DE1437470A1

DE1437470A1 - Pressure transducer

Info

Publication number: DE1437470A1
Application number: DE19641437470
Authority: DE
Inventors: Jewell Anthony John; Meathrel George Maurice
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1963-11-19
Filing date: 1964-11-07
Publication date: 1968-11-21
Also published as: NL6514685A; NL6513797A; DE1515902B2; NL6412863A; DE1515902A1; BE655949A; BE672213A

Description

Druckwandler Die ürfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen Viandler. Gemäß der Erfindung wird ein elektromechanischer Wandler vorgeschlagen, der einen Transistor enthält, dessen Emitter-Basis-Übergang an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt und bei dem Druckmittel in mechanischem Kontakt mit dem Transistor stehen, wo der mitter-Basis-Übergang an die Oberfläche tritt.Pressure transducer The invention relates to an electromechanical one Viandler. According to the invention, an electromechanical converter is proposed, which contains a transistor, the emitter-base junction of which to the surface of the Semiconductor body occurs and in mechanical contact with the pressure medium Transistors stand where the mid-base junction comes to the surface.

Eine Ausführungsform der Erfindung soll anhand der Figuren näher erläutert werden.An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the figures will.

Figur 1 stellt eine Seitenansicht eines Wandlers gemäß der Erfindung dar.Figure 1 shows a side view of a transducer according to the invention represent.

Die Figuren 2 und 3 zeigen Ausbildungsformen von Transistoren, die sich für die Erfindung eignen.Figures 2 and 3 show embodiments of transistors that are suitable for the invention.

Figur 4 zeigt die Abhängigkeit der Stromverstärkung vom Druck eines solchen Wandlers.FIG. 4 shows the dependence of the current gain on the pressure of a such converter.

Die Figuren 5 und 6 zeigen Kennlinien von geeigneten Transistoren. Figur 7 zeigt eine Draufsicht auf einen Wandler von Figur 1 in einem Tonabnehmer für einer, Plattenspieler.Figures 5 and 6 show characteristics of suitable transistors. figure 7 shows a plan view of a transducer from FIG. 1 in a pickup for a, Record player.

Bei der. Ausführungsform nach Figur 1 hat die metallische Grundplatte 1 einen Goldüberzug! auf dem das Transistorelement 2, beispielsweise aus Silizium, und eine Säule 3 angeordnet sind. Eine Sonde 4 ist starr an dem Betätigungshebel 5 befestigt und steht in Kontakt mit dem Transistor 2. Der Betätigungshebel 5 erstreckt sich durch einen Schlitz 6 in der Säule 3 und ist auf dem Stift 7 gelagert. Die Schraube 8 liegt an dem Betätigungshebel 5 an und übt einen Druck auf die Sonde 4 aus. Ein Kontaktstift 9 dient zur elektrischen Verbindung mit dem Kollektor des Transistors 2 und ein Kontaktstift 10 dient zur elektrischen Verbindung zum Emitter. Ein weiterer Kontaktstift 11, der in Figur 1 nicht sichtbar, jedoch in Figur 7 dargestellt ist, dient zur elektrischen Verbindung mit der Basis des Transistors 2.In the. Embodiment according to Figure 1, the metallic base plate 1 has a gold coating! on which the transistor element 2, for example made of silicon, and a column 3 are arranged. A probe 4 is rigidly attached to the actuating lever 5 and is in contact with the transistor 2. The actuating lever 5 extends through a slot 6 in the column 3 and is mounted on the pin 7. The screw 8 rests against the actuating lever 5 and exerts pressure on the probe 4. A contact pin 9 is used for the electrical connection to the collector of the transistor 2 and a contact pin 10 is used for the electrical connection to the emitter. Another contact pin 11, which is not visible in FIG. 1 but is shown in FIG. 7, serves for the electrical connection to the base of the transistor 2.

Die Kontakte 10 und 11 sind isoliert auf der Grundplatte 1 befestigt.The contacts 10 and 11 are attached to the base plate 1 in an insulated manner.

Die Sonde 4 besteht aus leitendem oder isolierendem Material und kann aus Diamant, Saphir oder Wolfram bestehen. Sie hat eine kugelförmige Spitze, mit einerri Krümmungsradius von z.B. 0,025 mm. Die Säule 3 ebenso wie der Betätigungshebel 5 können aus verschiedenem Material bestehen, entsprechend dem Verwendungszweck oder der Wiedergabefrequenz des Wandlers. Sie sind zum Beispiel aus rostfreiem Stahl hergestellt, wobei der Betätigungshebel 5 aus einem Kapillarröhrchen aus rostfreiem Stahl besteht. Die Säule 3 kann auch aus Messing bestehen.The probe 4 consists of conductive or insulating material and can consist of diamond, sapphire or tungsten. It has a spherical tip, with a radius of curvature of e.g. 0.025 mm. The column 3 as well as the operating lever 5 can be made of different material according to the purpose of use or the playback frequency of the converter. For example, they are made of stainless steel manufactured, the operating lever 5 from a capillary tube made of stainless Steel is made. The column 3 can also be made of brass.

Der auf den Emitter-Basis-Übergang des Transistors ausgeübte Druck verursacht eine Veränderung mehrerer Parameter des Transistors.The pressure exerted on the emitter-base junction of the transistor causes a change in several parameters of the transistor.

Es werden hierbei Wirkungen bei verschiedenen Arten von Transistoren beobachtet, jedoch werden bei der vorliegenden Ausführungsform nur solche Transistoren in Betracht gezogen, deren Emitter-Basis-Übergang an-die Oberfläche des ,lialbleiterkörpers tritt, beispielsweise planare Transistoren, Transistoren mit gezogenen Über-Längen und Transistoren mit epitaxial erzeugten Übergängen. Der übergang,kann durch eine Oxydschicht oder einen anderen Überzug geschützt sein.There are effects on various types of transistors observed, however, in the present embodiment only such transistors are considered, their emitter-base junction to-the surface of the semiconductor body occurs, for example planar transistors, transistors with drawn excess lengths and transistors with epitaxially generated transitions. Of the transition, can be protected by an oxide layer or another coating.

Geeignete Tränsistorausführungen sind in den Figuren 2 und 3 dargestellt, bei denen der Emitter E umgeben ist von der Basis B und der dazwischen liegende zugehörige pn-Übergang durch die gestrichelte Linie J dargestellt ist. Das übrige Material bildet den Kollektor C.Suitable transistors are shown in FIGS. 2 and 3, in which the emitter E is surrounded by the base B and the pn junction located in between is shown by the dashed line J. The rest of the material forms the collector C.

Beim Zusammenbau der Vorrichtung, die in Figur 1 dargestellt ist, ist es notwendig, die Spitze der Sonde genau dort auf den Transistor 2 aufzusetzen, wo der Basis-ymit ier-Ühergang an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt, vorzugsweise auf das begrenzte Gebiet A in Figur 2 oder 3, obwohl sie auch auf das ganze übrige Gebiet des Emitter-Basis-Überganges aufgesetzt werden kann. Die Lage der Sonde wird unter visueller Beobachtung eingestellt und/oder durch Beobachtung-elektrischer Werte, indem die Ausgangskennlinie des Transistors in Kurvenform oder ein Strommesser beobachtet wird. Wenn die Sonde 4 richtig eingestellt ist, wird die Säule 3 in dieser Stellung an der Grundplatte 1 befestigt, zum Beispiel angelötet.When assembling the device, which is shown in Figure 1, it is necessary to place the tip of the probe right there on transistor 2, where the base transition occurs to the surface of the semiconductor body, preferably to the limited area A in Figure 2 or 3, although it also applies to all of the rest Area of the emitter-base transition can be placed. The location of the probe will set under visual observation and / or by observation-electrical Values by taking the output characteristic of the transistor in curve form or an ammeter is observed. If the probe 4 is set correctly, the column 3 will be in this Position attached to the base plate 1, for example soldered.

Die Schraube 8 wird nun so eingestellt, daß ein gewisser Anfangsdruck erzielt wird, der beispielsweise in der Größenordnung von 2 oder 3 Gramm liegt, um den Transistor 2 eine Vorspannung zu geben, so daß der Arbeitspunkt auf der Kennlinie, welche die Be-_ ziehung zwischen Druck und Stromverstärkung oder zwischen Druck und Eingangsimpedanz darstellt, an geeigneter Stelle zuliegen kommt. Wie aus Figur 4 entnommen werden kann, ist die Wirkung eines ansteigenden Druckes (f), der auf die Sonde 4 einwirkt, auf die Stromverstärkung (CC) des Transistors 2 zunächst Null, wonach ein geneigter Kurventeil folgt, der bei T linear ist. Für eine optimale Wirkung der dynamischen Druckänderung wird der Druck der Sonde so eingestellte daß die statische Stromverstärkung innerhalb des linearen Teiles T liegt. Die Größe des Druckes, der durch die Schraube 8 ausgeübt wird und damit der Funkt auf dem Teil T der Kennlinie, wo die statische Stromverstärkung liegt, wird bestimmt durch die Anforderungen, die an den :Wandler gestellt werden. Wenn ein lineares .Ansprechen auf geringe dynamische Änderungen-- des "Druckes der Sonde 4 angestrebt wird, darf die Voespannung der Sonde 4 nur so groß sein$ daß der Arbeitspunkt auf dem linearen Teil T bei einem Punkt liegty wo die Stromverstärkung infolge des angewandten dynamischen Druckes in beiden Richtungen linear bleibt. Für eine lineare Beziehung bei erhöhter Modulation mu.ß die Vorspannungskraft größer sein. Eine genaue Vorspannung der Sonde 4 bezüglich der Amplitude der Modulation wird erreicht durch Berücksichtigung der Kurven von Figur 5 und 6. Figur 5 zeigt eine Reihe die@für den Transistor gelten und zwar zeigen sie die Änderung des Kollektorstromes (Ic) mit der Kollektorspannung (Vc) für verschiedene Werte des-Basisstromes (I b). -Wenn der auf die Sonde 4 ausgeübte Druck erhöht wird, caird die Stromverstärkung vermindert, so daß die Kurven von Figur 5 näher zusammengerückt werden, wie dies in Figur 6 dargestellt ist.Die erforderliche Vorspannung wird erhalten, indem angenommen wird, daß eine Modulation in Form von Sinuswellen bestimmter Amplitude -auf die Sonde 4 einwirkt, was einen entsprechenden Effekt auf den Ausgang des Transistors- hat, der durch die gestrichelte n Linien in Figur 6 dargestellt ist, ohne daß-- die Spitzen aböeschnitten sind. Dies zeigt! daß der Transistor linear auf die Modulation anspricht und dass deshalb der gewünschte Punkt auf der Kennlinie im Teil T von Figur 4 erreicht wurde.The screw 8 is now set so that a certain initial pressure is achieved, for example in the order of 2 or 3 grams, in order to give the transistor 2 a bias, so that the operating point on the characteristic curve which the relationship between pressure and current amplification or between pressure and input impedance, comes to lie at a suitable point. As can be seen from FIG. 4, the effect of an increasing pressure (f) acting on the probe 4 on the current gain (CC) of the transistor 2 is initially zero, after which an inclined part of the curve follows, which is linear at T. For an optimal effect of the dynamic pressure change, the pressure of the probe is adjusted so that the static current gain lies within the linear part T. The size of the pressure exerted by the screw 8 and thus the point on the part T of the characteristic curve where the static current gain is located is determined by the requirements that are placed on the converter. If a linear response to small dynamic changes in the pressure of the probe 4 is sought, the voltage of the probe 4 may only be so great that the operating point on the linear part T lies at a point where the current gain as a result of the dynamic applied Pressure remains linear in both directions. For a linear relationship with increased modulation, the biasing force must be greater.A precise biasing of the probe 4 with respect to the amplitude of the modulation is achieved by considering the curves of Figures 5 and 6. Figure 5 shows a series the @ apply to the transistor, namely they show the change in the collector current (Ic) with the collector voltage (Vc) for different values of the base current (I b). -If the pressure exerted on the probe 4 is increased, the current gain is reduced so that the curves of Figure 5 are brought closer together as shown in Figure 6. The required preload is obtained by adding ang It is assumed that a modulation in the form of sine waves of a certain amplitude acts on the probe 4, which has a corresponding effect on the output of the transistor, which is represented by the dashed n lines in FIG. 6 without the tips being cut off are. This shows! that the transistor responds linearly to the modulation and that therefore the desired point on the characteristic curve in part T of FIG. 4 has been reached.

Der in .Figur 1 dargestellte IVandler kann, wie dies in Figur 7 dargestellt ist, mit einer Tonabnehmernadel 12 mittels der akustischen Kopplung 13 verbunden seins wodurch ein Tonabnehmer großer Empfindlichkeit und niedriger Impedanz erhalten wird. Die äußeren elektrischen Zuleitungen für den Transistor 2 sind mit den Anschlüssen 14s 15 und 16 für den Kollektor beziehungs- weise die Bhis beziehungsweise den Emitter des Transistors 2 verbunden. Die ;landlereinheit kann an einer Membran oder an einem Band befestigt sein und so ein Mikrophon bilden: oder an einer schwingenden Masse zum Aufbau eines Beschleunigungsmessers.The transducer shown in .Figur 1 can, as shown in Figure 7, be connected to a pickup needle 12 by means of the acoustic coupling 13, whereby a pickup of great sensitivity and low impedance is obtained. The external electrical leads for the transistor 2 are with connections 14s 15 and 16 for the collector or assign the Bhis or the emitter of transistor 2 tied together. The landing unit can be attached to a membrane or to a tape and thus form a microphone: or to a vibrating mass for the construction of an accelerometer.

Der @randler kann auch als druckempfindlicher Schalter verwendet werden: wobei es nicht nötig ist, dem Transistor eine Vorspannung bis in das lineare Gebiet der Kennlinie von Druck und Stromverstärkün.g zu geben, oder überhaupt nur eine Vorspannung zu geben, damit die Sonde stets dort in mechanischem Kontakt mit dem Transistor bleibt, wo der Emitter-Basis-Übergang an die Oberfläche tritt.The @randler can also be used as a pressure sensitive switch: it is not necessary to bias the transistor into the linear region to give the characteristic curve of pressure and current amplification, or only one at all To give bias so that the probe is always there in mechanical contact with the The transistor stays where the emitter-base junction comes to the surface.

Die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele sollen keine Beschränkung des Erfindungsgedanken bedeuten.The exemplary embodiments described and illustrated are not intended to Mean limitation of the inventive concept.

Claims

Claims: 1.) Electromechanical converter with a transistor, characterized in that the emitter-base junction of the transistor coming to the semiconductor surface is in mechanical contact with means for transmitting a mechanical pressure at this point. 2.) Converter according to claim 1, characterized in that the emitter-base junction of the transistor is covered with a protective layer. 30) converter according to claim 1 -. 2, p, characterized in that the means for transmitting the pressure contain a probe which is in contact with the transistor over a limited area. 4.) Converter according to claim 39, characterized in that the pressure-transmitting means contain further means for changing the static contact pressure between the probe and the transistor. 5.). Transducer according to claim 3 and 49, characterized in that the probe consists of diamond, sapphire or tungsten. 6.) Application of the transducer according to claims 1-5 with electrical pickups. 7.) Application of the transducer according to claim 1-5 in microphones. 8.) Application of the converter according to claim 1 - 5 in accelerometers. 9.) Use of the converter according to .Anspruch 1 5 for pressure-sensitive switches.