DE1287135B - Elektroakustischer Wandler mit einer Schicht aus Halbleitermaterial bedeckten Membran - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit einer im wesentlichen runden oder elliptischen Membran, die mindestens einseitig mit einer Schicht eines Halbleitermaterials bedeckt ist, in der unter der Einwirkung mechanischer Kräfte Piezowiderstandsänderungen und/oder Piezospannungen hervorgerufen werden, für deren Abnahme sperrschichtfreie ringförmige Kontakte im Bereich des Membranrandes und im Bereich der unter dem Einfluß der akustischen Schwingungen auftretenden Knotenstelle mit der Schicht in Verbindung stehen.
• Durch die USA.-Patentschrift 2 905 771 wurde ein piezoresistiver Halbleiter-Schallwandler bekannt, bei dem eine kreisförmige Membran an ihrem Mittelpunkt mit einem in axialer Richtung unter mechanischer Spannung stehenden Stab aus Indiumantimonid verbunden ist. Wird die Membran einem Schalldruck ausgesetzt, so ändert sich die axiale Spannung des Stabes und infolgedessen auch sein elektrischer Widerstand.
• In der deutschen Auslegeschrift 1175 746 wird ein Schallwandler beschrieben, bei dem ein plättehenförmiger Halbleiterwiderstand, der an zwei gegenüberliegenden Kanten mit sperrschichtfreien Kontakten versehen ist, mittels einer Kunstharzschiebt flach auf der unter dem Einfluß eines Schalldrucks Biegungsschwingungen ausführenden Membran befestigt ist. Es wird dabei das Halbleiterplättchen den Schwingungen der Membran entsprechenden Zug- und Druckschwankungen ausgesetzt, so daß sich seine spezifische Störstellenleitfähigkeit und infolgedessen sein elektrischer Widerstand ändert.
• Die stäbchen- oder plättchenförmigen Schwinger aus Halbleitermaterial, die naturgemäß äußerst dünn sein müssen, um einen ausreichenden piezoresistiven Effekt aufzuweisen, haben den Nachteil ungenügender mechanischer Festigkeit, so daß Wandler dieser bekannten Art sowohl bei ihrer Herstellung als auch im Gebrauch nur mit äußerster Vorsicht behandelt werden dürfen.
• Es wurde auch durch die deutsche Auslegeschrift 1226647 ein Schallwandler bekannt, dessen Membran eine Selenschicht besitzt, die mit einer Schicht eines leitenden Materials versehen ist, das mit dem Selen eine Sperrschicht bildet. Der Schichtaufbau des Membrankörpers entspricht im wesentlichen einem Selengleichrichter. Es treten bei dieser bekannten Anordnung weder der piezoelektrische Effekt noch der piezoresistive Effekt, sondern der Effekt, wie er von der Piezodiode her bekannt ist (Änderung der Diodenkennlinie), in Erscheinung. Eine nur teilweise Kristallorientierung des Selens läßt den Effekt sowohl bei Druckbelastung senkrecht als auch parallel zur Sperrschicht auftreten. Bei der ähnlich einer Gleichrichterplatte aufgebauten Schallwandlermembran ist ein Leitweg über die Sperrschicht quer zur Selenschicht gegeben. Die Wirkungsgüte der Wandler wird dadurch verringert, daß infolge der abnehmenden mechanischen Deformation von der Membranmitte zum Rand Bezirke großer Änderung der Diodenkennlinie parallel zu Bezirken geringer Änderung liegen.
• In der deutschen Auslegeschrift 1065 880 ist eine am Rande eingespannte und aus mehreren Schichten bestehende Schallwandlermembran beschrieben, bei der wenigstens eine Schicht aus elektrostriktivem Material besteht und bei der die auf beiden Seiten jeder elektrostriktiven Schicht angeordneten Elektroden an den Stellen der Änderung des Krümmungssinnes der Membran unterbrochen sind, wodurch verschiedene Zonen gebildet werden, die derart gepolt bzw. polarisiert werden, daß sie bei elektrischer Erregung mechanisch entgegengesetzt wirken.
• Es wird zwar bei dieser bekannten Anordnung fast die gesamte Membranfläche als Wandler ausgenutzt, jedoch verlaufen auch hier die Strombahnen quer zur Membranfläche.
• Es wurde durch die französische Patentschrift 1072 621 ein Mikrofon bekannt mit einer aus Titanat bestehenden, am Rande eingespannten Keramikmembran, die mit zwei am Rande und in einiger Entfernung davon angebrachten schmalen Ringelektroden versehen ist und die zwischen den beiden Ringelektroden derart polarisiert ist, daß zwischen den Ringelektroden eine Potentialdifferenz entsteht, die abhängig ist von der mechanischen Biegung der Membran.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einer Membran, die mindestens einseitig mit einer Halbleiterschicht bedeckt ist, mit Hilfe sperrschichtfreier Kontakte einen für Übertragungszwecke günstigen Anpassungswiderstand und eine volle Ausnutzung der gesamten Membranfläche zu erzielen.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf der mit der Membran in elektrisch nicht leitender Verbindung stehenden Halbleiterschicht eine weitere runde Kontaktelektrode im Bereich der Membranmitte mit einer zum Membranrand führenden Leiterbahn vorgesehen ist.
• Dadurch wird in vorteilhafter Weise vorwiegend der piezoresistive Effekt ausgenutzt. Da auf der durch Aufdampfen auf einen neutralen Membrankörper aufgebrachten dünnen Halbleiterschicht sperrschichtfreie Kontakte vorgesehen sind, werden Strombahnen parallel zur Schicht, nicht aber quer dazu benutzt. Durch die besondere Kontaktanordnung wird die ganze Membranfläche ausgenutzt, und es wird eine besonders hohe relative Widerstandsänderung und ein für Piezoschallwandler besonders günstiges Signal-Rausch-Verhältnis erreicht.
• Die Erfindung wird an Hand von Figuren erklärt. F i g. 1 zeigt die Ausbildung der Membran eines Schallwandlers; in F i g. 2 ist die Anschaltung der Elektroden einer doppelseitig beschichteten Membran dargestellt. Wird eine am Rand fest eingespannte runde oder ähnlich geformte Membran mit einem Schalldruck belastet, so treten Membranauslenkungen auf, die an der Membranoberfläche radiale und tangentiale mechanische Spannungen bewirken. Im Übertragungsbereich des Schallwandlers sind im Mittelpunkt der Membran Radial- und Tangentialspannungen gleich groß, aber auch in einem ringförmigen Bereich in einiger Entfernung von der ringförmigen Einspannstelle treten den vorher genannten Spannungen entgegengesetzte Spannungen auf, so daß sich etwa in der geometrischen Mitte zwischen dem Mittelpunkt der Membran und der Einspannstelle ein Schwingungsknoten ausbildet. Die Auslenkungen und die damit verbundenen Dehnungen der Membranoberfläche sind im Membranmittelpunkt und in dem genannten ringförmigen Bereich zueinander entgegengerichtet.
• Ist die Dicke einer mit der Membranoberfläche fest verbundenen Piezoschicht klein gegenüber der Dicke der Membran, so sind die Dehnungen der Piezoschicht und der Membranoberfläche gleich.
• Die mechanischen Spannungen führen in der Halbleiterschicht zu Änderungen des Bandabstandes. Damit ändert sich die Besetzungsdichte und folglich die Leitfähigkeit. Andere Wirkungen, wie Änderung der Beweglichkeit oder der Widerstandsgeometrie, treten bei dem hier beschriebenen Wandler nicht nennenswert in Erscheinung.
• Die in F i g. 1 dargestellte Membran kann beispielsweise aus einer runden Aluminiumscheibe bestehen. Durch das bekannte Eloxierverfahren wird die Membran beidseitig mit hochwertigen Isolierschichten versehen, auf denen einseitig oder beidseitig, beispielsweise durch Aufdampfen, eine dünne Schicht eines Halbleitermaterials niedergeschlagen ist. Die bekannten Materialien, wie beispielsweise Tellur, Selen, Gallium- oder Indiumantimonid, aber auch Germanium, zeigen einen günstigen piezoresistiven Effekt.
• Auf der durch das Aufdampfen erzeugten Halbleiteroberfläche sind, beispielsweise ebenfalls durch Aufdampfen oder durch Aufdrucken, drei Kontaktelektroden sperrschichtfrei aufgebracht. Die Mittelpunktselektrode ist als kleine runde Kontaktfläche mit einer zur Anschlußstelle 1 führenden Leiterbahn ausgebildet. Die Zwischenelektrode ist ringförmig, liegt im Bereich des vorher genannten Schwingungsknotens der Membran und ist mit der Anschlußstelle 2 verbunden. Eine äußere Elektrode ist ebenfalls als Ring ausgebildet und ist dicht am Rand, also dicht an der Einspannstelle der Membran vorgesehen. Sie ist an der Stelle 3 anschließbar. Für die von der Mittelpunktselektrode und von der Zwischenelektrode zum Membranrand führenden Leiterbahnen wird ein vorzugsweise ungefähr sektorförmiger Teil der Membranfläche beim Aufdampfen von der Halbleiterschicht frei gehalten.
• Die Rückseite der Membran kann für eine Verdoppelung der Empfindlichkeit in der gleichen Weise beschichtet und mit Elektroden versehen werden.
• Der zwischen den Elektroden 1 und 2 liegende Bereich R 1 der Halbleiterschicht erfährt beim Einwirken eines Schalldruckes Widerstandsänderungen, die jeweils entgegengesetzt sind zu den in dem zwischen den Elektroden 2 und 3 liegenden Bereich R 2 entstehenden Widerstandsänderungen.
• Es können daher für eine günstige Wirkung des Schallwandlers die Bereiche R 1 und R 2 der einen Membranseite mit den Bereichen R 1' und R2' der anderen Membranseite in einer in F i g. 2 gezeigten Brückenschaltung angeordnet werden. Zwischen die Klemmen 4 und 5 der Brückenschaltung wird eine erregende Spannungsquelle angeschlossen; an den Klemmen 6, 7 ist die dem Schalldruck proportionale Ausgangsspannung entnehrnbar.
• Vorzugsweise wird die Dicke der Halbleiterschicht derart gewählt, daß der sich hieraus ergebende Generatorwiderstand des Schallwandlers durch seine Anpassung an den Eingangswiderstand des nachfolgenden Verstärkers ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis des Schallwandlers bewirkt.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Elektroakustischer Wandler mit einer im wesentlichen runden oder elliptischen Membran, die mindestens einseitig mit einer Schicht eines Halbleitermaterials bedeckt ist, in der unter der Einwirkung mechanischer Kräfte Piezowiderstandsänderungen und/oder Piezospannungen hervorgerufen werden, für deren Abnahme sperrschichtfreie ringförmige Kontakte im Bereich des Membranrandes und im Bereich der unter dem Einfluß der akustischen Schwingungen auftretenden Knotenstelle mit der Schicht in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der mit der Membran in elektrisch nicht leitender Verbindung stehenden Halbleiterschicht eine weitere runde Kontaktelektrode im Bereich der Membranmitte mit einer zum Membranrand führenden Leiterbahn (1) vorgesehen ist.
2. 2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoresistive Schicht durch Aufdampfen eines Halbleitermaterials auf eine Membran aus eloxiertem Aluminium hergestellt ist.
3. 3. Elektroakustischer Wandler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelektroden (1, 2, 3) durch Aufdampfen eines Kontaktmaterials auf der Halbleiterschicht angebracht sind.
4. 4. Elektroakustischer Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Halbleiterschicht ein im wesentlichen sektorförmiger Ausschnitt für die Zuführungen zu den inneren Kontaktelektroden (1, 2) ausgespart ist.
5. 5. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Kontaktelektroden (1, 2 bzw. 2, 3) liegenden entgegengesetzten, Schwingungskräften ausgesetzten Schichtbereiche (R 1, R 2) jeweils als Zweige einer Brückenschaltung angeordnet sind