DE1416334A1

DE1416334A1 - Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische

Info

Publication number: DE1416334A1
Application number: DE19611416334
Authority: DE
Inventors: Winstel Dipl-Phys Dr Guenther; Zerbst Dipl-Phys Dr Manfred
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-03-09
Filing date: 1961-03-09
Publication date: 1969-01-09
Also published as: FI40808B; US3239611A; NL275027A; DK117782B; NL275714A; SE300021B; DE1416334B2; CH403864A; BE614837A

Description

Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische

Zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische kanu man bekanntlich Halbleiter verwenden, welche den sogenannten piozoresiütiven Effekt aufweisen. Dieser besteht darin, daß ir; Abhängigkeit von einer auf den Halbleiter wirkenden mechanischer. Spannung sich die elektrische leitfähigkeit'des Ha"¹ bi ei terniaterials verändert. Dieser Effekt wurde bisher u. i. an Silizium und Germanium festgestellt, wobei der

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Effekt in bestimmten kristalographischen Richtungen den sogenannten Vorzugsrichtungen, besonders groß ist«

Mit einem derartigen Halbleiter kann man ein Mikrofon - . aufbauen, indem man diesen stabförmig ausbildet und mechanischen Spannungen aussetzt, die von Schallschwingungen abgeleitet sind. Hierzu wird der Halbleiterstab an seinem einen Ende feat eingespannt und an seinem anderen Ende mit einer schwingenden Membran versehen, welche die Schallschwingungen aufnimmt und in entsprechende Verbiegungen des Halbleiterstabes umsetzt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß ein derartiger Aufbau wohl die Mikrofonwirkung zeigt, jedoch bei Verwendung von Halbleiterstäben aus Germanium oder Silizium,;, welche Materialien wegen ihrer Verwendung in der Translator-., technik bevorzugt zur Verfügung stehen, eine so geringe . Empfindlichkeit besitzt, daß ein solches Mikrofon für die praktischen Bedürfnisse ungeeignet ist.

Außer zur Anwendung bei Mikrofonen und Tonabnehmern läßt ; . sich die vorliegende Erfindung ganz allgemein bei der Um-. ..-Wandlung von mechanischer Auslenkung in elektrische Signale verwenden. Beispielsweise ist eine. Anwendung bei Beschleuni<gungsraessern, die bekanntlich eine statische Auslenkung einer relativ frei beweglichen schweren Masse auf das umwandelnde Element übertragen.

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Die Erfindung zeigt einen Weg, wie die Empfindlichkeit einer Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische mittels eines gestreckten Körpers aus piezoresistivem Halbleitermaterial, z.B. Silizium oder Germanium, wesentlich gesteigert werden kann. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß ein schwach dotierter oder eigenleitender Halbleiter verwendet, von dem einer an seiner Oberfläche liegenden dünnen Schicht z.B. durch Diffusion eine so hohe leitfähigkeit gegeben ist, daß sich der piezoresistive Effekt in seiner Auswirkung im wesentlichen auf diese Schicht konzentriert.

Durch einen derartigen Aufbau wird das piezoresistive Material in eine Zone gerückt, in welcher die Biegebeanspruchungen am größten sind, nämlich an der Außenfläche der Anordnung, so daß Verbiegungen ein Höchstmaß an Widerstandsänderungen hervorrufen. Diese Widerstandsänderung ist in ihrer Wirkung voll ausnutzbar,-da das neben der piezoresistiven Schicht liegende schwachdotierte o4er eigenleitende Halbleitermaterial infolge seiner praktisch isolierenden Wirkung eine schädliche Nebenschlußbil&ung über die keinen Deformationen unterliegende Zone im Bereich der neutralen Faser nicht zuläßt.

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Zum Aufbau dee Halbleiters kann man organisches oder anorganisches Halbleitermaterial, insbesondere auch eine - By-Verbindung verwenden.

Je nach dem Verwendungszweck läßt sich die erfindungsgemäße Anordnung in verschiedener Gestalt darstellen. Einerseits kann sie als Scheibe aufgebaut sein und selbst als Membran dienen, andererseits iet es auch möglich, die Anordnung stabförmig auszubilden. Dabei ist ein Aufbau besonders vorteilhaft, bei welchem je eine Schicht aus piezoresistivem Material zu beiden Seiten der Anordnung aufgebracht ist. Handelt eB sich um e"ine solche Anordnung mit je einer piezoresistiven Schicht zu ihren beiden Seiten, so läßt sich diese zweckmäßig mit einer elektrischen Brückenschaltung kombinieren, bei welcher die beiden Schichten in entsprechenden Zweigen der Brückenschaltung liegen.

Wenn die erfindungsgemäße Anordnung mit Verstärkerelementen zusammenzuschalten ist, so kann man diese mit einer bzw. den piezoresistiven Schichten kombinieren. Dies kann einerseits so geschehen, daß ein Teil einer Schicht durch entsprechende Dotierung als verstärkendes Element mit den zugehörigen Anschlüssen ausgebildet wird, andererseits kann maneeiner Schicht einen Transistor auflegieren. Auch auf die Eingangswiderstände angeschlossener elektrische Organe,

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insbesondere Verstärker, kann Rücksicht genommen werden, indem man jeder Schicht durch entsprechende Dotierung eine solche leitfähigkeit gibt» daß die Organe angepaßt sind.

Von den Ausführungsbeispiele$> d&r Erfindung darstellenden Figuren zeigen

Fig. 1 einen Stab mit einer Schicht aus pieaoresistivem Halbleitermaterial,

Fig. 2 einen Stab mit einer Schicht aus ^: · piezoresistivem Halbleitermaterial an

der Oberfläche des Stabes, die U-förmig um den Stab herumgezogen ,ist,

Fig.3 einen einseitig eir.gespannt.en 8tab mit zwei piezoresistiven Schiebten, dessen freies Ende mit einer Membran mechanisch verbunden ist?

Fig. 4 eins scheibenförmige Anordnung mit zwei piezoreaistiven Schiebten in Seitensicht,

Fig. ? eine Scheibe mit einen? «ufgeuraehten Streifen aus piezoresistivem Halbleitermaterial in Draufsicht.

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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist ein aua einem Halbleitermaterial bestehender Stab 1 vorgesehen, der so schwach dotiert ist, daß er sich praktisch im eigenleitenden Zustand befindet-und dementsprechend in diesem Zusammenhang als Isolator anzusprechen ist. Durch Diffusion ist der nach oben gerichteten Oberfläche dieses Stabes eine so hohe Leitfähigkeit gegeben, daß sich eine piezoresistive Schicht 2 ergibt, auf welche sich der piezoresistive Effekt dieser Anordnung im wesentlichen konzentriert. Diese Schicht 2 ist an ihren beiden Enden jeweils mit einem Kontakt J> versehen, wozu man als Material beispielsweise Gold oder Silber' verwenden kann. Bei der Kontaktierung ist darauf au achten, daß dabei zwischen der Kontaktstelle und dem piezoresistivem Material keine Sperrschichten entstehen. Zur Erzeugung der piezoresistiven Schicht kann auch ein anderes Verfahren z.B. ein Legierungsverfahren verwendet werden.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 dient als Ausgangsmaterial wiederum ein schwachdotierter bzw. eigenleitender Halbleiter, der praktisch als Isolator wirkt. Einer an seiner Oberfläche liegenden dünnen Schicht 5 ist eine so hohe Leitfähigkeit gegeben, daß sich der piezoresistive Effekt in seiner Auswirkung im wesentlichen auf die Schicht konzentriert. Die Schicht 5 ist um das sine Ende des

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Stabes 4 so herumgezogen, daß die Schicht im Querschnitt die Gestalt eines XS besitzt, zwischen dessen Schenkeln das schwach dotierte bzw. eigenleitende Halbleitermaterial liegt. Diese Ausführungsform ist besonders dann zweckmäßig, wenn ein mit zwei Schichten versehener Träger mit einer Schaltung zusammenarbeitet, bei welcher die beiden Schichten einseitig miteinander zu verbinden sind (z.B. Brückenschaltung) . Diese einseitige Verbindung ergibt sich nämlich bei dieser Ausfnhrungsform von selbst. Auch bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist die piezoresistive Schicht mit Kontakten 6 versehen.

In der Fig. 3 ist dargestellt, wie man die erfindungsgemäße Anordnung zweckmäßig beim Aufbau eines Mikrofons verwenden kann. Das Mikrofon besitzt die Membran 7, die mittels des starren Verbindungsgliedes 9 an dem einen Ende dee als Isolator wirkenden Halbleiterstabes 10 befestigt ist. Dieser Halbleiterstab 10 weist an seiner Oberfläche zwei piezoresiötive Schichten 11 und 12 auf und ist einseitig starr eingespannt. Bei der Auslenkung der Membran 7 wird somit der Stab in Richtung der eingezeichneten Pfeile gebogen. Es findet also eine Umsetzung von auf die Membran 7 auftreffenden Schall-/nSngungen in entsprechende Verbiegungen des Stabes 9 statt, wobei die Schichten 11 und 12 gedehnt bzw. gestaucht werden. Wie ersichtlich, ist hierzu eine Kraftkomponente erforderlich, welche in senkrechter Richtung auf die Schicht

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11 bzw. 12 wirkt. '

Eine Anordnung mit zwei Schichten, wie sie beiapielsweise in Fig. 2 und Pig. 3 dargestellt ist, eignet sich besonders dazu, mit einer elektrischen Brückenschaltung zusammengeschaltet zu werden.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß es selbstverständlich auch möglich ist, bei dem Aufbau gemäß Fig. 3 beispielsweise die in der Fig. 1 dargestellte Struktur einzusetzen, d.h. einen Stab mit nur einer piezoresistiven Schicht zu verwenden. In jedem der vorstehend behandelten Betriebsfälle ergibt sich bei Verbiegung der p^iezoresistiven Schichten eine Umsetzung.^*·· in elektrische Schwingungen, die an den Kontakten der'piezoresistiven Schichten abnehmbar sind, wenn man diese an eine Stromquelle anschließt. Durch Widerstandsänderung in der Schicht wird danieder von der Stromquelle gelieferte Strom entsprechend- gesteuert. Bei Verwendung einer Brückenschaltung ist die Stromquelle an die eine Diagonale anzuschließen, während an der anderen Diago-r nale» die erzeugte Wechselspannung abnehmbar ist.

In der Fig. 3 sind noch an jedem Ende der Schichten 11 und Kontakte 13 und H gezeigt, die jo nach dem gewählten schaltungstechnischen Aufbau entsprechend anzuschließen sind.

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Bei den Fig. 1 bis 3 handelt es sich aus zeichnerischen Gründen um eine tiberhöhte Darstellungsweise. Für praktisch gut verwendbare Mikrofone beträgt die Dicke des jeweils dargestellten Stabea etwa 0,5 mm, wobei die Schichtdicke etwa 0,005 mm ist.

Sine gegenüber der stabförmigen Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung andersartige Bauweise ist in der Fig. 4 dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine Halbleiterscheibe 16, die zu ihren beiden Seiten dünne piezoresistiv^ Schichten und 18 besitzt. Die Scheibe 16 mit den beiden Schichten 17 und 18 ist an ihrem Rand gehalten und zwar zweckmäßig frei drehbar eingespannt. Die Schichten 17 und 18 sind wie bei den vorher behandelten AusfUhrungsbeispielen mit Kontakten 19 versehen. Die Anordnung kann selbst faio schallaufnehmende* Membran verwendet werden, wobei infolge Durchbiegung der Membran eine entsprechende Stauchung bzw. Streckung der

Schichten 17 und 19 erfolgt, die, wie vorher beschreiben, in elektrische Wechselspannungen umsetzbar sind.

Es ist nicht erforderlich, daß die piezoresistiven Schichten die Scheibe voll bedecken. Wie die Pig. 5 seigt, kann man die Schichten auch streifenförmig ausbilden* wobei man zwecks Erzielung einer größtmöglichen Deformation bei einer runden Membran den Streifen diametral legt. Bei der in der

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Pig. 5 dargestellten runden Membran 20 besitzt der Streifen 21 an seinen beiden Enden die Kontakte 22. '

15 Batentanaprüche
5 Figuren

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Claims

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1. Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische mittels eines gestreckten Körpers aus piezoresistivem Halbleitermaterial, welcher durch von den mechanischen Schwingungen abgeleitete Kräfte gebogen wird, gekennzeichnet durch die Verwendung eines schwach dotierten oder eigenleitenden Halbleiters, von dem einer an seiner Oberfläche liegenden dünnen Schicht, z.B. durch Diffusion, eine so hohe leitfähigkeit gegeben ist, daß .sich der piezoresistive Effekt in seiner Auswirkung im wesentlichen auf diese Schicht konzentriert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial ein organischer Halbleiter verwendet wird. ■

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial eine Aj₁₁- By-Verbindung verwendet wird.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoreeistive Schicht mit Kontakten zum Anschluß elektricher leitungen ver- " sehen ist.

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5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je eine piezoresistive Schicht zu beiden Seiten des gestreckten Körpers angebracht ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet, durch eine stabförmige Ausbildung des gestreckten Körpers mit der bzw. den piezoresistiven Schichten.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß an einem Ende des Stabes die piezoresistive Schicht um dieses Ende so herumgezogen ist, daß die Schicht im Querschnitt die Gestalt eines ü besitzt, zwischen dessen Schenkeln der schwach dotierte bzw. eigenleitendö Teil des Halbleiters liegt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schichten in entsprechenden Zweigen einer elektrischen ßrückenschaltung liegen.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab zumindest an seinem einen Ende mechanisch mit einer schallaufnehmenden Membran verbunden ist. .

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10. Anordnung nach einem der Ansprüche "i bis 5, gekennzeichnet durch eine scheibenförmige Ausbildung des gestrcccten Körpers aus Halbleitermaterial mit der bzw. den piezoresistiven Schichten. ^:

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe eine schallauf nehmende;:,⁵ Membran bildet.

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine piezoreaistive Schicht als diametraler Streifen ausgebildet ist.

13· Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil einer piezoresistiven Schicht j durch entsprechende Dotierung als verstärkendes Element mit den zugeßörigen Anschlüssen ausgebildet ist.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß einer piezoresistiven Schicht ein Transistor auflegiert ist.

15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoresistiven Schicht b^w. den pieaoresistiven Schichten durch entsprechende Dotierung eine solche Leitfähigkeit gegeben ist, daß daran ange-

elektrische Organe, insbesondere Verstärker, sind.

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