DE1416334B2 - Anordnung zur umwandlung mechanischer schwingungen in elektrische - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische mittels eines gestreckten Körpers aus piezoresistivem Halbleitermaterial, welcher durch von den mechanischen Schwingungen abgeleitete Kräfte gebogen wird.

Zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische kann man bekanntlich Halbleiter verwenden, welche den sogenannten piezoresistiven Effekt aufweisen. Dieser besteht darin, daß in Abhängigkeit von einer auf den Halbleiter wirkenden mechanischen Spannung sich die elektrische Leitfähigkeit des Halbleitermaterials verändert. Dieser Effekt wurde bisher u. a. an Silizium und Germanium festgestellt, wobei der Effekt in bestimmten kristalographischen Richtungen, den sogenannten Vorzugsrichtungen, besonders groß ist.

Es ist bereits aus der Zeitschrift »The Bell System Technical Journal«, Mai 1960, Vol. 39, Nr. 3, Seiten 714 bis 716 bekannt, daß mit einer derartigen Halbleiter ein Mikrofon aufgebaut werden kann, indem man diesen stabförmig ausgebildet und mechanischen Spannungen aussetzt, die von Schallschwingungen abgeleitet sind. Hierzu wird der Halbleiterstab an seinem einen Ende fest 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 Transistortechnik bevorzugt zur. Verfügung stehen, eine so geringe Empfindlichkeit besitzt, daß ein solches Mikrofon für die praktischen Bedürfnisse ungeeignet ist.

Zwar kann mit einer derartigen bekannten An-Ordnung dadurch eine Signalverbesserung erreicht werden, daß eine bimorphe Einheit verwendet wird, deren Elemente einen Zug- und einen Druckarm bilden, welche in eine Brücke eingeschaltet sind; damit ist eine Verdopplung des Gesamtsignals möglich.

Außer zur Anwendung bei Mikrofonen und Tonabnehmern läßt sich eine Anordnung der in Rede stehenden Art ganz allgemein bei der Umwandlung von mechanischer Auslenkung in elektrische Signale verwenden. Beispielsweise ist eine Anwendung bei Beschleunigungsmessern, die bekanntlich eine statische Auslenkung einer relativ frei beweglichen tragen Masse auf das umwandelnde Element übertragen.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine weitere Verbesserung der Empfindlichkeit einer Anordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische zu schaffen.

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Diese Aufgabe wird bei einer hohen Anordnung Von den Ausführungsbeispiele der Erfindung dar-

der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch stellenden Figuren zeigt

die Verwendung eines schwach dotierten oder eigen- F i g. 1 einen Stab mit einer Schicht aus piezore-

leitenden Halbleiters gelöst, von dem einer an seiner sistivem Halbleitermaterial,

Oberfläche liegenden dünnen Schicht, zum Beispiel .5 Fig. 2 einen Stab mit einer Schicht aus piezore-

durch Diffusion, eine so hohe Leitfähigkeit gegeben sistivem Halbleitermaterial an der Oberfläche des

ist, daß sich der piezoresistive Effekt in seiner Aus- Stabes, die U-förmig um den Stab herumgezogen

wirkung im wesentlichen auf diese Schicht konzen- ist, ■■-..-■-

triert. ... F i g. 3 einen einseitig eingespannten Stab mit zwei

Durch einen derartigen Aufbau wird das piezo- ίο piezoresistiven Schichten, dessen freies Ende mit

resistive Material in eine Zone gerückt, in welcher einer Membran mechanisch verbunden ist,

die Biegebeanspruchungen am größten sind, nämlich Fi g. 4 eine scheibenförmige Anordnung mit zwei

an der Außenfläche der Anordnung, so daß Ver- piezoresistiven Schichten in Seitensicht,

biegungen ein Höchstmaß an Widerstandsänderungen F i g. 5 eine Scheibe mit einem aufgebrachten Strei-

hervorrufen. Diese Widerstandsänderung ist in ihrer 15 fen aus piezoresistivem Halbleitermaterial in Drauf-

Wirkung voll ausnutzbar, da das neben der piezo- sieht. ■

resistiven Schicht liegende schwachdotierte oder ei- Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 ist genleitende Halbleitermaterial infolge seiner prak- ein aus einem Halbleitermaterial bestehender Stab 1 tisch isolierenden Wirkung eine schädliche Neben- vorgesehen, der so schwach dotiert ist, daß er sich Schlußbildung über die keinen Deformationen unter- 20 praktisch im eigenleitenden Zustand befindet und liegende Zone im Bereich der neutralen Faser nicht dementsprechend in diesem Zusammenhang als Isozuläßt, lator anzusprechen ist. Durch Diffusion ist der nach

Als Halbleitermaterialien kommen neben Ger- oben gerichteten Oberfläche dieses Stabes eine so

manium und Silizium in Weiterbildung der Erfindung hohe Leitfähigkeit gegeben, daß sich eine piezoresi-

organische Halbleiter und A_mB_v-Verbindungen in 25 stive Schicht 2 ergibt, auf welche sich der piezo-

Betracht, wobei insbesondere die letztgenannten Ver- resistive Effekt dieser Anordnung im wesentlichen

bindungen den Vorteil hoher Ladungsträgerbeweg- konzentriert. Diese Schicht 2 ist an ihren beiden

Henkelten besitzen. Enden jeweils mit einem Kontakt 3 versehen, wozu

Als weitere Ausgestaltung der Erfindung ist je eine man als Material beispielsweise Gold oder Silber

piezoresistive Schicht zu beiden Seiten des ge- 30 verwenden kann. Bei der Kontaktierung ist darauf

streckten Körpers angebracht. Bei einer, derartigen zu achten, daß dabei zwischen der Kontaktstelle und

Ausgestaltung liegen die beiden Schichten zweckmä- dem piezoresistivem Material keine Sperrschichten

ßigerweise in entsprechenden Zweigen einer elek-..".: entstehen. Zur Erzeugung der piezoresistiven Schicht

irischen Brückenschaltung. kann auch ein anderes Verfahren, z. B. ein Le-

Der gestreckte Halbleiterkörper kann in Weiter- 35 gierungsverfahren verwendet werden,
bildung der Erfindung stabförmig oder scheibenför- Beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 dient mig ausgebildet sein. Bei einer stabförmigen Aus- als Ausgangsmaterial wiederum ein schwachdotierter bildung des gestreckten Halbleiterkörpers kann die bzw. eigenleitender Halbleiter, der praktisch als Isopiezoresistive Schicht an seinem Ende des Stabes lator wirkt. Einer an seiner Oberfläche liegenden um dieses Ende so herumgezogen sein, daß die 40 dünnen Schicht 5 ist eine so hohe Leitfähigkeit geSchicht im Querschnitt die Gestalt eines U besitzt, geben, daß sich der piezoresistive Effekt in seiner zwischen dessen Schenkeln der schwach dotierte Auswirkung im wesentlichen auf die Schicht 5 kon- bzw. eigenleitende Teil des Halbleiters liegt. Bei zentriert. Die Schicht 5 ist um das eine Ende des stabförmiger Ausbildung ist weiterhin zweck- Stabes 4 so herumgewickelt, daß die Schicht im mäßigerweise eines seiner Enden mechanisch 45 Querschnitt die Gestalt eines U besitzt, zwischen mit einer Schall aufnehmenden Membrane verbun- dessen Schenkeln das schwach dotierte bzw. eigenden. leitende Halbleitermaterial liegt. Diese Ausführungs-

Bei scheibenförmiger Ausbildung des gestreckten form ist besonders dann zweckmäßig, wenn ein mit Körpers aus Halbleitermaterial kann dieser Körper zwei Schichten versehener Träger mit einer Schalin vorteilhafter Weise selbst die schallaufnehmende 5° tung zusammenarbeitet, bei welcher die beiden Membrane bilden. Dabei kann die piezoresistive Schichten einseitig miteinander zu verbinden sind Schicht als diametraler Streifen ausgebildet sein, (z.B. Brückenschaltung). Diese einseitige Verbinwobei sich dann die größtmögliche Deformation dung ergibt sich nämlich bei dieser Ausführungsergibt. form von selbst. Auch bei der in F i g. 2 darge-

Wenn die erfindungsgemäße Anordnung mit Ver- 55 stellten Anordnung ist die piezoresistive Schicht

Stärkerelementen zusammenzuschalten ist, so kann mit Kontakten 6 versehen.

man diese mit einer bzw. beiden piezoresistiven In der F i g. 3 ist dargestellt, wie man die erfin-Schichten kombinieren. Dies kann einerseits so ge- dungsgemäße Anordnung zweckmäßig beim Aufbau schehen, daß ein Teil einer Schicht durch entspre- eines Mikrofons verwenden kann. Das Mikrofon bechende Dotierung als verstärkendes Element mit den ⁶o sitzt die Membran 7, die mittels des starren Verzugehörigen Anschlüssen ausgebildet wird, anderer- bindungsgliedes 9 an dem einen Ende des als Isoseits kann man einer Schicht einen Transistor auf- lator wirkenden Halbleiterstabes 10 befestigt ist. legieren. Auch auf die Eingangswiderstände ange- Dieser Halbleiterstab 10 weist an seiner Oberfläche schlossene elektrische Organe, insbesondere Ver- zwei piezoresistive Schichten 11 und 12 auf und ist stärker, kann Rücksicht genommen werden, indem 65 einseitig starr eingespannt. Bei der Auslenkung der man jeder Schicht durch entsprechende Dotierung Membran 7 wird somit der Stab 10 in Richtung der eine solche Leitfähigkeit gibt, daß die Organe ange- eingezeichneten Pfeile gebogen. Es findet also eins paßt sind. Umsetzung von auf die Membran 7 auftreffenden

Schallschwingungen 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 11 bzw. 12 wirkt.

Eine Anordnung mit zwei Schichten, wie sie beispielsweise in F i g. 2 und F i g. 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 F i g. 3 beispielsweise die in der F i g. 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 piezoresistiven 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 dann der von der Stromquelle gelieferte Strom entsprechend gesteuert. Bei Verwendung einer Brückenschaltung ist die Stromquelle an die eine Diagonale anzuschließen, während an der anderen Diagonale die erzeugte Wechselspannung abnehmbar ist.

In der F i g. 3 sind noch an jedem Ende der Schichten 11 und 12 Kontakte 13 und 14 gezeigt, die je nach dem gewählten schaltungstechnischen Aufbau entsprechend anzuschließen sind.

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

Eine gegenüber der stabförmigen Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung andersartige Bauweise ist in der F i g. 4 dargestellt. Hierbei handelt

ίο es sich um eine Halbleiterscheibe 16, die zu ihren beiden Seiten dünne piezoresistive Schichten 17 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 Ausführungsbeispielen mit Kontakten 19 versehen. Die Anordnung kann selbst als schallaufnehmende Membran verwendet werden, wobei infolge Durchbiegung der Membran eine entsprechende Stauchung bzw. Strekkung der Schichten 17 und 18 erfolgt, die, wie vorher beschrieben, in elektrische Wechselspannungen umsetzbar sind.

Es ist nicht erforderlich, daß die piezoresistiven Schichten die Scheibe voll bedecken. Wie die F i g. 5 zeigt, 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 F i g. 5 dargestellten runden Membran 20 besitzt der Streifen 21 an seinen beiden Enden die Kontakte 22.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

I 416 334 Patentansprüche:

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 eigentlichen Halbleiters (1; 4,10; 16, 20), von dem einer an seiner Oberfläche liegenden dünnen Schicht (2, 5; 11, 12; 17,18; 21), 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 /iujBy-Verbindung verwendet wird.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je eine piezoresistive Schicht (11,12; 17,18) zu beiden Seiten des gestreckten Körpers (10; 16) angebracht ist (F i g. 3 und 4).

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine stabförmige Ausbildung des gestreckten Körpers (1; 4; 10) mit der bzw. den piezoresistiven Schichten (2; 5; 11,12).

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende des Stabes (4) die piezoresistive Schicht (5) um dieses Ende so herumgezogen ist, daß die Schicht im Querschnitt die Gestalt eines U besitzt, zwischen dessen Schenkeln der schwach dotierte bzw. eigenleitende Teil des Halbleiters (4) liegt (F i g. 2).

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schichten (11,12) in entsprechenden Zweigen einer elektrischen Brückenschaltung liegen (F i g. 3 und 4).

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (10) zumindest an seinem einen Ende mechanisch mit einer schallaufnehmenden Membran (7) verbunden ist (F i g. 3).

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine scheibenförmige Ausbildung des gestreckten Körpers (16; 20) aus Halbleitermaterial mit der bzw. den piezoresistiven Schichten (17,18; 21) (F i g. 4 und 5).

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (16; 20) eine schallaufnehmende Membran bildet.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine piezoresistive Schicht (21) als diametraler Streifen ausgebildet ist.

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

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß einer piezoresistiven Schicht ein Transistor auflegiert ist.

14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoresistiven Schicht (2; 5; 21) bzw. den piezoresistiven Schichten (11,12; 17,18) durch entsprechende Dotierung eine solche Leitfähigkeit gegeben ist, daß daran angeschlossene elektrische Organe, insbesondere Verstärker, angepaßt sind.