DE1573720C2

DE1573720C2 - Mechanisch-elektrischer Wandler

Info

Publication number: DE1573720C2
Application number: DE1573720A
Authority: DE
Inventors: Masaru Toyonaka Tanaka; Akio Ikeda Yamashita
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1965-12-10
Filing date: 1966-12-07
Publication date: 1983-06-16
Also published as: US3518508A; NL6617309A; FR1504253A; DE1573720A1; GB1174269A; NL144780B

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanisch-elektrischen Wandler mit einem keine pn-Übergänge enthaltenden Festkörper aus einem Material mit einem verbotenen Band, der zum Abgreifen elektrischer Signale mindestens zwei Elektroden trägt und an einer in bezug auf die Elektroden und den Festkörper selbst beliebigen Stelle in Kontakt mit einem Druckgeber steht.

Ein bekannter mechanisch-elektrischer Wandler dieses Aufbaus (DE-AS 1175 746) ist für Mikrofone bestimmt und setzt deshalb akustische Schwingungen in elektrische um. Das geschieht mittels einer mit sperrschichtfreien Elektroden versehenen Halbleiterplatte aus einem dotierten Halbleitermaterial, die mit einer die akustischen Schwingungen aufnehmenden Membran mechanisch verbunden ist. Dies geschieht derart, daß die Halbleiterplatte mittels einer Kunstharzschicht auf die Membran aufgebracht ist. Als Halbleitermaterial wird ein solches mit anisotroper Bandstruktur verwendet. Es kann sich insbesondere um einkristallines Germanium bzw. Silicium mit Überschußleitung handeln. Ein tiefe Energieniveaus erzeugender Störstoff wird nicht verwendet.

Es ist auch schon bekannt (Journal of Applied Physics, 1963, 1950—1970), bei einem' mechanisch-elektrischen Wandler mit pn-übergang, der dort für die Druckempfindlichkeit des Wandlers verantwortlich ist, durch starke mechanische Verzerrungen Kristallgitterversetzungen hervorzurufen. Diese wirken als Rekombinationszentren und bilden tiefe Energieniveaus im verbotenen Band.

Es ist auch schon bekannt (DE-AS 10 06 531), daß mit bestimmten Störstoffen im verbotenen Band liegende tiefe Energieniveaus erzeugt werden können. Auch hierbei werden ausschließlich Anordnungen mit pn-Übergang abgehandelt.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem einfach herzustellenden und anzuwendenden mechanisch-elektrischen Wandler der eingangs genannten Art ohne pn-Übergang die Druckempfindlichkeit zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Festkörper mit einem tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoff dotiert ist.

Dabei wird ein mechanisch-elektrischer Wandler erzielt, bei dem trotz der Tatsache, daß der Druckgeber an beliebiger Stelle angesetzt werden kann, ein gutes Ansprechen des Wandlers erzielt wird. Dabei sind die elektrischen Eigenschaften des Wandlers, insbesondere der (negative) Widerstand durch die Druckeinwirkung des Druckgebers steuerbar. Man erhält also einen mechanisch-elektrischen Wandler, der für verschiedene Zwecke, auch als Druckknopfschalter, Mikrofon oder dergleichen geeignet ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der

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Erfindung dargestellt und zwar zeigt

F i g. 1 im Schnitt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels,

Fig.3 im Schnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel, und

F i g. 4 eine Strom-Spannungs-Kennlinie des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3.

ίο Fig. 1 zeigt einen Festkörper 11, der ein Isolator oder ein Halbleiter mit verbotenem Band ist, in dem durch Störstoffdotierung des Festkörpers 11 tiefe Energieniveaus erzeugt sind. Mit dem Festkörper 11 stehen Elektroden 12, 13 in ohmschen Kontakt, die ihrerseits mit Anschlußklemmen 14, 15 versehen sind. Ein Druckgeber 16 ist schematisch angedeutet.

Für den Festkörper 11 können bekannte Halbleiter

wie Ge, Si, GaAs, CdS, InSb, CdTe oder dergleichen verwendet werden. Man kann auch einen Isolator mit einem verbotenen Band wie S1O2, SiO, schichtförmige anorganische Isolatoren oder dergleichen benützen.

Für die Dotierung des Festkörpers mit einem tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoff wird

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wenn der Festkörper ein Halbleiter ist, zweckmäßig Cu, Fe, Ni, Co, Mn, Au od. dgl. benützt,
wenn der Festkörper aus einem Oxyd besteht, vorteilhafterweise ein Element, dessen Valenz von der des Atoms deutlich abweicht, das das Oxyd bildet,

wenn der Festkörper eine anorganische Schicht ist. der Zusatz eines Metallelements in für eine Polymerisationsreaktion geeigneten stöchiometrischen Verhältnissen.

Die Elektroden werden beispielsweise dadurch hergestellt, daß man den Festkörper 11 einfach mit einer Metallschicht versieht. Der Ort der Anbringung der Elektroden 12,13 und ihre Anzahl sind beliebig, solange die Anzahl nur mindestens zwei beträgt.

Der Druckgeber 16 muß mit dem Festkörper 11 in

Berührung stehen. Auch er kann am Festkörper beliebig angreifen, beispielsweise auch über eine der Elektroden . 12, 13. Für die Druckübertragung kann Gas, beispielsweise Luft, Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, Öl od. dgl. oder auch ein Festkörper, wie ein Metall, Keramik, Glas od. dgl. Verwendung finden. Der Druckgeber 16 kann dabei von den Elektroden 12, 13 isoliert sein oder, wenn er beispielsweise aus Metall besteht, selbst auch als Elektrode dienen.

Im folgenden soll nun die Funktion des Wandlers erläutert werden:

Sorgfältige Untersuchungen haben ergeben, daß der mit einem tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoff dotierte Festkörper 11 bei Druckeinwirkung eine gesteigerte Wahrscheinlichkeit zur Paarbildung bzw. zur Bildung von Rekombinationszentren aufweist. Werden mehr als zwei Elektroden am Festkörper 11 angebracht, so können die Änderungen der elektrischen Kennwerte des Festkörpers unter Druckeinwirkung an ihm abgegriffen werden. So nimmt bei Druckeinwirkung auf dem Festkörper 11 sein elektrischer Widerstand ab. Läßt man gleichzeitig ein starkes elektrisches Feld auf den Feldkörper 11 einwirken, so wird es zu einem Lawineneffekt kommen und dadurch eine Schaltwirkung erzielt.

Die Funktion des Wandlers wird anhand weiterer Ausführungsbeispiele im folgenden noch verdeutlicht:

1. Ein Festkörper aus Germanium wird mit einem Störstoff wie Cu, Fe, Au od. dgl. dotiert. Anschließend wird der Festkörper auf einen biegsamen Träger aus Isoliermaterial, beispielsweise auf einen Plastikfilm oder auf einen mit einem Isolator beschichteten Metallträger im Vakuum aufgedampft. Anschließend werden auf den so erhaltenen Festkörper noch zwei Metallelektroden aufgedampft. F i g. 2 zeigt das so erhaltene Bauelement mit der Germaniumschicht 21, den Träger 22 und den beiden Metallelektroden 23 und 24.

Wird nun auf den Träger 22 ein Druck ausgeübt, so ändert sich der Widerstand der Germaniumschicht 21 ■und damit auch der Widerstand zwischen den Metallelektroden 23 und 24. In Anbetracht des in der Germaniumschicht 21 enthaltenen, tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoffs spricht der Wandler dabei hochempfindlich an. Die Ansprechempfindlichkeit ist dabei gegenüber Wandlern, die ohne einen tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoff aufgebaut sind, um einen Faktor 10 bis einen Faktor 100 verbessert.

Der Störstoff kann thermisch in einen hoch reinen Germaniumkristall eindiffundiert werden. Die Metallelektroden 23 und 24 bestehen zweckmäßig aus Rh oder Au.

2. Durch Vakuumaufdampfen wird eine als Festkörper dienende SiC^-Schicht 51 gebildet und zum Erzeugen der tiefen Energieniveaus mit einem Störstoff wie Au oder Cu dotiert. Der Diffusionsvorgang wird vorzugsweise in einer Sauerstoffatmosphäre vorgenommen. Anschließend wird in einer Ebene senkrecht zur Richtung der Dicke eine Metallelektrode, beispielsweise eine Al-Elektrode 52 aufgebracht. Man kann dabei so vorgehen, daß zunächst S1O2 auf einen Metallträger aus Ta aufgedampft und anschließend Au oder Cu in die entstandene Schicht eindiffundiert wird, worauf man eine Al-Schicht aufdampft. Das Ergebnis ist in Fig.3 gezeigt. Der Metallträger 53 aus Ta ist dabei deutlich zu erkennen, ein Druckgeber 54 sitzt auf der Al-Elektrode 52 auf.

Fig.4 zeigt die Kennlinien des so aufgebauten Wandlers. Kurve 61 entspricht dabei dem ausgeschalteten Zustand bei fehlender Druckeinwirkung über den Druckgeber 54, Kurve 62 dem eingeschalteten Zustand bei fehlender Druckeinwirkung und schließlich Kurve 63 die sich bei einer Druckeinwirkung von 30 g/cm² über dem Druckgeber 54 ergebende Kennlinie.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Mechanisch-elektrischer Wandler mit einem keine pn-Übergänge enthaltenden Festkörper mit einem verbotenen Band, der zum Abgreifen elektrischer Signale mindestens zwei Elektroden trägt und an einer in bezug auf die Elektroden und den Festkörper selbst beliebigen Stelle in Kontakt mit einem Druckgeber steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (11) mit einem tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoff dotiert ist.