FR2769164A1 - Dispositif micro electrostatique a interface circuit integre - Google Patents

Abstract

Dispositif micro électrostatique à interface circuit intégré : L'invention concerne un dispositif interfaçant les signaux électriques en provenance d'un micro électrostatique, utilisant directement un circuit intégré.Il est constitué d'un micro électrostatique avec ses deux armatures, la membrane (1) et la contre électrode (2), une liaison conductrice (3) reliant une armature à une entrée du circuit intégré (5). Il peut s'intégrer dans un ensemble fonctionnel comprenant : un boîtier (6), les liaisons au boîtier (7), les lignes d'alimentation (8), les sorties du circuit intégré (9), des composants associés au circuit intégré (10), une ligne de polarisation éventuelle (11). L'invention est particulièrement destinée à des applications industrielles en électronique et en électroacoustique.

Description

La présente invention concerne un dispositif interface pour un microphone électrostatique. Les applications de ce dispositif intéressent l'électronique: systèmes électroniques réagissants aux perturbations acoustiques et l'électroacoustique: capsules microphones.

L'industrie fabrique actuellement des capsules microphones électrostatiques à effet électret intégrant dans leurs boitiers un premier étage de préamplification ou d'adaptation d'impédance, constitué par un transistor à effet de champ, réalisant la charge du transducteur capacitif. Ces capsules se présentent sous la forme d'un composant électronique discret avec deux connexions pour être implanté sur un circuit électronique.

Le transducteur capacitif est une source de signal électrique de très haute impédance, que l'étage préamplificateur à effet de champ peut amplifier, car l'impédance d'entrée de cet étage est elle-même très supérieure à celle du transducteur capacitif. La capsule met à la disposition via ses connexions, d'une électronique externe, des signaux d'impédance beaucoup plus basse que celle du transducteur, mais cet étage de préamplification logé dans la capsule, fonctionne, d'une part en amplificateur classe A, dont le rendement est mauvais, mais aussi avec les inconvénients liés à l'utilisation d'un tel étage (gain non constant dépendant des paramètres de chaque transistor). Une amplification classe A se traduit par une consommation maximale au repos, c'est à dire en l'absence de signal provenant du transducteur. Le gain en courant est considérable mais la tension de sortie est très faible, inutilisable sans un deuxième étage amplificateur externe.

L'invention évite les inconvénients d'un étage amplificateur à effet de champ.

Un but de l'invention est la réalisation d'une capsule microphone miniature dont la consommation en énergie électrique est plusieurs dizaines de fois moindre aue les capsules existantes. avec en serssective la fabrication )de systèmes électroniques en veille permanente, réagissant aux perturbations acoustiques (sons, infrasons, ultrasons). D'autres possibilités sont la construction de capsules microphones avec d'autres propriétés intégrées (gain constant d'une capsule à l'autre, tension de sortie significative, filtrage intégré).
Le dispositif selon l'invention comprend un microphone électrostatique.

Le principe de ce microphone repose sur le principe du couplage électrostatique. Deux armatures métalliques ou conductrices face à face, forment un condensateur plan. une armature est fixe (contre électrode) (FIG. 1-2.) et l'autre est mobile (membrane) (FIG. 1-1.). La partie mobile est soumise
à une pression acoustique, se déplace et entraine une variation de la capacité interélectrode. Les armatures étant soumises à une différence de potentiel, la variation de capacité entraine une variation de charge et donc du courant qui parcourt le circuit. Une résistance en série permet de receuillir les variations de courant.

Le dispositif comprend un circuit intégré électronique (FIG. 1-5.). Un circuit intégré est un ensemble d'éléments électroniques actifs et passifs groupés et interconnectés par construction même, intégré dans un meme boiter. L'ensemble d'éléments constituants le circuit intégré communique avec l'extérieur du boitier par l'intermédiaire de connexions (FIG. 1-3.) qui sont soit des entrées de signaux, des sorties de signaux, soit des signaux de contrôle ou des lignes d'alimentations.

Selon l'invention il existe une liaison conductrice (FIG. 1-4.) dans le dispositif qui relie électriquement une des armatures du microphone électrostatique (membrane ou contre électrode) à une connexion du circuit intégré. Cette liaison peut être réalisée par contact entre l'armature concernée et la connexion du circuit intégré, ou par une soudure, ou bien encore par l'intermédiaire d'un conducteur intercalé, ou bien encore par un autre moyen pourvu que la liaison soit conductrice. La liaison conductrice est un conducteur: c'est à dire par définition, un corps à l'intérieur duquel des charges peuvent se déplacer sous l'action d'un champ électrique même très faible; on dit qu' un conducteur contient des charges suceptibles de se déplacer en transportant de l'électricité.

Deux précisions concernant la liaison sont importantes. La liaison ne comporte pas d'éléments électroniques actifs: transistor à effet de champ, etc..

Elle doit être la plus courte possible pour ne pas capter de parasites électromagnétiques.

Un ensemble fonctionnel peut intégrer ce dispositif: un boitier (FIG. 1 6.), des liaisons conductrices au boitier (FIG. 1-7.), des lignes d'alimentation électrique (FIG. 1-8.), les connexions de sortie du circuit intégré (FIG. 1-9.), les composants associés au circuit intégré (FIG. 1-10.), une ligne de polarisation éventuelle du microphone (FIG. 1-11.). Cet ensemble peut être intégré dans un autre ensemble plus vaste pour créer une application.

Selon un autre mode de réalisation la liaison conductrice (FIG. 2-3.) ne passe plus par les connexions du circuit intégré mais elle se fait par une liaison conductrice avec la zone du semi-conducteur pouvant être métallisée (FIG. 2-4.) constituant une entrée de signal pour la puce du circuit intégré (FIG. 2-5.).

Selon encore un autre mode de réalisation le microphone électrostatique constitue un élément d'un circuit électronique hybride. Le circuit hybride et le microphone électrostatique constituent associés, le dispositif selon l'invention. On distingue deux catégories de circuits intégrés: les circuits intégrés monolithiques qui ne comprennent à l'intérieur du boitier qu'un seul morceau de semi-conducteur (silicium, arséniure de gallium,etc) ou puce; les circuits intégrés hybrides: sur un substrat isolant (céramique ou autres matières) on effectue des dépôts métalliques ou isolants et ensuite on soude des éléments actifs minuscules cristaux de semi-conducteurs non encapsulés ni enrobés ; les éléments actifs peuvent être des puces complexes. Le microphone électrostatique miniature est relié au circuit comme un autre élément actif. La technologie de ces composants évolue sans cesse ainsi que la manière de réaliser les connexions. (fils d'or fixés par thermocompression).

Selon un autre mode de réalisation la liaison conductrice passe par l'intermédiaire d'un ou plusieurs composants électroniques passsifs: résistances, self ou inductances, condensateurs. Seuls les signaux alternatifs peuvent traverser un condensateur, la liaison est conductrice pour les signaux alternatifs et plus pour les signaux continus dans ce cas. Les éléments électroniques passifs sont soit des composants électroniques discrets: résistances, condensateurs, selfs, réseaux constitués par des ensembles de résistances de condensateurs ou de selfs, soit des composants intégrés dans la structure réalisant des fonctions analogues. Les éléments électroniques passifs ne comportent pas une fonction amplificatrice.

Le circuit intégré associé peut comprendre au moins deux éléments électroniques actifs (transistors à effet de champ ou transistor bipolaire etc).

Un transistor et une résistance dans le même boitier peuvent être à la rigueur être appelés "un circuit intégré" mais s'il réalise une fonction ampli lficatrice il doit forcément fonctionner en classe A. (Un élément électronique actif comporte une fonction amplificatrice de signaux)
Le circuit intégré comprend au moins trois éléments électroniques actifs dans sa puce. La plupart des circuits intégrés comporte plus de trois éléments électroniques actifs.

Le circuit intégré comprend un amplificateur opérationnel. Un amplificateur opérationnel possède les propriétés suivantes: un gain élevé et négatif, une grande impédance d'entrée, une faible impédance de sortie, une bande passante aussi large que possible, la possibilité d'établir une forte contrereaction entre la sortie et l'entrée. De nombreux amplificateurs opération -nels aux performances variées sont disponibles dans le commerce. La réalisation d'une capsule microphone comme application industrielle utilise un amplificateur opérationnel.

Selon un mode de réalisation le microphone électrostatique est un microphone à effet électret. n y a deux types de microphones électrostatiques: - à membrane polarisée par une polarisation externe - à membrane prépolarisée (électrets).

Le principe du microphone à électret est identique à celui du microphone électrostatique à polarisation externe. La seule différence est due au fait que la polarisation n'est plus assurée par une source de tension extérieure mais par la polarisation permanente de l'un des éléments constitutifs du transducteur. lly a trois types de microphones à électret: microphone à membrane en électret microphone à diélectrique en électret microphone à contre électrode en électret.

La ligne de polarisation (FIG. 1-11.) n'est plus nécessaire. La réalisation décrite à la fin de ce brevet utilise un microphone à contre électrode à èlectret.

Une des applications industrielles de ce brevet est la réalisation d'une capsule à micro électrostatique à effet électret et à amplificateur opérationnel ultra faible consommation, bon marché. Ce système peut remplacer fa cilemment les capsules existantes, sa consommation étant plusieurs dizaines de fois inférieure. Un fabricant étranger produit actuellement par mois une quinzaine de millions de capsules avec préampli transistor à effet de de champ, à destination d'équipements portables alimentés par batterie.

(marché du téléphone portable).

Cette capsule peut se combiner avec une électronique basse consommation pour former des appareils électroacoustiques et augmenter le rendement de l'ensemble (prothèse auditives, commande vocale).

Cette capsule peut être associée à une électronique de traitement du signal basse consommation: détection de seuil de signal, filtrage en fréquence...

Des appareils indépendants et portables ( alimentés par piles ou par batteries ou cellules solaires ), miniaturisés, analysant les perturbations acoustiques en permanence ou pendant de longue périodes par utilisation du principe du brevet sont possibles.

Ils peuvent être associés utilement à des capteurs pyroélectriques pour éliminer les fausses alarmes...

On peut encore fabriquer des micros avec une alimentation inamovible ou bien des systèmes qui peuvent être réveillés par un son particulier pour la surveillance des structures.

Les dessins annexés illustrent l'invention: - la figure 1 représente en coupe, le dispositif selon l'invention.

- la figure 2 représente en coupe, le dispositif selon l'invention selon une variante.

- la figure 3 représente en coupe la réalisation d'une capsule microphone.

- la figure 4 la vue de dessus intérieure de la réalisation d'une capsule microphone. la figure 5 le schéma électrique de la réalisation d'une capsule microphone.

La figure 1 est décrite dans l'abrégé.

La figure 2 représente une variante du dispositif: Le microphone électrostatique a sa contre électrode (FIG. 2-2.) reliée à la zone du semiconducteur (FIG. 24.) constituant une entrée de signal de la puce du circuit intégré (FIG. 2-5.). Les autres numéros ont la même légende que pour la figure 1
Les figures 3,4,5 représentent une réalisation selon l'invention: une capsule à micro électrostatique à effet électret et à préampli circuit intégré à amplificateur opérationnel ultra basse consommation électrique avec mitension.

Le microphone électrostatique (FIG. 3-1.) (FIG. 3-2.) est relié au boitier conducteur (FIG. 3-5.) ou masse (FIG. 3-20.) et à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel (FIG. 3-15.) utilisé en contre réaction de tension qui consiste à injecter sur l'entrée inverseuse (FIG. 3-16.) une fraction de la tension de sortie (FIG. 3-18) fixée par les résistances (FIG. 3-22.)
R1, et (FIG. 3-23.) R2; dans ce cas le gain est pratiquement constant égal à (Rl+R2)/Ri. Le gain en tension est positif et la résistance d'entrée est considérable. La résistance série (FIG. 3-21.) très élevée permet de recueil lir les variations de courant du transducteur. Une variation de courant dans la résistance provoque une variation de tension correspondant à l'excitation du transducteur à l'entrée non inverseuse (FIG. 3-15.) du circuit intégré, autour de la tension de repos (FIG. 3-19.) ,mi-tension entre la tension d'alimentation (FIG. 3-17.) et la masse (FIG. 3-20.) réalisée par utilisation de deux piles de 1,5Volt à des fins de stabilité de la tension en réduisant la résistance de source et la consommation de courant, augmentée s'il avait fallu adjoindre un dispositif stabilisateur de tension. La liaison (FIG. 3-9.) doit être aussi courte que possible pour limiter les effets capacitifs indési -rables et les parasites électromagnétiques dus aux champs électriques externes au boitier qui lui même constitue un blindage. Le montage testé sans résistance de charge extérieure consomme 9 micro-ampères.

LEGENDE FIGURE 3,4,5:
1) membrane (diam. lOmm)
2) contre électrode
3) électret
4) support contre électrode
( transducteur disponible chez constructeur)
5) boitier conducteur
6) anneau conducteur
7) isolant séparateur
8) feutre
9) fil conducteur 10) soudure 11) espace inter électrode(quelques microns d'épaisseur) 12) circuit intégré (TLC27L2CP TEXAS INSTRUM.) 13) circuit imprimé 14) blindage 15) entrée non inverseuse repliée 16) entrée inverseuse 17) tension positive alimentation 18) sortie signal 19) mi-tension 20) masse 21) résistance série (100 MOHMS) 22) résistance R1 ( 50 KOHMS) 23) résistance R2 ( 1 MOHM) 24) piles (2 fois 1,5 VOLTS) 25) amplificateur opérationnel deux par boitier) 26) connexion masse-boitier 27) évents du microphone

Claims (8)

1. REVENDICATIONS 1) Dispositif électroacoustique d'exploitation des signaux électriques d'un microphone caractérisé en ce qu'il comprend un microphone électrostatique, dont la membrane (1) ou la contre électrode (2) est reliée à une connexion d'entrée de signal (4) d'un circuit intégré (5) par une liaison conductrice (3).
2. 2) Dispositif électroacoustique d'exploitation des signaux électriques d'un microphone caractérisé ence qu'il comprend un microphone électrostatique dont la membrane (1) ou la contre électrode (2) est reliée à la zone du semiconducteur constituant une entrée de signal (4) de la puce du circuit intégré (5) par une liaison conductrice (3).(numéros en référence à FIG.2)
3. 3) Dispositif électroacoustique d'exploitation des signaux électriques d'un microphone caractérisé en ce qu'il comprend un microphone électrostatique constituant un élément d'un circuit intégré hybride.
4. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la liaison conductrice est réalisée par un ou plusieurs composants électroniques passifs:résistances, inductances, condensateurs.
5. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit intégré associé est composé par au moins deux éléments électroniques actifs.
6. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit intégré associé est composé par au moins trois éléments électroniques actifs.
7. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit intégré comprend un amplificateur opérationnel.
8. 8) 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes carac- térisé en ce que le microphone électrostatique est un microphone à électret.