DE1075157B

DE1075157B - Microphone based on the electrostatic principle

Info

Publication number: DE1075157B
Application number: DENDAT1075157D
Authority: DE
Inventors: Hannover Karl Jaquet und Dr. Gotthard Fischer
Original assignee: Telefunken AG
Current assignee: Telefunken AG
Priority date: 1960-02-09
Publication date: 1960-02-11
Also published as: DE1100697B

Description

Nach dem elektrostatischen Prinzip arbeitende Mikrophone enthalten bekanntlich eine bewegliche, als Membran wirkende Elektrode, die mit einer feststehenden Gegenelektrode einen Kondensator bildet. Auftreffender Schalldruck bewirkt eine Auslenkung der Membran und damit eine Kapazitätsänderung, die im allgemeinen in einer nachfolgenden, eine Gleichspannungsquelle enthaltenden Schaltung zur Erzeugung eines Spannungsabfalls an einem Widerstand herangezogen wird. Um ein gleichbleibendes Verhältnis zwischen Schalldruck und Membranamplitude aiuch im oberen Frequenzbereich zu erzielen, gibt man der beweglichen Elektrode eine hohe Eigenfrequenz. Dies läßt sich durch eine sehr straffe Randeinspannung der meist entweder aus einer Aluminium- oder metallisierten Kunststoffolie bestehenden beweglichen Elektrode erreichen. Das zwischen den Elektroden liegende Luftpolster trägt zur Erhöhung der Rückstellkraft bei, seine Steifigkeit muß jedoch bei sehr kleinem Elektrodenabstand vermindert wenden, was z. B. durch Vertiefungen oder Löcher in der Gegenelektrode bewirkt wird.As is well known, microphones that work according to the electrostatic principle contain a movable, as Diaphragm-acting electrode that forms a capacitor with a fixed counter-electrode. Sound pressure impinging on it causes a deflection of the diaphragm and thus a change in capacitance, the generally in a subsequent, a DC voltage source containing circuit is used to generate a voltage drop across a resistor. A constant relationship to achieve between sound pressure and membrane amplitude also in the upper frequency range is given the moving electrode has a high natural frequency. This can be achieved by clamping the edges very tightly the movable one, usually made of either an aluminum or a metallized plastic film Reach electrode. The air cushion between the electrodes increases the restoring force at, but its rigidity must be reduced at a very small electrode spacing, which z. B. by Depressions or holes in the counter electrode is effected.

Diese bekannten Kondensatormikrophone haben den Nachteil, daß sie wegen der relativ kleinen Kapazitäteänderungen nur eine sehr geringe Spannung abzugeben vermögen, die in einem Vorverstärker zunächst auf einen brauchbaren Pegel verstärkt werden muß. Da der Vorverstärker im Interesse kleiner Leitungskapazitäten, die wegen des hochohmigen Abschlusses einen Einfluß auf die Empfindlichkeit haben, unmittelbar bei dem System angeordnet werden muß, ergeben sich große Abmessungen für das Mikrophon, zusätzliche Leitungen oder Batterien für die Stromversorgung des Vorverstärkers, ganz abgesehen von den Kosten, die durch den Verstärker an sich entstehen.These known condenser microphones have the disadvantage that because of the relatively small changes in capacitance can only emit a very low voltage, which initially occurs in a preamplifier must be boosted to a useful level. Since the preamplifier in the interest of small line capacities, because of the high-impedance termination have an impact on the sensitivity that must be placed immediately next to the system large dimensions for the microphone, additional cables or batteries for the power supply of the preamplifier, not to mention the cost of the amplifier itself.

Es ist auch bekannt, die metallisierte Kunststoffmembran ohneLuftspalt unmittelbar auf der perforierten Gegenelektrode aufliegen zu lassen, so daß die durch die Polarisationsspannung angedrückte Membran beim Auftreffen von Schalldruck im Bereich der Löcher zu Teilschwingungen angeregt wird. Bei diesem bekannten Mikrophon kann die wirksame Membranoberfläche ohne Schwierigkeit sehr groß gemacht werden, was bei Mikrophonen mit Luftspalt kaum möglich ist, da dort dann bei konstanter Einspannung mit wachsendem Durchmesser auch der Luftspalt vergrößert werden muß, um ein Anschlagen der Membran an die Gegenelektrode bei großen Amplituden zu verhindern. Durch die Vergrößerung der Membran und die Vielzahl der Löcher in der Gegenelektrode kann bei den Mikrophonen ohne Luftzwischenraum die abgegebene Spannung so erhöht werden, daß unter Umständen auf eine Vorverstärkung verzichtet werden kann. Dies wird jedoch durch den Nachteil erkauft, Mikrophon
nach dem elektrostatischen PrinzipIt is also known to let the metallized plastic membrane rest directly on the perforated counter-electrode without an air gap, so that the membrane pressed by the polarization voltage is excited to partial vibrations when sound pressure hits the area of the holes. In this known microphone, the effective membrane surface can be made very large without difficulty, which is hardly possible with microphones with an air gap, since there then with constant clamping with increasing diameter, the air gap must be enlarged in order to allow the membrane to strike the counter electrode at large To prevent amplitudes. Due to the enlargement of the membrane and the large number of holes in the counter electrode, the voltage output of the microphones can be increased so that, under certain circumstances, preamplification can be dispensed with. However, this comes at the cost of the microphone
according to the electrostatic principle

Anmelder:Applicant:

Telefunken G.m.b.H.,
Berlin NW 87, Sickingenstr. 71Telefunken GmbH,
Berlin NW 87, Sickingenstr. 71

Karl Jaqnet und Dr. Gotthard Fischer, Hannover,
sind als Erfinder genannt wordenKarl Jaqnet and Dr. Gotthard Fischer, Hanover,
have been named as inventors

daß einerseits das Mikrophon sehr groß wird und andererseits der Frequenzgang bei hohen Frequenzen wegen der Vergrößerung der zu bewegenden Masse schlechter wird.that on the one hand the microphone becomes very large and on the other hand the frequency response at high frequencies gets worse because of the increase in the mass to be moved.

Bei elektrostatischen Mikrophonen mit Luftspalt zwischen der außen metallisierten Kunststoffmembran und der perforierten Gegenelektrode ist es bekannt, die Membran in der Mitte durch eine Erhebung an der Gegenelektrode abzustützen, um die Eigenfrequenz der Membran zu erhöhen. Dadurch wird allerdings die Empfindlichkeit des Mikrophons etwas herabgesetzt. For electrostatic microphones with an air gap between the externally metallized plastic membrane and the perforated counter electrode, it is known, the membrane in the middle by an elevation on the Support counter electrode to increase the natural frequency of the membrane. This will, however the sensitivity of the microphone is slightly reduced.

Die Erfindung bezieht sich auf ein solches Mikrophon und besteht darin, daß der Abstand zwischen Membran und Gegenelektrode vom Rande aus, wo die Membran auf der Gegenelektrode unmittelbar aufliegt, nach der Mitte hin derart stetig so wenig zunimmt, daß sich die Membran während der Schwingungen zeitweise mindestens an den dem Rand benachbarten Teil der Gegenelektrode anschmiegt.The invention relates to such a microphone and consists in that the distance between Membrane and counter electrode from the edge where the membrane rests directly on the counter electrode, towards the middle increases so steadily so little that the membrane moves during the oscillations temporarily at least clings to the part of the counter-electrode adjacent to the edge.

Durch die gleichzeitige Anwendung der erwähnten Erhebung und der muldenartigen Form der Gegenelektrode ergibt sich eine beträchtliche Erhöhung der Empfindlichkeit, denn die Erhebung ermöglicht eine losere Einspannung der Membran als sonst bei Mikrophonen üblich ist, und die Form der Gegenelektrode bewirkt eine Kapazitätserhöhung während des Schwingens der Membran und damit eine entsprechend große elektrische Spannung, was wiederum durch die losere Einspannung gefördert wird, ohne daß die Membran an der Gegenelektrode ankleben kann. Zweckmäßig wird die Erhebung kuppeiförmig ausgebildet und die Gegenelektrode in an sich bekannter Weise zur Ableitung von störenden Aufladungen mit einer halbleitenden Schicht überzogen. Through the simultaneous use of the mentioned elevation and the trough-like shape of the counter electrode there is a considerable increase in sensitivity, because the survey enables one looser clamping of the membrane than is usual with microphones, and the shape of the counter electrode causes a capacity increase during the oscillation of the membrane and thus a correspondingly large one electrical voltage, which in turn is promoted by the looser restraint without affecting the membrane can stick to the counter electrode. The elevation is expediently dome-shaped and the Counterelectrode coated with a semiconducting layer in a manner known per se for discharging interfering charges.

Es ist bekannt, bei einem Kondensatorlautsprecher mit Metallmembran der Gegenelektrode die Form einer Mulde zu geben, auf deren Rand die Membran auf-It is known that in a condenser loudspeaker with a metal membrane the counter electrode has the shape of a To give well, on the edge of which the membrane rests

909 7297298909 7297298

I 075I 075

liegt, so daß die Membran während ihrer Schwingung ,.. auf der Gegenelektrode zum Teil anliegt. Diese Anordnung ist günstig für Lautsprecher, weil sich damit große Amplituden erzielen lassen. Sie ist bei Mikrophonen nicht angewendet worden, weil dort keine so großen Amplituden vorkommen. Sie würde bed Mikrophonen für sich allein auch keinen großen Gewinn bringen, denn der Luftspalt muß sehr klein sein und die Membran so fest eingespannt werden, daß sie an der Gegenelektrode nicht ankleben kann. Eine solche sehr feste Einspannung wird bei der Erfindung entbehrlich, indem die Gegenelektrode gleichzeitig mit einer an sich bekannten Erhebung in der Mitte versehen wird. Dadurch ist ein zeitweises Aufliegen der Membran auf der Gegenelektrode möglich, ohne daß ein Festkleben auftritt und ohne daß die Eingangsfrequenz der Membran zu niedrig wird. so that the membrane during its oscillation, .. is partially applied to the counter electrode. This arrangement is favorable for speakers because it deals with it can achieve large amplitudes. It has not been used with microphones because there are none large amplitudes occur. She'd bed microphones do not bring much profit by themselves, because the air gap must be very small and the membrane must be clamped so tightly that it cannot stick to the counter electrode. Such very tight clamping can be dispensed with in the invention, in that the counter-electrode is simultaneously with a known elevation is provided in the middle. This means that the Membrane on the counter electrode possible without sticking and without the input frequency of the membrane becoming too low.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert.An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein elektrostatisches Mikrophon mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Gegenelektrode, und inFig. 1 shows in cross section an electrostatic microphone with the one designed according to the invention Counter electrode, and in

Fig. 2 sind die beiden Elektroden nochmals vergrößert dargestellt, um ihre Wirkungsweise zu veranschaulichen. Fig. 2 shows the two electrodes again enlarged in order to illustrate their mode of operation.

Das Mikrophon besteht aus der Grundplatte 1 und dem Gehäuse 2. Die kreisförmige Membran 3 ist aus einem Isolierstoffträger 4 (Fig. 2) und einem darauf aufgebrachten Metallbelag 5, z. B. aufgedampftem Aluminium, gebildet. Sie ist am Rand an einem Ring 6 befestigt. Zwischen der Unterseite des Gehäuses 2 und dem Ring sind Federelemente 7 angeordnet, durch die die Membran über dem Vorsprung 8 der Grundplatte gespannt wird. Die auf den Ring ausgeübte Spannung beträgt etwa 500 g, so daß dieEinspannung verhältnismäßig lose ist. Der Betrag der mechanischen Vorspannung kann beim Zusammenbau durch Verschieben der Teile 1 -und 2 gegeneinander eingestellt werden. Die Gegenelektrode ist in bekannter Weise slebförmig mit Löchern 10 zur Verminderung der Luftpolstersteifigkeit sowie mit einer dünnen Belegung aus einem Halbleitermaterial zur Ableitung der auf dem Isolierstoffträger auftretenden Polarisationsladungen versehen. Die der Membran zugekehrte Oberfläche der Gegenelektrode ist in Richtung zur Mitte konisch ausgebildet und weist in der Mitte eine Erhebung 11 auf, deren Höhe so bemessen ist, daß sie in Flucht mit der Randzone der Gegenelektrode liegt. Der Kunststoffträger 4 der Membran 3 liegt auf dem Rand und der Erhebung 11 der Gegenelektrode auf. Eine Betriebsspannung sorgt dafür, daß an diesen Stellen ein gutes Anliegen erfolgt. Durch diese Betriebsspannung wird die Membran bereits zwischen den Auflagepunkten in Richtung der Gegenelektrode geringfügig durchgebogen. Trifft nun ein Schalldruck auf die Membran, so legt sich in der einen Phase der Schwingung (gestrichelte Linie A) der Isolierstoffträger vom Rand aus in Richtung zur Mitte an die konische Oberfläche -der Gegenelektrode je nach Stärke des Schall drucks mehr oder weniger an. Infolge Verdrängung der zwischen den Elektroden befindlichen Luft wird der Raum in dieser Phase fast ganz von einem Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante ausgefüllt, während in der anderen Phase (gestrichelte Linie B) der Luftraum extreme Ausdehnung hat und das Dielektrikum im wesentlichen durch das niedrigere ε der Luft bestimmt wird. Es ändert sich also nicht nur der Abstand der Elektroden, sondern auch das wirksame Dielektrikum. Der Wirkungsgrad wird dadurch erheblich größer, und man kommt ohne Vorverstärker auf Membrandurchmesser von etwa 40 bis herunter z>u 20 mm. Bei einem Membrandurchmesser von 40 mm wird die Höhe der Erhebung ²/io mm bemessen. Als Kunststoffträger für die Membran dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine aus dem unter dem Handelsnamen »Hostaphan« bekannten Polyterephthalsäureester hergestellte Folie. Dieses beispielsweise in der Kondensatorfabrikation, in der Verpackungstechnik und zu Isolationszwecken verwendete Material zeichnet sich durch hohe mechanische Widerstandsfähigkeit, große Form- und Temperaturbeständigkeit aus. Diese Eigenschaften gewährleisten in Verbindung mit der Wirkungsweise der federnden Einspannung, daß auch bei einem Einsatz des Mikrophons unter tropischen Bedingungen keine Änderungen des mechanischen Membranzustandes eintreten.The microphone consists of the base plate 1 and the housing 2. The circular membrane 3 consists of an insulating support 4 (FIG. 2) and a metal coating 5 applied to it, e.g. B. vapor-deposited aluminum formed. It is attached to a ring 6 at the edge. Spring elements 7 are arranged between the underside of the housing 2 and the ring, by means of which the membrane is tensioned over the projection 8 of the base plate. The tension applied to the ring is about 500 g, so the restraint is relatively loose. The amount of mechanical preload can be adjusted during assembly by moving parts 1 and 2 against each other. The counterelectrode is provided in a known manner with holes 10 to reduce the air cushion rigidity and with a thin layer of a semiconductor material to dissipate the polarization charges occurring on the insulating material carrier. The surface of the counter-electrode facing the membrane is conical in the direction towards the center and has an elevation 11 in the middle, the height of which is dimensioned such that it is in alignment with the edge zone of the counter-electrode. The plastic carrier 4 of the membrane 3 rests on the edge and the elevation 11 of the counter electrode. An operating voltage ensures that there is a good concern at these points. Due to this operating voltage, the membrane is already slightly bent between the support points in the direction of the counter electrode. If a sound pressure hits the membrane, then in one phase of the oscillation (dashed line A) the insulating material supports itself more or less from the edge towards the center on the conical surface of the counter electrode, depending on the strength of the sound pressure. As a result of the displacement of the air between the electrodes, the space in this phase is almost completely filled by a dielectric with a high dielectric constant, while in the other phase (dashed line B) the air space is extremely large and the dielectric is essentially due to the lower ε of the air is determined. So not only does the distance between the electrodes change, but also the effective dielectric. This increases the efficiency considerably and, without a preamplifier, you can achieve diaphragm diameters of around 40 to as low as z> u 20 mm. In a membrane diameter of 40 mm, the height of the bump ² / io mm measured is. In the present exemplary embodiment, a film made from the polyterephthalic acid ester known under the trade name “Hostaphan” serves as the plastic carrier for the membrane. This material, which is used, for example, in the manufacture of capacitors, in packaging technology and for insulation purposes, is characterized by high mechanical resistance, great dimensional stability and temperature resistance. These properties, in conjunction with the mode of action of the resilient restraint, ensure that no changes in the mechanical state of the membrane occur even when the microphone is used under tropical conditions.

Es hat sich gezeigt, daß die Ausgangs spannung des erfindungsgemäßen Mikrophons bei konstantem Schalldruck im Bereich von etwa 50 Hz bis 12 kHz weitgehend gleichbleibt (etwa 12 bis 15 mV/üb) und ein Mehrfaches der Spannung beträgt, die mit bekannten Kondensatormikrophonen vergleichbarer Größe erzielt werden kann.It has been shown that the output voltage of the microphone according to the invention at constant sound pressure in the range from about 50 Hz to 12 kHz remains largely the same (about 12 to 15 mV / gb) and a This is a multiple of the voltage achieved with known condenser microphones of comparable size can be.

Es sei noch bemerkt, daß die Oberfläche der Gegenelektrode nicht wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zur Mitte hin konisch verlaufen muß. Sie kann auch der zu erwartenden Auslenkbewegung der Membran (gestrichelte Linie A) im Bereich der Erhebung angepaßt werden, so daß das Abrollen nicht nur vom Rand, sondern auch von der Erhebung aus erfolgt.It should also be noted that the surface of the counter electrode does not have to taper towards the center, as in the illustrated embodiment. It can also be adapted to the expected deflection movement of the membrane (dashed line A) in the area of the elevation, so that the rolling takes place not only from the edge but also from the elevation.

Claims

Patent claims:

1. Microphone based on the electrostatic principle with an externally metallized plastic membrane as a movable electrode and with a fixed, perforated counter-electrode with the membrane is supported in the middle by an elevation on the counter electrode, characterized in that that the distance between the membrane and the counter electrode from the edge where the membrane is on the Opposite electrode rests directly, so steadily increases so little towards the center that the membrane during the oscillations temporarily at least to those adjacent to the edge Part of the counter electrode nestles against it.

2. Microphone according to claim 1, characterized in that the elevation is dome-shaped is.

3. Microphone according to claim 1, characterized in that the counter electrode is coated with a semiconducting layer.

Considered publications:

German Patent Nos. 377 921, 492 811;

Radio magazine with television magazine, 6/1953,
S 173 174

Wireless'World, 2/1953, pp. 50 to 54;

The Journal of the Acoustical Society of America, 5/1956, pp. 337-341.

1 sheet of drawings