DE1910156A1

DE1910156A1 - Anordnung zur Umwandlung von Druckwellen in digitale elektrische Signale

Info

Publication number: DE1910156A1
Application number: DE19691910156
Authority: DE
Inventors: Rothauser Ernst H; Muench Waldemar Kurt
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-03-01
Filing date: 1969-02-28
Publication date: 1969-10-23
Also published as: DE1910156B2; FR1603889A; DE1910156C3; CH466376A; US3626096A; GB1248088A

Description

IBM Deutschland Internationale Büra-Maschinen Geselltdtaß mbH

Anmelderin :

Amtliches Aktenzeichen Aktenzeichen der Anmelderin :

Böblingen, den 26. Februar 1969 ni-ha

International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10 504

Neuanmeldung

Docket SZ 9-67-009

Anordnung zur Umwandlung von Druckwellen in digitale elektrische Signale

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umwandlung von Druckwellen in digitale elektrische Signale. Insbesondere eignet sich die Anordnung zur Aufnahme und Umwandlung von Schallwellen in digitale Signale. Von dieser Umwandlung wird bei der Uebertragung von Sprache in zunehmendem Masse Gebrauch gemacht.

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Akustische Signale werden üblicherweise durch einen analogen elektroakustischen Wandler, z.B. ein Mikrophon, zunächst in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt. Danach erfolgt nicht selten, insbesondere bei kommerzieller Sprachübertragung, eine Digitalisierung dieses elektrischen Signals, also eine Umsetzung in ein Impuls-codiertes Signal, Die Codierung kann auf die verschiedenste Art erfolgen. Ein Beispiel sei die häufig verwendete Puls-Code-Modulation.

Das geschilderte Verfahren ist jedoch recht umständlich und gerätemässig aufwendig. Es sind daher Versuche bekannt geworden, die Digitalisierung des zu übertragenden elektrischen Signals bereits früher, nämlich bei der Umsetzung des akustischen in das elektrische Signal, vorzunehmen. Damit ist die Zwischenstufe des analogen elektrischen Signals ausgeschaltet und der technische Aufwand bereits um einiges reduziert.

Eine bekannte Anordnung mit einer Membran zur direkten Umwandlung der Schallwellen in digitale Ausgangssignale enthält eine Anordnung, die auf von der Membran her übertragene Bewegung anspricht. Dabei wird einerseits die Bewegung nur eines Punktes oder einer kleinen Teilfläche der Membran ausgenutzt, andererseits die schwingende Masse der Membran durch'

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zusätzliche Hilfsmittel, die mechanisch mit der Membran verbunden sind, in unerwünschter Weise erhöht.

Andererseits ist ein Feldeffekttransistor bekannt geworden, dessen Stromfluss von einem mechanisch schwingenden, elektrisch vorgespannten Stab gesteuert wird, der über der Trennfläche der beiden Stromflusselektroden angeordnet ist. Durch den schwingenden Stab wird bei einer konstant gehaltenen Vorspannung des Stabes eine Feldeffektmodulation des durch den Transistor fliessenden Stromes erreicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Umwandlung von Druckwellen in digitale elektrische Signale anzugeben, die möglichst klein und einfach im Aufbau ist. Diese Aufgabe wird erfindungs- ' gemäss dadurch gelöst, dass in einem nach dem Prinzip des Kondensatormikrophons aufgebauten Druckwandler elektrische mit der Membran vcrkoppelbare Schaltelemente im Bereich der Gegenelektrode angeordnet sind, derart, dass sich die Zahl der mit der Membran elektrisch verkoppelten Schaltelemente in Abhängigkeit von der Membranauslenkung ändert.

Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der Ausschaltung der doppelten Umwandlung, nämlich der Umwandlung der analogen Drucksignale in

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analoge elektrische Signale und deren Umwandlung in digitale .elektrische Signale. Durch die Ausschaltung dieses Zwischenschrittes lässt sich der schaltungstechnische Aufwand beträchtlich reduzieren,

Ein weiterer Vorteil liegt in der Verwendung von Feldeffekttransistoren als verkoppelbare Schaltelemente, die sich leicht zu einer Miniatur schaltung integrieren lassen und dadurch einen billigen und zuverlässigen Aufbau ermöglichen. Ein besonderer Vorteil liegt in der Möglichkeit, nachfolgende Codierschaltungen in die integrierte Schaltung einzubeziehen und die gesamte Wandler- und Codieranordnung in gemeinsamen Fabrikations schritten auf einem einzigen Halbleitergrundplättchen herzustellen. Für den Benutzer liegt der Vorteil in den kleinen Abmessungen und damit in der Handlichkeit dieser Anordnung.

Im folgenden wird einbevorzugfesAusführungsbeispiel der Anordnung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Kondensator

mikrophons für die Abgabe digitaler Ausgangssignale,

Fig. 2 den Schnitt durch einen der Feldeffekttransistoren

10 bis 15 aus Fig. 1 und

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ORSGJH&&

Fig. 3 die Angabe einiger Grossen für die Berechnung

der Anordnung gemäss Fig. 1.

In Fig, 1 sind als Grundelemente eines Kondensatormikrophons eine Membran 1, eine Gegenelektrode 2 und eine Einspannvorrichtung 3 für die elastische Aufhängung der Membran dargestellt. Die Membran besteht wegen der geforderten Leitfähigkeit entweder aus einer Metallfolie oder aus einem metallisierten Werkstoff. Die Membran ist in Fig. 1 nicht in ihrer Ruhestellung gezeichnet, sondern zur Verdeutlichung des Effektes in einer bei Druckbelastung sich ergebenden Arbeitsstellung.

Innerhalb der Gegenelektrode 2 sind mehrere Feldeffekttransistoren 10 bis 15 angeordnet. Sie enthalten, wie in Fig. 2 angedeutet, eine Quellen- und eine Absaugelektrode 4 bzw. 5. Die Steuerelektrode wird durch die gegenüber der Gegenelektrode 2 elektrisch vorgespannte Membran gebildet. Auf die geometrischen Abmessungen dieser Anordnung wird an späterer Stelle der Beschreibung eingegangen. Es sei jedoch betont, dass sich anstelle der Feldeffekttransistoren auch beliebige andere mit der Membran elektrisch verkoppelbare Schaltelemente verwenden lassen.

Das Prinzip dieser Anordnung besteht nun darin, die Feldeffekttransistoren 10 bis 15 entlang einer solchen Strecke anzuoroon, dass

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bei konstanter elektrischer Vorspannung der Membran 1 verschieden starke Auslenkungen der Membran das Verhältnis der Anzahl von elektrisch durch die Membran beeinflussten (ζ. Β. gesperrten) Transistoren zu der Anzahl von nicht beeinflussten (ζ. Β. leitenden) Transistoren ändern. Bei einer sich parabolisch deformierenden Membran ist also eine radial zur ruhenden Membran verlaufende Anordnung der Feldeffekttransistoren günstig. Dadurch werden bei geringer Auslenkung der Membran zunächst die zentral gelegenen Feldeffekttransistoren d rch den als Steuerelektrode wirkenden mittleren Teil der Membran beeinflusst. Bei sehr starker Auslenkung werden dann auch die äusseren Feldeffekttransistoren durch die sich in ihre Nähe bewegende Membran beeinflusst. Wird nun eine genügend grosse Anzahl solcher Feldeffekttransistoren entlang der soeben definierten Strecke angeordnet, lässt sich beispielsweise durch statistisches Ermitteln der Anzahl leitender zur Anzahl gesperrter Transistoren die Stärke der Membranauslenkung angeben. Je mehr Feldeffekttransistoren längs dieser Strecke vorgesehen sind, desto dichter liegen die Quantisierungswerte beieinander, und desto genauer lässt sich die Stärke der Membranauslenkung angeben. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zahl der vorgesehenen Feldeffekttransistoren mit der Zahl der gewünschten Quantisierungsstufen für das theoretisch angenommene analoge Signal übereinstimmt.

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Selbstverständlich sind auch andere Kiembranformen als die in Fig. 1 dargestellte denkbar. In jedem Fall müssen die Feldeffekttransistoren geometrisch so angeordnet werden, dass sich die Zahl der von der Membran beeinflussten Elemente in Abhängigkeit von der Auslenkung der Membran ändert.

Den Feldeffekttransistoren 10 bis 15 sind gemäss Fig. 1 Abtastschaltungen 20 bis 25 nachgeschaltet, die von einem Abtastgenerator 30 gesteuert werden. Die Ausgänge der Abtastschaltungen sind auf eine Codiermatrix 40 geführt. Der Abtastgenerator 30 ist im wesentlichen ein Taktgeber, der die Abtastschaltungen 20 bis 25 so steuert, dass diese zu definierten Zeitpunkten ihr Signal an die Codiermatrix 40 weitergeben. Bei Annahme von 2 Quanti sie rungs stufen sind in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel auch 2 Feldeffekttransistoren und 2 Abtastschaltungen 20 bis 25-vorgesehen.

Die oben erwähnte statistische Ermittlung des Verhältnisses der Zahl gesperrter zur Zahl leitender Feldeffekttransistoren lässt sich durch die in Fig. 1 gezeigte Anordnung etwas vereinfachen. Bei einer bestimmten Membranaus lenkung ist ein Teil der Feldeffekttransistoren eingeschaltet, der andere Teil gesperrt. Die zwischen ein- und ausgeschalteten Transistoren verlaufende Trennungslinie verschiebt sich in Abhängigkeit von der Membranauslenkung entlang der Strecke,

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auf der die Transistoren angeordnet sind. Es genügt daher für die Auswertung der von den Transistoren abgegebenen Signale, die Lage dieser Trennungslinie zu ermitteln. Diese Aufgabe kann von den Abtastschaltungen 20 bis 25 in Fig. 1 übernommen werden. Beispielsweise wäre die Ausführung dieser Schaltungen als Antivalenzschalt-• ungen (exklusives ODER) denkbar. Es könnten damit die Ausgangssignale von je zwei benachbarten Transistoren miteinander verglichen werden, was dazu führen würde, dass nur diejenige Abtastschaltung ein Signal liefert, die an benachbarte Transistoren mit verschiedenen Schaltzuständen angeschlossen ist.

Die den Abtastschaltungen 20 bis 25 nachgeschaltete Codiermatrix dient in diesem Ausführungebeispiel der Umformung der soeben beschriebenen Signale in binär codierte Ausgangssignale, die dann pur Weiterverarbeitung beispielsweise direkt in eine Datenverarbeitungsanlage eingegeben werden können. In diesem Fall könnte die Codiermatrix beispielsweise aus einer Diodenmatrix mit 2 χ η Elementen bestehen. 'Es ist selbstverständlich, dass sich jede andere Codiermatrix verwenden lässt, sofern eine Codierung über* haupt erwünscht ist.

Im folgenden wird auf nähere Einzelheiten der in Fig. 1 schematisch dargestellten Anordnung eingegangen. Die in Ruhestellung befindliche

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Membran 1 habe, wie in Fig. 3 angedeutet, den Durchmesser 2 R und befinde sich im Abstand D von der Oberfläche der in einer Ebene angeordneten Feldeffekttransistoren 10 bis 15. Die maximale Auslenkung der Membran gegenüber der Ruhestellung betrage a. Unter der Annahme, dass die in Fig. 3 im Schnitt angedeutete Membran bei Auslenkung parabelförmige Gestalt annimt, gilt für den orteabhängigen Abstand D der Membran von den Feldeffekttransistoren, wenn x* die von der Symmetrieachse der Membran aus gemessene Ortsvariable darstellt,

(1) .D(x) = D₀ - a +-% χ? .

Aus der POISSON-Gleichung

folgt für die Feldstärke F(N, L) ander Oberfläche des Halbleiters, ^wenn sich eine Sperrschicht der Stärke L bei einer Störstellenkonzentration N bilden soll,

F = ψ NL,

wobei O_11- die Elektronenladung und die Dielektrizitätskonstante des verwendeten Halbleiters bedeuten. Der zwischen Quellen- und Absaugelektrode liegende Kanal sei beispielsweise n-dotiert.

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ORIGINAL INSPECTED

Der pro Längeneinheit innerhalb eines Feldeffekttransistors auftretende Strom bei einer angelegten Spannung U ist:

SO

wobei li die Trägerbeweglichkeit, 6*die Leitfähigkeit, A die Höhe des Feldeffekttransistors und B die Kanallänge (Fig. 2) bedeuten.

Die Bedingung für das Auftreten des Abklemmeffektes (pinch-off) ist:

g/u F ^

A - —w— - 0 oder
ο

-4 -1 -1

Beispielsweise würde mit den Werten A = IO cm, 6* = 1/1 cm , £ = 10 Asec/Vcm und a = 3000 cm /Vsec eine Feldstärke von

4
F = 3. 10 V/cm zur Erzielung des Abklemmeffektes erforderlich sein. Solche Werte lassen sich mit üblichen Kondensatormikrophonen gut erreichen, bei denen D = 10 cm beträgt und eine Vorspannung von U = 30 V gewählt wird. Dabei müsste bei einer oben angenommenen η-Dotierung des Kanals die Spannung U an der Membran negativ gegenüber der mit den Transistoren auf gleichem Potential liegenden Gegenelektrode gewählt werden, damit sich eine Sperrschicht im Kanal bildet.

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BAD ORIGINAL

-ii- 191Π156

Durch Differentiation der Gleichungen (1) und (2) folgt:

dD 2a

— = ^r x- , bzw.

dF B SD .

Andererseits gilt bei einer zwischen der Membran und der Gegenelektrode herrschenden Vorspannung U für die Feldstärke F zwischen der Gegenelektrode und einem sich im Abstand D befindlichen Punkt auf der Membran:

dD

Die Kombination der letzten drei Gleichungen ergibt:

dj

dx· " BRD^x) R

Diese Gleichung gibt die Aenderung des Stromes an, in Abhängigkeit von der gemäss Fig. 3 definierten Entfernung x· des Feldeffekttransistors von der Symmetrieachse.

Zur Verdeutlichung mögen folgende, als Beispiel gewählte Werte

-4

dienen: U = 5V, B = 4. 10 cm, R = 1, 5 cm. Mit den oben ' SD

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gewählten Zahlenbeispielen ergibt sich unter der Annahme, dass für gebräuchliche Kondensatormikrophone D(jc) durch D ersetzt werden

kann, bei einem relativen Abstand jc .

R ^s0>1 '

"Γ" a 15mA/cm

- Bei einer Länge des einzelnen Transistors von 250 um ergibt sich:

dl* /

. . -j—Λ» 400 uA/cm.

Angenommen, es sei eine Digitalisierung in 250 Quantieierungsstufen erwünscht, dann ergibt sich mit den oben angenommenen Abmessungen eine für einen Transistor sur Verfügung stehende Länge von l,5cm/250 « 6» 10 cm* Die «wischen den einzelnen Transistoren fleh ergebenden Unterschiede in den Stromwerten betragen 2,4 iiA, Solche Wert· können durch die nachfolgenden Abtastschaltungen 20 bis 25 noch gut verarbeitet werden. Die Mikrophonempfindlichkeit nimmt zur Peripherie hin um etwa den Faktor 10 zu, wodurch sich an diesen Stellen Unterschiede in den Stromwerten von 24 uA ergeben.

Wegen der geringen Abmessungen der Feldeffekttransistoren ist es möglich, die Abtastschaltungen und die Codiermatrix zusammen fiiit den Transistoren in gemeinsamen Fabrikati ons schritten in Form einer integrierten Schaltung herzustellen. Beispielsweise wir· die ^: , -

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Ausführung der Schaltung in Mesa-Technik möglich. Für das gezeigte Ausführungsbeispiel wäre es zweckmassig, die Feldeffekttransistoren an der Oberfläche der Gegenelektrode 2 gemäss Fig. 1 anzuordnen, damit ein gutes Zusammenwirken mit der als Steuerelektrode dienenden Membran erreicht wird. In diesem Beispiel ist es zweckmassig, die Abtastschaltungen und die Codiermatrix in einem gewissen Abstand von der Membran anzuordnen» um störende Einflüsse des von der Membran ausgehenden elektrischen Feldes auf diese Schaltungen zu eliminieren.

Aus den oben skizzierten Berechnungen ist ersichtlich, dass die Anordnung relativ empfindlich ist gegenüber Aendcrungen in der Vorspannung U_n. Gegebenenfalls müssen Mittel zum Konstanthalten dieser Spannung vorgesehen sein, die dafür sorgen, dass bei Normaldruck die Membran sich immer in genau der gleichen Lage befindet. Zur Unterstützung dieser Regelung könnten die Feldeffekttransistoren selbst herangezogen werden. Und zwar müssten die beiden Transistoren, die der oben erwähnten Trennungslinie zwischen leitenden und gesperrten Transistoren bei Normaldruck benachbart sind (also der letzte gesperrte und der erste leitende, von der Symmetrieachse in Fig. 1 her gesehen), eine Minimum-Maximum-Regelung für die Vorspannung U. steuern. .

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Abschliessend sei daraufhingewiesen, dass sich die beschriebene Anordnung gut zur Messung kleiner relativer Druck- oder Längenänderungen abwandeln lässt, wenn nämlich an die Membran ein mechanischer Druckgeber angeschlossen wird oder wenn anstelle der elastischen Membran der mechanische Druckgeber direkt die Steuerfunktion für die Feldeffekttransistoren übernimmt.

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BAE> ORlGiNAL

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Anordnung zur Umwandlung von Druckwellen in digitale elektrische Signale, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nach dem Prinzip des Kondensatormikrophons aufgebauten Druckwandler elektrisch mit der Membran (1) verkoppelbare Schaltelemente (10 bis 15) im Bereich der Gegenelektrode (2) angeordnet sind, derart, dass sich die Zahl der mit der Membran elektrisch verkoppelten Schaltelemente in Abhängigkeit von der Membranauslenkung ändert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass als Schaltelemente (10* bis 15) Feldeffekttransistoren vorgesehen sind, deren Steuerelektrode durch die Membran (1) gebildet wird.

Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass eine im wesentlichen kreisförmige Membran vorgesehen ist und dass die Schaltelemente (10 bis 15) radial zur Symmetrieachse der

Membran angeordnet sind.

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BA!> ORIGINAU

- HS -

4_#Anordnung mindestens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,

dass den Schaltelementen (10 bis 15) Abtastschaltungen (20 bis 25) riachgeschaltet sind, die von einem Abtastgenerator (30) gesteuert werden.

5. Anordnung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet,

dass die Ausgänge der Abtastschaltungen (20 bis 25) mit einer Codiermatrix (40) verbunden sind,

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastschaltungen (20 bis 25) aus Antivalenz-Schaltungen bestehen.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldeffekttransistoren (10 bis 15), die Abtastschaltungen (20 bis 25) und die Codiermatrix (40) zu einer integrierten Schaltung zusammengefasst sind.

"· Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge zweier benachbarter Schaltelemente (10, 11), die bei Normaldruck die Trcnnungslinie zwischen mit der Membran verkoppelten und nicht verkoppelten Schaltelementen definieren, mit einer Schaltung zur Regelung der Vorspannung zwischen cer Membran (1) und der Gegenelektrode (2) verbunden sind.

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