basis führen. Vorzugsweise befindet sich der Aufbau auf einer Art Basis, die für eine verhältnismäßig niedrige Kappenhöhe bestimmt ist. An der Basis ist eine Kappe 12 befestigt, die beispielsweise am Umfang des Flansches der Basis angeschweißt sein kann. Die Kappe besitzt einen dünnen Verschlußdeckel 13 aus Metall, der beispielsweise an die Kappe angelötet sein kann. Damit man einen dünnen Deckel benutzen kann, ist ein Anschlagstift 14 unterhalb des Deckels der Basis angebracht, der normalerweise nicht die Unterseite des Deckels berührt. Der Zweck dieses Anschlagstiftes ist der, zu verhindern, daß der Deckel starke Durchbiegungen erfährt, aber doch genügend große Bewegungen machen kann. Das Element 10 ist mit Hilfe eines Führungsstiftes 8 entsprechend der F i g. 2 mechanisch mit dem Deckel verbunden. Diese Verbindung kann entweder so ausgeführt sein, daß sie zusammen mit dem Deckel ein elastisch-starres System ergibt oder ein System mit nachträglich wirkender Federkraft (englisch: after resilience), wie sie entweder bei einer vollen Federwirkung auftritt oder aber auch mit einer elastischen Zeitverzögerung. Im letztgenannten Falle wird ein äußerer permanenter Druck proportional und eine Wirkung übertragen, die zeitlich zurückbleibt und auf die Oberfläche des Feldeffekt-Transistors einwirkt. Die Verbindung kann sich zusammen mit dem Deckel entweder wie ein elastisches festes Element verhalten oder eine nachgiebige Wirkung ausüben oder mit Hilfe einer »zeitverzögerten« elastischen Federung ausgeführt werden. Im ersten Falle kann ein von außen zur Einwirkung gebrachter Druck proportional und einschließlich der Zeitverzögerung auf die Oberfläche des Feldeffekt-Transistors übertragen werden. Dies ergibt eine gute Druckempfindlichkeit, aber auch eine gewisse Gefahr bei größeren einwirkenden Drücken. Außerdem wird die gleiche Transistoroberfläche einer Druckänderung aus dem Luftdruck der Umgebung ausgesetzt, wenn die Kappe gasdicht ist. Die Übertragung der wirksamen Kraft über die Trasistoroberfläche kann entweder auf herkömmliche Weise durch die Wirkung einer elastischen Feder herbeigeführt werden oder dadurch, daß man zwischen den Führungsstift und die Membran eine zeitverzögerte elastische Federwirkung einführt, z. B. in Gestalt einer kleinen Menge einer Siliziummasse. Die prinzipiell wichtige Eigenschaft einer solchen Masse besteht darin, daß sie momentan verhältnismäßig steif ist, aber bei Änderungen des Atmosphärendrucks wird durch sie eine Druckeinwirkung auf den Transistor verhindert. Ein Druck, der entweder durch eine direkte mechanische Belastung des Deckels oder indirekt auf akustischem Wege durch einen von außen einwirkenden akustischen Druck ausgeübt wird, erzeugt also einen proportionalen Druck auf das Piezomaterial und dadurch einer Ausgangsspannung proportionaler Größe, die auf den Feldeffekt-Transistor einwirkt. Stehen Transistoren zur Verfügung, die nicht durch das Gasgemisch oder den Sauerstoff der umgebenden Luft beeinflußt werden, dann braucht die Kappe überhaupt nicht dicht zu sein. Die in einer Kappe untergebrachte Hauptkomponente kann so verwendet werden wie bei dem Beispiel eines akustischen Mikrophons oder bei einem druckempfindlichen Schalter. Der Basisteil oder die Hauptkomponente kann auch an sich direkt wie ein akustisches Mikrophon wirken. Zum Zwecke der Steigerung seiner Empfindlichkeit im Falle eines Mikrophons ist eine größere Membran 15 an diesem Bauteil angeschlossen, wie dies F i g. 4 zeigt. Der Basisteil 18 und die Membran werden mit Hilfe eines Gehäuses oder einer Kapsel 16 zusammengehalten. Die Verbindungen sind in der gleichen Weise vorgenommen wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3. Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung, die als druckempfindlicher Schalter mit erhöhter Empfindlichkeit dienen kann, ist in F i g. 5 dargestellt. Dort wird der Druck bei P angelegt und wirkt auf einen Hebelarm 17 ein, der an dem einen Ende frei herausragt und an dem anderen Ende federnd gelagert ist; damit wirkt diese Vorrichtung als mechanischer Wandler zwischen dem angelegten Druck und der auf den Deckel einwirkenden Kraft des Gebers 18. Das Anzeigegerät weist einen außenliegenden Anschlagstift 15 auf. Er dient als Schutz für den Hebelarm und den zugehörigen Deckel gegen mechanische Überlastung. An die Klemmen 19 JSD G des Transistors werden die elektrischen Daten gelegt, und zwar analog mit denen eines herkömmlichen spannungsgesteuerten Feldeffekt-Transistors in Schalterbauart, jedoch mit dem wesentlichen Unterschied, daß die elektrischen Daten nicht spannungsgesteuert, sondern druckgesteuert sind. Patenansprüche:

1. Kraftwandler mit einem piezoelektrischen Element und einem nachgeschalteten Feldeffekt-Transistor, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht eines piezoelektrischen Materials unmittelbar auf die Isolierschicht (7) eines isolierten Feldeffekt-Transistors aufgebracht ist und daß die Kraft entweder auf die piezoelektrische Schicht (9) oder auf eine darüberliegende Elektrode (8) einwirkt.

2. Kraftwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafteinwirkung mittelbar mit Hilfe einer Membran (13, 15) erfolgt.

3. Kraftwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafteinwirkung mittelbar mit Hilfe eines einseitig gelagerten Hebels (17) erfolgt, der an der anderen Seite mit einem Anschlag (15) versehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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