DE3006312A1 - Detector for mechanical oscillations using piezoelectric effect - has semiconductor support with recess, overlapped by thin measuring transducer affected by mechanical oscillations - Google Patents
Detector for mechanical oscillations using piezoelectric effect - has semiconductor support with recess, overlapped by thin measuring transducer affected by mechanical oscillationsInfo
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Abstract
Description
Detektor für mechanischeMechanical detector
Scllmiingune:en B e s c h r e i b u n g Die vorliegende Erfindung betrifft einen Detektor für mechanische Schwingungen, der einen piezoelektrischen Effekt ausnutzt.Scllmiingune: en D e c tio n s The present invention relates a mechanical vibration detector that has a piezoelectric effect exploits.
Ein bekannter, den Piezoeffekt ausnutzender Detektor für mechanische Schwingungen ist in der Fig. 1 gezeigt und besteh-t aus einem metallischen Freiträger 10, der im wesentlichen T-förmig ausgebildet ist und fest auf einer Grundplatte befestigt ist. Das piezoelektrische Plättchen 11 aus Keramik ist an einer Seite des Freiträgs 10 angeklebt um die mechanische Schwingung aufnehmen zu können, die durch im Freiträger 10 durch Anlegen einer äußeren Vibration an das freie Ende des Trägers 10 gegenüber der Grundplatte erzeugt wird. Durch den piezoelektrischen Effekt erzeugt das Plättchen 11 ein der Schwiilgun- entsprecnendes elektrisches Signal. Das von dem Plättchen 11 erzeugte Signal wird zwischeil der Elektrode 12 am piezoelektrischen Plättchen ii und dem Träger 10 abgenommen und dann über zwei Leitungsdrähte an einen Verstärker 13 zur Verstärker des erzeugten Signals angelegt. A well-known, the piezo effect exploiting detector for mechanical Vibrations is shown in FIG. 1 and consists of a metallic cantilever 10, which is essentially T-shaped and fixed on a base plate is attached. The ceramic piezoelectric plate 11 is on one side of the cantilever 10 glued to the mechanical vibration to be able to absorb the by in the cantilever 10 by applying an external vibration to the free end of the Carrier 10 is generated relative to the base plate. Through the piezoelectric effect the plate 11 generates an electrical signal corresponding to the oscillation. The signal generated by the plate 11 is between the electrode 12 on the piezoelectric Plate ii and the carrier 10 removed and then via two lead wires to one Amplifier 13 is applied to the amplifier of the generated signal.
Bei dem vorstehend beschriebenen, herkömmlichen Detektor für mechanische Schwingungen stellt der Freiträger 10 den Hau-otteil der Einrichtung dar und muß eine ausreichende Größe aufweisen, um die mechanische Schwingung auf das piezoelektrische Plättchen 11 mit so wenig Gämpfung wie möglich übertragen zu können. Darüber hinaus ist das vom piezoelektrischen Plttchen 11 erzeugte Signal vergleichsweise klein, da die äußere Schwingung auf das piezoelektrische Plättchen 11 huber den Freiträger 10 übertragen wird. In the above-described conventional mechanical detector The cantilever 10 represents the main part of the device and must vibrate Have a sufficient size to pass the mechanical vibration to the piezoelectric To be able to transfer platelets 11 with as little attenuation as possible. Furthermore the signal generated by the piezoelectric plate 11 is comparatively small, because the external vibration on the piezoelectric plate 11 over the cantilever 10 is transmitted.
Deshalb ist es bei herkömmlichen Detektor für mechanische ochwingungen schwierig, die Größe des Detektors zu verkleinern, den Verstärker in der Einrichtung einzubauen und die Empfindlichkeit in bezug auf die äußere Schwingung zu erhöhen. This is why it is the case with conventional mechanical oscillation detectors difficult to downsize the detector, the amplifier in the facility and to increase the sensitivity with respect to the external vibration.
Diese Nachteile sind insbesondere dann schwerwiegend, wenn der Detektor für mechanische Schwingungen in einem kleinen Gerät wie beispielsweise einem Mikrophon oder Mel3wertgeber aufgenommen werden soll. These disadvantages are particularly severe when the detector for mechanical vibrations in a small device such as a microphone or Mel3wertgeber should be included.
Aufgabe der vorlieenden Erfindung ist es, einen einfach herzustellenden, verbesserten Detektor fiir mechanische Schwingungen kleiner Baugröße mit großer Empfindlichkeit iLir äußere Schwingungen zu schaffen, der in einen Verstärker integriert werden kann. The object of the present invention is to provide a simple to manufacture, improved detector for mechanical vibrations of small size with large Sensitivity iLir to create external vibrations integrated into an amplifier can be.
Diese Autgabe wird gelöst durch einen Detektor fUr mechanische Schwingungen geniäi, der vorliegenden Erfindung, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er aus einem Iilbleiterträger besteht, in dem eine Aussparung ausgebildet ist. Am Trägermaterial ist eine dünne Schicht eines Meßwertwandlerelements aufgebracht, die die Aussparung überlappt, um von einer äußeren Schwingeinrichtung mechanische Schwingungen aufnehmen zu können und entsprechend der äußeren mechanischen Schwingung ein elektrisches Signal zu erzeugen. This problem is solved by a detector for mechanical vibrations geniäi, of the present invention, which is characterized in that it consists of a Iilbleasterträger consists in which a recess is formed. On the carrier material a thin layer of transducer element is applied to the recess overlaps in order to absorb mechanical vibrations from an external vibrating device to be able to and according to the external mechanical vibration an electrical one Generate signal.
Ausf;ihrungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Figuren beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 einen herkömmlichen Detektor für mechanische Schwingungen in perspektivischer Ansicht, wie vorstehend bereits beschrieben; Fig. 2 einen Detektor für mechanische Schwingungen gemäß der vorliegenden Erfindung in der Draufsicht; Fig. 3 den Detektor gemäß Fig. 2 im Schnitt entlang der Linie 111-Th; Fig. 4 eine andere Äusführungsform des Meßwertwandlers in einer ansicht gemäß der Fig. 3. Embodiments of the present invention are illustrated by the following Figures described. It shows: Fig. 1 a conventional detector for mechanical Vibrations in a perspective view, as already described above; Fig. FIG. 2 shows a mechanical vibration detector according to the present invention in FIG the top view; 3 shows the detector according to FIG. 2 in section the line 111-Th; Fig. 4 shows another embodiment of the transducer in a view according to FIG. 3.
In den Fig. sçurden gleiche Teile mit gleichen BezuPsziffern bezeichnet. In the figures, the same parts are denoted by the same reference numbers.
Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, besteht ein Detektor für mechanische Schwingungen gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem Träger 1 aus Haibleitermaterial wie beispielsweise Silizium, der mit einer Aussparung 2 in der einen Oberfläche versehen ist. Ein länglicher Meßwertwand-Jer 3 besteht aus einer dünnen Schicht 5 aus einem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften und einer ersten und zweiten Elektrodeischicht 4 und 6, die jeweils auf den einander gegenüberliegenden Seiten der Piezoschicht 5 füreinander geschichtet sind. Ein Ende des Meßwertwandlers 3 ist am Träger 1 so angebracht oder befestigt, daß die erste Elektrode 4 auf der Oberfläche des Trägers 1 liegt und das andere Ende des Meßwertwandlers 3 die Aussparung 2 so überlappt, daß der überlappende Teil des Meßwertwandlers bei Aufnahme einer äußeren Schwingungskraft P, die von einer äußeren Schwingeinrichtung (nicht dargestellt) angelegt wird, schwingen kann. Die mechanische Schwingung des Meßwertwandlers 3 bewirkt aufgrund des piezoelektrischen Effektes, daß die piezoelektrische Schicht 5 ein elektrisches Signal entsprechend der mechani scnen Schwingung erzeugt. As shown in Figures 2 and 3, there is a mechanical detector Vibrations according to the present invention from a carrier 1 made of semiconductor material such as silicon, which has a recess 2 in one surface is provided. An elongated wall of measured values Jer 3 consists of a thin layer 5 made of a material with piezoelectric properties and a first and second Electrode layer 4 and 6, each on opposite sides the piezo layer 5 are layered for one another. One end of the transducer 3 is attached or attached to the carrier 1 so that the first electrode 4 on the Surface of the carrier 1 is and the other end of the transducer 3 is the recess 2 overlaps so that the overlapping part of the transducer when receiving a external vibration force P, which is generated by an external vibration device (not shown) is applied, can vibrate. The mechanical vibration of the transducer 3 causes due to the piezoelectric effect that the piezoelectric layer 5 an electric Signal corresponding to the mechanical oscillation generated.
Das in der piezoelektrischen Schicht 5 erzeugte Signal wird an den Elektroden 4 und 6 abgenommen und an einen Verstärker 7 angelegt. Zur Erleichtertmg der elektrischen Verbindung ist die Elektrode 6 mit einem Anschlußteil 6a versehen, derßich einstückig seitlich am von der Aussparung 2 abgewandten Ende der Elektrode erstreckt.The signal generated in the piezoelectric layer 5 is sent to the Electrodes 4 and 6 removed and applied to an amplifier 7. For relief the electrical connection, the electrode 6 is provided with a connection part 6a, this is in one piece laterally at the end of the electrode facing away from the recess 2 extends.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verstärker 7 in Form eines integrierten Schaltkreises 7a ausgebildet und auf dem Trager 1 in der Nähe des Meßwertwandlers 3 angeordnet. Die beiden Eingänge des VerstarkeTs 7 sind mit Leiterbahnen 8a und 8b verbunden. Das vom Verstärker 7 abgewandte Ende der Leiterbahn Sa ist mit einem Anschlußteil 4a der ersten Elektrode 4 verbunden und dementsprechend ist das vom Verstärker 7 abgewandte Ende der Leiterbahn 8b mit einem Anschlußteil 6a der zuleiten Elektrode 6 verbunden. Das im Neßwertwandler erzeugte Signal wird im Verstärker 7 verstärkt und ueber Leiterbahnen 9a und 9b, die aus dem Verstärker herauskommen, abgenommen. According to a preferred embodiment, the amplifier 7 is in shape an integrated circuit 7a is formed and on the support 1 in the vicinity of the transducer 3 arranged. The two inputs of the amplifier 7 are with Conductor tracks 8a and 8b connected. The end of the conductor track facing away from the amplifier 7 Sa is connected to a connection part 4a of the first electrode 4 and accordingly is the end of the conductor 8b facing away from the amplifier 7 and has a connector 6a of the lead electrode 6 connected. The signal generated in the Neßwertwandler is amplified in the amplifier 7 and via conductor tracks 9a and 9b, which come from the amplifier come out, removed.
Der Detektor für mechanische Schwingungen wird wie im folgenden beschrieben hergestellt. The mechanical vibration detector is described as follows manufactured.
Als erstes wird auf der Oberfläche des Trägers 1 die erste Elektrodenschicht 4 und ein Anschlußteil 4a zusammen mit den Elektrodenbahnen 8a, 8b, 9a und 9b, mittels irgentleines bekannten Beschichtungsverfahrens, wie beispielsweise Drucken, Kathodenzerstäubung etc. aufgebracht. The first electrode layer is formed on the surface of the carrier 1 4 and a connection part 4a together with the electrode tracks 8a, 8b, 9a and 9b, by means of irgentleines known coating processes, such as printing, cathode sputtering etc. applied.
Dann wird ein Teil des Tragers 1 unter und um das freie runde der ersten Elektrodenschicht 4 gegenüberliegend der Leiterbahri 8a mit einer Aussparung 2 durch eines der bekann-ten Ätzverfahren, die Chemikalien oder Trägergas verwenden, versehen. Bei der Ausführung des Htzvorganges sollte die Chemikalie oder das Trägergas unter Berücksichtigung des materials der Elektrodenschicht 4 ausgewählt werden, um eine Beeinträchtigung der Elektrodenschicht 4 zu verhindern. Da die Elektrodenschicht 4 eine vergleichsweise geringe Breite aufweist, kann das ätzmittel in die Trägerschicht 1 unter der Schicht 4 eindringen.Then a part of the carrier 1 under and around the free round of the first electrode layer 4 opposite the conductor strip 8a with a recess 2 by one of the known etching processes that use chemicals or carrier gas, Mistake. When carrying out the heating process, the chemical or the carrier gas should be used be selected taking into account the material of the electrode layer 4, in order to prevent deterioration of the electrode layer 4. Because the electrode layer 4 has a comparatively small width, the etchant can be in the carrier layer 1 penetrate under layer 4.
Nach dem Ätzen der Aussparung 2 wird ein Material mit piezoelektrischen Eigenschaften wie beispielsweise ZnO oder Cd auf der Elektrodenschicht 4 niedergeschlagen, um die -piezoelektrische Schicht 5 zu bilden. Das Beschichten mit dein piezoelektrischen ,material kann durch irgendeines der bekannten Verfahren wie beispielsweise Kathodenverstäubung erfolgen. Um eine unerwiinschte Verbindung der Elektrodenschicht 4 mit dem Anschlußteil 6a, der im nächsten Arbeitsgang hergestellt wird, zu verhindern, wird die piezoelek-trische Schicht 5 -teilweise breiter als die Elektrodenschicht 4 ausgebildet, um eine Kante der Elektrodenschicht 4 insbesondere im Bereich in der Nähe der Leiterbahn bb zu bedecken. Dann wird <3ie piezoelektrl- sche Sicht 5 mit einem elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise einem Aluminium mittels eines bekannten Verfahrens, wie beispielsweise Beschichten aus der Dampfphase, beschichtet um die Elektrodenschicht 6 zusammen mit dem Anschlußteil 6a zu bilden. Da der klschlußteil 6a airekt auf der Leiterbahn 8b niedergeschlagen werden kann, ist kein Schweißvorgang zur Verbindung des anschlußteils 6a mit der Leiterbahn Sb erforderlich. Nachdem der Meßwertwandler 3 durch die vorstehend beschriebene Arbeitsschritte fertiggestellt ist, kann der Verstärker 7 auf dem Träger 1 in bekannter Art und Weise montiert werden. After etching the recess 2 is a material with piezoelectric Properties such as ZnO or Cd deposited on the electrode layer 4, to form the piezoelectric layer 5. Coating with your piezoelectric Material can be prepared by any of the known methods such as cathodic atomization take place. To avoid an undesired connection of the electrode layer 4 to the connection part 6a, which will be produced in the next step, will be the piezoelectric Layer 5 - partially wider than the electrode layer 4, around an edge the electrode layer 4, in particular in the area in the vicinity of the conductor track bb cover. Then the piezoelectric cal view 5 with a electrically conductive material such as an aluminum by means of a known method, such as coating from the vapor phase, coated to form the electrode layer 6 together with the terminal part 6a. Because the final part 6a airect can be deposited on the conductor track 8b is not a welding process required to connect the connecting part 6a to the conductor track Sb. After this the transducer 3 completed by the above-described operations is, the amplifier 7 can be mounted on the carrier 1 in a known manner will.
Anzumerken ist, daß der Arbeitsschritt zur Herstellung der Aussparung 2 nach der Fertigstellung des MeEwertwandlers 3 ausgeführt werden kann. It should be noted that the step for making the recess 2 can be executed after completion of the measurement converter 3.
Bei der in der Fig; 4 gezeigten Ausführungsform ilberbrückt der Meßwertwandler 3 die Aussparung 2 und ist mit seinen einander gegenüberliegenden Enden an dem Träger 1 befestigt. When in the Fig; The embodiment shown in FIG. 4 bridges the transducer 3 the recess 2 and is with its opposite ends on the carrier 1 attached.
Der Detektor für mechanische Schwingungen gemäß der vorliegenden Erfindung hat zahlreiche Vorteile, die im folgenden beschrieben werden. The mechanical vibration detector according to the present invention The invention has numerous advantages which are described below.
Da zur Übertragung der Schwingung auf den Meßwertwandler, wie beispielsweise ein Freiträger bei den konventionel- iep Einrichtungen, verwendet wird, kann der Detektor für mechanische Schwingungen gemäß dervorliegenden Erfindung in kompakter Baugröße hergestellt sein. Das Unnötigmachen eines derartigen mittels hat den weiteren Vorteil, daß die äußere chwint'-kraft ? direkt aufgenommen und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann , wodurch die Empfindlichkeit des detektors für mechanische Schwingungen, insDesondere im Hocijfre quenzbereich ansteigt. As to transmit the vibration to the transducer, such as a cantilever in the conventional iep facilities, used the mechanical vibration detector according to the present invention can be used be made in a compact size. The elimination of such a means has the further advantage that the external chwint 'force? recorded directly and Can be converted into an electrical signal, increasing the sensitivity the detector for mechanical vibrations, especially in the high frequency range increases.
Da der Detektor für mechanische Schwingungen gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen mit dem Verstärker odei. Since the mechanical vibration detector according to the present Invention together with the amplifier odei.
anderen notwendigen Schaltkreisen mittels eines gieichen Tragers integriert werden kann, können die Arbeitsschritte zu seiner Herstellung während der Herstellung der notwendien Schaltkreise ausgefährt werden. Der bei der vorlie-Senden Erfindung verwendete Träger, der den Meßwertwandlei- und gleichzeitig die notwendigen Schaltkreise trägt, ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Detektor für mechanische Schwingungen in einem kleinen Gerät wie beispielsweise einem Mikrophon oder Meßwertgeber installiert werden soll. other necessary circuits by means of a same carrier can be integrated, the steps involved in its manufacture can be carried out during the production of the necessary circuits are carried out. The one at the present Invention used carrier, the Messwertwandlei- and at the same time the necessary Circuits is particularly advantageous when the detector is used for mechanical Vibrations in a small device such as a microphone or transducer should be installed.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Beispiele mit Bezug auf die begleitenden Figuren völlig beschrieben wurde, sind zahlreiche gleichwertige Ausführungsformen mit Verändei ungen und Modifikationen innerhalb des Schutzumlanges der vorliegenden Erfindung fair den Fachmann denkbar. Although the present invention is illustrated by the examples with reference to FIG the accompanying figures are fully described, numerous are equivalent Embodiments with changes and modifications within the scope of protection the present invention is fair to the skilled person conceivable.
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