DE1277374B - Mechanisch-elektrischer Wandler - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES AW^ PATENTAMT Int. CL:

H03h

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 a4 -10

Nummer: 1277 374

Aktenzeichen: P 12 77 374.9-35 (H 57262)

Anmeldetag: 24. September 1965

Auslegetag: 12. September 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen mechanischelektrischen Wandler, der ein mechanisches Signal in ein elektrisches Signal umwandelt.

Ein bekannter mechanisch-elektrischer Wandler verwendet einen Transistor mit einem gemeinsamen Emitteranschluß, wobei auf den Emitter eine mechanische Kraft unter einem rechten Winkel zum Transistor ausgeübt wird, so daß der Widerstandswert der p-n-Schicht zwischen Emitter und Basis und damit der Minderheitsladungsträgerstrom durch die p-n-Schicht verändert und eine große Änderung im Kollektorstrom durch die Stromverstärkungswirkung zwischen Basis und Kollektor hervorgerufen wird.

Bei einem derartigen Wandler verursacht jedoch die wiederholte Ausübung einer mechanischen Bruckbeanspruchung auf den Emitteranschluß zwangläufig eine kristallographische Störung in seiner Umgebung, die die Lebensdauer der vom Emitter eingeführten Minderheitsladungsträger verändert lind auf diese Weise eine irreversible Veränderung i)n Verhalten des Wandlers hervorruft. Im Hinblick auf die im Transistor gebildete p-n-Schicht wird femer das Verhalten des Wandlers durch ihren Zustand erheblich beeinflußt und verschlechtert sich rasch.

Ein anderer bekannter mechanisch-elektrischer Wandler nutzt den Piezowiderstandseffekt eines Halbleiters aus. Dieser mechanisch-elektrische Wandler setzt gegenüber der zuvor erläuterten Ausführung den Vorteil, daß er Mehrheitsladungsträger benutzt; für die praktische Verwendbarkeit besteht auf der anderen Seite der Nachteil, daß seine Empfindlichkeit wesentlich geringer als die einer Transistorausfuhrung ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen neuen mechanisch-elektrischen Wandler zu schaffen, der den bekannten Ausführungen im Betriebsverhalten überlegen ist und dessen Charakteristik sich nur sehr wenig ändert.

Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß ein Dünnfilmtransistor verwendet, dessen Substrat aus einem piezoelektrischen Material oder einem gepolten ferroelektrischen Material besteht. Erfindungsgemäß wird dabei die in dem Substrat durch eine mechanische Beanspruchung hervorgerufene piezoelektrische Spannung der Torelektrode des Transistors unter der Wirkung der in dem Substrat induzierten elektrischen Ladungen zugeführt.

Diese und weitere Einzelheiten * der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels hervor. Es zeigt

Mechanisch-elektrischer Wandler

Anmelder:
Hitachi, Ltd., Tokio

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz

und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte,

8000 München, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:

Yozo Kanda, Kodaira-shi;

Yasunori Kanazawa, Hachioji-shi (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 30. September 1964 (55 221)

F i g. 1 einen Querschnitt durch einen mechanischelektrischen Wandler, der einen üblichen Dünnfilmtransistor benutzt, der so angeordnet ist, daß er durch ein Biegemoment beansprucht wird,

F i g. 2 ein Diagramm, das die Strom-Spannungs-Abhängigkeit des Dünnfihntransistors gemäß F i g. 1 zeigt,

F i g. 3 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen Wandler,

F i g. 4 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Zur Erleichterung des Verständnisses sei zunächst an Hand von F i g. 1 ein üblicher Dünnfilmtransistor erläutert.

Auf die Oberseite eines Glassubstrats 1 (Fig. 1) ist ein Halbleiterfilm 2, beispielsweise CdS, aufgedampft. Auf diesen Film sind Aluminiumelektroden3 und 4 gesondert mit HUfe einer geeigneten Maske aufgedampft und dienen als Zuleitungs- bzw. Ableitungselektroden des DünnfUmtransistors. Danach wird ein dünner Isolierfilm 5, beispielsweise SiO oder SiO₂, nach einem geeigneten Verfahren, beispielsweise durch Aufdampfen oder thermische Zersetzung, niedergeschlagen. Ferner wird eine Torelektrode 6 aus Aluminium aufgedampft. Anschlußdrähte S, D und G werden mit den Elektroden 3, 4 und 6 verlötet, womit die bekannte Dünnfilmtransistorstruktur vervollständigt ist.

Die Strom-Spannungs-Charakteristik des Dünnfihntransistors gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 durch die

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Kurven α, b und c für feste Torspannungen Vg₁ weisen und durch teilweises Entfernen (beispielsweise und Fg₂ und Vg₃ dargestellt. Diese Kurven sind durch chemisches Ätzen, mechanisches Entfernen typisch für einen Dünnfilmtransistor. oder Elektrodenstrahlätzen) der anderen Aluminium-

Es sei nun angenommen, daß der Dünnfilmtransi- elektrode hergestellt sind. Eine Schicht von CdS mit stör gemäß Fig. 1 durch einen geeigneten Kleber 5 1 Mikron Stärke wird durch Aufdampfen auf der mit einer Stahlplatte verbunden ist, und daß diese Oberfläche des die beiden Elektroden tragenden Stahlplatte gebogen wird, so daß der CdS-FiIm des ferroelektrischen Substrats hergestellt. Auf der Ober-Transistors einer Biegebeanspruchung unterworfen fläche der CdS-Schicht ist ein Film 15 aus SiO oder ist. Die Strom-Spannungs-Kennlinie des Transistors, SiO₀ von 500 A Stärke vorgesehen. Schließlich ist der einer derartigen mechanischen Beanspruchung io auf die Oberseite des Films 15 noch eine Aluminiumunterliegt, wird geändert, so daß sich die Kur- elektrode 16 aufgedampft. Die Elektroden 12,13 und vena', V und c' einstellen. Dabei werden die glei- 16 sind Zuleitungs-, Ableitungs- und Torelektrode chen Torspannungen Vg₁, Vg₂ und Fg₃ aufrecht- des Transistors.

erhalten. Diese Verschiebung "läßt sich nicht ein- Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen

deutig erklären, dürfte jedoch auf die piezoelektri- 15 mechanisch-elektrischen Wandlers kann man in der sehen und Piezowiderstandswirkungen des Halb- Weise herstellen, daß der beschriebene Dünnfihnleitermaterials sowie auf Veränderungen seiner transistor auf eine Stahlplatte 19 von lmm Stärke Bandkante bei mechanischen Beanspruchungen durch einen geeigneten Kleber aufgeklebt wird. Wenn zurückzuführen sein. Ein derartiger mechanisch- im Betrieb dieses Wandlers eine das Eingangssignal elektrischer Wandler ist zur Feststellung einer in eine 20 bildende mechanische Beanspruchung 17 auf das elektrische Änderung umgewandelten mechanischen eine Ende der Stahlplatte 19 ausgeübt wird und das Beanspruchung wegen der extrem kleinen Empfind- andere Ende dieser Stahlplatte eingespannt ist, so lichkeit nicht geeignet. ändert sich der Strom zwischen der Zuleitungs- und

Erfindungsgemäß wird nun das Glassubstrat des Ableitungselektrode des Transistors. Es ist dabei in F i g. 1 dargestellten Dünnfilmtransistors durch ein 25 notwendig, die Substratelektrode 11 über einen Lei-Substrat aus piezoelektrischem Material ersetzt und ter 18 mit der Elektrode 16 zu verbinden,
die Anordnung so getroffen, daß eine auf den Halb- Wird bei diesem Ausführungsbeispiel auf die

leiter ausgeübte mechanische Beanspruchung gleich- Stahlplatte 19 eine solche mechanische Beanspruzeitig auf das piezoelektrische Substrat wirkt und hier chung 17 ausgeübt, daß sich eine Biegebewegung des eine der mechanischen Beanspruchung entsprechende 30 Transistors von 8 Mikron ergibt, so erhält man bei Spannung erzeugt. Die Spannung wird als Torspan- einer Abnahmespannung von 1V einen Ableitnung an die Torelektrode des Dünnfilmtransistors ge- strom Id von 0,03 mA, wobei im piezoelektrischen legt. Auf diese Weise erhält der Transistor eine Tor- Substrat eine Spannung von 0,5 V erzeugt wird. Mit spannung, die von der mechanischen Beanspruchung einem ähnlich ausgebildeten Wandler, bei dem abhängt. 35 jedoch das Substrat des Dünnfilmtransistors nicht aus

Es sei angenommen, daß die Strom-Spannungs- piezoelektrischem Material, sondern in üblicher Kennlinie des Dünnfilmtransistors der Kurve α in Weise aus Glas besteht, wird unter gleichen Bedin-F i g. 2 entspricht, wenn die Torspannung den gungen ein Strom von 0,01 mA erzielt. Die Emp-Wert Vg₁ besitzt. Wird auf den Dünnfilmtransistor in findlichkeit des erfindungsgemäßen Wandlers ist diesem Zustand eine Biegebeanspruchung ausgeübt, 40 daher etwa dreimal so groß wie die der bekannten so ändert sich die Torspannung vom Wert Vg₁ durch Ausführungen,
das piezoelektrische Substrat beispielsweise auf den R ei sni e1 2

Wert Vg₂. Dies sowie die Tatsache, daß gleichzeitig "

auch das Halbleitermaterial einer Biegebeanspruchung Das in F i g. 4 dargestellte weitere Ausführungs-

unterworfen wird, führt zu einer vollständigen Ver- 45 beispiel der Erfindung enthält ein PZT-Substrat 20, Schiebung der Strom-Spannungs-Kennlinie des Tran- auf dessen einander gegenüberliegenden Flächen sistors von der Kurve α zur Kurve b' in Fig. 2. Ver- Metallelektroden 21, 22 in Form dünner Schichten glichen mit den bei einem üblichen Dünnfilmtransi- vorgesehen sind. Über der oberen Elektrode 22 ist stör vorliegenden Verhältnissen (Änderung von der eine dünne Isolierschicht 23, beispielsweise aus SiO₂, Kurve «zur Kurve 0'), ergibt sich bei dem erfindungs- 50 vorgesehen, auf die eine Halbleiterschicht 24, beigemäßen Wandler somit eine außerordentlich große spielsweise aus CdS, aufgedampft ist. Zwei Metall-Stromänderung, elektroden 25 und 26 sind auf die Enden der CdS-An Hand der Fig. 3 und 4 seien einige praktische Schicht24 aufgedampft. Die Metallschichten25, 26 Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. und 22 bilden die Zuleit-, Ableit- und Torelektrode _R . . . ₁ 55 des Transistors. Ein Leiter 27 verbindet die Subtfeispieii stratelektrode21 mit der Zuleitelektrode25. Der Der in F i g. 3 dargestellte mechanisch-elektrische Dünnfilmtransistor ist mittels eines geeigneten KIe-Wandler enthält ein Substrat 10 aus ferroelektri- bers auf eine Stahlplatte 28 aufgeklebt,
schem Material, das durch Polung aufbereitet ist und Es sind zahlreiche Abwandlungen der erläuterten Abmessungen von 10-2-0,1 mm besitzt. Das Sub- 60 Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Rahmen der strat kann beispielsweise durch Polen von PZT-Ke- Erfindung zu verlassen. So kann man beispielsweise ramik (eine Sintermischung mit 53% PbZrO₃ und anstatt CdS auch Ge, InSb, TiO₂ oder ein anderes 47% PbTiO₃) in einem Feld von 80kV/cm auf- Halbleitermaterial verwenden. Der SiO₂-FUm kann bereitet werden. Eine der beim Polen des ferroelek- ferner durch einen Film aus einem anderen Isoliertrischen Materials verwendeten Aluminiumelektroden 65 material, beispielsweise einem Harz, ersetzt werden, ist mit dem Bezugszeichen 11 versehen. Weiterhin Das Substrat des Dünnfilmtransistors kann statt sind Elektroden 12 und 13 vorgesehen, die vonein- aus PZT aus einem anderen bekannten piezoander einen Abstand L von etwa 10 Mikron auf- elektrischen Material bestehen, beispielsweise Quarz,

Turmalin, Rochelle-Salz, Kaliumchlorat (KClO₃), Zinkblende (ZnS), Ammonium-Natrium-Tartrat (NH₄NaC₄H₄C₆ · 4 H₂O), Weinsäure (C₄H₉O₆), Saccharose (C₁₂H₂₂O₁₁) und Bariumtitanat (BaTiO₃). Das dem Wandler aufgeprägte mechanische Signal muß ferner nicht unbedingt eine Biegebeanspruchung sein, sondern kann auch eine Druck-, Zug- oder Torsionsbeanspruchung sein. So ist insbesondere die Druckbeanspruchung eine für viele Anwendungsfälle besonders geeignete Signalform.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Mechanisch-elektrischer Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dünnfilmtransistor mit einem aus piezoelektrischem Material bestehenden Substrat (10) vorgesehen ist und eine Torelektrode (16) derart angeordnet ist, daß die bei einer mechanischen Beanspruchung in dem piezoelektrischen Substrat erzeugte Piezoelektrizität als Signal an die Torelektrode gelangt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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