DE3731196A1 - Frequenzselektiver schallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen frequenzselektiven Schallwandler mit einer Anzahl mechanischer, in einer Ebene angeordneter Resonatoren, die durch Schallschwingungen in ihrer Eigenfrequenz angeregt werden und deren Auslenkungen aus der jeweiligen Ruhelage in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.

Ein frequenzselektiver Schallwandler zur Umwandlung von Körperschall­ schwingungen ist aus "Proceedings Of The International Conference On Solid-State Sensors And Actuators - Transducers 1985", Boston, Massachu­ setts, 11.-14. Juni, 1985 unter dem Titel "A Frequency-Selective, Piezoresistive Silicon Vibration Sensor" von W. Benecke et al. bekannt. Ein derartiger Schallwandler besteht aus einer kammartigen Anordnung von Biegestäben, die aus einem Siliziumsubstrat herausgeätzt sind, und deren Eigenfrequenzen gestaffelt und zueinander benachbart sind. Die Biegestä­ be sind über einen Rahmen miteinander verbunden, über den die Körper­ schallschwingungen eingeleitet werden und welche die Biegestäbe in ihren Eigenfrequenzen zu Schwingungen anregen. Die Schwingungen der Biegestäbe werden über piezoresistive Elemente, die am Fuß eines jeweiligen Biege­ stabes angeordnet sind, in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt. Mit einem derartigen Schallwandler ist eine direkte frequenzselektive Erfassung von Körperschall möglich. Dieser Sensor ist jedoch nicht in der Lage, Schallwellen der Luft mit brauchbarer Qualität in elektrische Signale umzusetzen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen frequenzselektiven Schallwand­ ler der o.g. Art zu schaffen, mit dem insbesondere Luftschallwellen erfaßt und in elektrische Signale umgewandelt werden können und der in möglichst kleiner Bauweise hergestellt werden kann. Diese Aufgabe erfüllt ein nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeter frequenzselektiver Schallwandler.

Die Erfindung sowie deren Vorteile werden im folgenden anhand eines in den Figuren teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen frequenzselektiven, mikro-mechani­ schen Schallwandler.

Fig. 2 eine Aufsicht auf die Resonatorseite des Schallwandlers gemäß Fig. 1.

Aus einem Substrat 1 wird eine je nach erforderlichem Frequenzumfang mehr oder weniger große Anzahl von mechanischen Resonatoren in Form von Biegestäben 2.1, 2.2, 2.3 herausgearbeitet. Die Eigenfrequenzen dieser Resonatoren sind gestaffelt und zueinander benachbart. Diese Resonatoren liegen in geringem Abstand d einer dünnen Membran 3 gegenüber, die durch einen Rahmen 4 eingespannt wird. Der Luftspalt d zwischen Membran und Resonatoren beträgt wenige µm und wird durch eine Abstandshalteschicht 5 bestimmt, die entweder auf eine der beiden Substrate 1 oder 4 aufge­ bracht oder aus diesen herausgearbeitet wurde.

Die Membran wird durch Schalleinwirkungen zu Schwingungen angeregt und regt ihrerseits über den schmalen Luftspalt die Resonatoren zu Eigen­ schwingungen an. Die Amplitude der Resonatoren kann piezoresistiv, piezoelektrisch oder kapazitiv abgegriffen werden. In den ersten beiden Fällen wird an jedem Resonator ein Piezowiderstand, bzw. ein piezoelek­ trisches Element 6.1, 6.2, 6.3 aufgebracht (Fig. 2). Bei der kapazitiven Signalabnahme bildet jeder Resonator eine Elektrode; die Gegenelektroden 7.1, 7.2, 7.3 werden in Form isolierter Metallfilme auf die Membran aufgebracht (Fig. 1).

Beide Substrate 1 und 4 bestehen aus einkristallinem Silizium, aus dem die Resonatoren sowie die Membran monolithisch herausgearbeitet werden. Die Abstandshalteschicht 5 kann aus einer dünnen Glasschicht bestehen. Die Verbindung der beiden Teile kann dann durch anodisches Bonden erfolgen.

Die auf diese Weise vorgesehene Ankoppelung der Resonatoren 2.1, 2.2, 2.3 an eine schallempfindliche Membran eröffnet die Möglichkeit, auch Luftschall frequenzselektiv zu erfassen ohne daß, wie beispielsweise bei herkömmlichen Mikrophonen, eine aufwendige elektrische Filterung nötig ist. Durch die Anzahl der Resonatoren wird die Breite des erfaßten Spektrums bzw. dessen Auflösung in einzelne Frequenzen festgelegt. Ein durch entsprechend viele Resonatoren breitbandig ausgelegter Schallum­ wandler besitzt daher über seinen gesamten Frequenzbereich eine hohe Empfindlichkeit.

Claims (6)

1. Frequenzselektiver Schallwandler mit einer Anzahl, in einer Ebene angeordneter Resonatoren, die durch Schallschwingungen in ihrer Eigen­ frequenz angeregt werden und deren Auslenkungen aus der jeweiligen Ruhelage in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Ebene der Resonatoren (2.1, 2.2, 2.3) in einem geringen Abstand (d) eine schwingfähige Membrane (3) derart angeordnet ist, daß zwischen jedem Resonator (2.1, 2.2, 2.3) und der Membrane (3) ein Luftspalt entsteht, über den Schwingungen der Membrane (3) auf die Resonatoren (2.1, 2.2, 2.3) übertragen werden.

2. Schallwandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren (2.1, 2.2, 2.3) als einseitig befestigte Biegestäbe mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen ausgebildet sind.

3. Schallwandler nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß an gegenüberliegenden Flächen der Resonatoren (2.1, 2.2, 2.3) und Membrane (3) elektrisch leitende Flächen (7.1, 7.2, 7.3) zur Bildung von Plattenkondensatoren angeordnet sind.

4. Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an den Resonatoren (2.1, 2.2, 2.3) Dehnungsmeßstreifen (6.1, 6.2, 6.3) angeordnet sind.

5. Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Resonatoren (2.1, 2.2, 2.3) und/oder die Membrane (3) aus einem monolithischen Substrat hergestellt sind.

6. Schallwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (3) und die Resonatoren (2.1, 2.2, 2.3) von je einem biegestei­ fen Rahmen (1; 4) mit etwa gleichem Innenmaß umgeben sind und beide Rahmen (1; 4) unter Bildung eines Luftspaltes zwischen der Membrane (3) und den Resonatoren (2.1, 2.2, 2.3) miteinander verbunden sind.