CN111372179B - 电容系统及电容式麦克风 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电容系统，包括具有收容腔的定基板、设于收容腔内的动基板、与动基板相对设置的弹性件以及用于连接动基板与弹性件的连接件；弹性件在外力的作用下和自身回复力的作用下通过连接件带动动基板相对于定基板做往返移动，或者动基板在外力的作用下和弹性件的回复力的作用下相对于定基板做往返移动；定基板包括靠近连接件的第一表面和远离连接件的第二表面，收容腔贯穿第一表面和第二表面设置；定基板朝向收容腔凸设若干呈梳齿状排布的定电极，动基板朝向定基板凸设有若干呈梳齿状排布的动电极，定电极与动电极在空间上分离且相互交叉。因此，本发明提供的电容系统提高了电容式麦克风线性度和灵敏度，并且该电容系统设计自由度更高。

Description

电容系统及电容式麦克风
【技术领域】
本发明涉及声电转换装置技术领域，尤其涉及一种电容系统及电容式麦克风。
【背景技术】
微电机系统(Micro-Electro-Mechanical-System Microphone，MEMS) 麦克风是一种用微机械加工技术制作出来的电声换能器，其具有体积小、频响特性好、噪声低等特点。随着电子设备的小巧化、薄型化发展，MEMS 麦克风被越来越广泛地运用到这些设备上。根据阻尼方式的不同，电容式麦克风分为三种：压膜阻尼、滑膜阻尼和真空环境。其中，滑膜阻尼采用梳齿电容方式，通过梳齿间相对滑移的运动产生电容。然而，现有技术中，该类电容式麦克风边缘的运动梳齿并非仅仅进行活塞运动，而是活塞加扭转运动，对麦克风的性能产生一定的影响。
因此，有必要提供一种高灵敏度和线性度好的电容系统以及电容式麦克风。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种电容系统，以解决现有的电容系统无法使电容式麦克风具有高灵敏度、线性度好的技术问题。
本发明的目的之二在于提供一种电容式麦克风，以解决现有的电容式麦克风灵敏度低、线性度差的技术问题。
本发明的目的之一提供的技术方案如下：一种电容系统，包括具有收容腔的定基板、设于所述收容腔内的动基板、与所述动基板相对设置的弹性件以及用于连接所述动基板与所述弹性件的连接件；所述弹性件在外力的作用下以及自身回复力的作用下通过所述连接件带动所述动基板相对于所述定基板做往返移动，或者所述动基板在外力的作用下以及所述弹性件的回复力的作用下相对于所述定基板做往返移动；所述定基板包括靠近所述连接件的第一表面和远离所述连接件的第二表面，所述收容腔贯穿所述第一表面和所述第二表面设置；所述定基板朝向所述收容腔凸设若干呈梳齿状排布的定电极，所述动基板朝向所述定基板凸设有若干呈梳齿状排布的动电极，所述定电极与所述动电极在空间上分离且相互交叉。
进一步地，所述弹性件为振膜，包括与所述连接件连接的振动部以及设于所述振动部外周的固定部，所述振动部在外力的作用下以及自身回复力的作用下通过所述连接件带动所述动基板相对于所述定基板做往返移动。
进一步地，所述动基板贯穿设有若干个通孔。
进一步地，所述弹性件为条形板，所述连接件一端连接于所述条形板、另一端连接于所述动基板。
进一步地，所述连接件设于所述条形板的中间，所述条形板的两端相对于所述连接件相互对称。
进一步地，所述连接件设于所述条形板的一端。
进一步地，所述连接件为连接柱，所述连接柱设有一个，所述连接柱的中心轴线与所述动基板的中心轴线重合。
进一步地，所述连接件为连接柱，所述连接柱与所述条形板设有若干个且数量相同，一个所述连接柱对应连接于一个所述条形板。
进一步地，若干所述连接柱相对于所述动基板的中心轴线对称设置，若干所述条形板相对于所述动基板的中心轴线呈辐射状延伸，所述连接柱连接于所述条形板靠近所述动基板的中心轴线一端。
进一步地，所述连接柱与所述条形板设有偶数个，每两个所述连接柱相对于所述动基板的中心轴线对称设置，每两个所述条形板相对于所述动基板的中心轴线对称设置。
进一步地，所述定电极相对所述定基板的中心轴线对称设置，所述动电极相对所述动基板的中心轴对称设置，所述定基板的中心轴线与所述动基板的中心轴线重合。
本发明还提供一种电容式麦克风，包括上述的电容系统。
本发明的有益效果在于：(1)通过弹性件与动基板相对设置，连接件传递运动，确保设于动基板边缘的动电极也进行活塞运动，避免活塞加扭转运动的发生。因此，本发明提供的电容系统提高了电容式麦克风线性度和灵敏度，使电容式麦克风具有更佳的线性度以及更高的灵敏度。(2)弹性件和动电极没有集成在一个结构上，可根据不同的应用场合选择使外力作用在弹性件上还是使外力作用在动基板上，弹性件的大小和动电极的大小不会受到彼此限制。因此，本发明提供的电容系统设计自由度更高。
【附图说明】
图1为本发明一实施例提供的弹性件为振膜且振动部为矩形的电容系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的弹性件为振膜且振动部为矩形的电容系统的爆炸图；
图3为图2中A处的局部放大图；
图4为本发明一实施例提供的矩形动基板与定基板相配合的结构示意图；
图5为图4中B处的局部放大图；
图6为本发明一实施例提供的弹性件为振膜且振动部为矩形,并且动基板具有通孔的电容系统的结构示意图；
图7为本发明一实施例提供的弹性件为振膜且振动部为圆形的电容系统的结构示意图；
图8为本发明一实施例提供的弹性件为条形板且动基板为矩形的电容系统的结构示意图；
图9为本发明一实施例提供的弹性件为条形板且动基板为圆形的电容系统的结构示意图；
图10为本发明一实施例提供的具有多个连接件和多个条形板的电容系统的结构示意图。
图中：100、电容系统；1、定基板；11、第一表面；12、第二表面；2、动基板；21、通孔；3、弹性件；31、振动部；32、固定部；4、连接件；5、收容腔；6、定电极；7、动电极；8、缝隙。
【具体实施方式】
下面结合图1至图10对本发明作详细描述。
请参阅图1至图10，本发明实施例提供的电容式麦克风包括电容系统 100，该电容系统100包括具有收容腔5的定基板1、设于收容腔5内的动基板2、与动基板2相对设置的弹性件3以及用于连接动基板2与弹性件3 的连接件4；弹性件3在外力的作用下以及自身回复力的作用下通过连接件4带动动基板2相对于定基板1做往返移动，或者动基板2在外力的作用下以及弹性件3的回复力的作用下相对于定基板1做往返移动；定基板 1包括靠近连接件4的第一表面11和远离连接件4的第二表面12，收容腔 5贯穿第一表面11和第二表面12设置；定基板1朝向收容腔5凸设若干呈梳齿状排布的定电极6，动基板2朝向定基板1凸设有若干呈梳齿状排布的动电极7，定电极6与动电极7在空间上分离且相互交叉。本发明中的外力为声压，弹性件3在声压的作用下以及自身回复力的作用下通过连接件4带动动基板2相对于定基板1做往返移动，或者动基板2在声压的作用下以及弹性件3的回复力的作用下相对于定基板1做往返移动。
由于电容的值与电容两个板之间的正对面积成正比，与电容两个板之间的距离成反比，即C＝kε0εrS/d，k为常数，ε0为常数，εr为常数。当电容式麦克风制作出来后，ε0εr的值也就固定了，S是电容两个电板之间正对的面积，d为两个电板之间的距离，所以本发明提供的电容式麦克风中定电极6和动电极7均为梳齿状分布，定电极6与动电极7在空间上分离并且定电极6与动电极7相互交叉，所以在定电极6和动电极7通电后，定电极6和动电极7之间就形成了电容，且其之间的距离d不变，面积取决于定电极6和动电极7之间的正对面积。本发明实施例中动基板2 在声压和弹性件3的作用下相对于定基板1做往返移动，即改变定电极6 和动电极7之间的正对面积大小，从而使电容值发生变化，产生电流，于是电容式麦克风将声音信号转换成电信号。
本发明通过将定电极6与动电极7在空间上分离且相互交叉，确保动电极7与定电极6之间具有一定缝隙8，以使弹性件3在声压的作用下以及自身回复力的作用下使动基板2能相对于定基板1做往返移动，或者动基板2在声压的作用下以及弹性件3的回复力的作用下能相对于定基板1 做往返移动，动基板2相对于定基板1的往返移动为活塞运动，最大限度地发挥了梳齿结构的特点。通过弹性件3与动基板2相对设置，连接件4 传递运动，确保设于动基板2边缘的动电极也进行活塞运动，避免活塞加扭转运动的发生，因此，通过采用本发明实施例提供的电容系统100可提高电容式麦克风线性度和灵敏度，使电容式麦克风具有更佳的线性度和更高的灵敏度。另外，弹性件3和动电极7没有集成在一个结构上，可根据不同的应用场合选择使声压作用在弹性件3上还是使声压作用在动基板2 上，弹性件3的大小和动电极7的大小不会受到彼此限制，因此，本发明实施例提供的电容系统100设计自由度更高。
请参阅图1-2和图6-7，在一个实施例中，弹性件3为振膜，包括与连接件4连接的振动部31以及设于振动部31外周的固定部32，振动部31 在声压的作用下以及自身回复力的作用下通过连接件4带动动基板2相对于定基板1做往返移动。具体地，声压作用于振动部31，振动部31朝靠近连接件4的方向振动，推动连接件4朝靠近动基板2的方向移动，从而使动基板2相对于定基板1朝远离连接件4的方向移动；之后，振动部31 在自身回复力的作用下朝远离连接件4的方向振动，带动连接件4朝远离动基板2的方向移动，从而使动基板2相对于定基板1朝靠近连接件4的方向移动，动基板2完成一个往返移动。振动部31可以为圆形，也可以为矩形，形状和大小均不受本实施例的内容以及附图的限制。
优选地，动基板2贯穿设有若干个通孔21。通过该种方式，降低电容式麦克风的质量，并提高其谐振频率。
在另一实施例中，弹性件3为条形板，连接件4一端连接于条形板、另一端连接于动基板2。因为条形板面积小，所以声压直接作用于动基板2 上。具体地，声压作用于动基板2，动基板2相对于定基板1朝远离连接件4的方向移动，带动连接件4朝远离条形板的方向移动，从而使条形板朝靠近连接件4的方向振动；之后，条形板在自身回复力的作用下朝远离连接件4的方向振动，带动连接件4朝远离动基板2的方向移动，从而使动基板2相对于定基板1朝靠近连接件4的方向移动，动基板2完成一个往返移动。可以理解地，条形板可以为悬臂梁、蛇形梁、双端固支梁等任何可提供回复力的弹性件3。值得一提的是，在弹性件3为条形板时，为了保证声压不会直接从动电极7和定电极6之间的缝隙8穿过去，该缝隙 8不能设计太大，即要保证动基板2进行活塞运动，又要尽可能避免声压直接下漏。
连接件4可以设于条形板的一端，也可以设于条形板的中间。优选地，连接件4设于条形板的中间，条形板的两端相对于连接件4相互对称。通过该种方式，可使连接件4受到均匀的回复力，从而确保设于动基板2上的所有动电极7进行活塞运动。
优选地，连接件4为连接柱，当然也可以为连接杆、连接块等，只要能连接弹性件3和动基板2并传递振动即可。
请参阅图1、图7、图9，连接柱设有一个，连接柱的中心轴线与动基板2的中心轴线重合。通过该种方式，为了使连接件4能将来自弹性件3的力均匀地作用到动基板2上，从而确保设于动基板2上的所有动电极7进行活塞运动。
可以理解地，连接柱与条形板也可以设有若干个，只要两者数量相同且一个连接柱对应连接于一个条形板即可。
优选地，若干连接柱相对于动基板2的中心轴线对称设置，若干条形板相对于动基板2的中心轴线呈辐射状延伸，连接柱连接于条形板靠近动基板2的中心轴线一端。通过该种方式设置，确保来自条形板的回复力均匀地作用在动基板2上，保证设于动基板2上的所有动电极7进行活塞运动。动基板2可以为圆形、矩形、对称的多边形等任何对称的形状。
优选地，连接柱与条形板设有偶数个，每两个连接柱相对于动基板2 的中心轴线对称设置，每两个条形板相对于动基板2的中心轴线对称设置。在本实施例中，条形板相对于动基板2的中心轴线呈非辐射状延伸，且每两个条形板相对于动基板2的中心轴线对称设置，连接柱连接于条形板靠近动基板2的中心轴线一端。动基板2可以为圆形、矩形、对称的多边形等任何对称的形状。
通过上述方式设置，确保来自条形板的回复力均匀地作用在动基板2 上，从而保证设于动基板2上的所有动电极7进行活塞运动。
可以理解地，以上所述的连接柱和条形板的设置方式相互交叉设置也是可以的，只要确保来自条形板的回复力均匀地作用在动基板2上即可。
优选地，定电极6相对定基板1的中心轴线对称设置，动电极7相对动基板2的中心轴对称设置，定基板1的中心轴线与动基板2的中心轴线重合。可以理解地，定电极6和动电极7均不对称设置也是可以的。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电容系统，其特征在于，包括具有收容腔的定基板、设于所述收容腔内的动基板、与所述动基板相对设置的弹性件以及用于连接所述动基板与所述弹性件的连接件；所述弹性件在外力的作用下以及自身回复力的作用下通过所述连接件带动所述动基板相对于所述定基板做往返移动；所述定基板包括靠近所述连接件的第一表面和远离所述连接件的第二表面，所述收容腔贯穿所述第一表面和所述第二表面设置；所述定基板朝向所述收容腔凸设若干呈梳齿状排布的定电极，所述动基板朝向所述定基板凸设有若干呈梳齿状排布的动电极，所述定电极与所述动电极在空间上分离且相互交叉；
所述弹性件为振膜，包括与所述连接件连接的振动部以及设于所述振动部外周的固定部，所述振动部在外力的作用下以及自身回复力的作用下通过所述连接件带动所述动基板相对于所述定基板做往返移动；
所述连接件为连接柱，所述连接柱设有一个，所述连接柱的中心轴线与所述动基板的中心轴线重合。
2.根据权利要求1所述的电容系统，其特征在于，所述动基板贯穿设有若干个通孔。
3.根据权利要求1所述的电容系统，其特征在于，所述定电极相对所述定基板的中心轴线对称设置，所述动电极相对所述动基板的中心轴对称设置，所述定基板的中心轴线与所述动基板的中心轴线重合。
4.一种电容式麦克风，其特征在于，包括如权利要求1至3任一项所述的电容系统。
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