DE1572996C3 - Monolithischer, elektromechanischer Oszillator - Google Patents

Monolithischer, elektromechanischer Oszillator

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DE1572996C3 DE1572996A DE1572996A DE1572996C3 DE 1572996 C3 DE1572996 C3 DE 1572996C3 DE 1572996 A DE1572996 A DE 1572996A DE 1572996 A DE1572996 A DE 1572996A DE 1572996 C3 DE1572996 C3 DE 1572996C3
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Description

Die Erfindung betrifft einen monolithischen, elektromechanischen Oszillator aus einem Halbleiterkörper, dessen mechanische Resonanzfrequenz die Schwingfrequenz bestimmt.
Durch die Einführung der monolithischen, integrierten Schaltungstechnik konnten die Größe, das Gewicht und die Kosten elektronischer Schaltungen in erheblichem Maße verringert werden.
Bei der Herstellung von Induktivitäten und Kapazitäten in integrierter Technik ergeben sich jedoch noch erhebliche Schwierigkeiten. Induktivitäten und Kapazitäten mit den in vielen Anwendungen erforderlichen großen elektrischen Werten können in dieser Technik räumlich nicht so klein hergestellt werden, daß sie mit den integrierten Schaltungen sinnvoll vereinbar wären. Aus diesem Grund ist man dazu übergegangen, integrierte Schaltungen so auszulegen, daß nur Widerstands-Kapazitäts-Kombinationen erforderlich sind.
Derartige Schaltungen weisen aber den Nachteil auf, daß der Frequenzbereich erheblich eingeschränkt und die Stabilität sehr gering ist.
Andere Lösungen dieses Problems bestehen darin, daß piezoelektrische, elektromechanische Resonanzschwinger eingesetzt werden. Diese Maßnahmen haben den Nachteil, daß sie nur begrenzt anwendbar sind, da sie die Verwendung von Halbleitermaterialien aus III-V-Verbindungen erfordern.
Halbleitermaterialien zeigen allgemein eine starke Temperaturabhängigkeit ihrer elektrischen Eigenschaften. Diese Temperaturabhängigkeit erschwert die Herstellung stabiler, frequenzbestimmender Halbleiterelemente.
Der Bedarf an stabilen, frequenzbestimmenden Elementen wurde seither durch elektromechanische Schwinger, wie beispielsweise Quarzschwinger, Stimmgabeln und magnetostriktive Schwinger, gedeckt.
Es ist bereits eine ganze Anzahl brapchbarer elektromechanischer Wandler bekannt. In diese Gruppe gehören die magnetischen Anordnungen, wie beispielsweise Solenoide, aber diese sind infolge ihrer Größe nicht für einen sinnvollen Einbau in integrierten Schaltungen geeignet.
Piezoelektrische Anordnungen bringen den Nachteil mit sich, daß sie auf nicht homöopolare Materialien, wie beispielsweise III-V-Halbleiterverbindun-
gen, beschränkt und damit nicht mit den im großen Umfange für integrierte Schaltungen verwendeten homöopolaren Materialien, wie beispielsweise Germanium und Silicium, verträglich sind.
Auch die Ausnützung der Erscheinung der Elektrostriktion wurde bereits vorgeschlagen. Diese Erscheinung tritt jedoch bei Halbleitermaterialien, wie Silicium und Germanium, nicht oder nur mit einem derart schlechten Wirkungsgrad auf, daß ihre Ausnutzung in Halbleiterschwingern nicht sinnvoll erscheint.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen monolithischen, elektromechanischen Oszillator aus einem Halbleiterkörper anzugeben, dessen mechanische Resonanzfrequenz die Schwingfrequenz bestimmt und der hinsichtlich seiner räumlichen Ausdehnung und seiner elektrischen Eigenschaften für den Einsatz in integrierten Schaltungen geeignet ist, wobei keine Einschränkungen hinsichtlich der für den Halbleiterkörper verwendeten Materialien bestehen.
Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß im Halbleiterkörper ein elektrothermischer Wandler als Anregungselement gebildet ist, der die zugeführte elektrische Schwingungsenergie in entsprechende thermische Energie und damit in mechanische Spannungszustände umwandelt.
Weiterhin wird vorgeschlagen, daß im Halbleiterkörper zusätzlich ein mechanisch-elektrischer Wandler als Geberelement gebildet ist, der die mechanischen Spannungszustände im Halbleiterkörper in entsprechende elektrische Schwingungsenergie umwandelt.
Wesentliche Vorteile der erfindungsgemäßen Oszillatoren bestehen darin, daß sie in der erforderlichen Kleinheit, aus demselben Material wie die integrierte Schaltung, in der sie eingesetzt werden, und insbesondere durch die gleichen Herstellungsverfahren, wie die integrierte Schaltung selbst, herstellbar sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung mehrerer, in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele. Es zeigt
F i g. 1 einen erfindungsgemäßen, als Biegeschwinger arbeitenden Oszillator,
F i g. 2 das Frequenzverhalten eines derartigen Oszillators,
Fig. 3 die in übertriebener Weise dargestellte, durch elektrische Verlustwärme hervorgerufene Auslenkung des Halbleiterkörpers,
F i g. 4 den Anregungsbereich, wenn der Halbleiterkörper selbst als Anregungselement, d. h. als elektrothermischer Wandler, verwendet wird,
F i g. 5 eine Darstellung des Verlaufs der bei einer Auslenkung auftretenden mechanischen Spannung über der Länge des in Fig. 1 dargestellten Halbleiterkörpers,
F i g. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel,
F i g. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel,
F i g. 8 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel,
Fig. 9 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 8,
Fig. 10 eine Lichtablenkeinrichtung, in der die Erfindung zur Anwendung gelangt,
Fig. 11 ein Bandpaßfilter unter Verwendung erfindungsgemäßer Oszillatoren,
Fig. 12 das Frequenzverhalten des Bandpaßfilters gemäß Fig. 11,
Fig. 13 eine Schaltung mit einem erfindungsgemäßen Oszillator,
Fig. 14 das elektrische Verhalten der Schaltung gemäß Fig. 13 und
s Fig. 15 eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Oszillators, dessen Güte Q durch die Art seiner Befestigung verringert wird.
Zunächst sei der in Fig. 1 dargestellte Oszillator näher beschrieben, der als Biegeschwinger arbeitet.
ίο Ein einfacher, länglicher Halbleiterkörper 10 ist einseitig mit einem Gegenblock 12 fest verbunden. In diesem Halbleiterkörper 10 ist durch Anwendung konventioneller Halbleitertechnik, wie beispielsweise der Diffusion oder Epitaxie, ein Anregungselement 14 hergestellt. In entsprechender Weise ist in dem Halbleiterkörper etwas abgesetzt vom Anregungselement 14 ein Geberelement 16 gebildet. Am Anregungselement und am Geberelement sind elektrische Zuleitungen 18 und 20 angebracht. Als Anregungselement 14 dient ein elektrothermischer Wandler, in dem elektrische Verlustwärme erzeugt wird, wenn an die Zuleitung 18 eine elektrische Spannung angelegt wird. Diese elektrische Verlustwärme bewirkt, daß der Halbleiterkörper 14 infolge der größeren Wärmeausdehnung an der oberen Oberfläche in der Umgebung des Anregungselementes 14 geringfügig nach unten ausgelenkt wird. Durch die mit der Auslenkung verbundene Zug- bzw. Druckspannung im Halbleiterkörper 10 wird im Geberelement 16, das einen mechanisch-elektrischen Wandler darstellt, ein kleines, elektrisches Ausgangssignal erzeugt. Wenn die dem Anregungselement zugeführte elektrische Energie periodisch vergrößert und verkleinert wird, so kann bei einer bestimmten Frequenz, nämlich der mechanischen Resonanzfrequenz des Halbleiterkörpers 10, infolge der mechanischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers eine Verstärkung der periodischen Auslenkungen erzielt werden. Das Ergebnis dieser Resonanzwirkung ist, daß als Folge der vergrößerten Auslenkungen auch die Zug- bzw. Druckspannungen im Halbleiterkörper 10 wesentlich vergrößert werden und daß damit auch das Ausgangssignal des Geberelementes 16 verstärkt wird.
In F i g. 2 ist die typische Frequenzcharakteristik eines Oszillators gemäß Fig. 1 dargestellt. Die Frequenz /0 entspricht der mechanischen Resonanzfrequenz des Halbleiterkörpers 10.
F i g. 3 veranschaulicht die Wirkungsweise eines auf einem Halbleiterkörper angeordneten Anregungselementes, das eine Biegeschwingung des Halbleiterkörpers hervorruft. Wie beim Oszillator gemäß Fig. 1 ist ein länglicher Halbleiterkörper 10 einseitig an einem Gegenblock 12 angebracht oder in diesen eingespannt. Über eine schematisch angedeutete elektrische Zuleitung 18 wird dem Anregungselement 14 Strom zugeführt. Die im Anregungselement 14 auftretende elektrische Verlustwärme erzeugt von der oberen zur unteren Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 ein Temperaturgefälle um A T. Infolge dieses Temperaturgefälles dehnt sich der Halbleiterkörper 10 an der oberen Oberfläche mehr aus als an der unteren und wird deshalb nach unten ausgelenkt. Näherungsweise ergibt sich die Größe der Auslenkung d aus der Gleichung:
d = — -Ι-ΔΤ-ε-Q
Hierbei entsprechen L und H der Länge und der Dicke des Halbleiterkörpers, / entspricht der Länge des Anregungselementes, e ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Halbleiterkörpers, Δ Τ entspricht dem Temperaturgefälle über der Dicke des Halbleiterkörpers und ist proportional der im Anregungselement 14 auftretenden elektrischen Verlustwärme, schließlich entspricht Q dem Kehrwert des logarithmischen Dämpfungswertes des schwingenden Halbleiterkörpers. Beispielsweise wird ein Halbleiterkörper aus Silicium mit einer Länge von 9 mm und einer Dicke von 0,25 mm durch ein Anregungselement mit einer Länge von etwa 0,125 mm näherungsweise um d — 8 μπι ausgelenkt, wenn er ein Q von 700 aufweist und in seiner Resonanzfrequenz mit 30 Milliwatt angeregt wird. Die Auslenkung eines entsprechenden Halbleiterkörpers aus Germanium ist in derselben Größenordnung, da der Wärmeausdehnungskoeffizient £ von Germanium zwar um .50 % kleiner ist als von Silicium, aber sein Wärmewiderstand fast zweimal so groß ist wie von Silicium. Es hat sich herausgestellt, daß die Resonanzfrequenz eines Halbleiterkörpers mit dem Quadrat seiner Länge abnimmt und direkt proportional mit seiner Dicke zunimmt. Durch Hinzufügen einer zusätzlichen Masse kann die Resonanzfrequenz des Halbleiterkörpers vermindert werden.
Als Anregungselement 14 zur Erzeugung eines Temperaturgefälles um A T eignen sich mehrere Typen. Beispielsweise kann ein elektrisches Widerstandselement in der Oberfläche des Halbleiterkörpers 10, ein im Halbleiterkörper 10 gebildeter elektrischer Widerstand, ein im Halbleiterkörper 10 hergestellter, in Vorwärtsrichtung betriebener pn-übergang und ferner im Halbleiterkörper 10 gebildeter Transistor verwendet werden, über dessen Kollektorverlustleistung die erforderliche Erwärmung hervorgerufen wird. Die verschiedenen Anregungselemente unterscheiden sich lediglich in der Art, in der das Temperaturgefälle Δ T erzeugt wird; der durch sie hervorgerufene Endeffekt ist stets der gleiche. Eine Anregungsart, bei der der Halbleiterkörper 10 selbst als Widerstandselement dient, ergibt sich aus der Fig. 4. Der Anregungsstrom wird über die elektrische Zuleitung 22 und den auf dem Halbleiterkörper 10 angebrachten, ersten Kontakt 24 zugeführt, fließt quer durch den Halbleiterkörper 10 zu einem zweiten ohmschen Kontakt 26 und wird über den Gegenblock 28, an dem der Halbleiterkörper 10 befestigt bzw. eingespannt ist, zur Stromquelle zurückgeleitet. Unmittelbar unterhalb des ersten ohmschen Kontaktes 24 ist der Strom auf einen entsprechend kleinen Bereich begrenzt. Der Querschnitt dieses Bereiches vergrößert sich aber in Richtung zum zweiten ohmschen Kontakt hin, so daß der elektrische Widerstand in Richtung auf den zweiten ohmschen Kontakt hin abnimmt. Aus diesem Grunde entsteht innerhalb des Halbleiterkörpers 10 ein Temperaturgefälle.
Die Anregung kann auch dadurch erfolgen, daß sowohl an der oberen als auch an der unteren Oberfläche des Halbleiterkörpers Anregungselemente vorgesehen werden. Die elektrische Anregung erfolgt dann gegenphasig, so daß in jeder Periode zwei auslenkende Kraftwirkungen erzeugt werden. Eine weitere Abwandlung der Anregungsmethode kann darin bestehen, daß andere thermische Effekte, wie beispielsweise der Peltier-Effekt, zur Anwendung gelangen.
Auch als Geberelement 16, das die im Halbleiterkörper 15 auftretenden Zug- bzw. Druckspannungen abfühlt und als mechanisch-elektrischer Wandler dient, eignen sich mehrere Ausführungsarten. Beispielsweise seien piezoelektrische Widerstände und piezoelektrische pn-Übergänge genannt. Piezoelektrische Halbleiterwiderstände stellen außerordentlich empfindliche mechanisch-elektrische Wandler dar, zwischen deren Ausgangssignalen und den herrschenden Zug- bzw. Druckspannungen eine nahezu lineare Abhängigkeit besteht. Die Empfindlichkeit der piezoelektrischen Halbleiterwiderstände hängt vom verwendeten Halbleitermaterial, den Dotierungsstoffen, der Störstellenkonzentration und von der Kristallorientierung ab. Selbstverständlich tritt auch hier das Problem der Temperaturempfindlichkeit auf. Die Temperaturempfindlichkeit kann aber durch geeigneten Aufbau vermindert werden. Die piezoelektrischen Halbleiterwiderstände lassen sich so ausrichten, daß Widerstandsänderungen infolge der Wärmeempfindlichkeit nahezu vermieden werden, aber die Zugbzw. Druckempfindlichkeit vergrößert wird.
In F i g. 5 ist die Zug- bzw. Druckspannungsverteilung längs eines einseitig eingespannten Halbleiterkörpers 10 dargestellt. Die auftretenden Spannungen sind im Bereich des Einspannortes 32 am größten und fallen bis zum freien Ende des Halbleiterkörpers auf 0 ab. Wenn das Geberelement maximale Ausgangssignale liefern soll, muß es also in unmittelbarer Nähe des Einspannortes auf oder im Halbleiterkörper 10 angeordnet sein. Da aber andererseits der Wirkungsgrad der Anregung im Bereich des Einspannortes am größten ist, muß hinsichtlich der örtlichen Lage des Anregungselementes und des Geberelementes ein Kompromiß geschlossen werden, so daß einerseits ein maximaler Wirkungsgrad des Oszillators erzielt wird und andererseits die unerwünschte elektrische und thermische Kopplung zwischen den beiden Elementen nicht vergrößert wird. Durch die äußere Formgebung des Halbleiterkörpers oder durch eine am freien Ende des Halbleiterkörpers angebrachte zusätzliche Masse läßt sich der mechanische Spannungsverlauf über der Länge des Halbleiterkörpers so verändern, daß die genannten Forderungen erfüllt werden.
Im vorstehenden wurde der grundsätzliche Aufbau eines erfindungsgemäßen Oszillators an Hand des in den Fig. 1 bis 5 dargestellten, einseitig eingespannten Halbleiterkörpers beschrieben. Es sind jedoch auch andere Ausrührungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Oszillators möglich, die zwar hinsichtlich des mechanischen Aufbaues und der Betriebsart gegenüber der einfachen Ausführung etwas unterschiedlich sind, aber auf demselben Grundprinzip beruhen. Die im betrachteten Beispiel durch Auslenkung des Halbleiterkörpers erzeugte Schwingungsart ist die Biegeschwingung. Es ist jedoch eine ganze Anzahl von Biegeschwingungen bekannt, deren mechanischer Aufbau von denen des einfachen, einseitig eingespannten Biegeschwingers abweicht. Zwei weitere Schwingungsarten, in denen der erfindungsgemäße Oszillator betrieben werden kann, sind die Torsionsschwingungen und die akustischen Schwingungen.
In F i g. 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem der Halbleiterkörper zu Torsionsschwingungen angeregt wird. Der zylindrisch geformte Halbleiterkörper 40 ist einseitig mit einem
Gegenblock 42 eingespannt oder befestigt. Die Anregungs- und Geberelemente sind auf der Oberfläche entlang einer Spirallinie 44 angeordnet, deren Steigung in bezug auf die Längsachse des zylindrischen Halbleiterkörpers 40 45° beträgt. Die Anregungsund Geberelemente sind wie beim ersten Ausführungsbeispiel vorzugsweise im Halbleiterkörper selbst hergestellt. Es kann eines oder mehrere von jedem dieser Elemente entlang der Spirallinie 44 angeordnet sein. Die Wirkungsweise des Anregungselementes besteht darin, den zylindrischen Halbleiterkörper 40 zu Torsionsschwingungen anzuregen.
In F i g. 7 ist fein Ausführungsbeispiel dargestellt, das als akustischer Schwinger arbeitet. Der Halbleiterkörper 50 ist auch hier einseitig mit einem Gegenblock 52 verbunden. Das Anregungselement 54 liegt in dem mit dem Gegenblock verbundenen Ende des Halbleiterkörpers und erzeugt eine akustische Spannungswelle, die als gestrichelt gezeichnete Linie 56 angedeutet ist und die sich in Richtung des Pfeiles zu einem als mechanisch-elektrischer Wandler arbeitenden Geberelement 58 am anderen, freien Ende des Halbleiterkörpers 50 fortpflanzt. Auch hier kann das Geberelement durch konventionelle Verfahren, wie beispielsweise Diffusion oder Epitaxie, hergestellt werden. :
Die folgende Zusammenstellung liefert einen Vergleich der Grundresonanzfrequenz einiger Oszillatoren, die alle die gleichen Abmessungen aufweisen und auf den einseitig eingespannten Schwinger normiert sind. Die normierten Frequenzen gelten für alle Halbleitermaterialien mit Ausnahme der normierten Frequenz für den akustischen Schwinger, die nur für einen Halbleiterkörper aus Silicium gilt.
Schwingungsart Normierte
Frequenz
Einseitig ein
gespannter Halb
leiterkörper Biegeschwingung 1
Beidseitig ein
gespannter Halb
leiterkörper Biegeschwingung 6,36
Torsionsschwinger.. Torsions 36,6
schwingung
Akustischer
Schwinger Akustische 61,8
Schwingung
Die Biegeschwinger lassen sich auch zu Oberwellenschwingungen anregen, so daß eine höhere Resonanzfrequenz erhalten wird. Beispielsweise liefert bei einem einseitig eingespannten Halbleiterkörper die erste Oberwelle eine um den Faktor 6,27 höhere Frequenz als die Grundwelle.
Für den Halbleiterkörper kann beliebiges Halbleitermaterial verwendet werden. Es ist also Halbleitermaterial mit homöopolarer Bindung und mit nicht homöopolarer Bindung verwendbar. Für den Konstrukteur ergibt sich dadurch der große Vorteil, daß er für den elektromechanischen Oszillator und die damit zusammenarbeitende monolithische, integrierte Schaltung gleiches Halbleitermaterial verwenden kann. Integrierte Schaltung und Oszillator sind damit vollkommen miteinander vereinbar.
Eine bevorzugte Ausführungsart des erfindungsgemäßen Oszillators ist in den F i g. 8 und 9 dargestellt. Der längliche Halbleiterkörper 60 aus Silicium ist einseitig mit einem Gegenblock 62 verbunden. Die Verbindung erfolgt über eine geeignete leitende Metallschicht aus beispielsweise einer eutektischen Gold-Silber-Legierung 64. Die bevorzugte Kristallorientierung des monokristallinen Siliciumkörpers ist im Punkt 66 angegeben. Diese Orientierung ist gewählt, da sie die Herstellung der am besten geeigneten Geberelemente ermöglicht. Am freien Ende des Halbleiterkörpers 60 ist eine Zusatzmasse angebracht, die den Spannungsverlauf im Halbleiterkörper beeinflußt und die Resonanzfrequenz vermindert. Bei einem zweiseitig eingespannten Halbleiterkörper wäre die Zusatzmasse; in oder nahezu in der Mitte des Halbleiterkörpers anzuordnen. Als Material für die Zusatzmasse 68 eignet sich jedes Material, das auf den Halbleiterkörper aufgebracht werden kann und das keine nachteilige Wirkung auf die im Halbleiter-
ao k_örper 60 gebildeten elektrischen Schaltungen ausübt. Beispielsweise kann die Zusatzmasse 68 aus Gold, Platin oder Wolfram bestehen. Durch Anwendung der konventionellen Diffusionstechnik ist im Halbleiterkörper 60 ein Transistor 70 hergestellt, der
as als Anregungselement dient. Der Transistor befindet sich in unmittelbarer Nähe des Einspannortes, um bei der Anregung den größtmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen. Drei piezoelektrische Widerstandselemente 72, 74 und 76 sind in unmittelbarer Nähe des Transistors 70, aber etwas weiter vom Einspannort abgesetzt, im Halbleiterkörper 60 hergestellt. Der Widerstandswert der Widerstandselemente 72 und 76 ist etwa halb so groß wie der des Widerstandselementes 74. Außerdem weisen die Widerstandselemente 72 und 76 im Vergleich zum Widerstandselement 74 piezoelektrische Konstanten gleicher Größe, aber entgegengesetzten Vorzeichens auf. Die elektrische Verbindung des Widerstandselementes 74 mit den Widerstandselementen 72 und 76 stellt den Ausgang dar, der infolge der räumlichen Anordnung der drei Widerstandselemente verhältnismäßig unempfindlich gegen Temperaturschwankungen ist. Die Bereiche 82 und 83 des Halbleiterkörpers 60 enthalten jeweils eine Transistor- und Widerstandsanordnung, die beide einen integrierten Verstärker für das Eingangsbzw. Ausgangssignal des Oszillators bilden. Auf die Verwendung dieser integrierten Verstärker kann natürlich in geeigneten Fällen verzichtet werden. Über die auf dem Halbleiterkörper angeordneten Metallelektroden 84 und 85 erfolgt die elektrische Verbindung der einzelnen Punkte der Schaltung. In F i g. 9 ist das elektrische Blockschaltbild der Anordnung gemäß F i g. 8 dargestellt, wobei für gleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Die in F i g. 9 mit dem Bezugszeichen 87 bezeichnete Kurve entspricht der Frequenzcharakteristik des Oszillators der F i g. 8 im Resonanzfalle.
Ein anderes funktionsfähiges Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Oszillators unterscheidet sich etwas von der in F i g. 8 dargestellten Anordnung. Das Anregungselement besteht aus einem Widerstand von 5000 Ohm, der an Stelle des Transistors 70 in die obere Oberfläche eines die Abmessungen 9 · 2,5 ■ 0,2 mm aufweisenden Halbleiterkörpers aus Silicium eindiffundiert ist. Der als Geberelement verwendete mechanisch-elektrische Wandler setzt sich aus vier piezoelektrischen Widerständen zusammen, die durch Diffusion im Halbleiterkörper
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hergestellt und zu einer Brückenschaltung verbunden sind. Jeweils zwei piezoelektrische Widerstände mit Koeffizienten entgegengesetzten Vorzeichens bilden ein Brückenglied. Am freien Ende des Halbleiterkörpers ist eine Zusatzmasse von 2,5 Milligramm Gold aufgebracht. Dem als Anregungselement dienenden Widerstand werden 100 Milliwatt Gleichstromleistung und 5,25 Milliwatt Wechselstromleistung zugeführt. Der Oszillator liefert eine Wechselstromausgangsleistung von 1,6 Milliwatt. Die Resonanzfrequenz des Halbleiterkörpers aus Silicium beträgt 1,414 kHz. Das gemessene Q liegt über 1500.
Fig. 10 zeigt eine Anwendung des erfindungsgemäßen Oszillators in einer Anordnung zur Lichtablenkung.. Jn diesem Anwendungsfalle wird kein Geberelement benötigt. Eine Lichtquelle 90 wirft einen im sichtbaren oder unsichtbaren Bereich liegenden Lichtstrahl auf den einseitig eingespannten, länglichen Halbleiterkörper 10. Ein lichtempfindliches Element 92 ist so angeordnet, daß es den vom Halb·· leiterkörper reflektierten Lichtstrahl im Takte der Resonanzfrequenz empfängt oder nicht empfängt. In der gestrichelten Lage des Halbleiterkörpers 10 geht der reflektierte Lichtstrahl am lichtempfindlichen Element vorbei.
. Weitere Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Oszillators liegen auch auf dem Gebiet schmalbandiger Filter. Ein Bandpaßfilter kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß in einer Anordnung .mehrere schwingfähige Halbleiterkörper 94, 95 und 96, wie in Fig. 11 gezeigt, verwendet werden. Die Halbleiterkörper weisen unterschiedliche Länge auf, und ihre Resonanzfrequenzen fv /2 und /„ sind verschieden voneinander. Sie können entweder abwechselnd mit demselben Gegenblock mechanisch gekoppelt werden oder aber gleichzeitig angetrieben werden. Das resultierende Ausgangssignal kann durch elektronische Addition oder durch die in Fig. 11 gezeigte Verdrahtungsweise gebildet werden. In Fig. 12 ist die Bandpaßcharakteristik der Anordnung gemäß Fig. 11 dargestellt. Fig. 13 zeigt ein Blockschaltbild eines durch eine externe Impulsquelle 100 getasteten Oszillators, der einen in Fig. 14 dargestellten Ausgangsimpulszug liefert.
Die Güte Q erfindungsgemäßer Oszillatoren liegt in der Größenordnung von einigen 100 bis zu 2000 und darüber. Es besteht infolge der inneren atomaren Dämpfung des Halbleiterkörpers ein oberer theoretischer Grenzwert von 10 000 bis 100 000. Niedrigere Werte für Q können für bestimmte Anwendungen bei Filtern erreicht werden, indem der Halbleiterkörper in einer zähflüssigen Flüssigkeit betrieben wird oder indem die Einspannung des Halbleiterkörpers in geeigneter Weise vorgenommen wird.
Fig. 15 zeigt eine Methode zur Verbindung des Halbleiterkörpers 110 mit dem Gegenblock 112 wodurch die Güte Q verringert wird. Der Halbleiterkörper ist unter einem bestimmten Winkel zu der den eigentlichen Einspannort bestimmenden Kante 114 des Gegenblocks angeordnet, so daß der Halbleiterkörper effektiv in eine Anzahl von schwingungsfähigen Gebilden verschiedener Länge unterteilt ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:
1. Monolithischer, elektromechanischer Oszillator aus einem Halbleiterkörper, dessen mechanische Resonanzfrequenz die Schwingfrequenz bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper ein elektrothermischer Wandler als Anregungselement gebildet ist, der die zugeführte elektrische Schvvingungsenergie in entsprechende thermische Energie und damit in mechanische Spannungszustände umwandelt.
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper zusätzlich ein mechanisch-elektrischer Wandler als Geberelement gebildet ist, der die mechanischen Spannungszustände im Halbleiterkörper in entsprechende elektrische Schwingungsenergie umwandelt. **
3. Oszillator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Halbleiterkörper als Biegeschwinger betrieben wird, indem er einseitig durch einen Gegenblock eingespannt ist und die Wandler in Nähe des Einspannortes angeordnet sind.
4. Oszillator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper als Torsionsschwinger betrieben wird, indem er einseitig durch einen Gegenblock eingespannt ist und die Wandler in der Oberfläche des Halbleiterkörpers unter einem spitzen Winkel zu seiner Längsachse wirkend angeordnet sind.
5. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper zylindrisch ist und die Wandler auf einer Spirallinie unter 45° zu seiner Längsachse wirkend anseordnet sind.
6. Oszillator nach den Ansprüchen 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper als akustischer Schwinger betrieben wird, indem er einseitig eingespannt ist und die Wandler in seiner Längsachse wirkend angeordnet sind.
7. Oszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungselement in Nähe des Einspannortes und das Geberelement am. freien Ende des Halbleiterkörpers angeordnet ist.
8. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper beidseitig jeweils durch einen Gegenblock eingespannt ist.
9. Oszillator nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungselement aus einem an der Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordneten elektrischen Widerstand besteht.
10. Oszillator nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungselement aus einem als elektrischer Widerstand dienenden Teil des Halbleiterkörpers selbst besteht.
11. Oszillator nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungselement aus einem in Vorwärtsrichtung betriebenen, im Halbleiterkörper gebildeten pn-übergang besteht.
12. Oszillator nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungselement aus einem im Halbleiterkörper gebilde ten Transistor besteht, über dessen Kollektorverlustleistung der Wandlereffekt erzielbar ist.
13. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Geberelement aus einem piezoelektrischen Widerstandselement besteht.
14. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Geberelement aus einem piezoelektrischen, im Halbleiterkörper gebildeten pn-übergang besteht.
15. Oszillator nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Geberelement aus mehreren, geometrisch so im Halbleiterkörper angeordneten, piezoelektrischen Elementen besteht, daß thermische und elektrische Kopplungen zwischen dem Geberelement und dem Anregune;selement vermieden werden.
DE1572996A 1966-04-29 1967-04-15 Monolithischer, elektromechanischer Oszillator Expired DE1572996C3 (de)

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DE1572996B2 DE1572996B2 (de) 1974-03-07
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