KR20020087204A - An ultra-small microphone using metal-coated polyvinylidene fluoride film as diaphragm - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 음향 기기에 관한 것으로, 특히 마이크로폰에 관한 것이며,더 자세히는 이소불화비닐 (polyvinylidene fluoride, PVDF) 필름을 진동판으로 사용한 초소형 마이크로폰에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to sound equipment, and more particularly, to a microphone, and more particularly, to a micro microphone using a polyvinylidene fluoride (PVDF) film as a diaphragm.
마이크로폰은 원리적으로 콘덴서 마이크로폰과 다이나믹 마이크로 나눌 수 있으며, 지향성에 따라서는 무지향, 양지향, 단일지향, 가변지향성, 초지향성 마이크로폰으로 분류할 수 있다.Microphones can be divided into condenser microphones and dynamic microphones in principle, and can be classified into omnidirectional, bidirectional, unidirectional, variable directional, and superdirectional microphones depending on directivity.
이 중 콘덴서 마이크로폰은 콘덴서 양극에서 진동판이 정지 위치와 이동한 거리에 비례하는 전압이 발생하는데, 이 전압을 증폭기로 증폭시키는 원리를 이용하는 것이다. 즉, 평판 전극을 마주보게 한 콘덴서의 원리를 응용한 것으로, 평판 전극 중 한쪽 판을 진동판으로 하여, 이 진동판에 음악이나 소리가 전달되면 진동판이 진동하게 되고, 그 진동으로 인하여 콘덴서의 용량이 변하게 되며, 그 결과로 소리의 변화를 전기적 신호로 바꿀 수 있다.Among them, the condenser microphone generates a voltage which is proportional to the distance that the diaphragm moves to the stop position at the condenser anode. That is, the principle of the condenser facing the plate electrode is applied, and one plate of the plate electrode is used as the diaphragm, and when the music or sound is transmitted to the diaphragm, the diaphragm vibrates, and the capacitance of the condenser changes due to the vibration. As a result, a change in sound can be converted into an electrical signal.
콘덴서의 용량은 마주보는 두 전극의 면적에 비례하고 전극간 거리에 반비례하기 때문에 유입된 음파가 전하가 대전된 콘덴서의 한쪽 판에 진동을 주고 이 진동에 의한 미세한 변화가 콘덴서의 용량의 변화를 유발하고 그에 따라 부하저항에 흐르는 전류가 변화하게 된다.Since the capacitance of the capacitor is proportional to the area of two electrodes facing each other and inversely proportional to the distance between the electrodes, the incoming sound waves vibrate one plate of the charged-charged capacitor, and the minute change caused by the vibration causes the capacitor's capacity to change. As a result, the current flowing in the load resistance changes.
첨부된 도면 도 1은 종래기술에 따른 콘덴서 마이크로폰의 분해 사시도이다.1 is an exploded perspective view of a condenser microphone according to the related art.
도 1을 참조하면, 콘덴서 마이크로폰은 인쇄회로기판(PCB)(101)과, 정전용량의 변화에 따른 전위 변화를 전기신호로 변환하기 위한 전계효과 트랜지스터(102)와, 그 상하부의 각 구성 부품을 지지하기 위한 베이스(base)(103)와, 다수의 관통홀을 구비한 배극판(polar)(107)과, 유입되는 음파에 의해 진동하는진동판(diaphragm)(107)과, 배극판(107)과 진동판(107) 사이에 공간을 제공하기 위한 스페이서(spacer)(106)와, 음파 유입구(110)가 천공된 케이스(109)와, 진동판(107)과 케이스(109) 사이에 제공되는 배극판 링(polar ring)(108)으로 구성된다. 여기서, 배극판(107)과 인쇄회로기판(101)을 전기적으로 연결하기 위한 연결 링은 베이스(103)의 내주면에 제공되며, 본 도면에서는 도시하지 않았다.Referring to FIG. 1, a condenser microphone includes a printed circuit board (PCB) 101, a field effect transistor 102 for converting a potential change according to a change in capacitance into an electric signal, and components of the upper and lower parts thereof. A base 103 for supporting, a polarizing plate 107 having a plurality of through holes, a diaphragm 107 vibrating by incoming sound waves, and a bipolar plate 107. A spacer 106 for providing a space between the diaphragm and the diaphragm 107, a case 109 in which the sound wave inlet 110 is perforated, and a bipolar plate provided between the diaphragm 107 and the case 109. It consists of a polar ring 108. Here, the connection ring for electrically connecting the bipolar plate 107 and the printed circuit board 101 is provided on the inner circumferential surface of the base 103, not shown in this figure.
한편, 진동판(107)은 전극으로서의 역할과 진동체로서의 역할을 수행해야 하기 때문에 금속 박막(주로, 티타늄)을 사용하고 있다.On the other hand, the diaphragm 107 uses a metal thin film (mainly titanium) because it has to play a role as an electrode and a vibrating body.
그런데, 상기와 같은 콘덴서 마이크로폰은 배극판(107)과 스페이서(106)를 가지고 있어 마이크로폰을 소형화하는데 한계가 있으며, 주파수 대역이 좁고 음압이 일정하지 않은 문제점을 가지고 있었다.However, the condenser microphone as described above has a limitation in miniaturizing the microphone because it has a bipolar plate 107 and a spacer 106, and has a problem that the frequency band is narrow and the sound pressure is not constant.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 소형화가 가능하며 주파수 대역이 넓고 음압이 일정한 초소형 마이크로폰을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed in order to solve the problems of the prior art as described above, and its object is to provide a miniaturized microphone having a wide frequency band and a constant sound pressure.
도 1은 종래기술에 따른 콘덴서 마이크로폰의 분해 사시도.1 is an exploded perspective view of a condenser microphone according to the prior art;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 마이크로폰의 단면도.2 is a cross-sectional view of a micro microphone according to an embodiment of the present invention.
도 3은 상기 도 2의 마이크로폰의 회로도.3 is a circuit diagram of the microphone of FIG.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
11 : 배극판 링12 : PVDF 필름11: bipolar plate ring 12: PVDF film
13 : 금속막14 : 베이스13 metal film 14 base
15 : 연결 링16 : 인쇄회로기판15: connecting ring 16: printed circuit board
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 초소형 마이크로폰에 있어서, 그 일 주면에 음파 유입구를 구비한 하우징; 상기 하우징의 일 주면의 모서리를 따라 제공되는 배극판 링; 상기 배극판 링에 의해 지지되어 진동판으로 작용하는 이소불화비닐 필름; 상기 이소불화비닐 필름의 양 표면에 코팅된 금속막; 상기 금속막이 코팅된 상기 이소불화비닐 필름에 인가된 음파에 대응하는 전기 신호를 생성하기 위한 회로가 집적된 인쇄회로기판; 상기 금속막이 코팅된 상기 이소불화비닐 필름과 상기 인쇄회로기판을 전기적으로 연결하기 위한 연결 링; 및 상기 금속막이 코팅된 상기 이소불화비닐 필름과 상기 인쇄회로기판 사이에 배치되어 상기 구성품들을 지지하기 위한 베이스를 구비하는 마이크로폰이 제공 된다.According to an aspect of the present invention for achieving the above technical problem, a micro microphone, comprising: a housing having a sound wave inlet on one main surface thereof; A bipolar plate ring provided along an edge of one main surface of the housing; A vinyl isofluoride film supported by the bipolar plate ring and acting as a diaphragm; Metal films coated on both surfaces of the vinyl isofluoride film; A printed circuit board having integrated circuits for generating electrical signals corresponding to sound waves applied to the vinyl isofluoride film coated with the metal film; A connection ring for electrically connecting the vinyl isofluoride film coated with the metal film to the printed circuit board; And a base disposed between the vinyl isofluoride film coated with the metal film and the printed circuit board to support the components.
또한, 상기 인쇄회로기판 집적된 회로는, 상기 연결 링을 통해 인가된 신호를 게이트 입력으로 하여 그에 대응하는 전류를 출력하기 위한 전계효과 트랜지스터; 공급전원과 상기 전계효과 트랜지스터의 출력단 사이에 접속된 제1 입력 저항; 상기 전계효과 트랜지스터의 출력단에 그 일단이 접속된 콘덴서; 상기 콘덴서에 걸린 전압을 증폭하여 출력하기 위한 임베디드 증폭기; 및 상기 공급전원과 상기 임베디드 증폭기 사이에 접속된 제2 입력 저항을 구비하는 것을 특징으로 한다.The printed circuit board integrated circuit may further include a field effect transistor configured to output a current corresponding to a signal applied through the connection ring as a gate input; A first input resistor connected between a supply power supply and an output terminal of said field effect transistor; A capacitor having one end connected to an output terminal of the field effect transistor; An embedded amplifier for amplifying and outputting a voltage applied to the capacitor; And a second input resistor connected between the power supply and the embedded amplifier.
또한, 상기 금속막은 Au, Ag, Ni, Ti 중 어느 하나를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the metal film is characterized in that it comprises any one of Au, Ag, Ni, Ti.
또한, 상기 임베디드 증폭기는, 그 베이스가 상기 콘덴서의 타단에 연결되고, 그 콜렉터가 상기 제2 입력저항에 연결된 제1 바이폴라접합 트랜지스터와, 그 베이스가 상기 제1 바이폴라접합 트랜지스터의 에미터에 연결되고, 상기 제1 바이폴라접합 트랜지스터와 공통 콜렉터를 이루며, 그 에미터가 접지된 제2 바이폴라접합 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 한다.The embedded amplifier further includes a first bipolar junction transistor whose base is connected to the other end of the capacitor, whose collector is connected to the second input resistor, and whose base is connected to the emitter of the first bipolar junction transistor. And a second bipolar junction transistor which forms a common collector with the first bipolar junction transistor and whose emitter is grounded.
이소불화비닐(PVDF)은 대표적인 압전 물질(piezoelectric material) 중의 하나로서 압전 센서, 액츄에이터(actuator), 트랜스듀서(transducer) 등에 필름 형태로 사용되고 있다[대한민국 공개특허공보 제1999-0082641호 참조]. PVDF 필름의 압전 특성은 PVDF 필름 제조시 분극화 과정을 통해 인가된 전계와 쌍극자(dipoles)를 얼라인(align) 시킴으로서 생성되며, PVDF 필름의 양면에 도전성 물질을 코팅하여 사용한다. 본 발명은 이러한 PVDF 필름을 초소형 마이크로폰의 진동판으로 사용하는 것이며, 이에 따라 기존의 콘덴서 마이크로폰에서 배극자와 스페이서를 배제할 수 있어 콘덴서 마이크로폰의 크기를 크게 줄일 수 있다. PVDF 필름에 음파가 인가되면 필름의 형태가 변하게 되고, 그에 따라 필름 양 표면에 얼라인된 쌍극자의 이동이 발행하며, 그에따라 기전력이 바뀌게 되는것이다. 한편 PVDF 필름의 주파수 대역이 넓고 일정한 주파수 특성을 가진다는 것은 이미 논문 등에서 입증되어 있다.Vinyl isofluoride (PVDF) is one of the typical piezoelectric materials (piezoelectric material) is used in the form of a film such as a piezoelectric sensor, an actuator (actuator), a transducer (transducer) (see Republic of Korea Patent Publication No. 1999-0082641). The piezoelectric properties of PVDF films are produced by aligning applied electric fields and dipoles through polarization in the manufacture of PVDF films, and coating the conductive materials on both sides of the PVDF film. The present invention uses such a PVDF film as a diaphragm of a micro microphone, and accordingly, a capacitor and a spacer can be excluded from a conventional condenser microphone, thereby greatly reducing the size of the condenser microphone. When sound waves are applied to the PVDF film, the shape of the film changes, thereby causing the movement of the dipoles aligned on both surfaces of the film, and thus the electromotive force is changed accordingly. On the other hand, the frequency band of PVDF film has a wide frequency and constant frequency characteristics.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be introduced in order to enable those skilled in the art to more easily carry out the present invention.
첨부된 도면 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 마이크로폰의 단면도로서, 그 전체적인 구조는 도 1에 도시된 종래의 콘덴서 마이크로폰과 같이 원기둥 형태를 가진다.2 is a cross-sectional view of a micro microphone according to an embodiment of the present invention, the overall structure of which has a cylindrical shape as in the conventional condenser microphone shown in FIG.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 초소형 마이크로폰은, 그 저면에 음파 유입구(17)가 천공된 케이스(10)와, 케이스(10) 저면의 모서리를 따라 제공되는 배극판 링(11)과, 배극판 링(11)에 의해 지지되어 케이스(10) 저면의 상부에 오버랩되도록 제공되어 진동판으로 작용하는 PVDF 필름(12)과, 그 상부 및 하부에 제공되는 구성 부품을 지지하기 위한 베이스(14)와, 베이스(14) 상부에 제공되며 콘덴서(C1), 전계효과 트랜지스터(FET), 저항(R1, R2) 및 임베디드 증폭기(AMP)가 집적된 인쇄회로기판(PCB)(16)과, 베이스(14)의 내주면 부분에 제공되며, PVDF 필름(12)과 인쇄회로기판(16)을 전기적으로 연결하기 위한 연결 링(15)을 구비한다.Referring to FIG. 2, the micro microphone according to the present exemplary embodiment includes a case 10 having a sound wave inlet 17 perforated at a bottom thereof, and a bipolar plate ring 11 provided along an edge of a bottom of the case 10. And a PVDF film 12 which is supported by the bipolar plate ring 11 and overlaps the upper portion of the bottom of the case 10 and acts as a diaphragm, and a base 14 for supporting the component parts provided at the upper and lower portions thereof. A printed circuit board (PCB) 16 provided on the base 14 and having an integrated capacitor C1, a field effect transistor (FET), resistors R1, R2, and an embedded amplifier (AMP); It is provided on the inner circumferential surface portion of 14 and has a connection ring 15 for electrically connecting the PVDF film 12 and the printed circuit board 16.
여기서, PVDF 필름(12)은 필름 제조 과정에서 그 표면에 쌍극자가 얼라인된 상태이며, 그 양면에 금속막(13)을 코팅한 상태이다. 금속막(13)은 Au, Ag, Ni, Ti 등을 사용하여 형성할 수 있다.Here, the PVDF film 12 is in a state in which dipoles are aligned on the surface of the film manufacturing process, and the metal film 13 is coated on both surfaces thereof. The metal film 13 can be formed using Au, Ag, Ni, Ti, or the like.
한편, 케이스(10)는 인쇄회로기판(16)의 일부를 제외한 나머지 부분을 감싸 고정하도록 하며, 그 재질은 알루미늄(Al)이다.Meanwhile, the case 10 surrounds and fixes the remaining portions except for a part of the printed circuit board 16, and the material is aluminum (Al).
첨부된 도면 도 3은 상기 도 2의 초소형 마이크로폰의 회로도이다.3 is a circuit diagram of the micro microphone of FIG. 2.
도 3을 참조하면, 초소형 마이크로폰은 접지전원에 그 일단이 연결된 가변 콘덴서(Cv)와, 그의 타단을 게이트 입력으로 하여 입력 전압에 대응하는 전류를 출력하기 위한 전계효과 트랜지스터(FET)(그 일단이 접지전원에 연결됨)와, 공급전원(Vs)과 전계효과 트랜지스터(FET)의 타단 사이에 접속된 입력 저항(R1)과, 전계효과 트랜지스터(FET)의 타단에 그 일단이 연결된 고정 콘덴서(C1)와, 고정 콘덴서(C1)에 걸린 전압을 증폭하여 출력전압(Vo)을 생성하기 위한 임베디드증폭기(AMP)와, 공급전원(Vs)과 임베디드 증폭기(AMP) 사이에 접속된 입력 저항(R2)로 구성된다.Referring to FIG. 3, a micro microphone has a variable capacitor (Cv) having one end connected to a ground power supply, and a field effect transistor (FET) for outputting a current corresponding to an input voltage with the other end thereof as a gate input. Connected to a ground power supply), an input resistor R1 connected between the supply power supply Vs and the other end of the field effect transistor FET, and a fixed capacitor C1 having one end connected to the other end of the field effect transistor FET. And an embedded amplifier (AMP) for amplifying the voltage applied to the fixed capacitor (C1) to generate an output voltage (Vo), and an input resistor (R2) connected between the supply power supply (Vs) and the embedded amplifier (AMP). It is composed.
여기서, 임베디드 증폭기(AMP)는 소위 달링턴 구성(darlington configuration)이라 불리는 2개의 NPN 바이폴라접합 트랜지스터(Q1, Q2)로 구성하였다.Here, the embedded amplifier AMP is composed of two NPN bipolar junction transistors Q1 and Q2, which are called a darlington configuration.
한편, 가변 콘덴서(Cv)는 상기 도 2에서 PVDF 필름(12)과 그 양면에 코팅된 금속막(13)으로 구현된 것이다. 즉, PVDF 필름(12) 자체가 기 전력을 유발하는 유전체로 작용하고 그 양면에 코팅된 금속막(13)이 전극으로 작용하는 진동판으로 구성하게 된다.Meanwhile, the variable capacitor Cv is implemented by the PVDF film 12 and the metal film 13 coated on both surfaces thereof in FIG. 2. That is, the PVDF film 12 itself acts as a dielectric that induces electromotive force, and the metal film 13 coated on both surfaces thereof constitutes a diaphragm acting as an electrode.
음파 유입구(17)를 통해 PVDF 필름(12)에 음파가 인가되면 필름의 형태가 변하게 되고, 그에 따라 필름 양 표면에 얼라인된 쌍극자의 이동이 발행하며, 그에 따라 가변 콘덴서(Cv)에 걸리는 전압이 바뀌게 된다. 이와 같은 전압의 변화는 전계효과 트랜지스터(FET)에 흐르는 전류량을 변화시켜 고정 캐패시터(C1)의 전위를 변화시키게 되고, 이러한 전위의 변화를 임베디드 증폭기(AMP)에서 증폭시킨다. 이처럼 임베디드 증폭기(AMP)를 두는 것은 PVDF 필름(12)에 의해 감지된 신호가 매우 미약하기 때문에 본 발명에 따른 초소형 마이크로폰 자체의 증폭 과정이 필요하기 때문이다.When sound waves are applied to the PVDF film 12 through the sound wave inlet 17, the shape of the film is changed, thereby causing the movement of the dipoles aligned on both surfaces of the film, and thus the voltage applied to the variable capacitor Cv. Will change. Such a change in voltage changes the amount of current flowing through the field effect transistor FET to change the potential of the fixed capacitor C1 and amplifies the change in the potential in the embedded amplifier AMP. Such an embedded amplifier (AMP) is because the signal sensed by the PVDF film 12 is very weak because the amplification process of the micro microphone according to the present invention is required.
상기와 같이 금속막(13)이 코팅된 PVDF 필름(12)을 사용하는 경우, 초소형 마이크로폰에서 배극판과 스페이서를 배제할 수 있기 때문에 마이크로폰의 높이를 기존의 2.7mm에서 0.8mm까지 줄일 수 있게 되며, 콘덴서 마이크로폰의 직경을 기존의 2/3로 축소할 수 있게 된다.When the PVDF film 12 coated with the metal film 13 is used as described above, the height of the microphone can be reduced from 2.7 mm to 0.8 mm because the bipolar plate and the spacer can be excluded from the micro microphone. As a result, the diameter of the condenser microphone can be reduced to 2/3 of the existing diameter.
한편, PVDF 필름(12)은 주파수 대역이 넓고 일정한 주파수 특성을 가진다는 것은 이미 논문 등을 통해 입증되어 있어 초소형 마이크로폰의 주파수 대역 또한 넓으며 고른 음질을 출력할 수 있게 된다[IBM SYSTEMS JOURNAL, VOL 35, NOS 3&4, 1996 참조].On the other hand, PVDF film 12 has a wide frequency band and has a constant frequency characteristics has already been proved in the paper, such that the frequency band of the micro microphone is also wide and can output a uniform sound quality [IBM SYSTEMS JOURNAL, VOL 35 , NOS 3 & 4, 1996].
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.
예컨대, 전술한 실시예에서는 임베디스 증폭기(AMP)를 달링턴 구성을 사용하여 구현하였으나, 본 발명은 이를 배제하거나, 전류 소모가 적은 다른 형태의 증폭기로 구현하는 경우에도 적용된다.For example, in the above-described embodiment, the embedded amplifier AMP is implemented using a Darlington configuration, but the present invention is applied to the case of excluding this or implementing another type of amplifier with low current consumption.
기존의 콘덴서 마이크로폰은 동일한 전하량을 유입시킬 수 없으므로 동일한 감도를 갖는 마이크로폰의 제공이 불가능하였으나 전술한 본 발명은 압전 물질인 PVDF 필름을 진동판으로 사용함으로써 마이크로폰의 크기를 극소화시키는 효과 및 주파수 대역폭을 늘리고 동일한 감도의 마이크로폰을 제공할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.Conventional condenser microphones cannot induce the same charge amount, so it is impossible to provide microphones with the same sensitivity. However, the present invention uses the piezoelectric PVDF film as a diaphragm to minimize the size of the microphone and increase the frequency bandwidth and the same. The effect of providing a microphone of sensitivity can be expected.
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