DE2324211A1

DE2324211A1 - Elektromechanischer uebertrager

Info

Publication number: DE2324211A1
Application number: DE2324211A
Authority: DE
Inventors: Wendell Spence
Original assignee: NCR Corp
Current assignee: NCR Voyix Corp
Priority date: 1972-05-17
Filing date: 1973-05-12
Publication date: 1973-11-29
Also published as: JPS5123904B2; CA971673A; JPS4950917A; GB1369168A; FR2184887A1; US3786495A

Description

THE NATIONAL CASH REGISTER COMPANY Dayton, Ohio (V.St.A.)

Patentanmeldung

Unser Az.: Case 1447/GER

ELEKTROMECHÄNISCHER ÜBERTRAGER

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen übertrager aus einem ersten und zweiten Elektrodenteil aus jeweils ersten und zweiten leitenden Schichten, wobei die Elektrodenteile durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind und ein Elektrodenteil örtlich bewegbar ist.

In einem bekannten elektromechanischen übertrager der oben genannten Art wirken die erste und die zweite Platte als Kondensator. Zwischen den beiden Platten befindet sich ein Elektred, das als Spannungsquelle wirkt. Als Elektred kann z.B. ein dielektrisches Material verwendet werden, in dem ein geeigneter Polarisationsgrad vorhanden ist. Wenn die als flexible Elektroden dienenden Platten so bewegt werden, daß sich der zwischen Ihnen befindliche Luftspalt verändert, verändert sich die Kapazität des Kondensators, wodurch zwischen den Kondensatorplatten eine Spannungsänderung

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festgestellt werden kann, die einem Detektor zugeleitet wird.

Dieser bekannte elektromechanische übertrager besitzt den Nachteil, daß er verhältnismäßig unempfindlich ist, da das von dem Elektred erzeugte Spannungspotential verhältnismäßig schwach ist»

Es ist die Aufgabe der Erfindung einen elektromechanischen übertrager aufzuzeigen, in dem die vorgenannten Nachteile nicht vorhanden sind.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das erste Elektrodenteil aus einer leitenden Schicht und einer ersten und einer zweiten Isolationsschicht besteht und daß die erste Isolationsschicht zwischen der zweiten Isolationsschicht und der ersten leitenden Schicht angeordnet ist, und daß der Zwischenbereich zwischen der ersten und zweiten Isolationsschicht zwischen der ersten und einer zweiten leitenden Schicht liegt und daß in diesem Bereich eine Ladung speicherbar ist.

Der erfindungsgemäße elektromechanische Übertrager besitzt eine hohe Empfindlichkeit, da es möglich ist, in dem Zwischenbereich zwischen den beiden Isolationsschichten eine relativ hohe Ladung zu speichern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:

Fig. 1 eine prinzipielle Schnittdarstellung durch einen elektromechanischen übertrager gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine codierbare von Hand betätigbare Vorrichtung, die als Taste in einem Tastenfeld verwendet werden kann und

Fig. 3 eine Schnittdarstellung entlang der Linien 3-3 der Vorrichtung gemäß Fig. 2.

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In Fig. 1 ist ein elektromechanischen übertrager 10 dargestellt. Dieser enthält eine Elektrode 12 aus einem stabilen leitenden Material, z.B. aus Aluminium oder aus einem Halbleitermaterial, z.B. aus Silizium, oder aus einem metallisierten Isolationsmaterial. Die Dicke der Elektrode kann zwischen 500 Angström und 25 mm oder mehr liegen. Auf der Elektrode 12 ist eine erste Isolationsschicht 14 z.B. aus Siliziumoxid angeordnet. Die Isolationsschicht 14 kann in herkömmlicher Weise, z.B. durch thermisches Aufwachsen, durch Vakuumablagerung oder durch Aufsprühen, auf der Elektrode 12 erzeugt werden. Auf der Isolationsschicht 14 ist eine zweite Isolationsschicht 16 angeordnet, die aus Siliziumnitrit bestehen kann und die in herkömmlicher Weise, z.B. durch pyrolytische Ablagerung, durch Vakuumablagerung oder durch Aufsprühen,auf der ersten Isolationsschicht 14 erzeugt werden. Die Dicke der Isolationsschicht 14 ist wesentlich größer als die Dicke der Isolationsschicht 16. Beispielsweise kann die Dicke der ersten Isolationsschicht größer als ein ,um und die Dicke der zweiten Isolationsschicht zwischen 100 und 300 Angström betragen. Die Isolationsschicht 16 kann z.B. aus Siliziumoxid und die Isolationsschicht z.B. aus Siliziumnitrit bestehen.

Auf der Isolationsschicht 16 ist eine als Schreibelektrode dienende leitende Schicht 18, z.B. aus Aluminium, angeordnet. Die Schreibelektrode besitzt eine Dicke, die ausreicht, um elektrischen Strom zu leiten. Sie kann z.B. zwischen 100 Angström und 5000 Angström dick sein. Die Elektrode 12, die Isolationsschichten 14 und 16 und die Schreibelektrode 18 bilden zusammen das erste Elektrodenteil des elektromechanischen Übertragers 10.

Eine flexible, d.h. bewegliche Elektrode 20 ist über der Schreibelektrode 18 angeordnet. Die bewegliche

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Elektrode 20 besteht aus einer leitenden Schicht 22, Z₉B. aus Aluminium oder aus Silber und einer Isolationsschicht 24, z.B. aus Mylar, Polyester oder aus Fluorkohlenstoff. Die Dicke der beweglichen Elektrode 20 liegt in der Größenordnung von 10 ,um„ Zwischen der beweglichen Elektrode 20 und der Schreibelektrode 18 ist infolge der Oberflächenrauhigkeit dieser beiden Schichten ein Luftspalt 25 vorhanden,, Mit Hilfe von nichtgezeigten Abstandsgliedern kann die Größe des Luftspalts beliebig festgelegt werden.

Mit der leitenden Elektrode 22 ist über eine mit Masse verbundene Leitung ein Schalter 28 verbunden. Der Schalterarm des Schalters 28 ist mit einem Ende einer Belastung 30 verbunden, deren anderes Ende mit der Elektrode 12 über eine Leitung 32 verbunden ist. Die Schreibelektrode 18 ist über eine Leitung 34 mit einem Schalter 36 verbunden, dessen Schaltarm zusammen mit dem Schaltarm eines Schalters 37 an der positiven Seite einer Spannungsquelle 38 liegt. Die negative Seite der Spannungsquelle 38 ist über eine Leitung 39 mit der Elektrode 12 verbunden. Die mit Masse verbundene Leitung 26 ist außerdem auch mit dem Schalter 37 verbunden. Die Arme der Schalter 28, 36 und 37 sind miteinander mechanisch verbunden. Der Schalterarm des Schalters 37 ist ebenfalls mit der positiven Seite der Spannungsquelle 38 verbunden. Wenn der Schalter 28 geschlossen ist, sind die beiden Schalter 36 und 37 geöffnet, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist.

Wenn die Schalter 36 und 37 geschlossen sind, ist die Schreibelektrode 18 mit Masse verbunden. Zwischen der Schreibelektrode 18 und der Elektrode 12 entsteht eine Spannung, Dadurch werden an dem aneinandergrenzenden Bereich zwischen den Isolationsschichten 14 und 16 positive Ladungen plaziert, wie durch die "+" angedeutet ist. Infolge dieser positiven

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Ladungen wird der Luftspalt 25 von einem elektrischen Feld durchsetzt, wie durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen elektromechanischen Übertragers 10 ist es, daß zwischen den Isolationsschichten 14 und 16 Ladungen in der Größen-Ordnung von 10 coulomb/cm gespeichert werden können. Wie bereits erwähnt, besteht die Isolationsschicht 16 aus einer Siliziumnitritschicht und die Isolationsschicht aus einer Siliziumoxidschicht. Infolge dieser hohen speicherbaren Ladung in dem elektromechanischen übertrager ist die Empfindlichkeit sehr hoch. Der elektromechanische übertrager 10 stellt somit eine billige Detektorvorrichtung dar. Die Polarität der Spannungsquelle 38 kann erforderlichenfalls umgepolt-werden, wenn in dem elektromechanischen übertrager 10 verschiedene Polaritäten gespeichert werden sollen. Die Funktionsweise des Übertragers ist jedoch jeweils die gleiche.

Wird nun durch eine äußere Kraft die bewegliche Elektrode 20 bewegt, so verändert sich die Kapazität des elektromechanischen Übertragers in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der leitenden Schicht 22,der beweglichen Elektrode 20 und der Elektrode 12. Die bewegliche Elektrode 20 kann z.B. durch eine akustische Schwingung oder durch eine mechanische Kraft bewegt werden. Da die zwischen der

14 Isolationsschicht/und der Isolationsschicht 16 gespeicherte Ladung Über eine sehr lange Zeit, z.B. über Jahre, konstant bleibt, verändert sich die Spannung zwischen der leitenden Schicht 22 und der Elektrode 12 proportional zu der Kapazitätsänderung gemäß der Gleichung V=Q/C, wobei V die Spannung, Q die Ladung und C die Kapazität darstellt. Wenn die Schalter 36 und 37 geöffnet sind und der Schalter 28 geschlossen ist, zeigt die Spannung über der Belastung 30 diidkt die auf die

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bewegliche Elektrode 20 wirkende Kraft an. Somit kann der elektromechanisch^ übertrager direkt zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie verwendet werden»

In Fig. 2 ist eine Vorrichtung gezeigt, die z_eB. in einem Tastenfeld verwendet werden kann. Der Teil 40 in Fig. 2 stellt einen Teil einer Taste in diesem Tastenfeld dar. Die beweglichen Elektroden können von einer Bedienungsperson betätigt werden oder infolge eines Obertragungsgliedes den Abstand des Luftspaltes beeinflussen. Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung enthält ein Substrat 42 aus einem geeigneten Material, auf dem eine bestimmte Anzahl, z.B. 6, Elektroden 44jangeordnet sind. Ober das Substrat 42 und die Elektroden 44 wird eine Siliziumoxid- Siliziumnitritisolationsschicht 46 angeordnet. Diese Isolationsschicht 46 ist so dimensioniert, daß z.B. die rechten Enden der Elektroden 44 nicht überlappt werden und die linken Enden der Elektroden 44 von der Isolationsschicht 46 überlappt werden. Auf die Isolationsschicht 46 werden ebenfalls 6 Schreibelektroden 48 angeordnet, die jeweils mit einer entsprechenden Elektrode 44 ausgerichtet sind. Die Schreibelektroden 48 ragen mit ihren linken Teilen über die Isolationsschicht 46 hinaus. Durch diese Anordnung der 6 Elektroden 44 und der Schreibelektroden 48 kann auf einfache Weise die zwischen den Elektroden auftretenden Spannungen gemessen oder die anzulegenden Spannungen zugeführt werden, wenn herkömmliche integrierte Schaltungsplatten (nicht gezeigt) verwendet werden.

Ober die vorangehend beschriebene Anordnung aus dem Substrat 42, den Elektroden 44, der Isolationsschicht 46 und den Schreibelektroden 48 wird nun die bewegbare Elektrode angeordnet, die in Fig. 2 teilweise dargestellt ist. Die Elektrode 50 besteht aus einer flexiblen metallisierten Schicht

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(in Fig. 2 nicht ersichtlich) und einer flexiblen Isolationsschicht.

In Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linien 3-3 von Figur 2 dargestellt, in der die Position der Elektroden 44 in der Isolationsschicht 46 ersichtlich sind. Aus Fig. 3 ist ebenfalls die Lage der flexiblen Elektrode 50 und der Aufbau der flexiblen Elektrode 50 ersichtlich. Ober einem Luftspalt 56 ist auf einer Isolationsschicht 54 eine flexible leitende Metallschicht 52 angeordnet.

In Fig. 2 wird an die Vorrichtung, die als Taste in einem Tastenfeld verwendet werden kann, lediglich eine Spannung zwischen einer oder mehreren von vorbestimmten Elektroden 44 und der dieser oder diesen zugeordneten Schreibelektroden angelegt, Entsprechend der in Fig. 1 gezeigten Schaltung, in der mit Hilfe der Leitung 34, des Schalters 36, der Spannungsquelle 38 und der Leitung eine Spannung an den elektromechanischen übertrager 10 angelegt wird, kann in der Vorrichtung gemäß Fig. 2 in bestimmten Elektrodenpaaren 44 und 48 entsprechend einer Binärinformation eine Ladung erzeugt werden. Soll z.B. die Binärinformation 110000 durch die in Fig. 2 dargestellte Taste repräsentiert werden, so wird lediglich in den zwei obersten Elektroden 44 und in den zwei obersten Schreibelektroden 48 durch Anlegen einer Spannung eine Ladung erzeugt, während in den anderen vier darunterliegenden Elektroden keine Spannung angelegt wird. Dadurch wird bewirkt, daß in der Isolationsschicht 46 nur in der Nähe der beiden oberen Schreibelektroden 48 eine Ladung fixiert wird. Durch Betätigen der Elektrode 50 wird deshalb auch nur in den beiden oberen Elektroden jeweils eine Spannungsänderung festgestellt, während dies in den vier unteren Elektroden nicht möglich ist. Dadurch

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kann am Ausgang der Tastatur für diese Taste die Binarinformation 110000 festgestellt werden.

Der er.findungsgemäße el ektromechanische übertrager kann für viele Zwecke verwendet werden. Z.B. ist es möglich, mechanische Bewegungen in elektrische Signale umzuwandeln oder den elektromechanischen übertrager gemäß der Erfindung als Mikrophon zu verwenden.

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Claims

Patentansprüche:

Elektromechanischer übertrager aus einem ersten und zweiten Elektrodenteil aus jeweils ersten und zweiten leitenden Schichten, wobei die Elektrodenteile durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind und ein Eltktrodenteil örtlich bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Elektrodenteil (11) aus einer leitenden Schicht (12) und einer ersten (14) und einer zweiten (16) Isolationsschicht besteht und daß die erste Isolationsschicht (14) zwischen der zweiten Isolationsschicht (16) und der ersten leitenden Schicht (12) angeordnet ist, und daß der Zwischenbereich zwischen der ersten (14) und zweiten (16) Isolationsschicht zwischen der ersten (12) und einer zweiten (22) leitenden Schicht liegt und daß in diesem Bereich eine Ladung speicherbar ist,
2. Elektromechanischer übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Elektrodenteil (20) örtlich bewegbar ist und aus einer dritten Isolationsschicht (24) besteht, die auf der zweiten leitenden Schicht (22) angeordnet ist und über dem ersten Elektrodenteil (11) liegt.
3. Elektromechanischer übertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten Isolationsschicht (14) größer ist als die Dicke der zweiten Isolationsschicht (16).
4. Elektromechanischer übertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Isolationsschichten (14, 16) aus Siliziumoxid und eine aus Siliziumnitrit besteht.

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5. Elektromechanischer Übertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Elektrodenteil (11) eine dritte leitende Schicht (18) aufweist, die auf der zweiten Isolationsschicht (16) angeordnet ist und daß durch eine elektrische Schaltung (36, 38) eine Ladespannung an die dritte leitende Schicht (18) angelegt wird, wodurch in dem Zwischenbereich eine Ladung gespeichert wird.

6„ Elektromechanischer Übertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste leitende Schicht (12) aus einer Vielzahl von separaten" Elektroden (44) besteht, und daß die dritte leitende Schicht durch eine Vielzahl von separaten leitenden Segmenten (48) besteht, die mit de« Elektroden (44) ausgerichtet sind und daß durch eine Schaltung an bestimmte Segmente und Elektrodenpaare (44, 48) eine Ladespannung angelegt wird.

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