Anordnung zur Umwandlung von Drücken in digitale elektrische Signale
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umwandlung von Drücken in digitale elektrische Signale.
Insbesondere eignet sich die Anordnung zur Aufnahme und Umwandlung von Schallwellen in digitale Signale.
Von dieser Umwandlung wird bei der tÇbertragung von Sprache in zunehmendem Masse Gebrauch gemacht.
Akustische Signale werden üblicherweise durch einen analogen elektroakustischen Wandler, z. B. ein Mikrophon, zunächst in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt. Danach erfolgt nicht selten, insbesondere bei kommerzieller Sprachübertragung, eine Digitalisierung dieses elektrischen Signals, also eine Umsetzung in ein Impuls-codiertes Signal. Die Codierung kann auf die verschiedenste Art erfolgen. Ein Beispiel sei die häufig verwendete Puls-Code-Modulation.
Das geschilderte Verfahren ist jedoch recht umständlich und gerätemässig aufwendig. Es sind daher Versuche bekannt geworden, die Digitalisierung des zu über- tragenden elektrischen Signals bereits früher, nämlich bei der Umsetzung des akustischen in das elektrische Signal, vorzunehmen. Damit ist die Zwischenstufe des analogen elektrischen Signals ausgeschaltet und der technische Aufwand bereits um einiges reduziert.
Eine bekannte Anordnung mit einer Membran zur direkten Umwandlung der Schallwellen in digitale Ausgangssignale enthält eine Anordnung, die auf von der Membran her übertragene Bewegung anspricht. Dabei wird einerseits die Bewegung nur eines Punktes oder einer kleinen Teilfläche der Membran ausgenutzt, andererseits die schwimgende Masse der Membran durch zusätzliche Hilfsmittel, die mechanisch mit der Membran verbunden sind, in unerwünschter Weise erhöht.
Andererseits ist ein Feldeffekttransistor bekannt geworden, dessen Stromfluss von einem mechanisch schwingenden, elektrisch vorgespannten Stab gesteuert wird, der über der Trennfläche der beiden Stromfluss- elektroden angeordnet ist. Durch den schwingenden Stab wird bei einer konstant gehaltenen Vorspannung des Stabes eine Feldeffektmodulation des durch den Transistor fliessenden Stromes erreicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Umwandlung von Druckwellen in digitale elektrische Signale anzugeben, die möglichst klein und einfach im Aufbau ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine Membran zur Aufnahme des Druckes vorgesehen ist, welche kapazitiv mit elektrischen Schaltelementen, die zweier Zustände fähig sind, gekoppelt ist, derart, dass die Zahl der Schaltelemente, die sich in einem der genannten Zustände befinden, von der Membranauslenkung abhängig ist.
Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der Ausschaltung der doppelten Umwandlung, nämlich der Umwandlung der analogen Drucksignale in analoge elektrische Signale und deren Umwandlung in digitale elektrische Signale. Durch die Ausschaltung dieses Zwischenschrittes lässt sich der schaltungstechnische Aufwand be trächtlich reduzieren.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Verwendung von Feldeffekttransistoren als elektrische Schaltelemente, die sich leicht zu einer Miniaturschaltung integrieren lassen und dadurch einen billigen und zuverlässigen Aufbau ermöglichen. Ein besonderer Vorteil liegt in der Mög- lichkeit, nachfolgende Codierschaltungen in die integrierte Schaltung einzubeziehen und die gesamte Wandler-und Codieranordnung in gemeinsamen Fabrikationsschritten auf einem einzigen Halbleitergrundplättchen herzustellen. Für den Benutzer liegt der Vorteil in den kleinen Abmessungen und damit in der Handlichkeit dieser Anordnung.
Im folgenden wird ein spezielles Ausführungsbeispiel der Anordnung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1 die schematische Darstellung eines Kondensa tormikrophons für die Abgabe digitaler Ausgangssigna- le,
Fig. 2 den Schnitt durch einen der Feldeffekttransi- storen 10 bis 15 aus Fig. 1 und
Fig. 3 die Angabe einiger Grossen für die Berechung der Anordnung gemäss Fig. 1.
In Fig. 1 sind als Grundelemente eines Kondensatormikrophons eine Membran 1, eine Gegenelektrode 2 und eine Einspannvorrichtung 3 für die elastische Auf hängung der Membran dargestellt. Die Membran besteht wegen der geforderten Leitfähigkeit entweder aus einer Metallfolie oder aus einem metallisierten Werkstoff. Die Membran ist in Fig. 1 nicht in ihrer Ruhestellung gezeichnet, sondern zur Verdeutlichung des Effektes in einer bei Druckbelastung sich ergebenden Arbeitsstellung.
Innerhalb der Gegenelektrode 2 sind mehrere Feld- effekttransistoren 10 bis 15 angeordnet. Sie enthalten, wie in Fig. 2 angedeutet, eine Quellen-und eine Absaugelektrode 4 bzw. 5. Die Steuerelektrode wird durch die gegenüber der Gegenelektrode 2 elektrisch vorgespannte Membran 1 gebildet. Auf die geometrischen Abmessungen dieser Anordnung wird an späterer Stelle der Beschreibung eingegangen. Es sei jedoch betont, dass sich anstelle der Feldeffekttransistoren auch beliebige andere mit der Membran kapazitiv zu koppeln- de Schaltelemente verwenden lassen.
Das Prinzip dieser Anordnung besteht nun darin, die Feldeffekttransistoren 10 bis 15 entlang einer solchen Strecke anzuordnen, dass bei konstanter elektrischer Vorspannung der Membran 1 verschieden starke Auslenkungen der Membran das Verhältnis der Anzahl von kapazitiv durch die Membran beeinflussten (z. B. gesperrten) Transistoren zu der Anzahl von nicht beeinflussten (z. B. leitenden) Transistoren ändern. Bei einer sich parabolisch deformierenden Membran ist also eine radial zur ruhenden Membran verlaufende Anordnung der Feldeffekttransistoren günstig. Dadurch werden bei geringer Auslenkung der Membran zunächst die zentral gelegenen Feldeffekttransistoren durch den als Steuerelektrode wirkenden mittleren Teil der Membran beeinflusst.
Bei sehr starker Auslenkung werden dann auch die äusseren Feldeffekttransistoren durch die sich in ihre Nähe bewegende Membran beeinflusst. Wird nun eine genügend grosse Anzahl solcher Feldeffekttransistoren entlang der soeben definierten Strecke angeordnet, lässt sich beispielsweise durch statistisches Ermitteln der Anzahl leitender zur Anzahl gesperrter Transistoren die Stärke der Membranauslenkung angeben. Je mehr Feldeffekttransistoren längs dieser Strecke vorgesehen sind, desto dichter liegen die Quantisierungswerte beieinander, und desto genauer lässt sich die Stärke der Mem branauslenkung angeben.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zahl der vorgesehenen Feldeffekttransistoren mit der Zahl der gewünschten Quantisierungsstufen für das theoretisch angenommene analoge Signal übereinstimmt.
Selbstverständlich sind auch andere Membranformen als die in Fig. 1 dargestellte denkbar. In jedem Fall müssen die Feldeffekttransistoren geometrisch so angeordnet werden, dass sich die Zahl der von der Membran beeinflussten Elemente in Abhängigkeit von der Auslenkung der Membran ändert.
Den Feldeffekttransistoren 10 bis 15 sind gemäss Fig. 1 Abtastschaltungen 20 bis 25 nachgeschaltet, die von einem Abtastgenerator 30 gesteuert werden. Die Ausgänge der Abtastschaltungen sind auf eine Codiermatrix 40 geführt. Der Abtastgenerator 30. ist im wesentlichen ein Taktgeber, der die Abtastschaltungen 20 bis 25 so steuert, dass diese zu definierten Zeitpunkten ihr Signal an die Codiermatrix 40 weitergeben. Bei Annahme von 2n Quantisierungsstufen sind in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel auch 2n Feldeffekttransistoren und 2n Abtastschaltungen 20 bis 25 vorgesehen.
Die oben erwähnte statistische Ermittlung des Verhältnisses der Zahl gesperrter zur Zahl leitender Feldeffekttransistoren lässt sich durch die in Fig. 1 gezeigte Anordnung etwas vereinfachen. Bei einer bestimmten Membranauslenkung ist ein Teil der Feldeffekttransistoren eingeschaltet, der andere Teil gesperrt. Die zwischen ein-und ausgeschalteten Transistoren verlaufende Trennungslinie verschiebt sich in Abhängigkeit von der Membranauslenkung entlang der Strecke, auf der die Transistoren angeordnet sind. Es genügt daher für die Auswertung der von den Transistoren abgegebenen Signale, die Lage dieser Trennungslinie zu ermitteln.
Diese Aufgabe kann von den Abtastschaltungen 20 bis 25 in Fig. 1 übernommen werden. Beispielsweise wäre die Ausführung dieser Schaltungen als Antivalenzschal- tungen (exklusives ODER) denkbar. Es könnten damit die Ausgangssignale von je zwei benachbarten Transistoren miteinander verglichen werden, was dazu führen würde, dass nur diejenige Abtastschaltung ein Signal liefert, die an benachbarte Transistoren mit verschiedenen Schaltzuständen angeschlossen ist.
Die den Abtastschaltungen 20 bis 25 nachgeschaltete Codiermatrix dient in diesem Ausführungsbeispiel der Umformung der soeben beschriebenen Signale in binär codierte Ausgangssignale, die dann zur Weiterverarbeitung beispielsweise direkt in eine Datenverarbeitungsanlage eingegeben werden können. In diesem Fall könnte die Codiermatrix beispielsweise aus einer Diodenmatrix mit 2n x n Elementen bestehen. Es ist selbstverständlich, dass sich jede andere Codiermatrix verwenden lässt, sofern eine Codierung überhaupt erwünscht ist.
Im folgenden wird auf nähere Einzelheiten der in Fig. 1 schematisch dargestellten Anordnung eingegangen. Die in Ruhestellung befindliche Membran 1 habe, wie in Fig. 3 angedeutet, den Durchmesser 2 R und befinde sich im Abstand Do von der Oberfläche der in einer Ebene angeordneten Feldeffekttransistoren 10 bis 15. Die maximale Auslenkung der Membran gegenüber der Ruhestellung betrage a. Unter der Annahme, dass die in Fig. 3 im Schnitt angedeutete Membran bei Auslenkung parabelförmige Gestalt annimmt, gilt für den ortsabhängigen Abstand D der Membran von den Feldeffekttransistoren, wenn x-die von der Symmetrieachse der Membran aus gemessene Ortsvariable darstellt, (1) D (x) = Doa + R2 r2.
Aus der POISSON-Gleichung ?" =-?/? folgt für die Feldstärke F (N, L) an der Oberfläche des Halbleiters, wenn sich eine Sperrschicht der Stärke L bei einer Störstellenkonzentration N bilden soll,
F= q-NL,
6 wobeiq¯ die Elektronenladung und e die Dielektrizitäts- konstante des verwendeten Halbleiters bedeuten. Der zwischen Quellen-und Absaugelektrode liegende Kanal sei beispielsweise n-dotiert.
Der pro Längeneinheit innerhalb eines Feldeffekttransistors auftretende Strom bei einer angelegten Spannung USD ist : (2). r-"rAn =?/B(A-?ÁF/?)USD, wobei Á die Trägerbeweglichkeit, a die LeitfÏhigkeit, A die Höhe des Feldeffekttransistors und B die Kanal länge (Fig. 2) bedeuten.
Die Bedingung für das Auftreten des Abklemmeffektes (pinch-off) ist : A ss z 0 oder ?
F? A6.
- ?Á
Beispielsweise würde mit den Werten A = 10-4 cm, ? = 1?-1 cm-1, ? = 10-12 Asec/Vcm und Á = 3000 cm2/Vsec eine Feldstärke von F = 3. 104 V/cm zur Erzielung des Abklemmeffektes erforderlich sein.
Solche Werte lassen sich mit üblichen Kondensatormikrophonen gut erreichen, bei denen Do = 10-3 cm beträgt und eine Vorspannung von U0 = 30 V gewählt wird. Dabei müsste bei einer oben angenommenen n-Dotierung des Kanals die Spannung Uo an der Membran negativ gegenüber der mit den Transistoren auf gleichem Potential liegenden Gegenelektrode gewählt werden, damit sich eine Sperrschicht im Kanal bildet.
Durch Differentiation der Gleichungen (1) und (2) folgt : dD 2a dx-R2 x-, bzw. dI/dF = ?Á/B USD
Andererseits gilt bei einer zwischen der Membran und der Gegenelektrode herrschenden Vorspannung Uu für die Feldstärke F zwischen der Gegenelektrode und einem sich im Abstand D befindlichen Punkt auf der Membran : dF Uo dD = -/D2À
Die Kombination der letzten drei Gleichungen ergibt : dI 2a 6 A UO USD x "dx""RDS(x-)'TRT'
Diese Gleichung gibt die Änderung des Stromes an, in Abhängigkeit von der gemäss Fig. 3 definierten Entfernung x-des Feldeffekttransistors von der Symmetrieachse.
Zur Verdeutlichung mögen folgende, als Beispiel gewählte Werte dienen : USD = 5V, B = 4. 10-4 cm, R = 1, 5 cm. Mit den oben gewählten Zahlenbeispielen ergibt sich unter der Annahme, dass für gebräuchliche Kondensatormikrophone D (x-) durch Do ersetzt werden kann, bei einem relativen Abstand X/R = 0,1:
dI/@ = 15mA/cm2. dx
Bei einer Länge des einzelnen Transistors von 250 , um ergibt sich : --400, uA/cm. dix-
Angenommen, es sei eine Digitalisierung in 250 Quantisierungsstufen erw nscht, dann ergibt sich mit den oben angenommenen Abmessungen eine für einen Transistor zur Verfügung stehende Länge von 1, 5cm/250 = 6. 10-3 cm. Die zwischen den einzelnen Transistoren sich ergebenden Unterschiede in den Stromwerten betragen 2, 4 ÁA. Solche Werte können durch die nachfolgenden Abtastschaltungen 20 bis 25 noch gut verarbeitet werden. Die Mikrophonempfind- lichkeit nimmt zur Peripherie hin um etwa den Faktor 10 zu, wodurch sich an diesen Stellen Unterschiede in den Stromwerten von 24, uA ergeben.
Wegen der geringen Abmessungen der Feldeffekttransistoren ist es möglich, die Abtastschaltungen und die Codiermatrix zusammen mit den Transistoren in gemeinsamen Fabrikationsschritten in Form einer integrierten Schaltung herzustellen. Beispielsweise wäre die Ausführung der Schaltung in Mesa-Technik möglich.
Für das gezeigte Ausführungsbeispiel wäre es zweckmäs- sig, die Feldeffekttransistoren an der Oberfläche der Gegenelektrode 2 gemäss Fig. 1 anzuordnen, damit ein gutes Zusammenwirken mit der als Steuerelektrode dienenden Membran erreicht wird. In diesem Beispiel ist es zweckmässig, die Abtastschaltungen und die Codiermatrix in einem gewissen Abstand von der Membran anzuordnen, um störende Einflüsse des von der Membran ausgehenden elektrischen Feldes auf diese Schal tungen zu eliminieren.
Aus den oben skizzierten Berechnungen ist ersicht lich, dass die Anordnung relativ empfindlich ist gegen über Anderungen in der Vorspannung Uo. Gegebenenfalls müssen Mittel zum Konstanthalten dieser Spannung vorgesehen sein, die dafür sorgen, dass bei einem definierten äusseren Druck auf die Membran diese sich immer in einer definierten Lage befindet.
Zur Unterstüt- zung dieser Regelung könnten die beiden Transistoren, die der oben erwähnten Trennungslinie zwischen leitenden und gesperrten Transistoren bei dem definierten äusseren Druck benachbart sind (also der letzte gesperrte und der erste leitende, von der Symmetrieachse in Fig. 1 her gesehen), herangezogen werden, indem die Ausgangssignale der den beiden Transistoren zugeordneten Abtaster für eine Minimum-Maximum-Regelung der Vorspannung Uo benutzt werden.