DE4342169A1

DE4342169A1 - Electromechanical converter such as microphone

Info

Publication number: DE4342169A1
Application number: DE19934342169
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Prof Dr Gevatter
Original assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1993-12-10
Filing date: 1993-12-10
Publication date: 1995-06-14

Abstract

The electromechanical converter e.g. a microphone, has a rigid electrode in the form of a plate (20). It also has an elastic electrode in the form of a membrane (10) arranged next to the plate (20). The membrane (10) is movable relative to the plate (20) by a mechanical input signal (28), e.g. sound pressure (p) or a membrane acceleration. Both electrodes (10,20) have electrically conductive surfaces (13,14;23). An electric operating voltage (UT) is applied to these surfaces and an electric operating signal due to the membrane acceleration is provided at them. At least the conductive surface of one of the electrodes (20) has an electrically conductive point (24). At least the conductive surface of one electrode (10) has two electrically insulated zones (13,14). The voltage (UT) is only applied to the one of these zones (13) which bears or cooperates with the point (24). A control voltage (UY) is applied between the other zone (14) and the surface (23) of the opposing electrode (20). This generates an electrostatic attractive force (FE) between the electrodes (10,20) and the membrane (10) is drawn so near to the plate (20) that a tunnel current (IT) flows between the surfaces (13,23) of the two electrodes (10,20). This current (IT) generates the output signal (UY) to be analysed, via an electronic amplifier (33).

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen elektromechanischen Wandler der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art. Ein solcher Wandler kann z. B. als Mikrofon ausgebildet sein, wo ein Schalldruck als mechani sches Eingangssignal dient, die Bewegung der Membran bewirkt und ein elektrisches Ausgangssignal liefert, das dann ausgewertet wird. Eine Mem branbewegung kann aber auch durch eine Beschleunigung relativ zur Platte des Wandlers entstehen, die dann als mechanisches Eingangssignal dient.The invention is directed to an electromechanical transducer specified in the preamble of claim 1. Such a converter can e.g. B. be designed as a microphone, where a sound pressure as mechani serves input signal, causes the movement of the membrane and a provides electrical output signal, which is then evaluated. A mem But branch movement can also be done by accelerating relative to the plate of the converter arise, which then serves as a mechanical input signal.

Der bekannte Wandler dieser Art ist ein Kondensator-Mikrofon. Die durch den Schall erzeugte Auslenkung der Membran wird über die angelegte Be triebsspannung in Spannungsschwankungen umgeformt, die dann ausgewertet werden. Die Auslenkung der Membran führt zu einer Nichtlinearität des elektrischen Ausgangssignals, das gegenüber dem mechanischen Eingangssignal verzerrt wird. Es tritt ein hoher Klirrfaktor auf. Es sind platzaufwendige, teuere Geräte erforderlich, um die Nichtlinearität in Grenzen zu halten. Die Fertigung der bekannten Wandler ist relativ lohnintensiv. Die Herstellung von Kondensatormikrofonen kleiner Abmessungen, wie sie z. B. in Hörgeräten genutzt werden, erschwert die Herstellung von Produkten hoher Qualität. Es ergeben sich verhältnismäßig große Abmessungen und hohe Herstellungsko sten.The known converter of this type is a condenser microphone. By the sound generated deflection of the membrane is over the applied Be Drive voltage converted into voltage fluctuations, which are then evaluated become. The deflection of the membrane leads to a non-linearity of the electrical output signal compared to the mechanical input signal is distorted. A high distortion factor occurs. They are space-consuming, expensive equipment required to keep the non-linearity within limits. The production of the known converters is relatively labor-intensive. The production of condenser microphones of small dimensions, as z. B. in hearing aids used, complicates the manufacture of high quality products. There are relatively large dimensions and high manufacturing costs most.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zuverlässigen, raumsparen den elektromechanischen Wandler der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu entwickeln, der sich preiswert herstellen läßt. Dies wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführ ten Maßnahmen erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.The invention has for its object a reliable, space-saving the electromechanical transducer in the preamble of claim 1 to develop specified type that can be manufactured inexpensively. This is cited according to the invention by the characterizing part of claim 1 measures that are of particular importance.

Das auf die Membran einwirkende mechanische Eingangssignal soll im Be reich der Leiterspitze einen Tunnelstrom zwischen den beiden Elektroden im Bereich der Leiterspitze erzeugen. Dazu wird eine Stellspannung genutzt, die eine elektrostatische Anziehung zwischen den beiden Elektroden er zeugt. Die Membran wird dadurch so nahe an die Platte herangeführt, bis, durch eine Betriebsspannung, im Bereich der Leiterspitze der gewünschte Tunnelstrom fließt. Der Abstand im Bereich der Leiterspitze liegt dann im Bereich von Nanometern und soll nachfolgend kurz "Tunnelabstand" bezeichnet werden. Um die für die Leitung des Tunnelstroms dienenden Bereiche der Elektrode elektrisch isoliert von den für die elektrostatische Anziehungskraft wirksamen Bereichen zu halten, wird mindestens die Leiter fläche der einen Elektrode, z. B. diejenige der Membran, in zwei Teilzonen gegliedert, von denen nur die eine mit der Leiterspitze zusammenwirkt bzw. diese trägt. Der Tunnelstrom erzeugt mittels eines elektrischen Ver stärkers das auszuwertende elektrische Ausgangssignal. Der Ausschlag der Membran wird also mittels des Tunnelstrom-Effekts in elektrische Spannungsänderungen umgeformt.The mechanical input signal acting on the membrane should be in Be reaches the tip of the conductor a tunnel current between the two electrodes generate in the area of the conductor tip. A control voltage is used for this, which an electrostatic attraction between the two electrodes testifies. The membrane is brought so close to the plate to, by an operating voltage, the desired in the area of the conductor tip Tunnel current flows. The distance in the area of the conductor tip is then in the range of nanometers and is briefly referred to as "tunnel spacing" be designated. To those that are used to direct the tunnel current Areas of the electrode electrically isolated from those used for electrostatic Keeping effective areas at least becomes the ladder surface of one electrode, e.g. B. that of the membrane in two sub-zones structured, of which only one interacts with the top of the ladder or carries them. The tunnel current generated by means of an electrical ver the electrical output signal to be evaluated. The rash the membrane is thus transformed into electrical by means of the tunnel current effect Reshaped voltage changes.

Damit läßt sich die Größe des Wandlers auf den Millimeterbereich reduzie ren. Mit mikromechanischen Fertigungsmethoden, die ein Ätzen und Be schichten von scheibenförmigem Material betreffen, lassen sich die Wandler nach der Erfindung preisgünstig herstellen. Wie noch näher erläutert werden wird, ist es von besonderem Vorteil, den Wandler durch eine Rückkopplung zwischen dem Ausgangs- und Eingangssignal als Regelkreis, und zwar als Kraft-Regelkreis, auszubilden. Mit dem Regelkreis wird über den Tunnelab stand ein definierter Tunnelstrom gesteuert. Ein elektrostatisches Kraftstell glied sorgt für einen konstanten Tunnelabstand zwischen den beiden Elektro den im Bereich der Leiterspitze. Durch Anpassung der Parameter des Kraft-Regelkreises läßt sich der nutzbare Frequenzbereich und die Dynamik des Wandlers einstellen. Über die Betriebsspannung wird, wie später noch näher erläutert wird, eine elektrostatische Rückstellkraft erzeugt, welche, selbst wenn sie einseitig auf die Membran wirkt, über einen PI- oder PID-Regler bereits die Nichtlinearität des Tunnelstrom-Effekts reduziert. Sorgt man für beidseitig wirkende, gegeneinander gerichtete Rückstellkräfte, so erhält man eine lineare Beziehung. Ein derartiger Wandler hat den Klirr faktor Null.The size of the transducer can thus be reduced to the millimeter range Ren. With micromechanical manufacturing methods that etch and Be layers of disc-shaped material, the transducers can be affected manufacture inexpensively according to the invention. As will be explained in more detail it is of particular advantage to feed the converter through a feedback between the output and input signal as a control loop, namely as Force control loop to train. With the control loop, the tunnel a defined tunnel current was controlled. An electrostatic force control link ensures a constant tunnel distance between the two electrical systems that in the area of the ladder tip. By adjusting the parameters of the Force control loop, the usable frequency range and dynamics of the converter. The operating voltage is, as later is explained in more detail, generates an electrostatic restoring force which, even if it acts on one side of the membrane, via a PI or PID controller already reduces the non-linearity of the tunnel current effect. If one provides for double-sided, opposing restoring forces, so you get a linear relationship. Such a converter has the distortion factor zero.

Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung sind aus den Unteransprü chen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich. Die Erfindung richtet sich dabei auf alle daraus entnehmbaren neuen Merk male und Merkmalskombinationen, auch wenn diese nicht ausdrücklich in den Ansprüchen angeführt sein sollten. In den Zeichnungen ist die Erfin dung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen:Further measures and advantages of the invention are from the dependent claims Chen, the following description and the drawings can be seen. The invention is directed to all the new notes that can be derived from it paint and combinations of features, even if not expressly should be set out in the claims. In the drawings is the inventor tion shown in several embodiments. Show it:

Fig. 1, schematisch und in starker, nicht maßstabsgerechter Vergrößerung, einen Längsschnitt durch einen Wandler nach der Erfindung entlang der Schnittlinie I-I von Fig. 2, Fig. 1, schematically and in strong, not to scale magnification, a longitudinal section through a transducer according to the invention taken along section line II of Fig. 2,

Fig. 2 die Innenansicht auf die Membran des Wandlers von Fig. 1 in Blickrichtung der Pfeile II-II von Fig. 1, Fig. 2 shows the internal view of the diaphragm of the transducer of FIG. 1 in the direction of arrows II-II of Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines zum Wandler nach der Erfindung gehören den Kraft-Regelkreises mit einseitiger Kraft-Gegenkopplung durch ein quadratisches Kraft-Stellglied, Fig. 3 is a block diagram of a converter according to the invention includes the power control loop with one-sided force feedback by a quadratic force actuator,

Fig. 4 eine Kennlinie des Wandlers in einem Arbeitsdiagramm, das den Tunnelstrom in Abhängigkeit von der Auslenkung der Membran verdeutlicht, Fig. 4 is a characteristic curve of the converter in a working diagram illustrating the tunneling current as a function of the deflection of the diaphragm,

Fig. 5 das zum Kraft-Regelkreis von Fig. 3 gehörende Bode-Diagramm, das den nutzbaren Frequenzbereich des Wandlers zeigt, Fig. 5 for the force control loop of Fig. 3 belonging Bode diagram showing the usable frequency range of the transducer,

Fig. 6 die Verwirklichung eines Stoß-Schutzes bei einem gegenüber Fig. 1 abgewandelten Wandler, wobei die Schnittführung durch die Schnittlinie VI-VI in der aus Fig. 7 ersichtlichen Ansicht verdeutlicht ist, Fig. 6 shows the realization of a shock protection for a comparison with FIG. 1 modified transducer, the cut is indicated by the section line VI-VI in the manner shown in Fig. 7 View,

Fig. 7, in einer zu Fig. 2 entsprechenden Darstellung, die Innenansicht auf die Membran des Wandlers von Fig. 6 in Blickrichtung der Pfeile VII-VII von Fig. 6, Fig. 7, in a position corresponding to Fig. 2 showing the internal view of the diaphragm of the transducer of Fig. 6, in the direction of arrows VII-VII of Fig. 6

Fig. 8 in einer der Fig. 1 entsprechenden Schnittdarstellung eine abge wandelte Ausführungsform des Wandlers nach der Erfindung mit einer symmetrischen, linearen Kraftgegenkopplung, und Fig. 8 in a sectional view corresponding to FIG. 1 shows a modified embodiment of the converter according to the invention with a symmetrical, linear force feedback, and

Fig. 9 in einer der Fig. 3 entsprechenden Darstellung ein Blockschaltbild des Kraftregelkreises zum Wandler von Fig. 8 mit einem linearen Kraft-Stellglied. Fig. 9 in a representation corresponding to Fig. 3 is a block diagram of the force control circuit for the converter of Fig. 8 with a linear force actuator.

Der elektromechanische Wandler um faßt zwei nebeneinanderliegende Elektro den 10, 20, die ein zueinander unterschiedliches Verhalten gegenüber einem mechanischen Eingangssignal 28 aufweisen. Die eine Elektrode 10 ist ela stisch nachgiebig, läßt sich folglich durch das mechanische Eingangssignal 28 aus ihrer Ausgangslage bewegen und soll daher nachfolgend kurz "Mem bran" bezeichnet werden. Die andere Elektrode 20 ist dagegen starr, bleibt also bei den auftreffenden Eingangssignalen 28 in Ruhe und soll daher nachfolgend kurz "Platte" benannt werden. Denkbar wäre es aber auch, die zweite Elektrode 20 in ähnlicher Weise wie die erstgenannte Elektrode 10 beweglich in einem Wandlergehäuse anzuordnen. Als mechanisches Ein gangssignal 28 wird im vorliegenden Fall, ausweislich der Pfeile in Fig. 1, ein Schalldruck p benutzt. Man könnte aber alternativ als Eingangssignal Relativ-Bewegungen zwischen der Membran 10 und der gehäusefesten Platte 20 benutzen, die sich aus der Trägheit der Membran 10 bei einer Beschleu nigung des Wandlers ergeben, z. B. bei mechanischen Erschütterungen. Auf diese Weise kann z. B. Körperschall über das Gehäuse des Wandlers aufgenommen werden und sich in Relativ-Beschleunigungen der Membran 10 auswirken.The electromechanical transducer comprises two adjacent electrical 10 , 20 , which have different behavior with respect to a mechanical input signal 28 . One electrode 10 is elastic, it can consequently be moved from its starting position by the mechanical input signal 28 and is therefore to be referred to below as "membrane". The other electrode 20 , on the other hand, is rigid, so it remains at rest with the incoming input signals 28 and is therefore to be called "plate" in the following. However, it would also be conceivable to arrange the second electrode 20 movably in a converter housing in a manner similar to the first-mentioned electrode 10 . A sound pressure p is used as a mechanical input signal 28 in the present case, as shown by the arrows in FIG. 1. However, one could alternatively use relative movements between the membrane 10 and the housing-fixed plate 20 as an input signal, which result from the inertia of the membrane 10 at an acceleration of the transducer, for. B. mechanical shocks. In this way, e.g. B. structure-borne noise are recorded over the housing of the transducer and affect the relative accelerations of the membrane 10 .

Im vorliegenden Fall ist die Membran 10 durch Ätzen einer Siliziumscheibe 11 in einem Bereich 12 entstanden, nämlich durch Abtragen der obersten Siliziumschichten, bis auf restliche, zum Aufbau der Membran 10 dienende untere Schichten. Dadurch entsteht über der Membran 10 ein Fensteraus schnitt 12 in der Siliziumscheibe 11. Die Siliziumscheibe 11 braucht bei spielsweise nur eine Dicke von 0,5 mm aufzuweisen.In the present case, the membrane 10 was created by etching a silicon wafer 11 in an area 12 , namely by removing the uppermost silicon layers except for the remaining lower layers used to build the membrane 10 . This creates a window cutout 12 in the silicon wafer 11 above the membrane 10 . The silicon wafer 11 need only have a thickness of 0.5 mm for example.

Das zur Ausbildung der Platte 20 dienende Substrat besteht im vorliegenden Fall aus Glas, z. B. Pyrex, das bis auf den Membran-Bereich - vollflächig mit der Siliziumscheibe 11 verbunden ist. Jener Bereich der Glasscheibe 21, welcher der Membran 10 gegenüberliegt, ist ihrerseits z. B. durch Ätzen mit Flußsäure od. dgl., mit einer stufenförmigen Aussparung 22 versehen und trägt die ruhende Elektrode.The substrate used to form the plate 20 in the present case consists of glass, e.g. B. Pyrex, which is connected to the entire area of the silicon wafer 11 except for the membrane area. That area of the glass sheet 21 which is opposite the membrane 10 is in turn z. B. by etching with hydrofluoric acid or the like. Provided with a step-shaped recess 22 and carries the stationary electrode.

Die einander zugekehrten Flächenseiten der Membran 10 einerseits und der Platte 20 andererseits sind mit elektrisch leitenden Flächen 13, 14 bzw. 23 versehen, die nachfolgend kurz "Leiterflächen" bezeichnet werden sollen. Die Leiterflächen der Membran 10 sind in zwei, durch Punktschraffur in Fig. 2 hervorgehobene Teilzonen 13, 14 gegliedert, die elektrisch gegen einander isoliert sind. Die Teilzonen 13, 14 lassen sich durch Maskieren und Metall-Bedampfen herstellen, wodurch dazwischen eine elektrische Isolation 19 verbleibt. Die Leiterfläche 23 der Platte 20 entsteht ebenfalls durch gezieltes Bedampfen mit Metallen. Die beiden Teilzonen 13, 14 kön nen auf diese Weise zugleich mit Anschlüssen 15, 16 versehen sein, wie auch die plattenseitige Leiterfläche 23 einen solchen, im schematischen Schnitt von Fig. 1 verdeutlichten Anschluß 25 besitzen kann. Außerdem ist die Leiterfläche 23 der Platte 20 mit einer elektrisch leitenden Spitze 24 versehen, die sehr nahe an die gegenüberliegende Teilzone 13 der Leiter fläche von der Membran 10 heran reicht. Diese Spitze 24 soll nachfolgend kurz "Leiterspitze 24" bezeichnet werden. Die Leiterspitzen 24 lassen sich z. B. durch laserinduzierte CVD-Edelmetall-Abscheidung auf der Leiter fläche 23 erzeugen und enden mit einem sehr kleinen Radius. In Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels könnte anstelle der Platte 20 die Membran 10 mit einer solchen Leiterspitze 24 versehen sein, wie auch beidseitig, also sowohl an der Teilzone 13 der einen Leiterfläche als auch an der gegenüberliegenden Leiterfläche 23, zwei gegeneinander gerichtete Leiterspitzen vorgesehen sein könnten.The mutually facing surface sides of the membrane 10 on the one hand and the plate 20 on the other hand are provided with electrically conductive surfaces 13 , 14 and 23 , respectively, which will be referred to as "conductor surfaces" for short below. The conductor surfaces of the membrane 10 are divided into two sub-zones 13 , 14 , highlighted by dot hatching in FIG. 2, which are electrically insulated from one another. The partial zones 13 , 14 can be produced by masking and metal vapor deposition, as a result of which an electrical insulation 19 remains in between. The conductor surface 23 of the plate 20 is also created by targeted vapor deposition with metals. The two sub-zones 13 , 14 can NEN in this way at the same time be provided with connections 15 , 16 , as well as the board-side conductor surface 23 may have such a connection 25 illustrated in the schematic section of FIG. 1. In addition, the conductor surface 23 of the plate 20 is provided with an electrically conductive tip 24 , the surface of the membrane 10 extends very close to the opposite partial zone 13 of the conductor. These top 24 will hereinafter referred to as "ladder top 24" are referred to. The conductor tips 24 can, for. B. by laser-induced CVD precious metal deposition on the conductor surface 23 generate and end with a very small radius. In a modification of the exemplary embodiment shown, the membrane 10 could be provided with such a conductor tip 24 instead of the plate 20 , and two conductor tips directed towards one another could also be provided on both sides, both on the partial zone 13 of the one conductor surface and on the opposite conductor surface 23 .

An die Leiter-Teilzone 13 der Membran 10, die der Leiterspitze 24 gegen überliegt, ist über einen Anschluß 15 der eine Pol einer Spannungsquelle 17a angeschlossen, der eine Betriebsspannung U_T liefert. Ein zur plattensei tigen Leiterfläche 23 gehörender Anschluß 25 liegt am Massepol. Im vorlie genden Fall bildet die Membran 10 und die Platte 20 die beiden Elektroden eines elektrostatischen Kraftstellglieds, wofür eine in Fig. 1 angedeutete elektrische Stellspannung U_Y maßgeblich ist. Die Stellspannung U_Y entsteht am Ausgang eines noch näher zu beschreibenden, in Fig. 3 erkennbaren PID-Reglers 18, dessen Ausgangsspannung in Fig. 1 mit 17b bezeichnet ist. Durch das mit Feldlinien 26 in Fig. 1 angedeutete elektrostatische Feld zwischen der membranseitigen Leiter-Teilzone 13 einerseits und der plattenseitigen Leiterfläche 23 andererseits wird die Membran 10 mit ihrer Leiter-Teilzone 13 so nahe an die Leiterspitze 24 heranbewegt, daß ein sogenannter "Tunnelstrom" fließt, der von der Spannungsquelle 17a geliefert und in Fig. 1 mit I_T bezeichnet ist. Dann liegt zwischen diesen Bauteilen 13, 24 ein Abstand 31 im Nanometerbereich vor, der nachfolgend kurz "Tunnelabstand" genannt und mit a_T bezeichnet werden soll.At the conductor sub-zone 13 of the membrane 10 , which is opposite to the conductor tip 24 , the one pole of a voltage source 17 a is connected via a connection 15 , which supplies an operating voltage U _T. A connection 25 belonging to the plate-side conductor surface 23 lies at the ground pole. In the vorlie case, the membrane 10 and the plate 20 form the two electrodes of an electrostatic force actuator, for which an electrical control voltage U _Y indicated in FIG. 1 is decisive. The control voltage U _Y arises at the output of a PID controller 18 , which can be described in more detail in FIG. 3 and whose output voltage is designated 17b in FIG. 1. Due to the electrostatic field indicated by field lines 26 in FIG. 1 between the membrane-side conductor subzone 13 on the one hand and the plate-side conductor surface 23 on the other hand, the membrane 10 with its conductor subzone 13 is moved so close to the conductor tip 24 that a so-called "tunnel current" flows, which is supplied by the voltage source 17 a and is designated in FIG. 1 with I _T. Then there is a distance 31 in the nanometer range between these components 13 , 24 , which is hereinafter referred to as "tunnel distance" and is to be referred to as a _T.

Dieser Tunnelstrom I_T ergibt sich aus der quantenmechanischen Unschärfere lation für den Ort eines Elektrons im Bereich eines z. B. an der Leiterspit ze 24 befindlichen Atoms. Dieser physikalische Effekt macht sich in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise bemerkbar. Im dortigen Diagramm ist anhand der Kurve 27 die Größe des Tunnelstroms I_T in Abhängigkeit vom Tunnelabstand a_T bei konstanter Betriebsspannung U_T veranschaulicht. Mit abnehmendem Tunnelabstand a_T nimmt der Tunnelstrom I_T exponentiell zu.This tunnel current I _T results from the quantum mechanical Unschärfere lation for the location of an electron in the area of z. B. at the head of ze 24 located atom. This physical effect is noticeable in the manner shown in FIG. 4. In the diagram there, curve 27 illustrates the magnitude of the tunnel current I _T as a function of the tunnel spacing a _T at a constant operating voltage U _T. With decreasing tunnel spacing a _T , the tunnel current I _T increases exponentially.

Wie bereits erwähnt wurde, ist der erfindungsgemäße Wandler Bestandteil eines Kraft-Regelkreises 30 gemäß Fig. 3. Ziel des Regelkreises 30 ist es, den Tunnelstrom I_T konstant zu halten, ihn also auf einem bestimmten, aus Fig. 4 ersichtlichen mittleren Sollwert I_TSoll zu halten. Dies erreicht man, indem man den Tunnelabstand auf den zugehörigen Sollwert a_TSoll von Fig. 4 konstant hält. Der Regelkreis 30 ist so bemessen, daß Störgrößen, wie Temperaturschwankungen oder Erschütterungen, die unterhalb eines nutzbaren Frequenzbereichs, also z. B. unterhalb der Hörschwelle liegen, auskompensiert werden.As mentioned above, transducers of the present invention part of a motor control circuit 30 according to Fig. 3. The purpose of the control circuit 30 is to keep the tunneling current I _{T is} constant, it therefore on a particular from Fig. 4 apparent average value I _Tset to keep. This is achieved by keeping the tunnel _distance constant at the associated setpoint a _TSoll from FIG. 4. The control circuit 30 is dimensioned so that disturbances, such as temperature fluctuations or vibrations, which are below a usable frequency range, that is to say, for. B. lie below the hearing threshold, are compensated.

Mit G1 in Fig. 3 ist das Übertragungsverhalten des Vorwärtskanals des Kraft-Regelkreises 30 bezeichnet. Ausgehend von einer Kraft-Vergleichsstelle 29, beschreibt das erste Glied 31 von G1 das elastische Verhalten der Membran 10, die unter einer definierten elastischen Vorspannung steht. Diese Vorspannung ist in Fig. 3 an der Kraft-Vergleichsstelle 29 mit der elastischen Vorspannkraft F₀ gekennzeichnet und auch in Fig. 1 durch einen ihre Wirkrichtung kennzeichnenden Pfeil F₀ veranschaulicht. Diese Vorspannkraft entsteht durch die zwischen den beiden Elektroden 10, 20 angelegte elektrische Spannung. Wie durch die Symbolik in diesem ersten Glied 31 im Vorwärtskanal G1 zum Ausdruck kommt, wirkt sich eine auf die Membran einwirkende Kraftdifferenz Δ F in einer entsprechenden Differenz des Tunnelabstands Δ a_T aus.The transmission behavior of the forward channel of the force control circuit 30 is designated by G1 in FIG. 3. Starting from a force comparison point 29 , the first link 31 of G1 describes the elastic behavior of the membrane 10 , which is under a defined elastic prestress. This pretension is identified in FIG. 3 at the force comparison point 29 with the elastic pretensioning force F₀ and also illustrated in FIG. 1 by an arrow F₀ characterizing its direction of action. This prestressing force arises from the electrical voltage applied between the two electrodes 10 , 20 . As expressed by the symbols in this first link 31 in the forward channel G1, a force difference Δ F acting on the membrane has an effect in a corresponding difference in the tunnel distance Δ a _T.

Das zweite Glied 32 im Vorwärtskanal G1 des Regelkreises 30 beschreibt den bereits erwähnten Tunnelstromeffekt. Die vorerwähnte Differenz des Tunnelabstands Δ a_T wirkt sich in einer Tunnelstrom-Differenz Δ I_T aus, was in Fig. 4 eingezeichnet ist. Durch den Kraft-Regelkreis 30 wird dafür gesorgt, daß sich nur infinitesimale Änderungen des Tunnelabstands a_T und damit des Tunnelstroms I_T ergeben. Das ist in Fig. 4 durch ein dicker gekennzeichnetes Kurvenstück der dortigen Tunnelstrom-Kurve 27 veran schaulicht, das praktisch durch die Kurven-Tangente bestimmt ist. Am Ausgang des zweiten Glieds 32 fällt der Tunnelstrom Δ I_T an und wird, mit negativem Vorzeichen, an der nachfolgenden Strom-Vergleichsstelle 56 mit dem gewünschten I_TSoll verglichen, welcher ein positives Vorzeichen hat. Der sich daraus ergebende Differenzwert des Tunnelstroms geht dann an das dritte Glied 33 von G₁, nämlich einen elektronischen Verstärker. Im elektronischen Verstärker 33 wird die Differenz des Tunnelstroms I_T in eine entsprechende elektrische Spannung U_X umgewandelt, welche, ausweislich des Ausgangspfeils in Fig. 3, zur weiteren Auswertung verwendet wird. Insgesamt ergibt sich also im Vorwärtskanal G₁ eine Verstärkung V₁ zwischen dem Kraft-Eingangssignal einerseits und einer als Ausgangssignal anfallenden elektrischen Spannung U_X andererseits.The second link 32 in the forward channel G1 of the control circuit 30 describes the tunnel current effect already mentioned. The aforementioned difference in the tunnel spacing Δ a _T has an effect in a tunnel current difference Δ I _T , which is shown in FIG. 4. The force control circuit 30 ensures that there are only infinitesimal changes in the tunnel spacing a _T and thus in the tunnel current I _T. This is illustrated in FIG. 4 by a thicker marked curve section of the tunnel current curve 27 there, which is practically determined by the curve tangent. At the output of the second link 32 , the tunnel current Δ I _{T occurs} and, with a negative sign, is compared at the subsequent current comparison point 56 with the desired I _{T target} , which has a positive sign. The resulting difference in the tunnel current then goes to the third link 33 of G₁, namely an electronic amplifier. In the electronic amplifier 33 , the difference in the tunnel current I _{T is converted} into a corresponding electrical voltage U _X , which, as shown by the output arrow in FIG. 3, is used for further evaluation. Overall, there is thus a gain V 1 in the forward channel G 1 between the force input signal on the one hand and an electrical voltage U _X occurring as the output signal on the other hand.

Dieser Sachverhalt ist in Fig. 5 durch den horizontalen Ast 38′ einer strichpunktierten Kennlinie verdeutlicht. Fig. 5 zeigt den Amplitudengang des Bode-Diagramms, als Betrag des Quotienten zwischen dem Spannungs- Ausgangssignal U_X und einer als Eingangssignal fungierenden Führungskraft F_W. Bei der mit 35 bezeichneten Stelle ist die variable Frequenz f gleich der Bezugsfrequenz f₀, die eine Frequenz von z. B. 20 Hz ist. Diese Füh rungskraft F_W ist auch in Fig. 1 eingezeichnet, und zwar als Resultierende des bereits erwähnten Schalldrucks 28. Die Benennung der Ordinate erfolgt in Dezibel. Die vorerwähnte Verstärkung V₁ bestimmt die Lage der Kennli nie 38′ in Fig. 5.This fact is illustrated in Fig. 5 by the horizontal branch 38 'a dash-dotted curve. Fig. 5 shows the amplitude response of the Bode diagram, as an amount of the quotient between the voltage output signal U _X and functioning as input signal guiding force F _W. At the point designated 35 , the variable frequency f is equal to the reference frequency f₀, which is a frequency of z. B. is 20 Hz. This guide force F _W is also shown in FIG. 1, as the resultant of the already mentioned sound pressure 28 . The ordinate is named in decibels. The aforementioned gain V₁ never determines the position of the Kennli 38 'in Fig. 5th

Dem Vorwärtskanal G1 im Kraftregelkreis 30 von Fig. 3 ist aber ein Gegen kopplungskanal G2 zugeordnet, dessen Übertragungsverhalten durch zwei weitere Glieder zu beschreiben ist. Das Spannungs-Ausgangssignal U_X wird dem bereits oben erwähnten PID-Regler 18 zugeführt, dessen I-Anteil den strichpunktiert im Bode-Diagramm von Fig. 5 verdeutlichten Knickver lauf 36′ unterhalb der bereits erwähnten unteren Grenzfrequenz 35 be stimmt. Dieser Kurvenverlauf 36′ und 38′ würde sich ergeben, wenn der Regler 18 nur ein Integrations-Regler wäre.The forward channel G1 in the force control circuit 30 of FIG. 3 is assigned a counter-coupling channel G2, the transmission behavior of which can be described by two further elements. The voltage output signal U _X is supplied to the already mentioned PID controller 18 , the I component of which is indicated by the dash-dot line in the Bode diagram in FIG. 5 and shows the buckling curve 36 'below the lower limit frequency 35 already mentioned. This curve course 36 'and 38 ' would result if the controller 18 were only an integration controller.

Nun ist aber, wie bereits erwähnt wurde, beim PID-Regler 18 auch ein P-Anteil wirksam, der die in Fig. 5 gezeigte Verstärkung des Wandlers erheblich reduziert und dadurch das Übertragungsverhalten im Vorwärtskanal G1 linearisiert. Das ergibt mit einem vom Regler 18 bestimmten Proportio nal-Verstärkungsfaktor V_P aus der vorerwähnten Verstärkung V₁ des Vor wärtskanals G1 eine Gesamt-Verstärkung V₀,However, as already mentioned, a P component is also effective in the PID controller 18 , which considerably reduces the gain of the converter shown in FIG. 5 and thereby linearizes the transmission behavior in the forward channel G1. This results in a proportional gain factor V _P determined by the controller 18 from the aforementioned gain V 1 of the forward channel G1, a total gain V₀,

V₀ = V₁ · V_P » 1. (1)V₀ = V₁V _P »1. (1)

Die Verstärkung V₁ liegt größenordnungsmäßig bei 10⁶ Volt pro Newton. Die Gesamtverstärkung V₀ liegt im Bereich zwischen 10² und 10³, ist also wesentlich größer als 1. Durch den P-Anteil des Reglers 18 wird die Verstärkung des Wandlers, bezogen auf die vorerwähnte Verstärkung V₁ auf den WertThe gain V₁ is of the order of 10⁶ volts per Newton. The total gain V₀ is in the range between 10² and 10³, so it is much greater than 1. By the P portion of the controller 18 , the gain of the converter, based on the aforementioned gain V₁ on the value

reduziert. Damit erniedrigt sich die Empfindlichkeit ca. um den Faktor 1/100, wodurch sich eine erhebliche Linearisierung für das Übertragungsver halten im Vorwärtskanal ergibt. Auf der Ausgangsseite des Reglers 18 erscheint die bereits erwähnte Stellspannung U_Y, die über ein elektrostati sches Kraftstellglied 34, gemäß Fig. 3, eine definierte Gegenkopplungskraft F_E auf die Membran ausübt und auch in Fig. 1 eingezeichnet ist. Diese Gegenkopplungskraft F_E ist der vorerwähnten elastischen Vorspannkraft F₀ zwar entgegen gerichtet, entsteht aber in analoger Weise, nämlich durch die zwischen die beiden Elektroden 10, 20 angelegte elektrische Stellspannung U_Y. Die Membran 10 ist kraftgefesselt und praktisch klirrfak torfrei; der Klirrfaktor in der Ausführungsform von Fig. 1 ist jedenfalls bei Vollaussteuerung kleiner als 2%. Die Amplitude des Spannungs- Ausgangssignals U_X ist um Größenordnungen kleiner als die für die Vorspan nung maßgebliche Betriebsspannung U_Y. Die Gegenkopplungskraft ergibt sich aus der quadratischen Beziehungreduced. This lowers the sensitivity by a factor of 1/100, which results in considerable linearization for the transmission behavior in the forward channel. On the output side of the regulator 18 , the already mentioned control voltage U _{Y appears} , which exerts a defined negative feedback force F _E on the membrane via an electrostatic force actuator 34 , as shown in FIG. 3, and is also shown in FIG. 1. This negative feedback force F _E is directed against the aforementioned elastic pretensioning force F₀, but arises in an analogous manner, namely through the electrical control voltage U _Y applied between the two electrodes 10 , 20 . The membrane 10 is force-locked and practically free of distortion; the distortion factor in the embodiment of FIG. 1 is in any case less than 2% at full modulation. The amplitude of the voltage output signal U _X is orders of magnitude smaller than the operating voltage U _Y relevant for the bias voltage. The negative feedback force results from the quadratic relationship

F_E∼(U_Y+U_X)² (3)F _E ∼ (U _Y + U _X ) ² (3)

Gemäß dem Bode-Diagramm von Fig. 5 wirkt sich der vorbeschriebene P-Anteil des Reglers 18 dadurch aus, daß sich die Arbeitskennlinie um den aus (2) entnehmbaren und in Fig. 5 eingetragenen Betrag reduziert und den durch eine Kennlinie 38 gekennzeichneten Verlauf einnimmt. Die vorbeschriebene Wirkung des I-Anteils bleibt, ausweislich des Knickverlaufs 36, erhalten und bewirkt die untere Grenzfrequenz 35. Im vorliegenden Fall gibt es aber noch einen D-Anteil beim Regler 18, der sich aus einer Vorhaltzeit ergibt. Das wirkt sich im Bode-Diagramm von Fig. 5 durch eine bei 39 eingezeichnete obere Grenzfrequenz aus. Diese Frequenz liegt oberhalb des interessierenden Nutzbereichs 40, z. B., bei Abgrenzung eines Hörbereichs, bei ca. 20 000 Hz. Oberhalb dieser Grenzfrequenz 39 erhält die Arbeitskennlinie 38 einen weiteren abwärts gerichteten Knickverlauf 41, gemäß Fig. 5. Zwischen den beiden Grenzfrequenzen 35, 39 liegt der Nutzbereich 40.According to the Bode diagram of FIG. 5, the above-described P component of the controller 18 has the effect that the working characteristic curve is reduced by the amount which can be seen in (2) and entered in FIG. 5 and takes the course characterized by a characteristic curve 38 . The above-described effect of the I component remains, as evidenced by the buckling curve 36 , and causes the lower limit frequency 35 . In the present case, however, there is still a D component in the controller 18 , which results from a lead time. This has an effect in the Bode diagram of FIG. 5 due to an upper cut-off frequency shown at 39. This frequency lies above the useful area 40 of interest, e.g. B., with delimitation of a listening area, at approximately 20,000 Hz. Above this cut-off frequency 39 , the working characteristic 38 receives a further downward kink curve 41 , according to FIG. 5. The useful range 40 lies between the two cut-off frequencies 35 , 39 .

Fällt kein mechanisches Eingangssignal 28 an, z. B. weil kein Schalldruck p wirkt oder keine Beschleunigung der Membran 10 relativ zur Platte 20 sich einstellt, dann fällt auch nicht im Membranschwerpunkt die in Fig. 1 und 3 veranschaulichte Führungskraft F_W an. Dann ist, ausweislich der Fig. 3, F₀ = F_E. Es liegt der Ruhefall vor. Wie bereits erwähnt wurde, sind F₀ und F_E einander entgegengerichtet, was in Fig. 3 durch entspre chende Vorzeichen der an der Kraft-Vergleichsstelle 29 eingezeichneten Kräfte zu erkennen ist.If there is no mechanical input signal 28 , e.g. B. because no sound pressure p acts or there is no acceleration of the membrane 10 relative to the plate 20 , then the guide force F _W illustrated in FIGS. 1 and 3 does not occur in the center of gravity of the membrane. Then, as shown in FIG. 3, F₀ = F _E. There is a case of rest. As already mentioned, F₀ and F _E are directed in opposite directions, which can be seen in FIG. 3 by corresponding signs of the forces drawn in at the force comparison point 29 .

Fällt bei der Membran 10 ein mechanisches Eingangssignal 28 an, so erzeugt diese im Flächenschwerpunkt der Membran die erwähnte Führungskraft F_W, die sich als Nutzsignal der konstanten Kraft F₀ überlagert. Diejenigen Frequenzen, die im vorbeschriebenen Bode-Diagramm von Fig. 5 unterhalb der Untergrenze 35 und oberhalb der Obergrenze 39 liegen, werden durch den Kraftregelkreis 30 ausgeregelt, während die Frequenzen im Nutzbereich 40 durch den Gegenkopplungskanal G2 soweit kompensiert werden, daß sich der gewünschte Dynamikbereich des elektromechanischen Wandlers einstellt. Damit wird auch die durch den beschriebenen Verstärker 33 des Regelkreises 30 zwangsweise gegebene Rauschquelle entsprechend runter gekoppelt. Wie bereits eingangs beschrieben wurde, wird bei der Erfindung die Lageabweichung der Membran 10, die in der Größenordnung von 10^-10 m liegt, durch die Stellkraft F_E gemäß der vorgenannten Proportional gleichung (3) kompensiert. Durch die vorbeschriebene Linearisierung im Gegenkopplungskanal G2 ist das elektrische Spannungs-Ausgangssignal U_X annähernd proportional der relativ kleinen Änderung der kompensierenden Gegenkopplungskraft F_E. Dies steht im Gegensatz zum bekannten Ausschlag verfahren von bekannten Kondensator-Mikrofonen, wo die Auslenkung der Kondensator-Membran über Änderungen der Kapazität in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Bei diesem bekannten Ausschlagverfahren liegen die Membran-Lageabweichungen bei ca. 10^-6 m, sind also um ca. 4 Zehner potenzen höher als bei der Erfindung, so daß bei dem bekannten Verfahren Nicht-Linearitäten anfallen, die zu einem beträchtlichen Klirrfaktor führen.If the membrane 10 has a mechanical input signal 28 , it generates the aforementioned guide force F _W in the center of gravity of the membrane, which is superimposed as a useful signal on the constant force F₀. The frequencies that are below the lower limit 35 and above the upper limit 39 in the above-described Bode diagram of FIG. 5 are controlled by the force control circuit 30 , while the frequencies in the useful range 40 are compensated by the negative feedback channel G2 to such an extent that the desired dynamic range of the electromechanical transducer. The noise source forcibly given by the described amplifier 33 of the control circuit 30 is accordingly coupled down accordingly. As already described at the beginning, the positional deviation of the membrane 10 , which is of the order of 10 ^-10 m, is compensated by the actuating force F _E according to the aforementioned proportional equation ( 3 ). Due to the linearization described above in the negative feedback channel G2, the electrical voltage output signal U _{X is} approximately proportional to the relatively small change in the compensating negative feedback force F _E. This is in contrast to the known deflection method of known condenser microphones, where the deflection of the condenser membrane is converted into an electrical signal via changes in the capacitance. In this known deflection method, the membrane positional deviations are approx. 10 ^-6 m, ie they are approximately 4 powers of ten higher than in the invention, so that non-linearities occur in the known method, which lead to a considerable distortion factor.

Wie bereits erwähnt wurde, zeigen Fig. 6 und 7 Modifikationen des bereits in Fig. 1 und 2 gezeigten, vorstehend beschriebenen Wandlers nach der Erfindung. Es gilt daher die bisherige Beschreibung, was sich durch die Verwendung der gleichen Bezugszeichen bemerkbar macht. Es genügt, ledig lich auf die Unterschiede in Fig. 6 und 7 einzugehen. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, daß, wie die Ansicht von Fig. 7 am besten erkennen läßt, der im Membranschwerpunkt liegende Zentralbezirk 43 der Membran 10, über Federglieder 42 elastisch nachgiebig mit den übrigen Membranteilen 44 verbunden ist. Die beim vorbeschriebenen Wandler vorge sehenen Teilzonen 13, 14 der Leiterflächen fallen mit der Gliederung der Membran 10 in Fig. 6 und 7 in den Zentralbezirk 43 und die übrigen Membranteile 44 zusammen.As already mentioned, FIGS. 6 and 7 show modifications of the converter according to the invention already described in FIGS. 1 and 2, described above. The previous description therefore applies, which becomes apparent through the use of the same reference symbols. It is sufficient to only deal with the differences in FIGS. 6 and 7. An essential difference is that, as can best be seen from the view of FIG. 7, the central region 43 of the membrane 10 , which is located in the center of the membrane, is elastically yieldingly connected to the other membrane parts 44 via spring members 42 . The provided in the above-described transducer sub-zones 13 , 14 of the conductor surfaces coincide with the structure of the membrane 10 in FIGS. 6 and 7 in the central district 43 and the other membrane portions 44 .

Die Federglieder 42 bestehen aus dem gleichen Material, wie die Membran 10 selbst, nämlich, entsprechend dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, aus Silizium, und entstehen dadurch, daß im Umfangsbereich des Zentralbe zirks 43 mehrere Durchbrüche 45 gesetzt werden. Diese Durchbrüche 45 werden durch mikromechanische Fertigungsmethoden, wie Fotobeschichten, Belichten, Ätzen usw., erzeugt. Es bleiben dann haarfeine Stege 46 zwischen den Durchbrüchen 45 stehen, welche dann, aufgrund der ihnen innewohnenden Federelastizität die vorbeschriebenen Federglieder 42 zur Aufhängung des Membran-Zentralbezirks 43 bilden. Damit wird ein Stoß-Schutz des in Fig. 6 und 7 gezeigten Wandlers erreicht. Fällt der Wandler beispielsweise zu Boden, so sorgen die Federglieder 42 für eine so nachgiebige Aufhängung des Membran-Zentralbezirks 43, daß die Leiterspitze 24 beim Auftreffen auf die gegenüberliegende Leiterfläche 13 nicht zerstört wird.The spring members 42 are made of the same material as the membrane 10 itself, namely, according to the described embodiment, made of silicon, and arise from the fact that in the circumferential region of the central area 43 several openings 45 are set. These openings 45 are produced by micromechanical production methods, such as photo coating, exposure, etching, etc. There then remain hair-thin webs 46 between the openings 45 , which then, due to the inherent spring elasticity, form the spring members 42 described above for suspending the membrane central region 43 . Shock protection of the transducer shown in FIGS. 6 and 7 is thus achieved. If the transducer falls to the ground, for example, the spring members 42 ensure that the membrane central region 43 is suspended so flexibly that the tip 24 of the conductor is not destroyed when it hits the opposite conductor surface 13 .

Im letzten Ausführungsbeispiel von Fig. 8 ist ein Wandler mit einer symme trischen Kraft-Gegenkopplung dargestellt. Auch in diesem Fall sollen zur Bezeichnung entsprechender Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, weshalb insoweit die bisherige Beschreibung gilt. Ein wesentlicher Unterschied zu Fig. 1 besteht darin, daß die Membran 10 zwischen zwei als ruhende Elektroden dienenden Platten 20, 20′ angeordnet ist, weshalb es sich jetzt um einen Drei-Elektroden-Wandler handelt.In the last embodiment of Fig. 8, a converter is shown with a symmetrical force negative feedback. In this case too, the same reference numerals should be used to designate corresponding components, which is why the previous description applies to this extent. A major difference from Fig. 1 is that the membrane 10 is arranged between two plates 20 , 20 'serving as resting electrodes, which is why it is now a three-electrode converter.

Die Membran 10 besteht im vorliegenden Fall aus einer beidseitig metalli sierten dünnen Polymer-Folie 47, könnte aber auch durch Pyrex-Glas ersetzt sein. Diese Folie 47 ist in Flächenkontakt mit zwei durch Ätzen profilier ten Siliziumscheiben 48, 49, die zum Aufbau der als ruhende Elektroden fungierenden Platten 20, 20′ dienen. In der einen Siliziumscheibe 48 ist ein Fensterdurchbruch 50 vorgesehen, der es einem z. B. durch Schalldruck anfallenden mechanischen Eingangssignal erlaubt, bis zu dem maßgeblichen Bereich der Membran 10 zu gelangen, wodurch die in Fig. 8 eingezeichnete Führungskraft F_W entsteht. Die gegenüberliegende Siliziumscheibe 49 ist dagegen, ähnlich wie der Wandler in Fig. 1, nur mit einer Aussparung 22 versehen, deren Aussparungsboden in analoger Weise mit der Leiterfläche 23 und der Leiterspitze 24 versehen ist. Dementsprechend besitzt auch die Membran 10 in Fig. 8 auf ihrer der Platte 20 zugekehrten Flächenseite die bereits beschriebenen beiden gegeneinander isolierten Leiterflächen- Teilzonen 13, 14.In the present case, the membrane 10 consists of a thin polymer film 47 metallized on both sides, but could also be replaced by Pyrex glass. This film 47 is in surface contact with two profiled by etching silicon wafers 48 , 49 , which serve to build up the plates 20 , 20 'acting as resting electrodes. In the one silicon wafer 48 , a window opening 50 is provided, which z. B. allowed by sound pressure mechanical input signal to get to the relevant area of the membrane 10 , whereby the guide force F _W shown in Fig. 8 is formed. The opposite silicon wafer 49 , on the other hand, is provided with a recess 22 , similar to the converter in FIG. 1, the recess bottom of which is provided in an analogous manner with the conductor surface 23 and the conductor tip 24 . Accordingly, the membrane 10 in FIG. 8 also has, on its surface side facing the plate 20 , the two conductor surface sub-zones 13 , 14 already insulated from one another.

Die weitere Besonderheit des Wandlers in Fig. 8 besteht darin, daß auch die andere Siliziumscheibe 48, ausgehend von ihrem Fensterdurchbruch 50, mit einer Aussparungsstufe 52 versehen ist. Der Aussparungsgrund ist mit einer elektrisch leitenden Fläche 53 versehen und die ihr zugekehrte Seite der Membran weist eine zweite, hier durchgehende Metallbeschichtung 51 auf. Es sollte auf einen weitgehend symmetrischen Aufbau der beidseiti gen Leiterflächen geachtet werden. Der durchgehenden Leiterfläche 23 der einen Platte 20 entspricht die durchgehende Leiterfläche 51 auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 10, während der membranseitige Leiter-Teilzone 14 eine entsprechend flächengleiche Leiterfläche 53 an der anderen Platte 20′ zugeordnet ist.Another special feature of the converter in FIG. 8 is that the other silicon wafer 48 , starting from its window opening 50 , is also provided with a recess step 52 . The recess base is provided with an electrically conductive surface 53 and the side of the membrane facing it has a second metal coating 51 which is continuous here. Attention should be paid to a largely symmetrical structure of the two-sided conductor surfaces. The continuous conductor surface 23 of one plate 20 corresponds to the continuous conductor surface 51 on the opposite side of the membrane 10 , while the membrane-side conductor sub-zone 14 is assigned a corresponding surface area 53 on the other plate 20 '.

Im vorliegenden Fall wird eine symmetrische Kraft-Gegenkopplung F1 und F2 erzielt, die sich aus zwei einander entgegengerichteten elektrischen Stellspannungen U_Y1 einerseits und U_Y2 andererseits gemäß Fig. 8 ergeben. In Analogie zu Fig. 1 sind die dafür maßgeblichen Spannungsquellen in Fig. 8 mit 17b′ und 17b′′ bezeichnet. Für die Stellspannung U_Y1 werden die bereits im ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 1 beschriebenen Anschlüs se 16, 25 verwendet; während für die Stellspannung U_Y2 die weiteren, aus Fig. 6 ersichtlichen Anschlüsse 54, 55 dienen, die zu den Leitflächen 53, 51 führen. Diese beiden Stellspannungen erzeugen zwischen den beiden Elektroden-Paaren 10, 20 einerseits und 10, 20′ andererseits die durch die Feldlinien 26 und 26′ in Fig. 6 veranschaulichte elektrostatische Felder. Damit ist die resultierende Rückstellkraft der Membran linear, d. h. propor tional zu der Ausgangsspannung U_X. Der Klirrfaktor ist in diesem Fall Null.In the present case, a symmetrical negative feedback force F1 and F2 is obtained, which result from two opposing electrical control voltages U _Y1 on the one hand and U _Y2 on the other hand according to FIG. 8. In analogy to Fig. 1, the relevant voltage sources are designated in Fig. 8 with 17b 'and 17b''. For the control voltage U _Y1 , the connections 16 , 25 already described in the first exemplary embodiment of FIG. 1 are used; while the other connections 54 , 55 shown in FIG. 6 serve for the control voltage U _Y2 and lead to the guide surfaces 53 , 51 . These two control voltages generate between the two pairs of electrodes 10 , 20 on the one hand and 10, 20 ' on the other hand, the electrostatic fields illustrated by the field lines 26 and 26 ' in Fig. 6. The resulting restoring force of the membrane is linear, ie proportional to the output voltage U _X. In this case the distortion factor is zero.

In Fig. 9 ist der zum Wandler von Fig. 8 gehörende Kraft-Regelkreis 30′ gezeigt. Dort liegt ein lineares Kraft-Stellglied 34 vor, das im zugehöri gen Blockschaltbild von Fig. 9 gezeigt ist.In Fig. 9 belonging to the converter of Fig. 8 force control circuit 30 'is shown. There is a linear force actuator 34 , which is shown in the associated block diagram of FIG. 9.

Soweit die Fig. 9 mit dem Blockschaltbild von Fig. 3 übereinstimmt, gilt die bisherige Beschreibung. Beim Kraftregelkreis 30′ von Fig. 9 gibt es noch eine Spannungs-Vergleichsstelle 57 zwischen den beiden Gliedern 18, 34 des Gegenkopplungskanals G₂. An dieser Spannungs-Vergleichsstelle 57 wird eine konstante Vorspannung U₀ eingeführt. Zwischen den vorerwähn ten Stellspannungen einerseits und der Vorspannung U₀ sowie der Ausgangs spannung U_X andererseits gilt:To the extent that FIG. 9 corresponds to the block diagram of FIG. 3, the previous description applies. In the force control circuit 30 'of Fig. 9 there is also a voltage comparison point 57 between the two members 18 , 34 of the negative feedback channel G₂. A constant bias voltage U 57 is introduced at this voltage comparison point 57 . Between the above-mentioned control voltages on the one hand and the bias voltage U₀ and the output voltage U _X on the other hand:

U_Y1 = U₀ - U_X
U_Y2 = U₀ + U_X. (4)U _Y1 = U₀ - U _X
U _Y2 = U₀ + U _X. (4)

Sofern die Randbedingung U_X < U₀ eingehalten wird, ist das elektrostatische Kraftstellglied 34 linear.If the boundary condition U _X <U₀ is met, the electrostatic force actuator 34 is linear.

BezugszeichenlisteReference list

10 elastisch nachgiebige Elektrode, Membran
11 Siliziumscheibe für 10
12 Fensterausschnitt in 11
13 Leiterfläche an 10, Teilzone
14 Leiterfläche an 10, Teilzone
15 Anschluß für 13
16 Anschluß für 14
17a Spannungsquelle für U_T
17b Spannungsquelle für U_Y
17b′ Spannungsquelle für U_Y1
17b′′ Spannungsquelle für U_Y2
18 PID-Regler
19 Isolation zwischen 13, 14
20 ruhende Elektrode, Platte
20′ weitere ruhende Elektrode, Platte (Fig. 8)
21 Glas-Substrat
22 Aussparungsstufe in 21 bzw. 49
23 Leiterfläche an 20
24 Leiterspitze an 23
25 Anschluß für 23 und 24
26 Feldlinie zwischen 14, 23
26′ Feldlinie zwischen 14, 53
27 Tunnelstrom-Kennlinie (Fig. 4)
28 mechanisches Eingangssignal, Schalldruck p
29 Kraft-Vergleichsstelle von 30
30 Kraft-Regelkreis (Fig. 3)
30′ Kraft-Regelkreis (Fig. 9)
31 erstes Übertragungsglied von G1 (elastisches Verhalten der Membran)
32 zweites Übertragungsglied von G1 (Tunnelstrom-Effekt)
33 drittes Übertragungsglied von G1, (elektronischer Verstärker)
34 elektro-statisches Kraftstellglied von 30
35 untere Grenzfrequenz (Fig. 5)
36 Knickverlauf von 38 mit PID-Regler (Fig. 5)
36′ Knickverlauf von 38′ mit I-Regler (Fig. 5)
37 Tangente im Arbeitspunkt (Fig. 4)
38 Amplitudengang des Regelkreises 30 mit PID-Regler (Fig. 5)
38′ Amplitudengang mit I-Regler
39 obere Grenzfrequenz (Fig. 5)
40 Nutzbereich von 38 (Fig. 5)
41 oberer Knickverlauf von 38 (Fig. 5)
42 Federglied (Fig. 7)
43 Zentralbezirk von 10 (Fig. 6, 7)
44 übriger Membranteil von 10 (Fig. 6, 7)
45 Durchbruch in 10
46 Federband für 42
47 Polymer-Folie für 10 (Fig. 8)
48 Siliziumscheibe (Fig. 8)
49 Siliziumscheibe (Fig. 8)
50 Fensterdurchbruch in 48
51 gegenüberliegende Metallbeschichtung von 10 (Fig. 8)
52 Aussparungsstufe in 48
53 Leiterfläche von 20′ (Fig. 8)
54 Anschluß für 53 (Fig. 8)
55 Anschluß für 51 (Fig. 8)
56 Strom-Vergleichsstelle (Fig. 3; 9)
57 Spannungs-Vergleichsstelle (Fig. 9)
a_T Tunnelabstand
Δ a_T Differenz des Tunnelabstands (Fig. 3, 4)
f variable Frequenz
f₀ Bezugsfrequenz
F₀ elastische Vorspannkraft der Membran
F₁ erste Kraftkomponente von F₀ (Fig. 8)
F₂ zweite Kraftkomponente von F₀ (Fig. 8)
Δ F Differenz der Eingangskraft bei 31
F_W Führungskraft (Fig. 1, 3)
F_E elektrostatische Gegenkopplungskraft (Fig. 1, 3)
G₁ Übertragungsverhalten des nicht gegengekoppelten Vorwärtskanals
G₂ Übertragungsverhalten des Gegenkopplungskanals
I_T Tunnelstrom
Δ I_T Differenz des Tunnelstroms
p Schalldruck (Fig. 1)
U₀ konstante Vorspannung
U_T Betriebsspannung
U_X Ausgangssignal, Ausgangsspannung (Fig. 3)
U_Y Stellspannung
U_Y1 erste Stellspannung
U_Y2 zweite Stellspannung
V₀ stationärer Schleifen-Verstärkungsfaktor von 30
V₁ Vorwärtsverstärkung von G₁, ohne G₂
V_P Proportional-Verstärkungsfaktor 10 resilient electrode, membrane
11 silicon wafer for 10
12 window detail in 11
13 conductor surface at 10, subzone
14 conductor surface at 10, sub-zone
15 connection for 13
16 connection for 14
17 a voltage source for U _T
17 b voltage source for U _Y
17 b ′ voltage source for U _Y1
17 b ′ ′ voltage source for U _Y2
18 PID controller
19 isolation between 13, 14
20 resting electrode, plate
20 ′ further resting electrode, plate ( Fig. 8)
21 glass substrate
22 recess level in 21 or 49
23 conductor surface on 20
24 conductor tip at 23
25 connection for 23 and 24
26 field line between 14, 23
26 ′ field line between 14, 53
27 tunnel current characteristic curve ( FIG. 4)
28 mechanical input signal, sound pressure p
29 force comparison point of 30
30 force control circuit ( Fig. 3)
30 ' force control circuit ( Fig. 9)
31 first transmission element of G1 (elastic behavior of the membrane)
32 second transmission element of G1 (tunnel current effect)
33 third transmission element of G1, (electronic amplifier)
34 electrostatic force actuator of 30
35 lower limit frequency ( Fig. 5)
36 buckling curve of 38 with PID controller ( FIG. 5)
36 ′ buckling curve from 38 ′ with I controller ( FIG. 5)
37 tangent at the working point ( FIG. 4)
38 amplitude response of the control circuit 30 with PID controller ( FIG. 5)
38 ' amplitude response with I controller
39 upper limit frequency ( FIG. 5)
40 useful area of 38 ( Fig. 5)
41 upper buckling curve of 38 ( FIG. 5)
42 spring link ( FIG. 7)
43 central district of 10 ( Fig. 6, 7)
44 remaining membrane part of 10 ( Fig. 6, 7)
45 breakthrough in 10
46 spring band for 42
47 polymer film for 10 ( Fig. 8)
48 silicon wafer ( FIG. 8)
49 silicon wafer ( FIG. 8)
50 window breakthrough in 48
51 opposing metal coating of 10 ( Fig. 8)
52 recess level in 48
53 conductor area of 20 '( Fig. 8)
54 connection for 53 ( Fig. 8)
55 connection for 51 ( Fig. 8)
56 current reference junction ( Fig. 3; 9)
57 voltage reference junction ( Fig. 9)
a _T tunnel distance
Δ a _T difference in tunnel spacing ( FIGS. 3, 4)
f variable frequency
f₀ reference frequency
For elastic prestressing force of the membrane
F₁ first force component of F₀ ( Fig. 8)
F₂ second force component of F₀ ( Fig. 8)
Δ F difference in input force at 31
F _W manager ( Fig. 1, 3)
F _E electrostatic negative feedback force ( Fig. 1, 3)
G₁ transmission behavior of the non-negative feedback forward channel
G₂ transmission behavior of the negative feedback channel
I _T tunnel current
Δ I _T difference in tunnel current
p sound pressure ( Fig. 1)
U₀ constant preload
U _T operating voltage
U _X output signal, output voltage ( Fig. 3)
U _Y control voltage
U _Y1 first control voltage
U _Y2 second control voltage
V₀ stationary loop gain factor of 30
V₁ forward gain of G₁, without G₂
V _P Proportional gain

Claims

1. Electromechanical transducer, e.g. B. microphone, with a rigid electrode, namely a plate ( 20 ),
and with an elastically flexible electrode adjacent to the plate ( 20 ), namely a membrane ( 10 ),
which by a mechanical input signal ( 28 ), for. B. a sound pressure (p) or a membrane acceleration, relative to the plate ( 20 ) is movable,
and both electrodes ( 10 , 20 ) have electrically conductive surfaces (Leiterflä surfaces 13, 14; 23), between which
on the one hand there is an electrical operating voltage (U _T ) and on the other hand an electrical output signal is generated by the membrane movement,
characterized,
that at least the conductor surface of one electrode, e.g. B. that of the plate ( 20 ) is provided with an electrically conductive tip (tip 24) which against the conductor surface ( 13 ) of the opposite electrode, z. B. that of the membrane ( 10 ),
wherein at least the conductor surface of one electrode, e.g. B. that of the membrane ( 10 ), is divided into at least two mutually electrically insulated sub-zones ( 13 , 14 )
and the operating voltage (U _T ) is only present at that sub-zone ( 13 ) of the articulated conductor surface which either carries the conductor tip ( 24 ) or interacts with it,
while an actuating voltage (U _Y ) is present between the other sub-zone ( 14 ) of the structured conductor surface of this electrode ( 10 ) and the conductor surface ( 23 ) of the opposite electrode ( 20 ),
which generates an electrostatic attraction (F _E ) between the electrodes ( 10 , 20 ) and brings the membrane ( 10 ) so close to the plate ( 20 ) until - due to the operating voltage (U _T ) - in the area of the conductor tip ( 24 ) a tunnel current (I _T ) flows between the conductor surfaces ( 13 , 23 ) of the two electrodes ( 10 , 20 ),
and this tunnel current (I _T ) generates the electrical output signal (U _X ) to be evaluated by means of an electronic amplifier ( 33 ).

2. Converter according to claim 1, characterized by a control circuit ( 30 ) which - for generating a defined tunnel current (I _T ) - in the area of the conductor tip ( 24 ) the distance (tunnel distance a _T ) between the two electrodes ( 10 , 20 ) keeps constant.

3. Converter according to claim 2, characterized by a force control circuit ( 30 ) with an electrostatic force actuator ( 34 ) which adjusts the tunnel distance (a _T ) between the two electrodes ( 10 , 20 ).

4. Transducer according to claim 3, characterized in that the membrane ( 10 ) is on the one hand elastically prestressed and is under a defined prestressing force (F,), but on the other hand experiences a negative feedback force (F _E ) from the force actuator ( 33 ) of the control circuit ( 30 ), which is opposite to the preload (F₀).

5. Transducer according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the mechanical input signal ( 28 ) exerts a guide force (F _W ) on the membrane ( 10 ), which is rectified with the biasing force (F₀), but acts counter to the negative coupling force (F _E ).

6. A converter according to claim 4 or 5, characterized in that the negative feedback force (F _E ) consists of an electrostatic restoring force acting on one side on the membrane ( 10 ), which by the control voltage (U _Y ) between the two electrodes ( 10 , 20 ) is generated (see FIG. 1).

7. Converter according to one or more of claims 4 to 6, characterized in that the negative feedback force (F _E ) as a resultant of two bilaterally acting on the membrane ( 10 ) acting electrostatic force components (F₁, F₂) is generated, which act opposite to each other , (see Fig. 8).

8. Transducer according to claim 7, characterized in that the membrane between two with its own conductor surfaces ( 23 ; 53 ) provided plates ( 20 , 20 ') is arranged and in turn on its two membrane sides has two independent conductor surfaces ( 13 , 14 ; 51 ) , wherein between two bilateral membrane guide surfaces ( 14 ; 51 ) and plate conductor surfaces ( 23 ; 53 ) two actuating voltages (U _Y1 , U _Y2 ) are present, which are the two mutually opposing force components (F₁, F₂) for the resulting negative feedback force Generate (F _E ) of the membrane ( 10 ) (see FIG. 8).

9. Converter according to one or more of claims 3 to 8, characterized in that the mechanical input signal ( 28 ) on the membrane ( 10 ) exerted guide force (F _W ) in the forward channel (G1) of the force control loop via the elastic behavior of the Membrane ( 10 ) influences the tunnel spacing (a _T ) and thereby controls the corresponding tunnel current (I _T ) and the tunnel current (I _T ) is fed to an electronic amplifier ( 33 ), which supplies an electrical voltage (U _X ) as the output signal to be evaluated.

10. Converter according to one or more of claims 3 to 9, characterized in that in the negative feedback channel (G2) of the force control circuit at least one PI controller ( 18 ) is connected upstream of the force actuator ( 34 ), the PI controller ( 18 ) from Output signal (U _x ) is applied and the P component of the controller ( 18 ) reduces the gain of the converter and linearizes the transmission behavior in the forward channel (G1), while the I component of the controller ( 18 ) is below a lower limit ( 35 ) regulates frequencies when modulating the converter.

11. Converter according to claim 10, characterized in that the force actuator ( 34 ) is preceded by a PID controller ( 18 ), the D portion of which limits the usable modulation range of the converter upwards and which are beyond an upper limit ( 39 ) Frequen zen adjusted.

12. Transducer according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that - as a shock-protection of the conductor tip (24) - which serves for conducting the tunneling current (I _T) sub-district (43) of Mem bran by spring members (42) is connected to the other membrane parts (see FIG. 7).

13. A transducer according to claim 12, characterized in that the membrane in the peripheral region of its subdivision serving to conduct the tunnel current ( 43 ) is provided with openings ( 45 ) between which thin webs ( 46 ) formed from the membrane material remain and these Crosspieces ( 46 ) serve as spring members ( 42 ) for shock protection of the conductor tip ( 24 ).

14. Transducer according to one or more of claims 1 to 13, characterized in that the elastic membrane ( 10 ) is clamped on the edge and the center of gravity of the membrane surface either carries the conductor tip ( 24 ) itself or cooperates with it.

15. Converter according to one or more of claims 1 to 14, characterized characterized in that the converter by means of micromechanical manufacturing methods is established.

16. A transducer according to claim 15, characterized in that the membrane ( 10 ) and / or the plate ( 20 ) of the transducer are produced by etching and coating disk-shaped semiconductor materials ( 11 ; 48 , 49 ), for. B. from mono- or polycrystalline silicon.

17. Converter according to one or more of claims 1 to 16, characterized in that the membrane ( 10 ) consists of a metal-coated glass pane ( 21 ), (see FIG. 1).

18. Converter according to one or more of claims 1 to 16, characterized in that the membrane ( 10 ) consists of a metal-coated plastic film ( 47 ), (see. Fig. 8).

19. Converter according to one or more of claims 1 to 18, characterized in that the conductor tip ( 24 ) is generated by means of laser-induced CVD noble metal deposition.