CN1263349C - 电容式传声器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种电容式传声器，包括具有导电轻金属形成的接地电极层(31)的导电振动膜(3)；通过空气层对立于导电振动膜(3)布置的导体固定电极(5)；有机化合物形成的有机介电层(32)，其设置在空气层和导电振动膜(3)之间的边界面(32C)一侧；以及由离子或电子构成的永久电荷层(32A)，该永久电荷层形成在有机介电层(32)内从空气层(8)一侧自有机介电层(32)厚度方向的中间位置向后延伸的内部中。

Description

电容式传声器及其制造方法
                    技术领域
本发明涉及一种可以在没有外界馈电情况下工作的电容式传声器，其中电荷从外侧向驻极体注入(极化)，并涉及该传声器的制造方法。
                    背景技术
众所周知，电容式传声器以如下方式构造，即，它具有导电振动膜和导电的固定电极(此后称为导体固定电极)，导体固定电极通过与导电振动膜平行的空气层与导电振动膜相对地排列，并且由于振动膜振动造成的导电振动膜和导体固定电极之间的电容的变化被探测为振动膜上的声压。在这种情况下，为了将探测结果作为电信号输出，两个导体(导电振动膜和导体固定电极)之间事先施加有DC电压，以形成正电势，并由于该正电势变化，而将电容变化作为电信号探测出来。此外，公知的是输出电压对于单位声压的大小，即，灵敏度，正比于所施加的DC电压。
虽然存在正电势是从外部DC电源提供的情况，但是近来，研制出一种利用所谓的驻极体(绝缘的，至少其一部分被极化)的方法，通过这种方法，诸如FEP(氟化乙烯丙烯)的介电膜附着到例如导电振动膜或导体固定电极的任一相对表面上，而电荷注入介电膜中并在后者上固定，并且从电荷所形成的电场获得对应于正电压的电势。由此，不需要外部DC电源的电容式传声器投入实际应用中。
下面，参照图5，将描述这种驻极体型电容式传声器。
在图5中，在壳体101的内侧设置有振动膜片环102、是振动膜一部分的形成驻极体用的介电体104、垫片105、固定电极106、和绝缘环107。这个介电体104由诸如FEP的薄膜构成，并且在其外表面上通过蒸镀附着诸如金或镍的金属，并且提供了被赋予作为接地电极103的功能的薄膜。在固定电极106上，形成一通气孔106A。此外，输出端子108连接到这个固定电极106上，并在壳体101和输出端子108之间获得电势差(电压)。
作为用于形成驻极体的电荷到介电体104中的注入方法，提出了利用电子束或利用电晕放电的各种方法。此外，当通过这些方法进行电荷注入时，根据所采用的方法，在电荷注入深度上存在一些差异。例如，在电子束方法中，虽然注入可以深入进行到一定程度，但是通过这种方法所注入的电荷稳定在距表面最多几十微米的非常浅的部分上。
也就是说，其原因为：当形成驻极体的介电膜用作导电振动膜时，一般，通过蒸镀的方法，将导体金属形成在其外侧上，作为上述接地电极，该导体金属膜厚度大约几十微米。在很多情况下，作为导体金属，使用诸如镍或金的重金属，然而，即使在进行离子照射的情况下，当然这是通过高温电场方法，或通过电子束、离子流的方法或其他方法进行，离子也不能穿透使用这种重金属形成的导体金属膜。
于是，当注入电荷以这种方式稳定在非常浅的部分中时，当诸如水的电解液、诸如金属的导体、或诸如人的皮肤的非绝缘体与这个表面接触时，有可能通过该较浅距离而轻易放电，并使注入的电荷丧失，从而破坏或损坏了作为传声器的功能。
于是，作为传统的电荷注入方法，一般它是从此导体金属所附着的表面的相对侧上的表面进行的，也就是说，从面对空气层109的介电体104的内表面侧进行。
传统上，通过这些条件，电荷注入在产品组装成传声器之前进行，并且驻极体事先形成为一个零件，并需要利用这个驻极体进行组装。结果，当诸如人体的非绝缘体与驻极体的形成表面接触时，或在作为零件保存的过程中它暴露于过大的湿度中时，所注入的电荷轻易地放电，并存在如下的问题，即，组装后作为传声器的性能的损坏。
                        发明内容
于是，鉴于上述情形，本发明的目的是提供一种高可靠的电容式传声器及其制造方法，通过该方法，电荷的注入可以在传声器组装后从金属涂层表面进行，不仅组装变得容易，而且在介电体充分洗净后，其保持气密密封状态，且耐水或耐潮，即使在诸如湿度或温度的环境条件极其恶劣情况下，也可以保持上乘的电声变换特性。
根据本发明的第一方面，电容式传声器包括：具有导电轻金属形成的接地电极层的导电振动膜；通过空气层对立于导电振动膜布置的导体固定电极；由有机化合物形成的有机介电层，其设置在空气层和导体振动膜之间的边界面侧；以及由离子或电子构成的永久电荷层，该永久电荷层形成在有机介电层内从有机介电层厚度方向上的中间位置的接地电极层一侧，并与有机介电层的在接地电极层侧的表面隔开。
由此，电场例如可以通过穿透接地电极层的金属表面而形成，就像在空气中产生电晕放电一样，且由该电场可以形成并加速离子。
此外，在本发明中，有机介电层的从永久电荷层到接触空气层的内端面的内部被形成为驻极体，并具有电势。
由此，在没有从外部馈入的电能的情况下，电容式传声器可以工作。
此外，在本发明中，有机介电层具有1～50μm的膜厚，且优选的是接地电极层通过在有机介电层上将导电轻金属形成为不大于0.1μm厚的薄膜而形成。
此外，在本发明中，有机介电层可以通过利用FEP(氟化乙烯丙烯(fluoroethylene·propylene))、PFA(聚氟缩醛(polyfluoro·acetal))和PTFE(聚四氟乙烯)中任一种形成。
根据本发明第二方面，电容式传声器包括：具有导电轻金属形成的接地电极层的导电振动膜；通过空气层对立于导电振动膜布置的导体固定电极；无机氧化物或有机化合物形成的无机或有机介电层，其设置在空气层和导体固定电极之间的边界面一侧上；以及离子或电子构成的永久电荷层，该永久电荷层形成在无机或有机介电层内自无机或有机介电层的厚度方向上的中间的导体固定电极一侧，并与无机或有机介电层的在导体固定电极侧的表面隔开。
由此，电场可以通过穿透接地电极层的金属表面而形成，例如就像空气中产生电晕放电一样，并且由该电场形成并加速离子。
此外，本发明可以按如下方式构造，即，无机或有机介电层的从永久电荷层到与空气层接触的内端面的内部形成为驻极体并具有电势。
由此，在没有从外界馈入电能的情况下，电容式传声器可以工作。
此外，在本发明中，厚度不大于4μm并由有机化合物形成的介电层被用于导电振动膜，并且优选的是接地电极层通过在有机介电层上将导电轻金属形成为不大于0.1μm厚的薄膜而制备。
此外，本发明中，不小于1μm厚的二氧化硅(SiO2)可以用于无机或有机介电层。
此外，在本发明中，优选的是，在容纳导电振动膜和导体固定电极的壳体的外表面上形成内径不大于1.0mm的圆孔。
根据本发明第三方面，提供一种制造如下电容式传声器的方法，该电容式传声器包括具有导电轻金属形成的接地电极层的导电振动膜；通过空气层对立于导电振动膜布置的导体固定电极；由有机化合物形成的有机介电层，其设置在空气层和导体振动膜之间的边界面侧；以及由离子或电子构成的永久电荷层，该永久电荷层形成在有机介电层内从空气层一侧自有机介电层厚度方向上的中间位置向后延伸的内部中，该电容式传声器的制造方法包括：组装电容式传声器；以及将被加速的离子化的物体或电子从导电振动膜的外侧注入到所组装的电容式传声器的有机介电层中，从而形成永久电荷层。
由此，不仅组装变得容易，而且在有机介电层充分洗净后，其保持气密状态，耐水或耐潮，且即使在诸如湿度或温度的环境条件极其恶劣情况下，也可以保持上乘的电声变换特性。
根据本发明第四方面，提供一种制造如下电容式传声器的方法，该传声器包括具有导电轻金属形成的接地电极层的导电振动膜；通过空气层对立于导电振动膜布置的导体固定电极；无机氧化物或有机化合物形成的无机或有机介电层，其设置在空气层和导体固定电极之间的边界面一侧；以及离子或电子构成的永久电荷层，该永久电荷层形成在无机或有机介电层内从空气层自无机或有机介电层的厚度方向上的中间向后延伸的内部中，这种电容式传声器的生产方法包括：组装电容式传声器；以及从导电振动膜的外侧将被加速的离子化物体或电子注入到所组装的电容式传声器的无机或有机介电层中，从而形成永久电荷层。
由此，不仅组装变得容易，而且在有机介电层充分洗净后，其保持气密状态，耐水或耐湿，即使在诸如湿度或温度的环境条件极其恶劣情况下，也可以保持上乘的电声变换特性。
                    附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的电容式传声器的概略性剖面图；
图2A和图2B是图1所示的电容式传声器的A部分的放大模式图及其电势分布图；
图3是示出根据本发明第二实施例的电容式传声器的概略性剖面图；
图4A和图4B是图3所示的电容式传声器的B部分的放大模式图及其电势分布图；以及
图5是示出传统电容式传声器的概略性剖面图。
                        具体实施方式
参照附图，将在下面描述本发明各实施例。
第一实施例
图1示出根据本发明第一实施例的驻极体电容传声器的基本机构中的电声变换的主要部分的放大视图。这个驻极体电容式传声器在壳体1内包括振动膜片环2、具有接地电极(以下称为外侧电极层31)的导电振动膜3、垫片4、导体固定电极(以下称为内侧电极)5、以及绝缘环6，并且从该壳体1引出输出固定电极5和壳体1之间的电压(电势差)的输出端子7。
壳体1成形为中空圆柱形，并且其整个底端面开放，并形成一个大孔部分1A，并且在构成盖的前缘表面(外表面)1B处设置了一个直径不小于1.0mm的圆孔1C。此外，在壳体1的内侧，插入并固定一个基本为环形的密封元件12，从而防止绝缘环6滑出。
振动膜片环2固定振动膜3的周边，并成形为大致环形，且固定到壳体1内侧的前边缘上。
振动膜3设置有有机介电层32，有机介电层32从外侧部件起按顺序由作为接地电极的外侧电极层31和有机化合物构成。在它们中，外侧电极层31专门利用导电金属中的轻金属制成。也就是说，这是为了如下的原因，即，当使用(导电的)重金属，如金(Au)或镍(Ni)时，难于通过使离子(电荷)或电子穿透这种金属表面而进行离子(电荷)或电子的注入。
因此，在此实施例中，在外侧电极层31上，作为导电轻金属，例如，使用铝(Al)，并且这在有机介电层32上，通过电镀、蒸镀或溅射制成厚度不大于0.1μm的薄膜。在此情况下，在连接到传声器上的输入电路中，由于输入电阻不小于1000MΩ，所以不会出现外侧电极层31的电阻值大于所使用的传统重金属的电阻的问题。在本实施例中，关于这一点，虽然铝用作导电轻金属，但也可使用除此之外的其他导电轻金属，例如可用铍(Be)。
一方面，有机介电层32通过空气层8对立于导体固定电极5以平行状态设置，且在本实施例中，作为介电膜，使用厚度为12.5μm的FEP(氟化乙烯丙烯)。在构成驻极体电容式传声器的每个部件组装后，离子(电荷)或电子从外侧电极层(导体涂覆层)31外侧注入这个有机介电层32中，由此，在内侧形成永久电荷层32A，并且可以形成偏压电荷。
因此，如图2所示，从有机介电层32内侧的永久电荷层31到相对于空气层8的端面(以下，称为内端面)32C，其被形成为驻极体(其中至少一部分被极化的介电体)，(这被称为驻极体层32B)，并且如图2B所示，形成了外侧电场。在这方面，在本发明中，虽然使用FEP(氟化乙烯丙烯)作为有机介电膜，但是除此之外，也可以使用例如PFA(聚氟缩醛)或PTFE(聚四氟乙烯)。
垫片4设定并调节外侧电极层31和内侧电极5之间的距离，通过适当利用绝缘材料形成为厚度25μm的大致环形，并固定在壳体1内外侧电极层31和内侧电极5之间。
固定电极5由预定金属形成，并由绝缘环6的台阶部分6A支撑。然后，在这个固定电极5中，在多个部分设置了用于空气层8中空气进出的通气孔5A。在这方面，在本实施例中，空气层的厚度，即，垫片4的厚度为25μm。在固定电极5中，当图2A中的振动膜3例如左右振动时，图2B所示的电势差V变化，且空气层8中由于电势差导致的电场强度变化，并且从固定电极5获得了与变动量相对应的输出。
下面，将描述用于在振动膜3的有机介电层32中形成驻极体的离子(电荷)注入方法。在本实施例中，与传统的不同，首先完成驻极体电容式传声器的组装，并且振动膜3的外侧电极层31电接地。在这方面，在这种情况下，产生所谓的组装(充电)前电荷，并且为了防止由于这种电荷造成诸如吸收灰尘等的缺陷的产生，或为了防止由于疏忽导致的接触放电，振动膜被充分地清洗和干燥。
接着，自这个振动膜3的外侧，通过利用电子束、电晕放电或其他适当的方式，利用适宜的能量，氧离子被例如100kV/m～500kV/m的电场强度加速，并如图1所示，氧离子或电子从外侧电极层31的外侧注入到这个外侧电极层31中。
由此，在振动膜3的有机介电层内侧，永久电荷层32A形成在从空气层8、从有机介电层32厚度方向上的中间向后延伸的(较深)内部中，结果，表面被充以预定的电势，例如在本实施例中，可以获得230V的表面电势。关于这一点，这种表面电势可以通过各部分的尺寸以及占据空气层8的空气的介电常数ε和作为传声器的声压灵敏度来予以适当地设定和调节。
第二实施例
图3示出根据本发明第二实施例的驻极体电容式传声器的电声变换主要部分的放大视图。关于这一点，在这个实施例中，相同的附图标记标示与第一实施例相同的部分，并且省略了重复的描述。在这个实施例的驻极体电容式传声器中，驻极体形成为导体固定电极(以下，称为内侧电极)52内设置的无机或有机介电层51内，而不是在导电振动膜3的介电层34(由有机化合物构成)一侧。
在介电层34中，与第一实施例相比，厚度减小一个量以至于不超过4μm，其中未形成驻极体，或者为了使辐射粒子易于穿透导电振动膜3，例如在本实施例中使用3.5μm厚的聚酯膜(PET)。关于这一点，外侧电极层33以与第一实施例中的外侧电极层31相同的方式由诸如铝的轻金属构成，该轻金属被成形为0.1μm(1000)厚的薄膜。
内侧电极52由预定金属形成，并由与第一实施例相同的绝缘环6的台阶部分6A支撑。关于这一点，在此内侧电极52中，与介电层51一起，在多个部分设置了通气孔52A。关于这一点，在本实施例中，空气层8的厚度，即，垫片4的厚度也为25μm。
无机或有机介电层51是要形成驻极体的一部件，并由设置在导体固定电极5的朝向空气层8的边界面一侧上的无机氧化物或有机化合物构成。在这个实施例中，使用例如二氧化硅(SiO2)薄膜的无机材料，该材料被形成为具有大约1～50μm的预定厚度的薄膜。然后，其以如下方式构造，即，在构成电容式传声器的各部件组装后，氧离子(电荷)或电子从外侧电极层33的外侧照射到这个无机或有机介电层51上，并注入该层中，由此，在内侧形成了永久电荷层51A(参照图4)，并可以获得偏压电荷。
也就是说，如图4所示，从无机或有机介电层51内侧的永久电荷层51A到与空气层8接触的端面51C(以下称为内端面)，形成了驻极体(极化)(这被称为驻极体层51B)，并如图4B所示，形成了外侧电场。关于这一点，在本实施例中，虽然二氧化硅(SiO2)被用作无机氧化物，但在有机化合物的情况下，可以使用如下的材料。即，作为这个介电层51的形成材料，非无机材料，而是有机材料，例如可以使用FEP(氟化乙烯丙烯)，PFA(聚氟缩醛)或PTFE(聚四氟乙烯)。
接着，将描述用于在无机或有机介电层51中形成驻极体的离子(电荷)或电子注入方法。
同样，在本实施例中，不同于传统情况，首先完成驻极体电容式传声器的组装，且振动膜3的外侧电极层33接地。关于这一点，在这种情况下，同样产生所谓的组装(充电)前电荷，并且为了防止由此带来的诸如吸收灰尘等的缺陷的产生，或为了防止由于疏忽造成的接触放电，传声器被充分地清洗和干燥。
接着，从此导电振动膜3的外侧，通过利用电子束、电晕放电或其他适当的方式，利用适宜的能量，氧离子或电子被例如100kV/m～500kV/m的电场强度加速，并如图3所示，氧离子或电子从外侧电极层33的外侧注入。
由此，被加速并被赋予高能量的氧离子或电子穿透振动膜3并进入比无机或有机介电层51厚度方向上的中间深的内部部分，并形成了永久电荷层51A。结果，在无机或有机介电层51中，在朝向空气层8的边界面一侧上，表面电势被充到数十伏特。这种表面电势可以通过各部分的尺寸及占据空气层8的空气的介电常数ε和作为传声器的声压灵敏度来予以适当地设定和调节。
如上所述，在本发明中，导电振动膜具有导电轻金属形成的接地电极，而永久电荷层具有由离子或电子构成的结构，该结构形成在有机介电层内从空气侧一侧自有机介电层厚度方向上的中间向后延伸的内部中；或具有由离子或电子构成的结构，该结构形成在与无机或有机介电层内侧的无机或有机介电层厚度方向上的中间位置相比，从空气层侧向后延伸的内部中。
于是，根据本发明，可以以如下方式提供一种实现高可靠性的电容式传声器，即，在传声器组装后，电荷可以从轻金属涂覆表面注入，从而，不仅组装变得容易，而且在介电体充分清洗后，其保持于气密状态下，且耐水和耐潮，并且即使在如湿度或温度的环境条件严酷的情况下，也可以保持上乘的电声变换特性。

Claims (11)

1.一种电容式传声器，包括：
具有导电轻金属形成的接地电极层的导电振动膜；
通过空气层对立于导电振动膜布置的导体固定电极；
有机化合物形成的有机介电层，其设置在空气层和导电振动膜之间的边界面一侧；以及
由离子或电子构成的永久电荷层，该永久电荷层形成在有机介电层内自有机介电层厚度方向的中间位置的接地电极层一侧，并与有机介电层的在接地电极层侧的表面隔开。
2.如权利要求1所述的电容式传声器，其中，有机介电层的从永久电荷层到与空气层接触的内端面的内侧形成为驻极体，并具有电势。
3.如权利要求1所述的电容式传声器，其中，有机介电层厚度为1～50μm，且接地电极层通过在有机介电层上涂覆厚度不大于0.1μm的导电轻金属薄膜而形成。
4.一种电容式传声器，包括：
具有导电轻金属形成的接地电极层的导电振动膜；
通过空气层对立于导电振动膜布置的导体固定电极；
无机氧化物或有机化合物形成的无机或有机介电层，其设置在导体固定电极的朝向空气层的边界面一侧；以及
由离子或电子构成的永久电荷层，该永久电荷层形成在无机或有机介电层内自无机或有机介电层厚度方向的中间的导体固定电极一侧，并与无机或有机介电层的在导体固定电极侧的表面隔开。
5.如权利要求4所述的电容式传声器，其中，从永久电荷层到与空气层接触的内端面的无机或有机介电层的内侧形成为驻极体，并具有电势。
6.如权利要求4所述的电容式传声器，其中，有机化合物形成的厚度不大于4μm的介电层被用于导电振动膜，且在有机介电层上，通过将导电轻金属薄膜形成为不大于0.1μm的厚度而制备接地电极层。
7.如权利要求4所述的电容式传声器，其中，不小于1μm厚的二氧化硅被用于无机或有机介电层。
8.如权利要求1到7中任一项所述的电容式传声器，其中，有机介电层通过利用氟化乙烯丙烯、聚氟缩醛和聚四氟乙烯中任一种而形成。
9.如权利要求1到7中任一项所述的电容式传声器，其中，在容纳导电振动膜和导体固定电极的壳体的外表面上形成内径不小于1.0mm的圆孔。
10.一种制造电容式传声器的方法，该电容式传声器具有：具有导电轻金属形成的接地电极层的导电振动膜；通过空气层对立于导电振动膜布置的导体固定电极；有机化合物形成的有机介电层，其设置在空气层和导电振动膜之间的边界面一侧；以及由离子或电子构成的永久电荷层，该永久电荷层形成在有机介电层内从空气层侧自有机介电层厚度方向的中间位置向后延伸的内部中，该电容式传声器的制造方法包括：组装电容式传声器；以及将被加速的离子化物体或电子从导电振动膜的外侧注入到所组装的电容式传声器的有机介电层中，从而形成永久电荷层。
11.一种制造电容式传声器的方法，该电容式传声器具有：具有导电轻金属形成的接地电极层的导电振动膜；通过空气层对立于该振动膜布置的导体固定电极；无机氧化物或有机化合物形成的无机或有机介电层，其设置在导体固定电极的朝向空气层的边界面一侧；以及由离子或电子构成的永久电荷层，该永久电荷层形成在无机或有机介电层内从空气层侧自无机或有机介电层厚度方向的中间向后延伸的内部中，该电容式传声器的制造方法包括：组装电容式传声器；以及将被加速的离子化物体或电子从导电振动膜的外侧注入到所组装的电容式传声器的无机或有机介电层中，从而形成永久电荷层。
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