FI59190B - Omvandlare foer mikrofon eller liknande och foerfarande foer dess framstaellning - Google Patents

Description

R5F*1 m (l1)ltUU.LUTU*|ULKAieU CQ1Qn

JB&& 1 J ' ; UTLÄCONINOSSKRIFT 0 * 7 V

5¾¾ C «« Patentti ray Sr. rv:· tty 10 06 1931 ^ Patent meddelat ^ T ^ (51) Kv.lk?/tet.CL3 H 04 H 17/02 SUOMI—FINLAND (21) fW«ih»k*mo.-P**n««.6fcn<nf 703956 (22) Halnmlv«l«ft —AMBIminHac 21.12.78 ^ * (23) Alkupllvi—CIWghMadai 21.12.78 (41) T«Hut (iriklMlal—BNvlt off«ntll( 22 ¢)6 80 «tint- och rtgirterstyralMn ' ' AmMcan utta|d och «UkrlftM puWk*r»d 27.02.8l (32)(33)(31) iyrdatqr «notku»—B«g«H priorlut (71) Ab. Godenhielm & Co Oy., Vänrikki Stoolinkatu 10 a 2k, 00100 Helsinki 10, Suomi-Finland(FI) (72) Bertil Godenhielm, Helsinki, Suomi-Finland(FI) (7*0 Oy Roister Ab (5*0 Muunnin mikrofonia tai sentapaista varten ja menetelmä sen valmistamiseksi - Omvandlare för mikrofon eller liknande och förfarande för dess framstalining Tämä keksintö koskee muunninta mikrofonia tai sentapaista varten, joka muunnin on pietsosähköinen taivutusmuunnin. Keksinnön kohteena on myös menetelmä muuntimen valmistamiseksi.

Viime vuosikymmenenä on pietsosähköisen ilmiön hyväksikäyttö muissakin kuin suodatin- ja resonaattorisovellutuksissa lisääntynyt huomattavasti. Tämä johtuu osaksi uusien materiaalien käyttöönotosta, osaksi valmistustekniikassa tapahtuneesta voimakkaasta kehityksestä. Varsinkin ultraäänitaajuuksilla pietsosähköisten muuntamien käyttö on yleistä. Tässä taajuusalueessa voidaan käyttää hyväksi elementin mekaanisia resonansseja, jolloin hyötysuhde on suuri, jopa kymmeniä prosentteja.

Audiotaajuuksilla ultraäänitekniikassa sovellettujen paksuus-ja pituusmuuntimien toiminta on jokseenkin tehotonta pienen taajuuden ja väliaineen ja muuntimen välisen suuren impedanssieron vuoksi.

I < 59190

Pientaajuusmuuntimen toiminta perustuukin yleensä taivutusmuodon hyväksikäyttöön.

Kuvio 1 esittää mikrofoneissa yleistä keraamista ns. bimorfia. Siinä polarisaatio vaihtaa elementin keskitasossa suuntaa. Jos muunnin on yksikiteinen, voidaan taivutuselementti valmistaa kuviossa 2 esitetyn periaatteen mukaisesti. Kentän ollessa palkin ylä- ja alapuoliskossa vastakkaissuuntainen on x^-akselin suuntaisen venymän etumerkki eri palkin ylä- ja alaosassa seurauksena palkin taipuminen.

Keksinnön kohteena on alussa mainittua lajia oleva muunnin, jolle on pääasiassa tunnusomaista, että muunnin koostuu kahdesta palkista, jotka ovat päistään yhdistetyt toisiinsa muodostaen yhden kappaleen. Tällaisella muuntimellä on suurempien ominaistaajuuksien osuus paljon pienempi kuin kuvioiden 1 ja 2 mukaisilla, toisesta päästään tuetuilla muuntimilla ja muuntimen dynaaminen massa on huomattavan pieni. Sen varausvaste on kaksinkertainen kuvan 1 muuntimeen verrattuna, jolloin on otettu huomioon, että toisesta päästään jäykästi kiinnitetyn muuntimen on oltava puolet lyhyempi kuin keskeltä kiinnitetyn, jotta ne mahtuisivat samaan tilaan.

Muuntimen valmistusmenetelmälle on puolestaan tunnusomaista, että kide päällystetään metallikalvolla, elektrodikuvio etsataan tähän kalvoon etsataan kiteen ääriviivat, minkä jälkeen kide etsataan selektiivisesti käyttäen sen pinnassa olevaa ohutkalvoa maskina ja lopuksi maskina ollut kalvo poistetaan, niin että jäljelle jää elektrodikuvio.

Keksinnön mukaista muunninta selitetään seuraavassa tarkemmin oheiseen piirustukseen viitaten, jossa kuviot 1 ja 2 esittävät tunnettuja muunnintyyppejä perspektiivikuvina, kuvio 3 esittää keksinnön mukaisella muuntimella varustettua kidemikrofonia pystyleikkauksena, kuvio U esittää keksinnön mukaisessa mikrofonissa käytettävää muunninta perspekt iivikuvana, kuvio 5 esittää muunninelementtiä impulssivastetta laskettaessa, ja kuvio 6 esittää kuvion U mukaisen muuntimen impulssivastetta (a, b) ja tunnetun muuntimen impulssivastetta (c).

59190 3

Kuvion 3 mukaisessa mikrofonissa on lieriömäisen rungon ja etu- ja takakannen välissä tukilevy 8, jonka rakoon on sovitettu keksinnön mukainen muunnin 9· Muuntimen ja etuontelon 10 välissä on kalvo 11, jonka reunat tukeutuvat tukilevyyn ja jonka kartiomainen keskikohta painaa etujäänityksellä muuntimen yläpalkkia vasten yhdestä pisteestä. Tukilevyn alapintaan on kiinnitetty FET-transistori 12.

Kuvion 1» esittämässä pietsosähköiseen kidemikrofoniin tarkoitetussa taivu-tusmuuntimessa on yläpalkki 1 ja alapalkki 2, jotka on kummastakin päästään yhdistetty toisiinsa kaarevien siltojen 3 ja 1* avulla. Palkkien pinnalle on sovitettu elektrodit 5 ja 6 kuvion osoittamalla tavalla siten, että kumpikin elektrodi sijaitsee kummankin palkin pinnalla. Kuviossa k on myös esitetty muuntimen sähkökytkentä. Muunnin on kvartsia.

Mikrofonin kalvon tai vastaavan painaessa muunninta vasten nuolen F suunnassa taipuu muunnin aiheuttaen muutoksia jännitteessä V.

Riittävän mekaanisen lujuuden saavuttamiseksi muuntimen paksuuden tulee olla vähintään luokkaa 25 ^im. Tästä johtuen muuntimen impedanssitaso on korkea, jolloin impedanssiepäsovitusta vahvistimeen kvartsin ollessa materiaalina ei voida välttää.

Alarajakulmataajuuden ti) = - = G /(C + C ) (jossa C * muuntimen sähkökapasi- LA pp AA h iij tanssi ja G^ = vahvistimen tuloadmittanssi) yläpuolella mikrofonin herkkyydeksi saadaan tällöin s = 2o ig (V-1L2L) ♦ 20 1« ω

p 1 V E A

jossa = vahvistimen sisäänmenokapasitanssi Vq on se jännite, joka saadaan muun-timesta avoimeen piiriin ja p on vapaan äänikentän paine.

Pienikohinaisen JFET-vahvistimen sisäänmeno impedanssi on luokkaa 1-5 pF. Halkaisijaltaan 5 mm mikrofonissa muuntimen mitoiksi tulee 1 = 2 mm, w * 0,5 mm ja t = 25 jom. Kapasitanssiksi saadaan näin 1,6 pF. Epäsovitus vahvistimeen on siis -h - -12 dB. Avoimen piirin herkkyydeksi saadaan -65 dB (re 1 V/0,1 Pa).

Dynaamisen alueen alaraja

Leq * 20 18 <δ^) - S- 4 59190 jossa on painotettu kohinajännite vahvistimen sisääntulossa, määräytyy lähinnä JFET:n kanavan termisen kohinan mukaan. Pientaajui-nen generaatio-rekombinaatiokohina ei juuri vaikuta A-painotettuun kohinatasoon.

Jos valkoisen kohinan taso on 75 nV/ Hz, saadaan dynaamisen alueen alarajaksi noin 40 dB.

Vahvistimessa syntyvä särö on niin pientä, ettei se juuri rajoita dynaamista aluetta. Epälineaarisuus johtuu osittain muunti-men korkeamman vapausasteen muodonmuutoksista, osittain kalvon mahdollisesta epälineaarisesta toiminnasta.

Poikkeaman impulssivastetta laskettaessa voidaan käyttää kuvion 5 mukaista elementtiä, joka on sähköisesti ja meekanisesti kuormitettu. Tässä mekaaninen piiri kuvaa esimerkiksi mikrofonin kalvon ja väliaineen yhteisvaikutusta ja sähköinen piiri suuri-impedanssi-sen vahvistimen sisäänmenoa. Tästä elementistä voidaan laskea ominaisfunktiot. Mitä korkeammasta taajuudesta on kyse, sitä enemmän ominaisfunktio muistuttaa sinifunktiota.

Kuviossa 6 on esitetty poikkeaman impulssivaste (a), varauksen impulssivaste (b), molemmat vaimentamattomia, sekä vertailun vuoksi toisesta päästään kiinteästi tuetun palkin poikkeaman vaimen-tamaton impulssivaste (c). Käyriä vertaamalla voidaan todeta, että keksinnön mukaisessa muuntimessa on suurempien ominaistaajuuksien osuus paljon pienempi kuin tunnetussa yksipalkkisessa muuntimessa, mikä on edullista.

Keksinnön mukaisen muuntimen dynaaminen massa on vain noin 38 % kokonaismassasta. Tämä on varsin vähän, kun otetaan huomioon, että pelkän vapaasti ripustetun palkin dynaaminen massa on yhtä suuri kuin todellinen massa.

Keksinnön mukainen muunnin valmistetaan seuraavalla tavalla.

Muunnin tehdään selektiivisesti etsaamalla esim. noin 25 ^um:n paksuisesta NT-leikatusta kiillotetusta kvartsilevystä. Käytetyn fotolitografisen menetelmän pääpiirteet ovat seuraavat. Ensin päällystetään kide tyhjöhöyrystämällä kromia ja kultaa molemmin puolin yhtäaikaa, jolloin metallikalvon ja kvartsin väliset jännitykset kumoutuvat eikä kide taivu.

Elektrodikuvio valmistetaan selektiivisesti etsaamalla, jonka jälkeen päällystetään kide uudelleen ja etsataan kalvoon kiteen 1 *>>(' ,1 ^ 59190 ääriviivat. Tämän jälkeen kvartsi etsataan selektiivisesti käyttäen sen pinnassa olevaa ohutkalvoa maskina, jonka jälkeen maskina ollut kalvo poistetaan ja jäljelle jää elektrodikuvio.

Muunnin voidaan kontaktoida kylmähitsaamalla käyttäen esim.

25 yum:n vahvuista kultalankaa ja sen jälkeen se kiinnitetään liimaamalla kalvoon ja tukipisteeseen. Muuntimen esijännittämiseksi voidaan mikrofonin kalvo esipainaa noin 2 mm vesipatsaan paineella.

Kuten edellä on mainittu, on keksinnön mukainen muunnin kvartsia. Vaikka tällä aineella on pieni kytkentäkerroin ja permittivi-teetti, on keksinnön mukainen muunnin osoittautunut käyttökelpoiseksi. Esimerkkinä voidaan mainita, että kuvion 3 mukaisesti rakennetun mikrofonin 4 kHz herkkyydeksi on saatu 24 mV/Pa, jota on pidettävä riittävänä.

Keksintö ei rajoitu vain kvartsin käyttöön muuntimen raaka-aineena, vaan muunnin voidaan valmistaa muistakin aineista, joilla on vastaavat ominaisuudet.

i m .* '