DE1280326B

DE1280326B - Electromechanical converter with a semiconductor plate

Info

Publication number: DE1280326B
Application number: DES93231A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Matsumotor
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1963-09-19
Filing date: 1964-09-18
Publication date: 1968-10-17
Also published as: US3480740A; GB1051550A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. CL:Int. CL:

H04rH04r

Deutsche Kl.: 21 a2-5/01German class: 21 a2-5 / 01

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:Number:
File number:
Registration date:
Display day:

P 12 80 326.8-31 (S 93231)P 12 80 326.8-31 (S 93231)

18. September 1964September 18, 1964

17. Oktober 196817th October 1968

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler mit einem Halbleiter-Plättchen, in oder an dem wenigstens eine p-leitende und eine n-leitende Schicht ausgebildet sind, während ein p-n-Ubergang zwischen der p-leitenden und der η-leitenden Schicht vorgesehen ist, ferner mit einem Stift, der die Oberfläche der p-leitenden oder der η-leitenden Schicht berührt, wobei die andere Schicht bis zur Oberfläche des Plättchens verläuft, und mit an den entsprechenden Schichten angeordneten Elektroden.The invention relates to an electromechanical converter with a semiconductor wafer in or on at least one p-conducting and one n-conducting layer are formed, while a p-n junction is provided between the p-conducting and the η-conducting layer, furthermore with a pin that covers the surface touches the p-type or the η-type layer, with the other layer reaching the surface of the plate runs, and with electrodes arranged on the corresponding layers.

Die Wirkungsweise von elektromechanischen Wandlern, bei denen p- und η-leitende Schichten verwendet werden, beruht auf der Erscheinung, daß bei Ausübung eines Druckes auf den Übergang zwischen einer p- und η-leitenden Schicht dieser seine Strom-Spannungs-Charakteristik verändert.The mode of operation of electromechanical transducers in which p- and η-conductive layers are used is based on the phenomenon that when pressure is exerted on the transition between a p- and η-conductive layer of this its current-voltage characteristic changes.

Es ist eine Anordnung bekannt, bei der die n-leitende Basis konkav ausgebildet ist, um eine dünne Schicht an der Berührungsstelle des Druckstiftes herzustellen und bei der der Druckstift gleichzeitig als Elektrode verwendet wird. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß durch die Ausbildung eines solchen konkaven Teiles nur eine geringe mechanische Festigkeit gegenüber Stoßbeanspruchungen möglich ist. Weiterhin besteht bei der Verwendung des Druckstiftes als Elektrode die Gefahr, daß die Empfindlichkeit der Anordnung infolge von sich bildenden Oxydschichten verschlechtert wird.There is known an arrangement in which the n-type base is concave to be thin Layer to produce at the point of contact of the pressure pin and in which the pressure pin simultaneously as Electrode is used. The disadvantage of this arrangement is that by training such a concave part only has a low mechanical strength against impact loads is possible. Furthermore, when using the pressure pin as an electrode, there is a risk that the Sensitivity of the arrangement is worsened due to the formation of oxide layers.

Weiterhin ist eine Anordnung bekannt, bei der die Schicht, auf die der Druck ausgeübt wird, in herkömmlicher Weise ausgebildet ist und bei der infolgedessen ein sehr hoher Aufwand zum Anschluß der Elektroden getrieben werden muß. Dabei sind die Elektroden so angeordnet, daß bei der Benutzung infolge Stoßbeanspruchungen ebenfalls eine Verschlechterung der Empfindlichkeit eintreten kann. Dagegen richtet sich die Erfindung auf einen elektromechanischen Wandler, der sehr klein und leicht gebaut ist, eine konstante Wandlungsverstärkung und eine hohe Empfindlichkeit besitzt sowie stoßunempfindlich und leicht herzustellen ist.Furthermore, an arrangement is known in which the layer on which the pressure is applied, in a conventional Way is designed and as a result, a very high effort to connect the Electrodes must be driven. The electrodes are arranged so that in use as a result Impact loads can also lead to a deterioration in sensitivity. In contrast, the invention is directed to an electromechanical converter that is very small and lightweight is, has a constant conversion gain and a high sensitivity and is insensitive to shock and is easy to manufacture.

Diese Vorteile werden gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die p- oder η-leitende Schicht, auf die der Druck ausgeübt wird, einerseits an der Stelle, an der der Druckstift angebracht ist, so dünn ist, um eine hohe Empfindlichkeit zu gewährleisten, andererseits an den Stellen, an denen die Elektrode oder die Elektroden angebracht werden, dick genug ist, um die Elektroden ohne Schwierigkeit anbringen zu können.These advantages are achieved according to the invention in that the p- or η-conductive layer, on which the pressure is exerted, on the one hand at the point where the pressure pin is attached, so thin is to ensure a high sensitivity, on the other hand at the points where the electrode or the electrodes are attached thick enough to attach the electrodes without difficulty to be able to.

Diese Ausführung bietet den Vorteil, daß der elektromechanische Wandler eine hohe Wandlungsemp-This design has the advantage that the electromechanical Converter has a high conversion tem-

Elektromechanischer Wandler mit einem
Halbleiter-PlättchenElectromechanical converter with a
Semiconductor wafers

Anmelder:Applicant:

Sony Corporation, TokioSony Corporation, Tokyo

Vertreter:Representative:

Dr. F. Zumstein, Dr. E. AssmannDr. F. Zumstein, Dr. E. Assmann

und Dr. R. Koenigsberger, Patentanwälte,and Dr. R. Koenigsberger, patent attorneys,

8000 München 2, Bräuhausstr. 48000 Munich 2, Bräuhausstr. 4th

Als Erfinder benannt:
Tadashi Matsumotor, TokioNamed as inventor:
Tadashi Matsumotor, Tokyo

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Japan vom 19. September 1963 (50179)Japan September 19, 1963 (50179)

findlichkeit erhält, die sich auch während des Betriebes nicht ändert, daß die Elektroden leicht angebracht werden können, wodurch die Herstellung einfach wird, und daß er stoßfest und von geringen Abmessungen ist. Diese Vorteile kommen sowohl dem Hersteller als auch dem Anwender zugute.
Die grundsätzliche Wirkungsweise eines mechanischen Wandlers sowie eine beispielsweise, vorteilhafte Ausführung gemäß der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert, in derSensitivity is obtained which does not change even during operation, that the electrodes can be easily attached, which makes manufacture simple, and that it is shock-resistant and of small dimensions. These advantages benefit both the manufacturer and the user.
The basic mode of operation of a mechanical converter and an example, advantageous embodiment according to the invention are explained with reference to the drawing in which

Fig. 1-A schematisch einen elektromechanischen Wandler zeigt, bei dem eine Flächendiode verwendet wird;Fig. 1-A schematically shows an electromechanical Shows converter in which a junction diode is used;

Fig. 1-B stellt die Charakteristik des Wandlers der Fig. 1-A dar;Fig. 1-B shows the characteristics of the converter of Figure 1-A illustrates;

Fig. 2-A zeigt schematisch einen elektromechanischen Wandler, bei dem ein üblicher Flächentransistor verwendet wird;Fig. 2-A shows schematically an electromechanical Converter in which a common junction transistor is used;

Fig. 2-B ist die Charakteristik des Wandlers der Fig. 2-A;Figure 2-B is the characteristic of the transducer of Figure 2-A;

Fig. 3 ist ein graphische Darstellung zur Erläuterung der Erfindung;Fig. 3 is an explanatory diagram the invention;

Fig.4 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen gemäß der Erfindung ausgebildeten Wandler; F i g. 5 ist eine Draufsicht auf den Wandler der Fig. 4, undFig.4 shows a schematic section through a transducer constructed in accordance with the invention; F i g. 5 is a top plan view of the transducer of FIG Fig. 4, and

Fig. 6 ist ein schematischer Schnitt durch ein gemäß der Erfindung ausgebildetes, ohne Gehäuse dargestelltes Mikrophon.6 is a schematic section through an according to the invention designed, shown without a housing microphone.

809 627/901809 627/901

ί 280 326
3 4 ί 280 326
3 4

Fig. 1-Α zeigt eine Flächendiode mit einer η-halb- nungen zerstört, die bei der Verbindung des Leileitenden Schicht 2, die in einem p-halbleitenden tungsdrahtes mit der Elektrode auftreten. Diese beiKörper 1 ausgebildet ist. Auf der Oberfläche der den gegensätzlichen Bedingungen machen die Hern-halbleitenden Schicht 2 der Diode ist ein Stift 3 stellung hochempfindlicher Wandlerelemente sehr aufgesetzt. Wenn ein Druck P₀ über diesen Stift 3 auf 5 schwierig.Fig. 1-Α shows a flat diode with a η-halves destroyed, which occur when connecting the conductive layer 2, which occur in a p-semiconducting wire with the electrode. This is formed at body 1. On the surface of the opposing conditions make the hern semiconducting layer 2 of the diode, a pin 3 position highly sensitive transducer elements is placed very much. If a pressure P ₀ over this pin 3 on 5 difficult.

den p-n-Übergang 4 der Diode ausgeübt wird, dann Gemäß der Erfindung werden diese Schwierigkei-the p-n junction 4 of the diode is exerted, then according to the invention these difficulties are

ändert sich die Strom-Spannungs-Charakteristik der ten beseitigt. Um die Elektrode zu befestigen, nimmtchanges the current-voltage characteristic of the th eliminated. To attach the electrode, takes

Diode von der Kurve 5 in die Kurve 6, die in F i g. man eine volle, dicke p- oder n-halbleitende Schicht.Diode from curve 5 to curve 6, which is shown in FIG. a full, thick p- or n-semiconducting layer.

1-B gezeigt sind. Dies bedeutet, daß sich der Strom Weiterhin wird eine p- oder n-halbleitende Schicht mit einer Zunahme des Druckes P₀ an einem be- ίο gebildet, die wesentlich dünner ist als die Schicht bei1-B are shown. This means that the current continues to form a p- or n-semiconducting layer with an increase in the pressure P ₀ at a be ίο which is significantly thinner than the layer at

stimmten Arbeitspunkt ändert. Es wird angenommen, der Elektrode, und ein Stift wird mit der Oberflächecorrect working point changes. Assume the electrode, and a pen is attached to the surface

daß dies darauf beruht, daß ein gewisser Teil des der dünnen p- oder n-halbleitenden Schicht in Be-that this is based on the fact that a certain part of the thin p- or n-semiconducting layer in

p-n-Übergangs 4 durch den Druck P₀ ein Ohmscher rührung gebracht.pn junction 4 brought an ohmic stir by the pressure P _0.

oder nichtleitender Übergang wird. Die gleiche Wir- In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines elektrokung kann bei einem sogenannten Flächentransistor 15 mechanischen Wandlers gezeigt, der gemäß der Ererwartet werden, bei dem eine n-halbleitende Schichte findung hergestellt ist. 7 ist ein p-Typ-Kollektor und die Basis eines p-halbleitenden Körpers 7 ist, der den 8 ist, wie in Fig. 2-A, eine n-Typ-Basis. Die Ausbil-Kollektor bildet, wobei schließlich eine p-halblei- dung des Emitters 9 ist gemäß der Erfindung so, daß tende Schicht 9, die den Emitter darstellt, auf der die Dicke des Randteiles 9 a groß ist, beispielsweise Schicht 8 ausgebildet ist, wie dies in F i g. 2-A gezeigt ao von 1 bis 5 μ beträgt und ausreicht, damit eine Elekist. Dies bedeutet, daß, wenn ein Druck P₀ durch trode und ein Draht daran befestigt werden können, einen Stift 3 auf den p-n-Übergang 4' zwischen dem und der Mittelteil 9 b, der mit dem Randteil zusam-Emitter und der Basis des Transistors von der Ober- menhängt, ist so dünn wie möglich ausgebildet, er fläche der p-halbleitenden Schicht 9 des Emitters aus- hat z. B. eine Dicke von 0,1 μ. Ein Stift 3 wird darm geübt wird, die Charakteristik, in der die Kollektor- as mit der Oberfläche des Mittelteils 9 b in Berührung spannung V_c gegen den Kollektorstrom I_c aufgetra- gebracht.or non-conductive transition. In Fig. 4, an embodiment of an electrocution can be shown in a so-called flat transistor 15 mechanical transducer, which can be expected according to the invention, in which an n-semiconducting layer is produced. 7 is a p-type collector and the base of a p-semiconducting body 7, which is the 8, as in Fig. 2-A, an n-type base. The formation collector forms, and finally a p-semiconducting of the emitter 9 is according to the invention such that the layer 9, which represents the emitter, on which the thickness of the edge part 9 a is large, for example layer 8 is formed, as shown in FIG. 2-A shown ao is from 1 to 5 μ and is sufficient for an Elekist. This means that if a pressure P ₀ can be attached to it by trode and a wire, a pin 3 on the pn junction 4 'between the and the middle part 9 b, the emitter together with the edge part and the base of the transistor from the top, is made as thin as possible. B. a thickness of 0.1 μ. A pen 3 is then practiced, the characteristic in which the collector as with the surface of the central part 9 b in contact voltage V _{c applied} against the collector current I _c .

gen ist, von der Kurve S' in die Kurve 6' verwandelt Im folgenden wird als Beispiel ein Verfahren anwird, wie dies in F i g. 2-B gezeigt ist. Dies beruht gegeben, mit dem ein solcher Emitter ausgebildet vermutlich darauf, daß ein gewisser Teil des p-n- wird. Zunächst wird ein Oxydüberzug auf der Ober-Übergangs 4' ein Ohmscher Übergang wird und die 30 fläche der n-Typ-Basisschicht 8 ausgebildet, und der Stromverstärkung α des Transistors aufnimmt. Unter Oxydüberzug, der dem Randteil 9 a entspricht, wird Ausnutzung dieser Erscheinung werden die Dioden dann entfernt, und anschließend wird ein Material, und Transistoren als elektromechanische Wandler z.B. Aluminium, in die so freigelegte, abgegrenzte verwendet, z. B. als Mikrophone. Oberfläche diffundiert, wodurch sich eine dicke Man erhielt jedoch bisher keine voll zufriedenstel- 35 p-leitende Schicht ergibt. Anschließend wird der lende, hochempfindliche elektromechanische Wand- Überzug des Mittelteils 9 entfernt, und es wird eine lerelemente unter Verwendung üblicher Dioden und flache p-leitende Schicht ausgebildet. Es kann dann Transistoren. Es wurde nun festgestellt, daß, je näher eine Emitterelektrode am dicken Randteil 9 α des das spitze Ende des Stifts am p-n-Übergang zu liegen Emitters befestigt werden, und es ist nicht möglich, kommt, der Ausgangsstrom oder die Ausgangsspan- 4° daß die p-n-Verbindung durch Wärmespannungen nung um so stärker in Abhängigkeit von dem auf den zerstört wird, die beim Befestigen der Elektrode oder p-n-Übergang ausgeübten Druck verändert wird. des Drahtes auftreten. Gemäß der Erfindung ist die Man kann also einen hochempfindlichen elektromecha- dünne p-leitende Schicht 9 b des Emitters ausreinischen Wandler so erhalten, daß man den Abstand chend groß für das spitze Ende des Stiftes 3, und zwischen dem Stift und dem p-n-Übergang sehr klein 45 dieser Stift 3 kann leicht auf den sehr empfindlichen macht. Bei einem Emitter, der so ausgebildet ist, wie Teil 9 b aufgesetzt werden. Selbst wenn sich der Stift dies in F i g. 2-A dargestellt ist, mißt man Änderun- infolge eines Stoßes od. dgl. etwas verschiebt, dann gen Al_c des Kollektorstromes in Abhängigkeit von kommt der Stift nur selten aus seiner Lage. Fig. 5 verschiedenen Dicken α des Emitters 9, wobei man ist eine Draufsicht auf den Wandler der Fig. 4, woals Anfangsstrom9,6mA erhält und ein konstanter 50 bei die Emitterelektrode 19 und die Basiselektrode Strom von 0,26 mA zum Kollektor bzw. zur Basis 20 ringförmig ausgebildet sind, strömt, wenn ein Gewicht von 1 g auf die Oberfläche F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Mikrodes Emitters 9 aufgebracht wird. F i g. 3 zeigt die phons, bei dem der erfindungsgemäße Wandler anErgebnisse der Messung. Wie aus Fig. 3 deutlich gewendet ist. 10 ist eine Basis, 11 ein Rahmen eines ersichtlich ist, ist die Kollektorstromänderung Δ I_c 55 Mikrophongehäuses, das an der Basis 10 vorgesehen kleiner als 0,01 mA, wenn die Dicke α des Emitters 9 ist, 12 ist eine Membrane, die im Rahmen 11 untergrößer als 2 μ ist. Wenn jedoch die Dicke α kleiner gebracht ist, 13 ist ein Stift, der in der Mitte des als 1 μ ist, z. B. 0,1 μ beträgt, dann nimmt die An- Rahmens befestigt ist, 14 ist ein Wandler aus halbderung AI₀ unvermittelt auf etwa 9 mA zu. Der Wir- leitenden Materialien, der gemäß der Erfindung auskungsgrad der Umwandlung bzw. der Verstärkungs- 60 gebildet ist, 15 ist ein Träger des halbleitenden EIeeffekt kann ziemlich groß gemacht werden, wenn ments 14, 16 ist eine Stütze, die am Träger angeman die Dicke α des Emitters 9 so klein wie möglich bracht ist und den Stift 13 trägt, 17 ist eine Einstellbemißt, beispielsweise zu 0,5 μ oder weniger. In die- schraube zur Einstellung-des Anfangsdruckes, der sem Fall ist eine Elektrode in der Emitterschicht vor- über einen Stab 21 auf den Stift 13 ausgeübt wird gesehen, und ein Anschlußdraht ist befestigt oder in 65 und 18 sind Leitungsdrähte, die mit dem Halbleiter-Praxis damit verbunden, und wenn die Dicke α des element 14 verbunden sind. Bei dem oben beschrie-Emitters gering ist, dann wird der p-n-Übergang zwi- benen Mikrophon üben Schwingungen, die auf die sehen Emitter und Basis leicht durch Thermospan- Membrane 12 auftreffen, Drücke auf den p-n-Über-gen, transformed from the curve S 'to the curve 6' In the following, a method is used as an example as shown in FIG. 2-B is shown. Given that such an emitter is formed, this is presumably based on the fact that a certain part of the pn- is. First, an oxide coating on the upper junction 4 'becomes an ohmic junction and the surface of the n-type base layer 8 is formed, and the current gain α of the transistor is absorbed. Under oxide coating, which corresponds to the edge part 9 a , exploitation of this phenomenon, the diodes are then removed, and then a material, and transistors as electromechanical transducers such as aluminum, used in the so exposed, demarcated, z. B. as microphones. The surface diffuses, resulting in a thick p-type layer has not yet been obtained. Then the low, highly sensitive electromechanical wall coating of the central part 9 is removed, and a core element is formed using conventional diodes and a flat p-conductive layer. It can then have transistors. It has now been found that the closer an emitter electrode is attached to the thick edge part 9 α of the emitter to lie the pointed end of the pin at the pn junction, and it is not possible, the output current or the output voltage 4 ° that the The pn connection due to thermal stresses is all the more dependent on the pressure exerted on the electrode or the pn junction being changed. of the wire. According to the invention, you can get a highly sensitive electromechanical thin p-conductive layer 9 b of the emitter ausreinischen transducer so that the distance between the pointed end of the pin 3, and between the pin and the pn junction is very large small 45 this pen 3 can easily be used on the very sensitive power. In the case of an emitter that is designed as part 9 b are placed. Even if the pen is shown in FIG. 2-A, if changes are measured as a result of an impact or the like shifted somewhat, then the pin seldom comes out of its position towards Al _{c of the collector current as a function of.} Fig. 5 different thicknesses α of the emitter 9, where one is a plan view of the converter of FIG Base 20 are ring-shaped, flows when a weight of 1 g on the surface F i g. 6 shows an exemplary embodiment of a microde emitter 9 being applied. F i g. 3 shows the phons in which the transducer according to the invention is connected to the results of the measurement. As is clearly turned from FIG. 3. 10 is a base, 11 a frame of a can be seen, the collector current change Δ I _c 55 microphone housing that is provided on the base 10 is less than 0.01 mA when the thickness α of the emitter is 9, 12 is a membrane that is im Frame 11 is smaller than 2 μ. However, when the thickness α is made smaller, 13 is a pin that is in the middle of than 1 μ, e.g. B. 0.1 μ, then the frame is attached to, 14 is a converter from half change AI ₀ suddenly to about 9 mA. The conductive material, which is formed according to the invention, the degree of conversion or the reinforcement 60, 15 is a carrier of the semiconducting effect can be made quite large if the element 14, 16 is a support that is attached to the carrier by the thickness α of the emitter 9 is brought as small as possible and carries the pin 13, 17 is an adjustment dimensioned, for example, 0.5 µ or less. In the - screw for setting - the initial pressure, this case is an electrode in the emitter layer is seen in front of a rod 21 exerted on the pin 13, and a connecting wire is attached or in 65 and 18 are lead wires connected to the semiconductor -Practice associated with it, and when the thickness α of the element 14 are connected. If the emitter described above is low, then the pn junction between the microphone will exert vibrations that lightly hit the emitter and base through the thermospan membrane 12, pressures on the pn over-

gang des halbleitenden Elements 14 über den Stift 13 aus. Infolgedessen ändert sich der durch das Halbleiterelement 14 fließende Strom, und die mechanischen Schwingungen der Membrane 12 werden in elektrische Schwingungen umgewandelt und durch die Leitungsdrähte 18 weitergeleitet.output of the semiconducting element 14 via the pin 13. As a result, that changes by the semiconductor element 14 flowing current, and the mechanical vibrations of the membrane 12 are converted into electrical vibrations and through the lead wires 18 forwarded.

Die Erfindung kann in entsprechender Weise auch auf die Diode der Fig. 1-A angewandt werden, und man erhält auch hier ein hochempfindliches Wandlerelement. Weiterhin kann die Erfindung auch dann angewendet werden, wenn p- und n-Typ-Halbleiter an Stelle von n- und p-Typ-Halbleitern verwendet werden.The invention can be applied in a corresponding manner to the diode of Fig. 1-A, and a highly sensitive transducer element is also obtained here. Furthermore, the invention can also then be applied when p- and n-type semiconductors are used instead of n- and p-type semiconductors will.

Claims

Patent claims:

1. Electromechanical converter with a semiconductor wafer, in or on the at least a p-conductive and an η-conductive layer are formed, while a p-n junction between see the p-type and the η-type layer is provided, furthermore with a pin, which the Surface of the p-type or the n-type layer touches, with the other layer up to Surface of the plate runs, and with electrodes arranged on the corresponding layers, characterized in that the thickness of that part of the layer (9) which corresponds to the pin is substantially less than the thickness of the layer belonging to one of the electrodes.

2. Converter according to claim 1, characterized in that the thickness of one of the layers, the assigned to the electrode is 1 to 5 μ.

3. A transducer according to claim 1, characterized in that one of the layers belonging to the pen assigned is 0.5 μ or less.

4. Converter according to claim 1, characterized in that the p-n junction is the junction a flat diode.

5. Converter according to claim 1, characterized in that the p-n junction is the junction of a junction transistor.

Considered publications:
German Patent No. 815493;
German Auslegeschrift No. 1231033;
French patent specification No. 1295 244.

1 sheet of drawings