DE2022252A1 - Auf mechanische Beanspruchung ansprechender Halbleiterwandler - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE H. LEINWEBER dipping. H. ZIMMERMANN

8 München 2, Rosental 7, 2.

. Tei.-Adr. Ulnpat MORchwn

Tetaton (UlI)MItCf

den 6. Mai 1970

Unser Zeichen

Z/We/«fy/Kg POS-19870 MATSUSHITA EIECTBIC INDUSTRIAL CO., LTD., Osaka (Japan)

Auf mechanische Beanspruchung ansprechender Halbleiterwandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen auf mechanische Beanspruchung ansprechenden Halbleiterwandler zum Umwandeln einer mechanischen Beanspruchung in elektrische' Energie mit einem Halbleiterdünnschichtelement.

Es sind zahlreiche Arten von Tonwandlerelementen bekannt, bei denen der Piezowiderstandseffekt von 'Silicium- und Germanium-Einkristallen nutzbar gemacht ist. Um aber einen zufriedenstellenden Umwandlungseffekt und eine genügende Ausgangsspannung zu erhalten, müssen diese bekannten Elemente in Form eines Stabes oder eines dünnen Plättchens mit äusserst kleinem (Querschnitt, beispielsweise höchstens 0,1 mm gefertigt und zu einem mechanischen Schwingungssystem verbünden werden, damit sie eine einachsige Beanspruchung aufnehmen können. Ein derartiges bekanntes Element unter Verwendung eines Einkristalls hat eine derart geringe mechanische Nachgiebigkeit, dass beim mechanischen Zusammenbauen häufig Schwierigkeiten vorhanden sind, um einen Wandler mit zufriedenstellenden Tonkennlinien zu erhalten. Zudem ist.für die Herstellung des Halbleiterelements, die eine ausserordentlich vorsichtige Bearbeitung bedingt, wegen der ungenügenden

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mechanischen Festigkeit eine grosse Geschicklichkeit erforderlich und das erhaltene Element wurde während des Zusammenbauens häufig unbrauchbar.

Ziel der Erfindung ist es, einen auf mechanische Beanspruchung ansprechenden Halbleiterwandler zu schaffen, bei dem aer Piezowiderstandseffekt einer Halbleiterschicht nutzbar gemacht ist, die auf einen biegsamen, dünnen Filmträger aus Isoliermaterial aufgebracht ist, und der folglich in einem einfachen Arbeitsgang herstellbar ist.

Gemäss der Erfindung wird das Halbleiterelement mit Piezowiderstand ständig gleichmässig über eine viskose Masse auf Biegung beansprucht und dadurch kann eine allzu grosse Beanspruchungskonzentration auf gewisse Stellen vermieden werden. Das Element bricht also nicht. Weiterhin kann jeder gewünschte Dämpfeffekt durch eine entsprechend gewählte Form des den Träger bildenden Isolierfilms, der Form einer Trägerstruktur, sowie der Art der fliessfähigen, viskosen Masse erhalten werden. Der Dämpf effekt,. die Nachgiebigkeit und die Ausgangsspannung sind also auf sehr einfache Weise bestimmbar. Da der Halbleiter mit Piezowiderstand ein lines Widerstandselement ist, ist er auch nicht u.U. schädlichen InduzierungsersGheinungen unterworfen und nachdem er durch Vakuumauf dämpfung hergestellt wird, kann er ausserordentlich kleine Abmessungen erhalten und bleibt selbst bei Hochfrequenzerregung stabil. Ein anderer, sehr grosser Vorteil der Erfindung besteht darin, dass in einem einzigen Arbeitsgang eine grosse Anzahl Elemente hergestellt werden kann, wodurch einfach aufgebaute Elemente gleichförmiger dtualität unter geringen Kosten erzielbar sind.

Weitere Vorteile, Einzelheiten «öd Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch den mit einem Halbleiter versehenen Filmträger zur Verwendung im auf mechanische Beanspruchung ansprechen-

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den Halhleiterwandler geniäss der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Ansicht des Grundaufbaus des Wandlers gemass der Erfindung mit seiner elektrischen Verschaltung, ,

Fig. 3a bis 3c Ansichten verschiedener Ausführungsformen dea mit einem Halbleiter beschichteten Filmträgers,

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des Tonabnehiuereinsatzes gemass der Erfindung,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des inneren Aufbaus des Tonabnehmereinsatzes von Fig. 4,

Fig. β eine perspektivische Ansicht des in seine Einzelteile zerlegten Tonabnehmereinsatzes von Fig. 4,

Fig. 7 eine Vorderansicht eines mit einem Halbleiter beschichteten Filinträgers,

Fig. S und 9 Vorderansichten anderer Ausführungsformen eines mit einem Halbleiter beschichteten Filmträgers,

Fig. 10 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Tonabnehmereinsatzes gemäss der Erfindung,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht des Tonabnehmereinsatzes von Fig. 10 bei entferntem Vorderdeckel,

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht des in seine Einzelteile zerlegten Tonabnehmereinsatzes von Fig. 10,

Fig. 13 und 14 Vorderansichten anderer Ausführungsformen dey lait einem Halbleiter beschichteten Filmträgers,

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Fig. 15 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Tonabnehmereinsatzes gemäss der Erfindung,

Fig. 16 eine perspektivische Ansicht des Tonabnehmereinsatzes gemäss Fig. 15,

Fig. 17 eine perspektivische Ansicht des in seine Einzelteile zerlegten Tonabnehmereinsatzes von Fig. 15,

Fig. 18 eine abgewickelte Ansicht des mit einem Halbleiter beschichteten Filmträgers, und

Fig. 19 und 20 Querschnitte durch ein mit einem erfindungsgemässen Halbleiterwandler versehenen Mikrophons.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäss verwendeten, mit einem Halbleiter beschichteten Filmträgers. Ein Träger 1 besteht aus einer hitzebeständigen, isolierenden und sehr biegsamen Schicht, z.B. aus Polyimid, Polyamid oder Glimmer, mit einer Stärke von etwa einigen zehn Mikron. Auf den Trä^r 1 sind durch Vakuumaufdampfung Elektroden 2, 2¹ aus einem Metall, wie Nickel, Chrom oder Gold, aufgebracht. Ein Halbleiterelement 3 mit piezowiderstand ist durch Vakuumaufdampfen eines Halbleitermaterials mit hohem PiezowiderStandseffekt, wie Silicium, Germanium, Indium, Antimon od.dgl., erhalten, das eine entsprechende Menge eines bestimmten Störstofies enthält. Es hat aie Form eines Streifens, der aie Elektroden 2, 2^ε miteinander verbindet uno ist mit Hilfe einer geeigneten Maske aufgedampft. Wenn also das Halbleiterelement 3 mit Pieζowiderstand einer Änderung einer auf es einwirkenden, mechanischen Spannung in der Verbindungsriohtung der Elektroden 2, 2^l unterworfen wird oder durch eine Biegebeanspruchung über seine gesamte Fläche verfornit wird, dann ändert sich der Widerstandswert zwischen den Elektroden&lemmen aufgrund der mechanischen Verbiegung. Fig. 2 zeigt das Prinzip eines Wandlers unter Verveadung des vorstehend beschriebenen, mit einem Halblei™

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ter versehenen Filmträgers. In einem isolierenden Halter 4 ist ein Ende, nämlich die Elektrode 2 des mit dem Halbleiter beschichteten Filmträgers befestigt und in einem entsprechenden Halter 5 dessen anderes Ende. Der Halter 5 hat einen Hohlraum 6 zur Aufnahme der . anderen Elektrode 2* sowie des Halbleiterelementes 3 mit Piezowiderstand des Filmträgers. Der Hohlraum 6 ist mit -viskoser Masse 7» bestehend aus einem Fett auf Silikonbasis od.dgl., versehen und ; das andere Ende des Filmträgers ist im Halter 5 also über diese fliessfähige, viskose Masse 7 gelagert.

In der beschriebenen Ausführungsform tritt im Halbleiterelement 3 mit Piezowiderstand aufgrund des Bremseffektes der viskosen Masse 7 eine Biegebeanspruchung auf,wenn einer der Halter 4 oder 5 in Richtung des Pfeiles 8 bewegt wird. Folglich wird das ίHalbleiterelement 3 mit Piezowiderstand gedehnt oder gestaucht und ι sein innerer Widerstand ändert sich entsprechend der Verlagerung 'des Halters A'- Wenn eine· Gleichstromquelle 9, beispielsweise eine Batterie, und ein Lastwiderstand 10 mit dem Halbleiterelement 3 mit Piezowiderstand in Reihe geschaltet sind und einen geschlossej nen Stromkreis bilden, wird die Änderung des Wiäerstandswertes des Halbleiterelementes 3 als Spannungsänderung an der Klemme des LastjWiderstandes 10 festgestellt und die resultierende Wechselstrom- ; komponente durch einen Kondensator 11 abgenommen. Der Widerstands- ^: wert des Halbleiterelementes 3 mit Piezowiderstand kann auch durch ; Verlagern des Halters 5 in Richtung des Pfeils 12 geändert werden; I der Halter 4 bleibt dann dabei ortsfest.

ι Wie in Fig. 3a bis 3c dargestellt, kann derAufbaudes HaIb- ; leiterelements 3 mit Piezowiderstand sehr unterschiedlich sein. So I kann beispielsweise das Halbleiterelement 3 mit Piezowiderstand den Aufbau von Fig, 3a haben, bei dem zwei Halbleiterelemente 3, 3^f mit Piezowiderstand auf einen isolierenden Filmträger 1. auf geformt sind, wobei ihr eines Ende jeweils mit Elektroden 2, 2" und ihr anderes Ende jeweils mit einer gemeinsamen Elektrode 2' verbunden sind und somit eine Reihenschaltung entsteht. In dem Aufbau gemäss

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Fig. 3t> ist dagegen der Filmträger 1 an den beiden seitlichen Rändern mit Ausnehmungen 13, 13^f versehen, wodurch sich der YU-derstandswert der HaIbleiterelernente 3, 3¹ mit Piezowiderstanü stark ändert, wenn der isolierende Filmträger 1 einer Biegebeanspruohung unterworfen wird. In Fig. 3c ist wiederum eine mit einer Elektrode 2' verbundene Elektrode 2" seitlich neben einer Elektrode 2 angeordnet, wodurch der Anschluss der Elektroden nach aussen erleichtert ist. Ausser dem beschriebenen Aufbau sind noch viele andere Anordnungen möglich.

Es folgt eine Beschreibung des praktischen Aufbaus eines erfindungsgemässen Tonabnehmereinsatzes:

In Fig. 4, 5 und 6 tastet eine Nadelspitze 13a die Tonspur auf einer Schallplatte ab und setzt sie in Schwingungen um. Ein Auslegerarm 14 überträgt die Schwingungen der Nadelspitze 13a auf einen Wandler zum Umwandeln einer mechanischen in eine elektrische Energie. Dieser Auslegerarm 14 besteht aus einer Leichtlegierung. Ein äusserst feiner Draht 15 bildet einen Schwingungsmittelpunkt, wenn die Nadelspitze 13a und der Auslegerarm 14 in Abhängigkeit von der Tonspur in Schwingung versetzt werden. Der äubserst feine Draht 15 ist an seinem einen Ende durch ein Abstandsstück 16 gesichert, das in das innere Enae des Auslegerarms 14 eingepasst ist.

Ein Tragteil 17 legt den äusserst feinen Draht 15 am Hauptkörper, d.h. einem Befestigungsblock des Tonabnehmereinsatzes, fest. Der Tragteil 17 ist am äusserst feinen Draht 15 befestigt, wobei ein kleiner Spalt von höchstens 1 mm zwischen dem Draht und dem inneren Ende des Auslegerarmes 14 freigelassen ist, so dass eine ungehinderte Schwingung der Nadelspitze 13a und des Auslegerarms 14 um den Draht 15 möglich ist.

Zwischen einem Tragteil 18 und einem dämpfenden Tragmaterial 20 aus elastischem Werkstoff od.dgl. ist ein isolierender Filmträger 19 mit einem aufgedampften Halbleiter i^stgeklemmt.

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Ein zylindrischer Befestigungsblock 21 aus isolierenden Material -hat an einer seiner Stirnseiten eine Ausnehmung 22. Der Boden der Ausnehmung 22 hat an einer Stelle eine Ausnehmung 23 zur Aufnähme eines Endes des dämpfenden Tragmaterials 20. Von der Mitte der Ausnehmung 23 aus verläuft eine Längsführung 25, die die Ausnehmung 23 mit einer Ausnehmung 24 an der anderen Stirnseite des Befestigungsblockes 21 verbindet,

Andererseits sind Klemmenstangen 26 im Befestigungsblock 21 eingelagert, deren einander gegenüberliegende Enden in die Ausnehmung 22 an der einen Stirnseite bzw. in die Ausnehmung 24 ander anderen Stirnseite des Befestigungsblockes eingreifen. Die in " die Ausnehmung 24 ragenden Enden sind mit Zuleitungsklemmen 28 auf einer Klemmenplatte 27 verbunden, die fest in die Ausnehmung 24 eingesetzt ist.

Beim Zusammenbauen des Tonabnehmereinsatzes wird der Tragteil 18 auf das Klemmenende des Auslegerarms 14 aufgesetzt und anschliessend werden der isolierende Filmträger 19 und das dämpfende Tragnaterial 20 derart eingepasst, dass der Filmträger 19 zwischen demTragteil 18 und dem dämpfenden Tragmaterial 20 festge- · klemmt iüt. Anschliessend wird der Tragteil 17 in die Längsbohrung ■ 25, aes Befestigungsblocks 21 eingesetzt und dabei das dämpfende Tragmaterial 20 an den Boden der Ausnehmung 23 angedrückt, und dann am Befestigungsblock 21 durch ein Klebemittel od.dgl. be- | festigt. In diesem Fall entspricht der Filmträger 19 dem Träger 1 von Fig. 1 und 2,hat angeformte Arme 29, 30, die in ein- und derselben Ebene, ungefähr senkrecht zueinander angeordnet sind und die "V" bilden (Fig. 5). Der Filmträger 19 hat an seinem gebogenen Teil ein Loch 31 (Fig. 6), durch das der Tragteil 17 eingesetzt wird, und ist zwischen den Tragteil 18 und den dämpfenden ¹ Tragmaterial 20 verspannt.

In Fig. 7 sind unter den gleichen Bedingungen wie in Fig. 1 auf die Arme. 29, 30 jeweils Halbleiterelemente mit Kezowiderstand vakuumaufgedampft, deren eines Ende mit Elektroden 34, 34*

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bzw. 35, 35^! und deren anderes Ende mit einer gemeinsamen Elektrode 32 bzw. 33 verbunden sind. Die Arme 29, 30 mit den Halbleiterelementen 36, 36^! bzw. 37, 37* mit Piezowiderstand sind in die Ausnehmung 22 des Befestigungsblockes 21 eingebracht, wobei ein Luftraum zwischen ihnen und der Bodenwand der Ausnehmung freigelassen ist; die Ausnehmung 22 (Fig. 6) ist mit einer fliessfahigen, viskosen Masse 38 gefüllt. Die Arme 29, 30 sind also im Befestigungsblock 21 über die fliessfähige, viskose Masse 38 festgelegt. Die Elektroden 34, 34^r und 35, 35* sind jeweils mit den Klemmenstangen 26 verbunden und die zwei Halbleitereleniente 36, 36* und 37» 37* sind miteinander in Reihe geschaltet. Der Tonabnehmereinsatz hat einen Vorderdeckel 39 (Fig. 4).

Es folgt anhand der Fig. 5 eine kurze Beschreibung der Betriebsweise des eriindungsgemässen Tonabnehmereinsatzes mit dem vorstehend erläuterten Aufbau.

Wird die Nadelspitze 13a in Pfeilrichtung 40-in Schwingung versetzt, werden sie und der Auslegerarm 14 in die gleiche Richtung bewegt. Die Halbleiterelemente 36, 36^l,die parallel zum Pfeil 40 stehen, werden in Richtung des Pfeils 43 in Schwingung versetzt, so dass in den Halbleiterelementen 36, 36' über die fliessfähige, viskose Masse 38 eine Biegebeanspruchung auftritt. Der innere Widerstand der Halbleiterelemente 36, 36', der deren Elektroden beaufschlagt, ändert sich also je nach der Änderung der mechanischen Spannung und die mechanische Schwingung der Nadelspitze 13a wird als elektrisches Signal abgegriffen.

Andererseits werden die anderen Halbleiterelemente 37, 37' mit Piezowiderstand in Pfeilrichtung 44 um die gestrichelte Achslinie gedreht. Die Halbleiterelemente 37, 37' werden folglich kaum auf Biegung beansprucht und der innere Widerstand ändert sich nur sehr wenig.

Selbstverständlich ist das Gegenteil der Fall, wenn die Nadelspitze 13a rechtwinklig zum Pfeil 40 schwingt.

Ausser dem Aufbau in Fig. 7 kann der mit dem Halbleiter beschichtete Filmträger auch den Aufbau gemäss Fig. 8 haben, wobei

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jeder Arm 29, 30 des Filmträgers 19 mit einem Paar Elektroden 45,' 45* bzw. 46, 46* und einem Halbleiterelement 47 bzw. 48 mit Piezowiderstand versehen ist. Es kann aber auch den Aufbau gemäss Fig. : 9 haben, wobei eine Nut 49 im Mittelteil des isolierenden Filmträgers 19 vorgesehen ist und Halbleiterelemente 51, 52 mit Piezowiderstand auf die Arme 29, 30 aufgebracht sind, wobei ihr eines Ende mit einer gemeinsamen Elektrode 50 und ihr anderes Ende mit

ι Elektroden 53 bzw. 54 verbunden sind, die derart ausgelegt sind, dass sie den Anschluss an die Klemmenstangen erleichtern. Es kann

^: aber auch jeden anderen Aufbau haben.

Fig. 10, ti und 12 zeigen eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Tonabnehmereinsatzes. Eine Nadelspitze 113 tastet eine Tonspur auf einer Schallplatte ab und gerät in Schwingung. Ein Auslegerarm 114 aus einer leichtlegierung überträgt die Schwingung der Nadelspitze 113 auf den Wandler zum Umwandeln von ; mechanischer in'elektrische Energie. Ein Halter 115 ist aus einem elastischen Material gefertigt und legt einen mit einem Halbleiter; beschichteten Filmträger an einem nachstehend noch beschriebenen Tragteil fest. Der Halter 115 weist in seinem Mittelteil eine Axial bohrung 11 6 auf . V.

Ein mit einem Halbleiter beschichteter Filmträger 117 um- · ; fasst einen kreuzförmigen isolierenden Filmträger 123 mit vier Ar-men 118, 119, 120 und 121, die in der gleichen Ebene und ungefähr ^;

rechtwinklig zueinander liegen, und ist in seiner Mitte mit einer.: Bohrung 122 versehen. Auf jedem Arm sind seitlich nebeneinander j zwei Halbleiterelemente 124 und 124», 125 und 125^T, 126 und 126»

bzw. 127 und 127* mit Piezowiderstand vorgesehen, dsren eines Ende ;

mit einer gemeinsamen Elektrode 128, 129, 130 bzw. 131 und deren j anderes Ende mit Elektroden 132 und 132^r, 133 und 133», 134 und 134* bzw. 135 und 135* verbunden ist. . _;

Ein zylindrischer Tragteil 136 hat an seinem einen Ende ei-l nen abgestuften Abschnitt 137 mit verringertem Durchmesser und ein' nein loch 138 zur Auf nähme des inneren Endes des Auslegerarmes 114.

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Ein isolierender Befestigungsblock 139 dient gleichzeitig als TonabnehujereinsatzgehäuseT Der Befestigungsblock 139 hat an seinen gegenüberliegenden Stirnseiten Ausnehmungen 140, 141 (Fig. 10), zwischen deren Mittelpunkten sich eine Axialbohrung 142 zur Aufnahme eines Tragteils 136 erstreckt. Im Befestigungsblock 139 sind Klemmenytangen 143 eingelagert, deren gegenüberliegende Enden in die Ausnehmungen 140 bzw. 141 eingreifen. Eine Klemmenplatte 145 mit sie durchsetzenden Klemmenstangen 144 ist in der Ausnehmung 141 befestigt. Die Klemmenstangen 144 sind mit den Enden der Klemmenstangen 143 verbunden, die in die Ausnehmung 141 eingreifen.

Der vorstehend beschriebene Tonabnehmereinsatz wird wie folgt zusammengebaut: Zuerst wird der einen verminderten Durchmesser aufweisende Abschnitt 137 des Tragteils 136 in die Bohrung 122 im isolierenden Filmträger 119 des mit dem Halbleiter beschichteten Filmträgers 1.17 eingesteckt, der Halter 115 auf diesen Abschnitt 137 aufgepasst und dabei letzterer in die Axialbohrung des Halters eingebracht. Dadurch wird der Filmträger 117 zwischen dem Halter 115 und einer Schulter 146 verklemmt, die den Abschnitt mit verringertem Durchmesser des Tragteils 136 mit dessen Abschnitt grösseren Durchmessers verbindet.

Anschliessend wird der Auslegerarm 114 in die Axialbohrung 138 des Tragteils 136 unter Druck eingesetzt und dann der mit dem Auslegerarm 114 versehene Tragteil 136 in das Loch 142 des isolierenden Befestigungsblockes 139 eingesetzt und darin angeklebt oder anderweitig befestigt.

Im zusammengebauten Zustand liegen die Arme 118, 119, 120 und 121 des mit dem Halbleiter beschichteten Filmträgers 117 im Inneren der Ausnehmung 140 des isolierenden Befestigungsblocks und die mit einem Vorderdeckel 147 verschlossene Ausnehmung 140 ist mit einer fliessfähigen, viskosen Masse 148 gefüllt. Die Arme 118, 119, 120 und 121 sind folglich von dem aus dem isolierenden Befestigungsblock 139 und dem Vorderdeckel 147 bestehenden Tonabnehmereinsatzgehäuse über die fliessfähige, viskose Masse 148 abgestützt. -11-

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Andrerseits sind in diesem Zustand die auf dem mit dem Halbleiter besohichteten Filmträger 117 aufgebrachten Elektroden 132, 132', 135, 133', 134, 134* und 135, 135V jeweils mit den Klenmienstangen 143 verbunden.

Die Betriebswelse des vorstehend beschriebenen Tonabnehmereinsatzes ist anhand der Fig. 12 kurz erläutert. Der mit dem Halbleiter beschichtete Filmträger 117 ist fest mit dem Auslegerarm 114 verbunden. Aus diesem Grunde wird eine dem Auslegerarm durch die ladelspitze 113 übertragene Schwingung vom Tragteil 136 kreuzförmig in vier Richtungen fortgepflanzt. j

Wird die Nadelspitze 113 in Richtung des Pfeiles149 in Schwingung versetzt, schwingt sie und der Auslegerarm 114 in gleicher Richtung, also in Richtung des Pfeiles 149, und der Schwingungsmittelpunkt befindet sich auf dem Tragteil 136.

Bei Schwingung des Auslegerarmes 114 auf beschriebene leise werden die Arme 118 und 120 des mit dem Halbleiter beschichteten Filmträgers117, die parallel zum Pfeil 149 liegen, entsprechend der Pfeile 150 bzw. 151 in Schwingung versetzt und folglich werden die Halbleiterelemente 124, 124'und 126, 126* mit Piezowiäerstand auf den Armen 118 bzw. 120 einer Biegebeanspruchung unterworfen, die auf dem Bremsvermogen der fliessfähigen, viskosen Masse 148 beruht. Die sich ergebenden und der Schwingung der Nadelspitze 113 I entsprechenden Änderungen des inneren Widerstandes der Halbleiterelemente 124, 124' und 126, 126'mit Piezowiderstanä/äurch die Klemmenstangen 144 festgestellt. -

• Andererseits werden die anderen Arme des Filmträgers 117, ^; also die senkrecht zum Pfeil 149 stehenden Arme 119 und 121, gemass den Pfeilen 152, 153 um die gestrichelte Achslinie gedreht., f 'Deshalb werden die Halbleiterelemente 125, 125¹ und 127, 127% die: auf diesen Armen 119 bzw. 121 vorgesehen sind, keiner wesentlichen' .Biegebeanspruchung unterworfen und die Änderung des inneren Widei·-. Standes ist folglich nur geringfügig. .*— 1

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Wenn nun die Nadelspitze 113 in Richtung des Pfeiles 154> also senkrecht zur Hichtung des Pfeiles 149, in' Schwingung versetzt wird, ändert sich der innere fdderstand der Halbleiterelemente 125, 125* und 127, 127* weitgehend, während sich der/lalbleiterelemente 124, 124^f und 126, 126^f natürlich nicht wesentlich ändert.

Fig. 13 und 14 zeigen weitere Auüführungsbeispiele des mit einem Halbleiter beschichteten Filmträgers 117. In dem Beispiel von Fig. 13 trägt jeder der vier Arme 118, 119, 120 und 121 des kreuzförmigen, isolierenden Filmträgers 123 ein Halbleiterelement 155, 156, 157 bzw. 158 mit Piezowiderstand und Elektroden 159, 159·; 160, 160^!; 161, 161* bzw. 162, 162«. Die Ausbildung gemäss Fig. 14 gleicht derjenigen von Fig. 13 darin, dass jeder Arm 118, 119, 120 und 121 mit einem Halbleiterelement 155, 156, 157 bzw. 158 mit Piezowiderstand versehen ist. Der Unterschied besteht aber darin, dass ein Ende der Halbleiterelemente 156, 157 mit einer gemeinsamen Elektrode 163 und ein Ende der ancfren Halbleiterelemen-Ie 158, 155 mit eineijzweiten gemeinsamen Elektrode 164 verbunden sind.

Fig. 15, 16 land 17 zeigen eine weitere Ausführungsform des Tonabnehmereinsatzes gemäss der Erfindung. Eine Nadelspitze 213 tastet die Schwingung einer Tonspur auf einer Schallplatte ab und ein Auslegerarm 214 aus einer Leichtlegierung überträgt die Schwingung der Nadelspitze 213 auf einen Wandler zum Umwandeln von mechanischer in elektrische Energie. Ein äusserst feiner Draht 215 bildet das Schwingungszentrum, wenn die Nadelspitze 213 und der Auslegerarm 214 entsprechend der Tonspur vibrieren. Der äusserst feine Draht 215 ist an einem Abstandsstück 216 befestigt, der in das innere Ende des Auslegerarmes 214 eingesteckt ist. Ein Tragteil 217 blockiert den äusserst feinen Draht 215 am Hauptkörper des Tonabnehmereirjsatzes, also an einem Befestigungsblock. Der Tragteil 217 ist am äusserst feinen Draht 215 derart befestigt, dass zwischen ihm und dem inneren Ende des Auslegerarmes 214 ©in klei-

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ner Zwischenraum von höchstens 1 min verbleibt und dadurch die delspitze 213 und der Auslegerarm 214 frei um den äusserst feinen Draht 215 schwingen können.

Ein Tragteil 218drückt einen Halbleiter-Filmträger, auf ; den Halbleiterschichten abgelagert sind, an ein elastisches dämpfendes Tragmaterial 220 und sorgt für dessen Halt.

Wie in der Darstellung von Fig. 17 ersichtlich, hat der mit Halbleiter versehene Filmträger 219 einen isolierenden Filmträger 224 mit zwei angesetzten Armen 221, 222, die ungefähr rechtwinklig zueinander angeordnet sind, und ist von einer am unteren Teil der Arme vorgesehenen Bohrung 223 durchsetzt. Auf jeden Arm 221 oder 222 sind zwei Halbleiterelemente 225, 225» oder 226, 226^l mit He-* zowiderstand seitlich nebeneinander durch Vakuumaufdampfung auf- : geformt, deren eines Ende mit Elektroden 227, 228 bzw. 229, 230 \ und deren anderes Ende mit einer gemeinsamen Elektrode 231 bzw. \ 232 verbunden ist. Die Halbleiterelemente 225, 225» bzw. 226, 226« sind miteinander in Beine geschaltet. Die Arme 221 und 222 sind ari ihren Fusspunkten in gleicher Hichtung gebogen und verlaufen parallel zueinander (Fig. 17).

Ein isolierender Befestigungsblock 233 kann in zwei Teile unterteilt werden, nämlich in einen Hauptkörper 234 und in einen _; Abschnitt 2-39; im zusammengebauten Zustand hat er eine zylindrisehe Form. Die Innenseite des Hauptkörpers 234 des Befestigungsblockes hat zwei zueinander senkrechte und in Axialriehtung ver- \ laufende Flächen und ein Ende dieser Flächen hat Ausnehmungen 235* 236. Am anderen Ende des Hauptkörpers 234 ist geringfügig zum Inneren hin ein Hohlraum 237 gebildet und eine Bohrung 238 durchsetzt von einer Stirnseite des Hauptkörpers 234 aus mittig und axial den Hauptkörper und mündet in den Hohlraum 237.

Andererseits ist der Abschnitt 239 derart geformt, dass bei seinem Aufstecken auf den Hauptlörper 234 die Ausnehmungen 235, ι 236 des Hauptkörpers nur auf einer Stirnseite des Befestigungs- j blookes münden. |

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In, den Abschnitt 239 des Befestigungsblockes 233 sind Klemnistangen 240 eingelagert; deren eines Ende über eine Stirnseite des Abschnittes vorragt und deren anderes Ende an der anderen Stirnseite stellenweise geringfügig nach innen verläuft. Klemnienstangen 241 durchsetzen die Endwand des Hauptkörpers 234 und dienen zum Anschluss nach aussen.

Der Tonabnehmereinsatz der beschriebenen Ausbildung wird wie folgt zusammengebaut: Zuerst wird der Halter 218 auf das in-

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nere Ende des Auslegerarmes 214 gesteckt und dann der mit dem Halbleiter beschichtete Filmträger 219 auf den Auslegerarm 214 montiert, wobei letzterer die Bohrung 223 im isolierenden Filmträger 224 durchsetzt. Dann wird das dampfende Tragmaterial 220 derart angeordnet, dass es über das innere Ende des Auslegerarmes 214 und des Tragteils 217 ragt; der mit dem Halbleiter beschichtete Filmträger 219 wird dadurch zwischen dem Halter 218 und dem dämpfenden Tragmaterial 220 verspannt.

Dann wird der Tragteil 217 in das Loch 238 des Hauptkörpers 234 des Befestigungsblockes 233 eingesetzt und gleichzeitig die Arme 221, 222 des mit dem Halbleiter beschichteten Filmträgers in die Hobliäume 235 bzw. 236 eingesteckt, dabei aber deren Kontakt mit den Innenwänden dieser Hohlräume vermieden. Der eingesetzte Tragteil 214 wird im Loch 238 des Hauptkörpers 234 mittels einer Schraube 242 gesichert (Fig. 15). In diesem Fall sind die Elektroden 227, 228, 229 und 230 des mit dem Halbleiter beschichteten Filmträgers 219 mit den Klemmenstangen 240 verbunden und diese sind ihrerseits an die Klemmenstangen 241 angeschlossen.

Nach Einstecken der Arme 221, 222 des mit demHalbleiter beschichteten Filmträgers 219 werden die Hohlräume 235, 236 mit ei-

. ner fliessfähigen, viskosen Masse 243 gefüllt. Die Arme 221, 222 sind dann also im Befestigungsblock 233 über die viskose Masse gelagert.

Der beschriebene Tonabnehmereinsatz arbeitet wie folgt: Da der mit dem Halbleiter beschichtete Filmträger 219 im Bereich

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des Kleißmenendes des Auslegerarmes 214 befestigt ist, wird eine von der Nadelspitze 21$ übertragende Schwingung in einerV-förmigen Richtung fortgepflanzt. Erhält die Nadelspitze 21$ eine Schwingung in Richtung des Pfeils 244 in Fig. H, vibrieren die Nadelspitze 21$ und der Auslegerarm 214 in gleicher Richtung wie : der Pfeil 244 in bezug auf das Schwirigungszentrum, das aus dem äusserst feinen Draht 215 besteht. Folglich vibriert der Arm 222 des isolierenden Filmträgers 224 des mit dem Halbleiter beschichteten Filmträgers 219, der in einer senkrecht zum Pfeil 244 liegenden Ebene liegt, und die auf dem Arm 222 befestigten Halbleiterelemente 226, 226* mit Piezowiderstand werden einer Biegebeanspru-* i chung unterworfen und dabei durch die viskose Masse 243 gebremst. Der innere Widerstand der Halbleiterelemente 226, 226* mit Piezo-,widerstand ändert sich also entsprechend der Schwingung der Nadelspitze 21$ und diese Änderungen des inneren Widerstandes werden ^:. durch die Klemmenstangen 241 abgegriffen. . i

In diesem Fall werden die anderen Halbleiterölemente 225,_f 225¹ mit Piezowiderstand einer Schwingungsbeanspruchung in Richtung der Ebene ausgesetzt, in der sie liegen, und folglich ändert'sich' ihr innerer Widerstand nicht.

Andererseits warden bei Vibrieren der Nadelspitze 21$ in ;

Richtung des Pfeils 246, also senkrecht zur Richtung des Pfeils -

244, die Halbleitereleniente 225, 225* einer Biegebeanspruchung ; *

ausgesetzt und die Halbleiterelemente 226, 226'überhaupt nicht. ■ Es werden also die Änderungen des inneren Widerstandes der Halbleiterelemente 225, 225¹ abgegriffen.

In der vorstehenden Ausführungsform bestehen die beiden ^! Sätze Wandler zum Umwandeln von mechanischer in elektrische Bner-'gie, die auf den mit dem Halbleiter beschichteten Filmträger auf-! gebracht sind, jeweils aus zwei Halbleiterelementen mit Piezowicier?- -,r. stand, können jedoch auch aus nur einem solchen Halberleiiberele- ; ment bestehen oder auch jeden anderen Aufbau haben. Γ

Nachstehend folgt die Beschreibung eines Mikrophons, auf ! das die Erfindung angewandt ist. *t H

Fig. 19 und 20 zeigen Mikrophone unter Verwendung des auf dem vorbeschriebenen Prinzip beruhenden Halbleiterwandler zum Umwandeln von mechanischer in elektrische Energie. Das Mikrophon von Fig. 19 hat den gleichen Aufbau des Wandlers von Fig. 2, wobei aber der Halter 4 verlagert wird. Eine Membran 314 wird durch einen Ton in Schwingung versetzt. Sie ist mit einem mit einem Halbleiter beschichteten Filmträger 315 verbunden. Die einander gegenüberliegenden Ränder des Filiüträgers 315 sind jeweils in Ausnehmungen 318, 318^T über eine fliessfählge, viskose Masse 319,319 ^t gelagert. Die Ausnehmungen 318, 318' sind einander gegenüberliegend an der inneren Umfangswand einer iaittigen Öffnung 317 eines Befestigungsblocks 316 geformt. Ein Gehäuse 320 enthält eine perforierte Schutzplatte 321 und die beschriebenen Elemente.

Das Mikrophon gemäss Fig. 20 ist vom gleichen Wandlertyp wie der gemäss Fig. 2, wobei aber der Halter 5 verlagert wird. Die einander entsprechenden Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. An einer Membran 314 ist ein beweglicher Teil 323 befestigt, der an seinen beiden Seiten Ausnehmungen 322, 322' bestimmt. Ein starrer Teil 324 hat an seinen Enden zwei Filmträger 315, 315^r» das andere Ende des mit Halbleiter versehenen Filmträgers ist jeweils in den Ausnehmungen 322, 322' über fliessfählge, viskose Masse 319, 319* gelagert.

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Claims (4)

Pa t e nt a ns ρ r Uc h e :

1. Auf mechanische Beanspruchung ansprechender Halbleiterwandler, gekennzeichnet durch einen isolierenden Filmträger (1), der durch Vakuumäufdampfung mit einem einen Piezowiderstand aufweisenden Halbleiterelement (3) und mit Elektroden (2, 2') beschichtet ist, die an den einander, gegenüberliegenden Enden des Halbleiterelementes vorgesehen sind, durch ein den mit dem Halbleiterelement beschichteten Filmträger (1) an einem Abschnitt haltendes Bauteil (4) eines Gerätes, und durch ein einen anderen Abschnitt des Filmträgers über ein fließfähiges, viskoses Material (7) haltendes anderes Bauteil (b), so daß., wenn sich einer der Bauteile,(4, 5) mechanisch ■ verlagert und so das Halbleiterelement des Filmträgers mit einer Biegebeanspruchung beaufschlagt, sich der innere Widerstand des Halbleiterelementes entsprechend, der Biegebeanspruchung ändert und diese Änderung des inneren Widerstandes , feststellbar ist.

2. Tonabnehmereinsatz mit einem Halbleiterwändler ge- j gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auslegerarm (14) an einem Ende eine Nadelspitze (13a) hat und an seinem anderen Ende mit einem isolierenden Filmträger (19) versehen ist, der ■ zwei Arme (29, 30) aufweist, die V-förmig ungefähr senkrecht zueinander in der senkrecht zum Auslegerarm (14) liegenden

Ebene angeordnet sind, wobei jeder Arm (29, 30) des isolieren- ;

den Filmträgers (19) durch Vakuumaufdampfung aufgebrachte, ■

voneinander unabhängige, bandförmige Halbreiterelemente mit ;

Piezowlderstand hat, die jeweils an ihren einander gegenüber- j

liegenden Enden Elektroden haben, und daß die zwei Arme (29,30)

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des isolierenden Filmträgers (19) von der Rahmenstruktur des Tonabnehmereinsatzes über eine flieiifänige viskose-hasse derartabgestützt sind, daß eine von der Nadelspitze (13a) Schwingungsbeanspruchung auf- die jeweiligen Halblei mit Piezowiders tand als Biegebeanspruchung übertragbar l-m u:id eine Änderung des Widerstandwertes der Elemente bewirkt.

3. Toriabnehmereinsatz mit einem Halbleiterwandler gemti^ Fig. 1, gekennzeichnet durch einen Auslegaarm (114) mit einer Nadelspitze (113) an einem Ende , einem isolierenden Filmträger (117) zur Aufnahme der Schwingung des Auslegerarmes (114) und mit vier Armen (118-121), die ungefähr senkrecht zueinander kreuzförmig in der gleichen Ebene senkrecht zum Auslegerarm verlaufen, wobei jeder der vier Arme des isolierenden Filmträgers durch Vakuumaufdampfung voneinander unabhängige, bandförmige Halbleiterelemente mit Piezowiderstand aufweisen, die jeweils an ihren gegenüberliegenden Enden Elektroden tragen, und die vier Arme des isolierenden Filmträgers von der Rahmenstruktur des Tonabnehmereinsatzes über eine fließfähige, viskose Masse getragen sind, so daß eine von der Nadelspitze (113) übertragene Schwingungsbeanspruchung als ijiegebeanspruchung auf dem jeweiligen Halbleiterelement mit Piezowiderstand übertragbar ist und eine Änderung des Widerstandswertes der Elemente bewirnt.

4. Tonabnehmereinsatz mit einem Halbleiterwaridler nach ,Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Auslegerarm (214) mit einer Nadelspitze (213) an einem Ende, einem isolierenden FiIm-¹ träger (119) der am anderen Ende des Auslegerarm (214) befestigt ist und mehrere ungefähr parallel zum Auslegerarm (214) atigeordnete Arme (221, 222) aufweist, von denen jeder durch

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BAD ORIGINAL

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Vakuuinauf dämpfung aufgebrachte, voneinander unabhängige .bandförmige Halbleltereletnente mit Piezowiderstand aufweist, die jeweils an inren gegenüberliegenden Enden Elektroden tragen, wobei die jeweiligen Arme des isolierenden Filmträgers an ihren Enden von der Rahmenstruktur der Tonabnehmereinsatzes über eine fließfälii/;e_r viskose Masse abgestützt'sind-, so daß eine von der Ifadelspitze (213) übertragene Schwingungsbeanspruchung aul die jeweiligen Halbleiterelemente mit Piezowiderstand als Biegebeanspruchung übertragbar ist, und eine Änderung des Widerstandowertes der Elemente bewirkt. . '■'-.' %

-^ .,-Mikrophon mit. einem I-Ialbleiterwaridler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schallschwingungsmembran -"("514), mit - - .-der ein mit mindestens einem piezoresistiven Halbleiter beschichteter Filaiträger (315) verbunden ist,, dessen eines Ende ^v ortsfest und dessen anderes Ende von den Schwingungen der · Membran (514) beaufschlagt ist_ifi wobei das eine Ende des Film-.; ""' ".'■■-.. .".-/ trägers (313) in einer fließfähigen, viskosen Masse (319, 319') ^; gelagert ist. '..,,- . .." _:: ,;:-^:-', ,