CH709293A2

CH709293A2 - Microphone passif.

Info

Publication number: CH709293A2
Application number: CH00241/14A
Authority: CH
Inventors: Viktor Plesski; Vladimir Kalinin; Kirill Stroganov; Marc Lamothe
Original assignee: Gvr Trade Sa
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2015-08-28

Abstract

Selon l’invention capteur d’ondes acoustiques de surface (SAW) qui comprend (Fig. 1). • un substrat piézo-électrique (1) adapté à la propagation des ondes acoustiques de surface à faibles pertes, • au moins un transducteur interdigité (2a) approprié pour l’excitation et la réception efficace de SAW situé sur ledit substrat dans un canal acoustique, • une membrane conductrice (3) suspendue à une distance (d, 4), petite par rapport à la période dudit transducteur au-dessus du canal acoustique. Le capteur fonctionne de la manière suivante: le signal d’interrogation une impulsion RF vient (soit par liaison filaire ou par voie radio ou transducteur (2a) et excite des ondes acoustiques de surface SAW qui se propagent au réflecteur (5) et sont réfléchis. Puis ils sont réceptionnés par le transducteur 2a et sont renvoyé à l’interrogateur. Lors du passage sous la membrane, en environ une microseconde, la vitesse des ondes SAW est influencée par la position de la membrane à ce moment particulier, déterminée par la pression appliquée par une onde sonore précédente. Les variations de vitesse de SAW donne comme résultat une accumulation de changements de phase des ondes réfléchies, car les ondes qui se propagent sous la membrane qui couvre plusieurs centaines de longueur d’ondes sont influencées. Ainsi, même d’infimes variations de la vitesse des ondes SAW se traduisent par un changement mesurable de la phase du signal enregistrée par l’interrogateur (le «lecteur»). L’invention concerne également un microphone passif.

Description

Domaine Technique

[0001] La présente invention concerne les capteurs passifs de vibrations et de pression interrogés à distance et plus particulièrement les microphones passifs.

Etat de l‘art

[0002] Les microphones sont utilisés dans un grand nombre de systèmes pour recevoir des vibrations sonores dans l’air et les transformer en signaux électriques qui peuvent être amplifiés, enregistrés, transférés à distance, numérisés, etc. Dans la plupart des cas, le microphone est connecté par un fil au système qui utilise ses signaux. Les microphones sans fil existent également, mais ils exigent une source locale d’énergie, tels que les piles, une alimentation pour l’émetteur radio reliant le microphone sans fil avec les équipements de réception. En particulier, un tel système de microphone sans fil peut inclure un microphone à condensateur, dont la capacité varie en fonction des vibrations sonores reçues. Ces variations de capacité sont utilisées pour moduler le signal RF transmis. Dans certaines applications, comme par exemple les systèmes à commande vocale pour les voitures, ou comme un microphone utilisé avec un ordinateur portable, les microphones filaires et aussi les microphones sans fil décrits ci-dessus ne sont pas vraiment pratique.

[0003] Dans le brevet US 6 760 454 B1 le microphone passive qui a été proposé, n’a pas besoin de fil ou d’une source locale d’énergie. Dans l’un des modes de réalisation, il a été proposé de connecter un microphone capacitif à une inductance et à une antenne créant ainsi un circuit de résonateur. Le microphone proposé dans ce brevet est interrogé par un interrogateur («the reader») spécial qui envoie des signaux d’interrogation courts et reçoit la réponse du microphone modulée par la vibration sonore. Ce microphone étant petit, léger et pas cher présente des avantages importants pour de nombreuses applications. Ainsi, dans une voiture, il peut être placé près de la tête du pilote, attaché comme une épingle à ses vêtements, et recevoir la voix de pilote avec un niveau de bruit plus faible, que celui d’un microphone filaire classique placé à environ 50 cm de la tête du conducteur. Il n’y a pas de remplacement périodique de la batterie, ce qui est une demande cruciale pour les équipements automobiles, ainsi que pour de nombreuses autres applications. Ce microphone passif sans fil, n’ayant pas de batterie, peut trouver de nombreuses autres applications militaires et spéciales.

[0004] Cependant, le fonctionnement du système décrit dans le brevet [1] US 6 760 454 B1 est basé sur «l’énergie stockée dans l’unité du microphone». Cette énergie est proportionnelle au facteur de qualité Q du résonateur de contour créée par le condensateur et l’inductance, ces valeurs étant relativement faible pour les fréquences RF, il est de même pour l’énergie. En outre, le système proposé envoie l’impulsion d’interrogation, attend 1 µs et seulement après ça reçoit le signal rayonné par le microphone en raison de l’énergie stockée. Ce délai est nécessaire pour exclure de la réception les forts signaux d’échos de l’environnement et le signal direct de l’interrogateur. Pour les fréquences RF actuellement utilisés, tels que la bande ISM 434 MHz (ou même plus hautes: 868 MHz, 915 MHz, 2445 MHz) le facteur Q de ce circuit sera Q < 300. Selon la définition Q,

[0005] Avec ω – la fréquence de résonance (livre [2] par Pozar). Le résonateur excité continuera de générer des signaux décroissants durant la période

[0006] T est la période des oscillations à la fréquence de résonance, Q – étant le facteur de qualité du résonateur chargé. Ce qui signifie que la réponse décroissante du résonateur, rayonnée par l’antenne se désintègre au cours du temps

[0007] Un tel circuit va perdre la quasi-totalité de l’énergie stockée en moins 1 µs et le signal rayonné par l’unité du microphone après 1 µs de retard sera extrêmement faible. En d’autres termes, la sensibilité de ce système de microphone n’est peut-être pas suffisante.

[0008] Une autre idée de microphone passif est proposée dans le brevet [3] coréen. Il comprend des lignes à retard à ondes acoustiques de surface (SAW), dans lequel un IDT utilisé comme réflecteur est relié à microphone à condensateur. Le petit changement de la capacité du microphone à condensateur donne une variation de phase à l’onde SAW réfléchie par l’IDT-réflecteur qui peut être enregistré par le dispositif interrogateur. Le problème d’un tel système est sa très faible sensibilité en raison de la variation de ladite capacitance du microphone recevant un son normal, tels que la voix humaine, est très faible, ce qui se traduit par une variation très faible du signal réfléchi.

[0009] Une tentative d’améliorer la sensibilité en utilisant des résonateurs SAW avec un facteur Q élevé relié en série avec un microphone capacitif est décrit dans l’application pour un brevet [4]. Toutefois, la fréquence de résonance du résonateur SAW à Q élevé n’est que faiblement modifiée par un condensateur externe connecté en série. La prise en compte, que le son ne peut que légèrement modifier la valeur de la capacité dudit condensateur du microphone externe, la sensibilité de ce système encore reste très faible.

Résumé de l’invention

[0010] Pour combler les lacunes de l’art antérieur, un système de microphone passif est proposé en présente invention qui comprend (Fig. 1 ) • un substrat piézo-électrique 1 adapté à propagation des ondes acoustiques de surface (SAW waves) à faibles pertes, • au moins un transducteur interdigité 2a approprié pour l’excitation et la réception efficace de SAW est situé sur ledit substrat dans un canal acoustique, • une membrane conductrice 3 est suspendue à une distance «d» 4 petite par rapport à la période dudit transducteur au-dessus du canal acoustique.

[0011] Nous utilisons ici deux «effets d’amplification»: 1. Effet de cantilever: des plaquettes minces sont déviées fortement dans le sens transversal par des forces relativement petites. La membrane circulaire de rayon R et d’épaisseur t (voir, par exemple, sur la fig. 2 ) sous une pression uniforme P a une déflection au centre déterminée par la formule suivante (en négligeant la contrainte de tension initiale dans la membrane):

(où P est la pression appliquée, σ- le coefficient de Poisson et E- est le module de Young du matériel de la membrane. Par exemple, pour l’or (Au) σ = 0.44, E = 7.9 * 10<10>). Pour les objets solides ayant des tailles comparables sur toutes les 3 dimensions la déformation est proportionnelle à P / E, et est extrêmement faible pour les faibles valeurs de pression de l’ordre de 1 Pa. Mais pour une membrane mince, ou cantilever, nous voyons dans la formule (1) une énorme «cantilever amplification» du effet de déformation, environs (R / T)<4>fois. Pour une poutre mince uniformément chargée, la formule dérivant de la défection est similaire.

[0012] Si nous imaginons que R = 1 mm, t = 2 µm nous obtenons Δt / t = 0,12 ⋅ P avec P étant exprimé en Pa. C’est avec P = 1 Pa (correspondant à un son assez fort), nous pouvons obtenir une déviation de la membrane égale à 12% de son épaisseur.

[0013] 2. L’autre effet – c’est un effet d’accumulation des changements de phase dus à la propagation d’ondes. L’approche d’un écran conducteur (métallique) au-dessus de la surface du substrat modifie la vitesse de propagation des ondes acoustiques (la variation relative de la vitesse est ΔV/V = 2.5% pour les matériaux piézoélectriques forts, comme LiNbO3, YZ ou coupe 128°). Le changement maximal de la vitesse (ou du retard) est de l’ordre de 2%–3%, ce qui est environ 100 fois plus fort que le changement relative du retard qui peut être obtenu sur un objet solide par déformation directe (généralement pas plus fort que 10<–><4>).

[0014] Pour un écart t / λ ≈ 0,01, nous pouvons obtenir une variation relative de la vitesse d’environ 0,02 * ΔV / V pour une déflection de la membrane égal à 10% de l’épaisseur de la membrane (Fig. 3 , Fig. 4 ). Pour la bande ISM 434 MHz et une ligne à retard de 200 λ (sous membrane) cela signifierait 0,02 * 0,025 * 200 * 360° = 36° de variation de phase, qui est simple à mesurer. Pour les dispositifs de type résonateur l’effet peut être encore plus fort.

Brève description des dessins

[0015] Fig. 1 est une vue schématique en plan qui représente un exemple de dispositif SAW selon la première réalisation de l’invention. Fig. 2 donne une image simplifiée d’une membrane de microphone à condensateur Fig. 3 illustre l’évolution de la vitesse des ondes SAW se propageant dans le substrat piézoélectrique lorsque la plaque mise à la terre est située près de sa surface. Fig. 4 les mêmes que sur la fig. 3 pour le cas de la coupe 128° du niobate de lithium

Description des réalisations

[0016] Ci-dessous la description d’exemples d’implémentation de l’invention est présentée en référence aux dessins. L’échellede certain élément dans les dessins n’est pas respectée pour faciliter la lecture.

Premier example d’implémentation

[0017] Voici le 1er exemple d’implémentation de cette invention. Il est présenté en détail avec des références aux dessins.

[0018] Dans ce premier exemple d’implémentation (Fig. 1 ), nous utilisons comme substrat 1 du 128° LiNbO3avec un transducteur (IDT) 2a approprié pour la génération et la réception de SAW de type de Rayleigh avec de faibles pertes et avec une impédance bien adaptée à 50 ohms. Le réflecteur 5 est placé dans le canal acoustique dudit IDT 1 et est en mesure de refléter de manière efficace l’onde SAW générée par le transducteur IDT au même IDT. La meilleure position pour le réflecteur 5 est derrière de la membrane 3 métallique mince suspendue au-dessus du canal acoustique. Autrement dit, la membrane est située entre l’IDT et le réflecteur 5 étant suspendue et supportée par le substrat supérieur 6.

[0019] Le dispositif fonctionne de la manière suivante: Le signal d’interrogation (impulsion RF) vient (soit par liaison filaire ou par voie radio) à l’IDT 2a et excite une onde SAW qui se propage au réflecteur 5 et elle est réfléchie en retour. Puis elle est reçu par l’IDT 2a qui transmet le signal à l’interrogateur. Lors du passage sous la membrane (il faut environ une microseconde) la vitesse des ondes SAW est influencée par la position de la membrane à ce moment particulier, qui est déterminée par la pression appliquée à la membrane par une onde sonore. La période d’oscillations sonores est d’environ ≥ 100 µs, et chaque sinusoïde d’oscillations sonores est interrogée plusieurs fois pendant 1 période. Les variations de vitesse des ondes SAW donnent comme résultat l’accumulation de changement de phase des ondes acoustiques, car les ondes SAW se propagent sous la membrane à la distance de quelques centaines de longueur d’onde. Ainsi, même d’infimes variations de la vitesse des ondes SAW se traduisent par un changement mesurable de la phase du signal enregistré par l’interrogateur (le «lecteur»).

[0020] Il doit être clair pour «les personnes qualifiées dans ce domaine d’arts» que les paramètres choisis au-dessus peuvent être modifiés sur une large gamme de valeur. Différents types de SAW peuvent être utilisés, de mêmes que pour les matériaux du substrat, le nombre d’électrodes dans les réflecteurs, l’architecture de l’électrode qui peut être remplacée par exemple par des rainures, les transducteurs (IDT) peuvent être utilisés comme réflecteurs, etc. L’unité de lecture peut être conçue soit pour un interrogateur à courtes impulsions, ou fonctionner avec des ondes continues proches du concept du radar ou d’autres algorithmes d’identification SAW peuvent être utilisés. Toutes ces modifications sont couvertes par l’invention.

REFERENCES

[0021] [1] «Passive voice-activated microphone and transceiver System», patent US 6 760 454 B1 [2] D. M. Pozar, Microwave Engineering, 3rd ed. Hoboken, NJ: Wiley Interscience, 2005. [3] KR 100 883 052 B1, 11 Feeb 2009 [4] PCT/IB2012/000 719

Claims

1. Un capteur d’ondes acoustiques de surface «Surface Acoustic Wave» (SAW) de pression, de son ou de vibrations comprenant un substrat piézo-électrique 1 adapté à la propagation des ondes acoustiques de surface à faibles pertes, au moins un transducteur interdigité 2a approprié pour l’excitation et la réception efficace de SAW est situé sur ledit substrat dans un canal acoustique, caractérisé en ce que au-dessus de la surface dudit canal acoustique une membrane conductrice 3 est suspendue à un écart «d» 4 petit par rapport à la période dudit transducteur.

2. Un capteur SAW selon la Revendications 1 dans lequel un transducteur supplémentaire 2b est situé dans ledit canal acoustique pour recevoir l’onde SAW produite par le premier transducteur, la propagation des ondes acoustiques étant influencée par ladite membrane

3. Un capteur SAW selon la Revendications 1, dans lequel au moins un réflecteur 5 de SAW est situé dans ledit canal acoustique.

4. Un capteur SAW selon la Revendication 3, dans lequel ledit réflecteur est situé derrière de ladite membrane par rapport audit premier transducteur et la membrane influence la phase des signaux réfléchis et reçus par le premier transducteur

5. Un capteur SAW selon la Revendication 3, dans lequel deux ou plusieurs réflecteurs sont situés dans le canal acoustique pour créer une structure de résonateur SAW

6. Un capteur SAW selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins l’un desdits transducteurs est de type unidirectionnel (SPUDT)

7. Un capteur SAW selon les Revendications 1–6, dans lequel ladite membrane 3 est supportée par le substrat supérieur 6 qui est fixé sur ledit premier substrat 1 à une distance égale à la somme de l’écart d et de l’épaisseur t de ladite membrane, et dans lequel un trou 7 est fait pour que la membrane soit directement en contact avec la pression extérieur.

8. Un capteur SAW selon la revendication 7, dans lequel ledit substrat supérieur 6 est constitué du même matériau (128LiNbO3, YZ-LiNbO3, quartz, etc.) que ledit premier substrat 1 et fixé audit premier substrat à une distance égale à la somme de l’écart d et de l’épaisseur t de ladite membrane.

9. Un capteur SAW selon la revendication 7, dans lequel ledit substrat supérieur 6 est constitué d’un autre matériel (verre, silicium, etc.) que ledit premier substrat 1 et fixé audit premier substrat à une distance égale à la somme de l’écart of et de l’épaisseur f de ladite membrane.

10. Un capteur SAW selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la membrane 3 est faite d’un matériau conducteur (Si, Au, Ti, etc.)

11. Un capteur SAW selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la membrane est faite d’un matériau diélectrique (SiO2, etc.) avec une surface orientée vers premier substrat 1 métallisé

12. Un capteur SAW selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur de la membrane t est dimensionnée pour le niveau de pression maximal autorisé, de sorte que la déflexion de la membrane Δt est définie par formule

( avec P- pression appliquée, la dimension R caractéristique de la membrane, de son épaisseur t, et son module d’Young E) est comparable à l’écart d: Δt < 0.5d.

13. Capteur SAW selon l’une des quelconque revendications précédentes, dans lequel la distance d est déterminée par la formule d/A ⋅ ε ≈ 0,5, où λ est la période du transducteur et ε est une permittivité diélectrique relative du substrat piézo-électrique 1.

14. Un capteur SAW selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite membrane comporte des écarts ou des trous (lacunes ) pour la rendre plus sensible (comme une console ) pour des applications de microphones

15. Un capteur SAW contrôlé à distance selon l’une des revendications précédentes avec PIDT 2a connectés à une antenne et combinés avec un dispositif interrogateur («the reader»), qui envoie un signal d’interrogation transformé en un SAW par le transducteur 2a, qui reçoit également les ondes réfléchies et envoie un signal réfléchi à travers l’antenne vers le reader, qui analyse les signaux reçus pour extraire l’information sur la déformation de la membrane et de sa température.

16. Un microphone passive Interrogé à distance selon la revendication 15, dans lequel la sensibilité de ladite membrane est dimensionnée au niveau de la pression sonore souhaitée et la fréquence de résonance de ladite membrane est choisie pour des fréquences supérieures à la gamme de fréquences audibles.