RU2334964C1

RU2334964C1 - Measuring condenser microphone of sound pressure and method of its assembly

Info

Publication number: RU2334964C1
Application number: RU2007105036/28A
Authority: RU
Inventors: н Акоп Айрапетович Казар (RU); Акоп Айрапетович Казарян; Николай Алексеевич Езеев (RU); Николай Алексеевич Езеев; Александр Никифорович Шестопалов (RU); Александр Никифорович Шестопалов
Priority date: 2007-02-12
Filing date: 2007-02-12
Publication date: 2008-09-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention is related to measurement equipment and may be used for measurement of sound pressure in aviation equipment, machine building, in any branch of economy. Measuring condenser microphone (MCM) consists of packet of capacitance sensitive elements (CSE). CSE consists membrane, response backward electrode, which is isolated from screen with dielectric film. Between screen and back electrode ring made of dielectric is installed. Cavity behind membrane is connected with volume of capsule with support openings. Assembled packet is adhered with glue with rigid disk in local points. Membrane, screen, casing, rigid disk made of metal, on which CSE is rested, and symmetrical protective mesh are connected between each other. Signal is read from backward electrode via single-terminal slot. Packet of CSE is formed, layers are fixed with glue between each other, kept under pressure of 30-35 kg/cm² at 160-170°C and duration of keeping of 50-60 min. MCM is kept under effect of temperature of 170-200°C for several tens of minutes. Sound pressure is set that exceeds nominal one 1.2-1.5 times. MCM is intended for measurement of sound pressure and meets established requirements.

EFFECT: reduction of microphone prime cost at the account of simplification of design and assembly technology.

2 cl_,2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения звукового давления в авиационной технике, машиностроении, в любой отрасли народного хозяйства (без ограничений).The invention relates to measuring equipment and can be used to measure sound pressure in aircraft, engineering, in any sector of the national economy (without restrictions).

Известна упрощенная конструкция измерительного конденсаторного микрофона, содержащего неподвижный электрод (задний электрод), мембрану, держатель. Мембрана отклоняется под действием давления. При этом возможны два основных случая:Known simplified design of a measuring condenser microphone containing a fixed electrode (rear electrode), a membrane, a holder. The membrane deflects under pressure. In this case, two main cases are possible:

1. Отклонение тонкой мембраны с пренебрежимо малой жесткостью на изгиб.1. Deviation of a thin membrane with negligible bending stiffness.

2. Отклонение защемленной мембраны с толщиной, значительно меньшей размера диаметра, но обладающей значительной жесткостью на изгиб.2. The deviation of the pinched membrane with a thickness significantly smaller than the diameter, but with significant bending stiffness.

Для изготовления измерительных конденсаторных микрофонов предусмотрено дополнительное устройство.An additional device is provided for the manufacture of measuring condenser microphones.

Это устройство состоит из тонкой пластины круглой формы, закрепленной по периферии, зажимной кольцевой гайки, скрепляющих колец и колец, припаиваемых к мембране и натягивающих последнюю. Измерительный конденсаторный микрофон позволяет измерять статическое и динамическое давление на поверхности исследуемого объекта [Г.П.Нуберт. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. Л.: Энергия. 1978, 368 с. §3-4. Чувствительные элементы датчиков давления, стр.51-56, рис.3-19. §§4.4 Емкостные преобразователи, стр.255-259, рисунок 4-124; 4-125].This device consists of a thin round plate fixed around the periphery, a clamping ring nut, fastening rings and rings, soldered to the membrane and tensioning the latter. Measuring condenser microphone allows you to measure static and dynamic pressure on the surface of the investigated object [G.P. Nubert. Measuring converters of non-electric quantities. L .: Energy. 1978, 368 p. § 3-4. Sensitive elements of pressure sensors, pp. 51-56, Fig. 3-19. §§4.4 Capacitive converters, pp. 255-259, Figure 4-124; 4-125].

Недостатки этого устройства заключаются в том, что оно имеет высокую стоимость, низкую надежность за счет сложности сборки и натяга мембраны конденсаторного микрофона.The disadvantages of this device are that it has a high cost, low reliability due to the complexity of the assembly and interference of the condenser microphone membrane.

Известен способ изготовления измерительных конденсаторных микрофонов (ИКМ). Надежное крепление обеспечивают путем зажатия мембраны двумя наружными кольцами во внутренней кольцеобразной гайке с V-образным торцом, который при ввинчивании входит в соответствующий V-образный торец большого кольца, что обеспечивает равномерное натяжение мембраны ИКМ. Измеряемым параметром является перемещение центра мембраны при воздействии на нее давления.A known method of manufacturing a measuring condenser microphones (PCM). Reliable fastening is ensured by clamping the membrane with two outer rings in the inner ring-shaped nut with a V-shaped end, which when screwed into the corresponding V-shaped end of the large ring, which ensures uniform tension of the PCM membrane. The measured parameter is the displacement of the center of the membrane when exposed to pressure.

Такое решение обеспечивает измерение давления на поверхности исследуемого объекта путем дополнительной механической обработки поверхности изделий для крепления ИКМ (Г.П.Нуберт. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. Л.: Энергия. 1970, 360. §3-4. Чувствительные элементы датчиков давления, стр.51-56, рис.3-19).This solution provides pressure measurement on the surface of the object under study by additional machining of the surface of the products for mounting PCM (GP Nubert. Measuring transducers of non-electric quantities. L .: Energy. 1970, 360. § 3-4. Sensitive elements of pressure sensors, p. .51-56, Fig. 3-19).

Недостатком способа изготовления ИКМ является то, что при сварке, пайке или наклейке действительное натяжение готовой мембраны может значительно отличаться от первоначального напряжения в оправке, вследствие чего получается большое количество брака. Такой способ крепления мембраны ИКМ является неэкономичным, получается большое количество отходов от материала металлической пленки мембраны.The disadvantage of the method of manufacturing PCM is that when welding, soldering or sticking the actual tension of the finished membrane can differ significantly from the initial voltage in the mandrel, resulting in a large number of defects. This method of attaching the PCM membrane is uneconomical; a large amount of waste is obtained from the material of the metal film of the membrane.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является ИКМ, предназначенный для точных измерений звукового давления. ИКМ содержит защитную сетку, заднюю пластинку (задний электрод) с прорезью (является в одно и то же время второй обкладкой конденсатора и средством для демпфирования основного резонансного пика диафрагмы), маленькие отверстия (опорные или капиллярные отверстия), предназначенные для выравнивания статического давления, положительный электрод (токосъемный вывод), зажимную гайку (вторую контргайку), изолирующее зажимное кольцо (первое кольцо-изолятор), стеклянный изолятор (второе кольцо-изолятор), шпонку, регулятор напряжения диафрагмы (мембраны) и опору задней пластинки (задний электрод), диафрагму (мембрану). Изолятор изготовлен из синтетического сапфира или рубина. Часть конструкции за мембраной из нержавеющей стали (которая является корпусом ИКМ) используется для подавления первого резонанса, который возникает около 7000 Гц. Движение мембраны вызывает перемещение воздуха в прорезях заднего электрода. Чувствительность является функцией статического (атмосферного) давления и температуры. Расстояние между мембраной и задним электродом устанавливают с помощью винта. Мембрана, корпус и задний электрод из чистого никеля эффективно уменьшают зависимость чувствительности ИКМ от температуры. В сборке защитная сетка со всеми указанными деталями образует ИКМ.Closest to the proposed invention, the technical solution is PCM, designed for accurate measurements of sound pressure. The PCM contains a protective grid, a back plate (back electrode) with a slot (it is at the same time a second capacitor plate and a means for damping the main resonant peak of the diaphragm), small holes (supporting or capillary holes) designed to equalize static pressure, positive electrode (current output terminal), clamping nut (second locknut), insulating clamping ring (first insulator ring), glass insulator (second insulator ring), key, diaphragm voltage regulator (membrane wounds) and back plate support (back electrode), diaphragm (membrane). The insulator is made of synthetic sapphire or ruby. The part of the structure behind the stainless steel membrane (which is the PCM housing) is used to suppress the first resonance, which occurs around 7000 Hz. The movement of the membrane causes the movement of air in the slots of the rear electrode. Sensitivity is a function of static (atmospheric) pressure and temperature. The distance between the membrane and the rear electrode is set using a screw. A pure nickel membrane, housing and rear electrode effectively reduce the temperature dependence of PCM sensitivity. In the assembly, a protective net with all of the indicated parts forms a PCM.

Такой ИКМ позволяет измерять звуковое давление (относительное 2·10^-5 Па) от нескольких десятков дБ и больше без ограничения в диапазоне звуковых частот (Л.Беранек. Акустические измерения. Из-во И*Л.-М.: 1952, стр.127. Конденсаторные микрофоны, фиг.114).Such a PCM allows measuring sound pressure (relative 2 · 10 ^-5 Pa) from several tens of dB or more without limitation in the range of sound frequencies (L. Beranek. Acoustic measurements. Because of I * L.-M.: 1952, p. 127. Condenser microphones, Fig. 114).

Недостаток этого ИКМ связан со сложностью изготовления и натягивания мембраны, из-за чего в процессе изготовления количество бракованных ИКМ больше. Этот производственный недостаток и изготовление заднего электрода и корпуса из высоконикелеевого сплава увеличивает себестоимость ИКМ.The disadvantage of this PCM is associated with the complexity of the manufacture and tension of the membrane, which is why in the manufacturing process the number of defective PCMs is greater. This manufacturing flaw and the manufacture of the back electrode and the housing of high nickel alloy increases the cost of PCM.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ сборки ИКМ для измерения звукового давления. Мембрану, задний электрод и регулятор натяжения мембраны изготавливают в отдельности, затем натягивают мембрану на корпус ИКМ и устанавливают расстояние между мембраной и задним электродом регулятором натяжения мембраны. Защитную сетку, корпус и регулятор натяжения мембраны изготавливают из нержавейки и при сборке обеспечивают электрический контакт между ними. Задний электрод электрически изолируют от корпуса и тоже изготавливают из нержавейки.Closest to the proposed invention, the technical solution is a method of assembling PCM for measuring sound pressure. The membrane, the rear electrode and the membrane tension regulator are made separately, then the membrane is pulled onto the PCM housing and the distance between the membrane and the rear electrode of the membrane tension regulator is set. The protective mesh, the housing and the membrane tension regulator are made of stainless steel and during assembly provide electrical contact between them. The back electrode is electrically isolated from the body and is also made of stainless steel.

В процессе производства ИКМ подвергают воздействию высокой температуры (150°C) и искусственному старению для обеспечения долговременной стабильности технических параметров.In the manufacturing process, PCM is subjected to high temperature (150 ° C) and artificial aging to ensure long-term stability of technical parameters.

Статическое давление за мембраной выравнивают для достижения возможно точного определенного нижнего предела рабочего частотного диапазона.The static pressure behind the membrane is equalized to achieve the most accurate defined lower limit of the operating frequency range.

Такой способ сборки ИКМ позволяет с высокой точностью измерить звуковое давление без ограничения диапазона давления и частоты в нормальных и экстремальных условиях (каталог фирмы Брюль и Къер любого года издания, например 1983/84 и т.д., в разделе конденсаторные микрофоны).This PCM assembly method allows high-precision measurement of sound pressure without limiting the pressure and frequency range under normal and extreme conditions (Bruhl & Kj каталогr catalog of any publication year, for example 1983/84, etc., in the section Condenser microphones).

Недостатки способа сборки ИКМ: сложная технология натяжения мембраны, изготовления заднего электрода, обеспечения необходимого расстояния между мембраной и задним электродом (обкладки) и высокая себестоимость ИКМ.The disadvantages of the PCM assembly method: the complex technology of membrane tension, manufacturing of the rear electrode, providing the necessary distance between the membrane and the rear electrode (plates) and the high cost of PCM.

Задачей настоящего изобретения является снижение себестоимости ИКМ за счет упрощения конструкции и технологии сборки ИКМ, благодаря использованию в конструкции ИКМ конструкции, технологии и сборки ЕЧЭ пульсаций давления.The objective of the present invention is to reduce the cost of PCM due to the simplification of the design and assembly technology of PCM, through the use in the design of PCM design, technology and assembly of ECHE pressure pulsations.

1. Технический результат достигается тем, что в измерительном конденсаторном микрофоне звукового давления, состоящем из защитной сетки, мембраны, опорных отверстий для выравнивания статического давления, заднего электрода с опорными отверстиями, изолирующего зажимного кольца, корпуса, токосъемного вывода со штырьком, гайки, контргайки, в нем нижняя поверхность или обе поверхности мембраны покрыты диэлектрической пленкой, между нижней поверхностью диэлектрической пленки и задним электродом расположено кольцо из диэлектрика, на нижней поверхности заднего электрода расположена еще одна диэлектрическая пленка, на нижней поверхности которой сформирован экран, перечисленные элементы образуют емкостной чувствительный элемент, который со стороны экрана установлен на поверхности жесткого диска из диэлектрика, на жестком диске выполнены опорные отверстия, соосные опорным отверстиям на поверхности экрана и заднего электрода, причем отношение наружного диаметра мембраны к наружному диаметру заднего электрода составляет 1,08÷1,16, отношение диаметра опорных отверстий на поверхности жесткого диска к диаметру опорных отверстий на поверхности экрана из диэлектрика 1,20÷1,30, а отношение диаметра опорных отверстий на поверхности экрана к диаметру опорных отверстий на поверхности заднего электрода - 1,08÷1,16.1. The technical result is achieved by the fact that in a measuring condenser microphone of sound pressure, consisting of a protective grid, a membrane, support holes for equalizing static pressure, a rear electrode with support holes, an insulating clamp ring, a housing, a collector terminal with a pin, nuts, lock nuts, in it the lower surface or both surfaces of the membrane are covered with a dielectric film, a dielectric ring is located between the lower surface of the dielectric film and the rear electrode, on the lower another dielectric film is located on the surface of the back electrode, on the lower surface of which a screen is formed, the listed elements form a capacitive sensing element, which is mounted on the surface of the dielectric hard disk on the screen side, and support holes are made on the hard disk that are aligned with the support holes on the screen surface and the back electrode, and the ratio of the outer diameter of the membrane to the outer diameter of the rear electrode is 1.08 ÷ 1.16, the ratio of the diameter of the support holes on the surface of the hard disk to the diameter of the support holes on the surface of the dielectric screen is 1.20 ÷ 1.30, and the ratio of the diameter of the support holes on the screen surface to the diameter of the support holes on the surface of the back electrode is 1.08 ÷ 1.16.

2. Технический результат также достигается тем, что в способе сборки измерительного конденсаторного микрофона, в котором натягивают мембрану и закрепляют на поверхности корпуса, фиксируют расстояние между мембраной и задним электродом, который изолируют от корпуса, а в нем выполняют опорные отверстия для обеспечения связи в объеме измерительного конденсаторного микрофона с атмосферой, мембрану, корпус и симметричную защитную сетку электрически соединяют между собой, затем микрофон в сборе подвергают термическому старению при температуре 150°C и определяют его метрологические характеристики, в нем мембрану покрывают диэлектрической пленкой, скрепляют с экраном и еще одной диэлектрической пленкой последовательно с кольцом из диэлектрика, мембрана с диэлектрической пленкой, кольцо из диэлектрика, задний электрод с опорными отверстиями, экран с диэлектрической пленкой и выполненными в них отверстиями образуют пакет емкостного чувствительного элемента, все слои пакета емкостного чувствительного элемента между собой и емкостной чувствительный элемент с корпусом измерительного конденсаторного микрофона скрепляют клеем на эпоксидно-каучуковой основе, выдерживают под давлением 30-35 кг/см² при 160-180°С и продолжительности выдержки 50-60 мин, охлаждают собранный пакет до 30-50°C, разбирают и сортируют, затем собранный пакет емкостного чувствительного элемента располагают на жестком диске из диэлектрика, обеспечивают равномерное натяжение мембраны, которую электрически соединяют с экраном, пакет емкостного чувствительного элемента и жесткий диск между собой скрепляют клеем в двух-трех точках, клей на поверхности жесткого диска выдерживают при температуре 50-60°C в течение 4-6 мин и при 60-70°C - 5 мин, затем повышают температуру до 140-150°C в течение 4-6 мин, охлаждают до 30-50°C и пакет прижимают к жесткому диску по периметру наружного диаметра мембраны, затем последовательно внутри корпуса измерительного конденсаторного микрофона размещают пакет емкостного чувствительного элемента с жестким диском, токосъемный вывод со штырьком, изолятор вывода, гайку, контргайку, причем после сборки измерительного конденсаторного микрофона его подвергают температурному старению от 160 до 180°C продолжительностью 60-90 мин; от 180 до 200°C - 30-60 мин и задают звуковое давление в 1,2-1,5 раза больше номинального продолжительностью 10-20 мин с интервалом 5 мин, с числом циклов не менее 10.2. The technical result is also achieved by the fact that in the method of assembling a measuring condenser microphone, in which the membrane is pulled and fixed on the surface of the housing, the distance between the membrane and the rear electrode, which is isolated from the housing, is fixed, and reference holes are made in it to provide communication in the volume a measuring condenser microphone with an atmosphere, a membrane, a housing and a symmetrical protective grid are electrically connected, then the microphone assembly is subjected to thermal aging at a temperature ure is 150 ° C and its metrological characteristics are determined, in it the membrane is coated with a dielectric film, fastened to a screen and another dielectric film in series with a dielectric ring, a membrane with a dielectric film, a dielectric ring, a back electrode with support holes, a screen with a dielectric film and the openings made therein form a packet of a capacitive sensing element, all layers of a packet of a capacitive sensing element between each other and a capacitive sensing element with a housing the condenser microphone is fastened with glue on an epoxy-rubber base, kept under pressure of 30-35 kg / cm ² at 160-180 ° C and the exposure time of 50-60 minutes, cool the assembled bag to 30-50 ° C, disassemble and sort, then the assembled package of the capacitive sensing element is placed on the dielectric hard disk, ensure uniform tension of the membrane, which is electrically connected to the screen, the capacitive sensing element package and the hard disk are glued together with glue at two or three points, glue on the surface The hard disk is kept at a temperature of 50-60 ° C for 4-6 minutes and at 60-70 ° C for 5 minutes, then the temperature is increased to 140-150 ° C for 4-6 minutes, cooled to 30-50 ° C and the package are pressed to the hard disk along the perimeter of the outer diameter of the membrane, then a package of a capacitive sensitive element with a hard disk, a collector terminal with a pin, an output insulator, a nut, a lock nut are placed sequentially inside the housing of the measuring condenser microphone, and after assembly of the measuring condenser microphone it is subjected to a temperature in aging from 160 to 180 ° C for a duration of 60-90 minutes; from 180 to 200 ° C - 30-60 minutes and set the sound pressure 1.2-1.5 times greater than the nominal duration of 10-20 minutes with an interval of 5 minutes, with a number of cycles of at least 10.

На фиг.1 и 2 изображены конструкции пакета емкостного чувствительного элемента (ЕЧЭ) и ИКМ в разрезе соответственно.Figure 1 and 2 shows the design of the package capacitive sensing element (ECE) and PCM in the context, respectively.

Пакет ЕЧЭ содержит основание, состоящее из экрана 1, диэлектрической пленки 2 и заднего электрода (ответной обкладки) 3, а также кольцо из диэлектрика 4, две диэлектрические пленки 5, мембрану 6 из высококачественного сплава, с обеих сторон покрытую диэлектрическими пленками (сеч. А-А фиг.1). В заднем электроде 3 и диэлектрической пленке 2 выполнены восемь соосных опорных отверстий 7 диаметром d, а на экране 1 соосно с отверстиями диаметром d выполнены продолжения отверстий d диаметром d1. Число опорных отверстий для поддержки связи с объемом капсюля от 6 до 12 шт. (сеч. Б-Б фиг.1). Слои пакета скреплены между собой клеем. Мембрана 6 с одной стороны (на нижней поверхности) или с обеих сторон покрыта диэлектрическими пленками 5, в частности пленки 5 формируют из полиамидокислотного лака толщиной 3-10 мкм. Металлическая пленка от 5 до 50 мкм, покрытая с обеих сторон диэлектрической пленкой, становится эластичной, технологически удобной в обращении и обеспечивает хорошую изоляцию между мембраной, средой и задним электродом.The ECHE package contains a base consisting of a screen 1, a dielectric film 2 and a back electrode (counter plate) 3, as well as a dielectric ring 4, two dielectric films 5, a high-quality alloy membrane 6, coated on both sides with dielectric films (section A -A figure 1). Eight coaxial support holes 7 of diameter d are made in the rear electrode 3 and dielectric film 2, and on the screen 1, extensions of holes d of diameter d1 are made coaxially with holes of diameter d. The number of support holes to maintain communication with the volume of the capsule from 6 to 12 pcs. (sec. BB figure 1). The layers of the package are bonded together by glue. The membrane 6 on one side (on the lower surface) or on both sides is covered with dielectric films 5, in particular, films 5 are formed from polyamide-acid varnish with a thickness of 3-10 microns. A metal film from 5 to 50 μm, coated on both sides with a dielectric film, becomes flexible, technologically easy to handle and provides good insulation between the membrane, the medium and the rear electrode.

На фиг.2 конструкция ИКМ содержит пакет ЕЧЭ 8, жесткий диск 9, токосъемный вывод 10, изолирующее зажимное кольцо 11, гайку 12, корпус 13, контргайку 14, защитную сетку (крышку) 15, опорные отверстия 16, штырек 17 и проводник 18. Пакет ЕЧЭ расположен на жестком диске 9 из диэлектрика. На диске 9 выполнены опорные отверстия диаметром d2 в количестве от 6 до 12 шт. Диаметр отверстия d2 больше диаметра отверстия d1 на поверхности экрана 1 в 1,2-1,3 раза (см. фиг.1). Изолирующее зажимное кольцо 11 упирается в корпус 13. Токосъемный вывод 10 проходит сквозь изолирующее зажимное кольцо 11, на конце размещен штырек 17. Объем ИКМ поддерживает связь с атмосферой капиллярными (опорными) отверстиями 16. Защитная сетка 15 диаметром D (с отверстиями не менее 25 шт. диаметром 0,6 мм) защищает мембрану 6 (фиг.1) от внешних воздействий. Изолирующее зажимное кольцо изготовлено из синтетического сапфира или из рубина, т.е. из материалов, гарантирующих прочность и стабильность конструкции ИКМ. Мембрана 6 и задний электрод 3 (фиг.1) из никеля или из других высококачественных сплавов, используемых в конструкции тензометрических преобразователей, выгодно уменьшают зависимость чувствительности ИКМ от температуры. Мембрана 6, экран 1 фиг.1 и корпус 13 (фиг.2) электрически соединены между собой путем обычной пайки или клея или силой прижима симметричной защитной сетки 15. Как видно из фиг.2, защитная сетка 15 имеет механическую и электрическую связь с корпусом. Задний электрод 3 (фиг.1) электрически соединен с токосъемным выводом 10 через проводник 18 путем пайки или сварки. ИКМ поляризуют напряжением постоянного тока 200 В. Напряжение поляризации соединяет мембрану ЕЧЭ. Положительный заряд образуется на мембране 6, отрицательный на корпусе 13.In Fig.2, the PCM design contains an ECE package 8, a hard disk 9, a current collector terminal 10, an insulating clamp ring 11, a nut 12, a housing 13, a lock nut 14, a protective net (cover) 15, support holes 16, a pin 17 and a conductor 18. The ECE package is located on the hard disk 9 of a dielectric. On the disk 9, support holes with a diameter of d2 are made in an amount of 6 to 12 pcs. The diameter of the hole d2 is larger than the diameter of the hole d1 on the surface of the screen 1 by 1.2-1.3 times (see figure 1). The insulating clamping ring 11 abuts against the housing 13. The collector terminal 10 passes through the insulating clamping ring 11, a pin 17 is placed at the end. The PCM volume communicates with the atmosphere by capillary (support) openings 16. A protective mesh 15 with a diameter of D (with openings of at least 25 pcs. . with a diameter of 0.6 mm) protects the membrane 6 (figure 1) from external influences. The insulating clamp ring is made of synthetic sapphire or ruby, i.e. from materials guaranteeing the strength and stability of the PCM design. The membrane 6 and the back electrode 3 (Fig. 1) made of nickel or other high-quality alloys used in the construction of strain gauges, advantageously reduce the temperature sensitivity of the PCM. The membrane 6, the screen 1 of FIG. 1 and the housing 13 (FIG. 2) are electrically connected to each other by conventional soldering or glue or by the pressing force of a symmetrical protective mesh 15. As can be seen from FIG. . The rear electrode 3 (figure 1) is electrically connected to the collector terminal 10 through the conductor 18 by soldering or welding. PCMs are polarized with a DC voltage of 200 V. A polarization voltage connects the ECE membrane. A positive charge is formed on the membrane 6, negative on the housing 13.

Чтобы обеспечить хорошую изоляцию между токоведущими частями (экрана и мембраны с задним электродом, заднего электрода с корпусом и т.д.) и с корпусом, отношение диаметра D1 мембраны 6 и экрана 1 к диаметру D2 заднего электрода 3 (фиг.1) выбирают как: 1,08-1,16. При этих условиях и причинах отношение диаметров опорных отверстий d1 на экране к диаметрам опорных отверстий на заднем электроде d (фиг.1) выбирают 1,08-1,16. Чтобы облегчить сборку ИКМ и обеспечить связь полости за мембраной с атмосферой, отношение диаметра d2 опорного отверстия жесткого диска 9 (фиг.2) к диаметру опорного отверстия d1 (фиг.2) выбирают равным 1,2-1,3. Диаметр опорного отверстия 16 на корпусе 13, с помощью которого поддерживается связь объема за мембраной с атмосферой, выбирают равным 0,2-0,6 мм. Опорные отверстия, расположенные по диаметру D3, не должны перекрываться пленками кольца из диэлектрика 4 (фиг.1). Симметричное расположение опорных отверстий на основании ЕЧЭ обеспечивает равномерный прогиб мембраны. Выравнивание статического давления за мембраной необходимо для достижения возможно точного определения нижнего диапазона рабочей частоты. Наличие воздушного слоя, в зависимости от условия работы мембраны, позволяет внести в режим работы мембраны добавочное затухание или добавочную упругость. Наличие опорных отверстий при изменении звуковой частоты в широком диапазоне, влияние инерции воздуха, влияние внутреннего трения мембраны и т.д., одинаково и незначительно изменяют акустическое сопротивление ИКМ.In order to ensure good insulation between the live parts (the shield and the membrane with the rear electrode, the rear electrode with the housing, etc.) and the housing, the ratio of the diameter D1 of the membrane 6 and the shield 1 to the diameter D2 of the rear electrode 3 (Fig. 1) is chosen as : 1.08-1.16. Under these conditions and reasons, the ratio of the diameters of the support holes d1 on the screen to the diameters of the support holes on the back electrode d (Fig. 1) is chosen to be 1.08-1.16. In order to facilitate PCM assembly and to provide a connection between the cavity behind the membrane and the atmosphere, the ratio of the diameter d2 of the support hole of the hard disk 9 (FIG. 2) to the diameter of the support hole d1 (FIG. 2) is chosen equal to 1.2-1.3. The diameter of the support hole 16 on the housing 13, with which the connection of the volume behind the membrane with the atmosphere is maintained, is chosen equal to 0.2-0.6 mm The support holes located along the diameter D3 should not overlap with the films of the ring of dielectric 4 (figure 1). The symmetrical arrangement of the support holes on the basis of the ECE ensures uniform deflection of the membrane. Equalization of the static pressure behind the membrane is necessary to achieve the most accurate determination of the lower range of the operating frequency. The presence of an air layer, depending on the operating conditions of the membrane, allows additional attenuation or additional elasticity to be introduced into the membrane operating mode. The presence of support holes when changing the sound frequency in a wide range, the influence of inertia of the air, the influence of internal friction of the membrane, etc., equally and slightly change the acoustic resistance of the PCM.

Известно, что чувствительность ИКМ с малым воздушным зазором δ между мембраной и задним электродом (фиг.1) не зависит от δ, если внешняя шунтирующая емкость пренебрежимо мала по сравнению с емкостью ЕЧЭ. Это приводит к аннулированию эффекта возрастания жесткости воздушной подушки, когда зазор уменьшается и наоборот. Опорные отверстия на заднем электроде улучшают чувствительность ИКМ в двадцать раз (Г.П.Нуберт. Измерительные преобразователи неэлектрических величин, ст.257-258. Л.: Энергия, 1970).It is known that the sensitivity of PCM with a small air gap δ between the membrane and the rear electrode (Fig. 1) does not depend on δ if the external shunt capacitance is negligible compared to the capacitance of the ECH. This leads to the cancellation of the effect of increasing the stiffness of the air cushion when the gap decreases and vice versa. The reference holes on the back electrode improve the sensitivity of PCM by a factor of twenty (G.P. Nubert. Measuring transducers of non-electric quantities, Art. 257-258. L .: Energy, 1970).

Внешние размеры ИКМ - высота Н и диаметр D должны соответствовать требованиям конденсаторных микрофонов (по IEC 1094-1) и (ГОСТ 13761-73), возможности установки, т.е. замена ИКМ на зарубежные аналогичные ИКМ. Согласно ГОСТ 13761-73 для измерения звукового давления 154 дБ в диапазоне частот от 20 Гц до 40 кГц, внешний диаметр капсюля без защитной сетки 12,70±0,03 мм и с защитной сеткой ≈13,20±0,03 мм, высота Н≈14,1±0,03 мм.The external dimensions of the PCM - height H and diameter D must meet the requirements of condenser microphones (according to IEC 1094-1) and (GOST 13761-73), installation options, i.e. replacement of PCM with foreign similar PCM. According to GOST 13761-73, for measuring sound pressure 154 dB in the frequency range from 20 Hz to 40 kHz, the outer diameter of the capsule without a protective net is 12.70 ± 0.03 mm and with a protective grid ≈13.20 ± 0.03 mm, height N≈14.1 ± 0.03 mm.

Принцип работы ИКМ. При изменении звукового давления ΔР изменяется расстояние между мембраной 6 и задним электродом 3. В результате прогиба мембраны относительно жесткого диска 9 изменяется начальная емкость С, приращение емкости ΔС и относительное изменение емкости. При сопротивлении ИКМ в порядке 20 МОм заряд на ИКМ остается постоянным, при условии, что частота соответствует звуковому диапазону и не менее 20 Гц. Напряжение на ИКМ падает, так как оно равно заряду, деленному на емкость С. Напряжение поляризации подают на мембрану 6. Напряжение на выходе ИКМ, пропорциональное приращению и напряжению поляризации, измеряют между штырьком 17 и корпусом 13.The principle of PCM. When the sound pressure ΔP changes, the distance between the membrane 6 and the rear electrode 3 changes. As a result of the deflection of the membrane relative to the hard disk 9, the initial capacitance C, the increment of the capacitance ΔC, and the relative change in capacitance change. When the PCM resistance is in the order of 20 MΩ, the charge on the PCM remains constant, provided that the frequency corresponds to the sound range and at least 20 Hz. The voltage on the PCM drops, since it is equal to the charge divided by the capacitance C. The polarization voltage is applied to the membrane 6. The voltage at the PCM output, proportional to the increment and polarization voltage, is measured between the pin 17 and the housing 13.

Сборку ИКМ осуществляют следующим образом.Assembly PCM is as follows.

Первый этап. Путем фотолитографии на поверхностях основания ЕЧЭ формируют экран 1, задний электрод 3, отмечают расположение опорных отверстий диаметрами d, d1 и положение заднего электрода 3 диаметром D2. Затем высверливают опорные отверстия размером d. Независимо от процесса фотолитографии одновременно изготавливают кольцо из диэлектрика 4 и покрывают мембрану 6 диэлектрической пленкой 5. Затем собирают пакет, нанося между соответствующих слоев тонкие слои клея на эпоксидно-каучуковой основе.First step. By photolithography, a screen 1, a back electrode 3 are formed on the surfaces of the base of the ECE, the location of the support holes with diameters d, d1 and the position of the back electrode 3 with a diameter of D2 are noted. Then drill supporting holes of size d. Regardless of the photolithography process, a dielectric 4 ring is simultaneously made and the membrane 6 is coated with a dielectric film 5. Then, the bag is assembled by applying thin layers of adhesive on an epoxy-rubber base between the respective layers.

Второй этап. Сформированный пакет выдерживают под давлением 30-35 кг/см² при 160-180°C продолжительностью 50-60 мин, охлаждают собранный пакет до 30-50°C и разбирают.Second phase. The formed bag is kept under pressure of 30-35 kg / cm ² at 160-180 ° C for a duration of 50-60 minutes, the collected bag is cooled to 30-50 ° C and disassembled.

Третий этап. Проверяют работоспособность пакета ЕЧЭ ИКМ под воздействием звукового давления, в частности чувствительность и электрическую прочность.The third stage. Check the health of the ECE PCM package under the influence of sound pressure, in particular sensitivity and electric strength.

Четвертый этап. Одновременно при сборке пакета ЕЧЭ изготавливают остальные детали ИКМ, т.е. защитную сетку 15, корпус 13, гайку 12, контргайку 14 и т.д. ЕЧЭ 8 на жестком диске из диэлектрика 9 укрепляют следующим образом: на поверхности диска в 2-3 точках диаметром 1,0-1,5 мм наносят липкий клей, например марки ГИПК-22-35. Затем клей на поверхности диска выдерживают при температуре 50-60°С в течение 4-6 мин; и при 60-70°C - 3-5 мин; затем повышают температуру до 140-150°C в течение 4-6 мин, охлаждают до 30-50°C и собранный ЕЧЭ приклеивают на поверхности жесткого диска. При этом обеспечивают условие соосности опорных отверстий на ЕЧЭ диаметром d1 и опорных отверстий на жестком диске диаметром d2. ЕЧЭ прижимают к жесткому диску вручную по периметру наружного диаметра мембраны. Такая термическая обработка клея на поверхности жесткого диска удаляет эмидные воды из клея и повышает адгезию между ЕЧЭ и жестким диском.The fourth stage. At the same time, during assembly of the ECE package, the remaining PCM parts are manufactured, i.e. protective net 15, housing 13, nut 12, lock nut 14, etc. ECE 8 on the hard disk of dielectric 9 is strengthened as follows: on the surface of the disk at 2-3 points with a diameter of 1.0-1.5 mm, sticky glue is applied, for example, GIPK-22-35. Then the glue on the surface of the disk is kept at a temperature of 50-60 ° C for 4-6 minutes; and at 60-70 ° C - 3-5 minutes; then the temperature is raised to 140-150 ° C for 4-6 minutes, cooled to 30-50 ° C and the assembled ECE is glued to the surface of the hard drive. In this case, the condition of alignment of the support holes on the ECH with a diameter of d1 and the support holes on a hard disk with a diameter of d2 is provided. ECE is pressed to the hard disk manually around the perimeter of the outer diameter of the membrane. Such heat treatment of the glue on the surface of the hard disk removes emide water from the glue and increases the adhesion between the ECE and the hard disk.

Пятый этап. Токосъемный вывод 10 оснащают штырьком 17. Штырек 17 до установления в ИКМ, в вакууме (или способом электролиза) покрывают серебром или золотом. Таким образом обеспечивают надежный контакт с внешней электрической цепью. Опорные отверстия с диаметром d1 на экране 1 (фиг.1) соосны с опорным отверстием диаметром d2 на поверхности диэлектрического диска 9.The fifth stage. The collector terminal 10 is equipped with a pin 17. The pin 17 is coated with silver or gold before being installed in the PCM, in vacuum (or by electrolysis). Thus provide reliable contact with the external electrical circuit. The reference holes with a diameter d1 on the screen 1 (Fig. 1) are aligned with the reference hole with a diameter d2 on the surface of the dielectric disk 9.

Шестой этап. Сборку ИКМ осуществляют следующим образом: к диску 9 крепят токосъемный вывод 10 с изолирующим зажимным кольцом 11, затем ЕЧЭ 8. Собранный узел вставляют до упора в изолирующее зажимное кольцо 11 и через проводник 18 соединяют с токосъемным выводом 10. Затем изолирующее зажимное кольцо 11 вставляют в корпус 13 и прижимают гайкой 12 и контргайкой 14. Экран 1, мембрана 6 и корпус 13 электрически и механически соединены между собой. Защитную сетку 15 с мембраной соединяют через пайку П (фиг.2), тем самым мембрана ЕЧЭ и экран образуют надежный электрический контакт с корпусом и заодно образуют зазор h между поверхностью мембраны 6 и симметричной защитной сеткой 15.The sixth stage. PCM assembly is carried out as follows: a current collector terminal 10 with an insulating clamping ring 11 is attached to the disk 9, then an ECE 8. The assembled assembly is inserted all the way into the insulating clamping ring 11 and connected through the conductor 18 to the current collector terminal 10. Then, the insulating clamping ring 11 is inserted into the housing 13 and press the nut 12 and the lock nut 14. The screen 1, the membrane 6 and the housing 13 are electrically and mechanically interconnected. The protective mesh 15 with the membrane is connected through soldering P (figure 2), thereby the ECE membrane and the screen form reliable electrical contact with the housing and at the same time form a gap h between the surface of the membrane 6 and the symmetrical protective mesh 15.

Седьмой этап. Для упрочнения и установления основных метрологических характеристик собранный ИКМ подключают к любому акустическому измерительному стенду отечественного или зарубежного производства. При этом до установления метрологических характеристик ИКМ подвергают термическому старению в следующих режимах: диапазон температуры от 160 до 180°C при продолжительности 60-90 мин; от 180°C до 200°C - 30-60 мин. При этом наиболее критичным параметром до и после тренировки выбирают ток покоя (холостого хода) ИКМ. После термического старения ИКМ его подвергают воздействию звукового давления больше номинального значения в 1,2-1,5 раза продолжительностью 10-20 мин с интервалом 3-5 мин, число таких циклов не менее 10. Критичным параметром в этом случае выбран коэффициент преобразования ИКМ.Seventh stage. To strengthen and establish the basic metrological characteristics, the assembled PCM is connected to any acoustic measuring stand of domestic or foreign production. In this case, until the metrological characteristics are established, PCM is subjected to thermal aging in the following modes: temperature range from 160 to 180 ° C for a duration of 60-90 min; from 180 ° C to 200 ° C - 30-60 minutes. In this case, the most critical parameter before and after training is selected PCM quiescent current (idle). After thermal aging of the PCM, it is subjected to sound pressure 1.2-1.5 times greater than the nominal value, lasting 10-20 minutes with an interval of 3-5 minutes, the number of such cycles is not less than 10. In this case, the PCM conversion coefficient is selected as the critical parameter.

Восьмой этап. После тренировки ИКМ согласно ГОСТу 13751-73 определяют и сертифицируют необходимые метрологические характеристики.The eighth stage. After training, PCM according to GOST 13751-73 determine and certify the necessary metrological characteristics.

С этой целью в ЦАГИ были изготовлены более 10 шт. ЕЧЭ с наружным диаметром 10 мм, мембраной толщиной 10 мкм из FeNi сплава. Поверхности мембран в первом варианте были покрыты с одной стороны и во втором варианте с двух сторон полиамидокислотным лаком. Число опорных отверстий на заднем электроде от одного до 4 шт. Нелинейность амплитудной (градуировочной) характеристик не превышала от 1,2 до 1,6%. С увеличением числа опорных отверстий от одного до четырех резко снижалась сопротивляемость воздуха за мембраной. Почти в два раза увеличивался коэффициент преобразования ИКМ. На мембрану задавали звуковое давление от 74 до 110 дБ. Напряжение поляризации при проверке ЕЧЭ на аппаратуре ЦАГИ 100 В.For this purpose, more than 10 pieces were manufactured at TsAGI. ECE with an outer diameter of 10 mm, a membrane 10 μm thick from FeNi alloy. The surfaces of the membranes in the first embodiment were coated on one side and in the second embodiment on both sides with polyamide-acid varnish. The number of support holes on the rear electrode is from one to 4 pcs. The nonlinearity of the amplitude (calibration) characteristics did not exceed 1.2 to 1.6%. With an increase in the number of support holes from one to four, the air resistance behind the membrane sharply decreased. The conversion factor of PCM almost doubled. The sound pressure from 74 to 110 dB was set on the membrane. The polarization voltage when checking the ECE on TsAGI equipment 100 V.

ЕЧЭ был смонтирован внутри ИКМ фирмы Брюль и Къер. Давление на ИКМ задавали из двух пистонфонов уровней звукового давления 118 и 124 дБ с частотой 250 и 1000 Гц, при напряжении поляризации 200 В. Полученные спектральные характеристики сравнимы со спектральными характеристиками, снятыми на конденсаторном микрофоне Брюль и Къер.ECE was mounted inside the PCM firm Bruhl and Kjерr. The pressure on the PCM was set from two pistonphones of sound pressure levels of 118 and 124 dB with a frequency of 250 and 1000 Hz, at a polarization voltage of 200 V. The obtained spectral characteristics are comparable with the spectral characteristics recorded on a Bruhl and Kjерr condenser microphone.

Кольцо между мембраной и ответным электродом было выполнено из полиимидной пленки толщиной 20 мкм. Были использованы клеи марки ГИПК-22-35, САФ на эпоксидно-каучуковой основе. Ранее также было определено влияние теплового удара, старение и перегрузка под давлением ЕЧЭ.The ring between the membrane and the response electrode was made of a polyimide film with a thickness of 20 μm. GIPK-22-35 and SAF adhesives on an epoxy-rubber basis were used. Previously, the influence of heat stroke, aging, and pressure overload of the EEC were also determined.

После подобных тренировок при температуре +50°C при длительном режиме работы чувствительность ИКМ изменяется примерно на 2-3%.After such training at a temperature of + 50 ° C during continuous operation, the sensitivity of the PCM changes by about 2-3%.

Claims

1. Measuring condenser microphone of sound pressure, consisting of a protective grid, membrane, support holes for equalizing static pressure, a back electrode with support holes, an insulating clamp ring, a housing, a collector terminal with a pin, nuts, locknuts, characterized in that the lower surface or both surfaces of the membrane are coated with a dielectric film, a dielectric ring is located between the lower surface of the dielectric film and the rear electrode, and the lower surface of the rear electrode is located another dielectric film is located, on the lower surface of which a screen is formed, the listed elements form a capacitive sensing element, which is mounted on the surface of the dielectric hard disk on the screen side, and support holes are made on the hard disk that are aligned with the support holes on the surface of the screen and the rear electrode, and the ratio of the outer diameter of the membrane to the diameter of the rear electrode is 1.08 ÷ 1.16, the ratio of the diameter of the support holes on the surface of the hard disk to the diameter of the support x apertures on the surface of a dielectric screen - 1,20 ÷ 1,30, and the ratio of the diameter of the locating apertures on the screen surface to the diameter of the supporting holes on the rear surface of the electrode - 1,08 ÷ 1,16.

2. The method of assembly of the measuring condenser microphone, in which the membrane is pulled and fixed on the surface of the housing, the distance between the membrane and the rear electrode, which is isolated from the housing, is fixed, and reference holes are made in it to provide communication in the volume of the measuring condenser microphone with the atmosphere, the membrane, the casing and the symmetrical protective grid are electrically interconnected, then the microphone assembly is subjected to thermal aging at a temperature of 150 ° C and its metrological characteristics are determined sticks, characterized in that the membrane is coated with a dielectric film, fastened to a shield and another dielectric film in series with a dielectric ring, a membrane with a dielectric film, a dielectric ring, a back electrode with support holes, a screen with a dielectric film and holes made therein form a capacitive sensing element package, all layers of a capacitive sensing element package are fastened together, as well as a capacitive sensitive element with a measuring capacitor housing microphones are bonded with adhesive on the epoxy-based rubber is heated under pressure of 30-35 kg / cm ² at 160-180 ° C and duration of exposure 50-60 minutes, cooled assembled packet to 30-50 ° C, dismantle it and sorted, then the assembled package of the capacitive sensing element is placed on the hard disk made of dielectric, ensure uniform tension of the membrane, which is electrically connected to the screen, the package of the capacitive sensitive element and the hard disk are glued together with glue at two or three points, glue on the surface of the hard ska is kept at a temperature of 50-60 ° C for 4-6 minutes and at 60-70 ° C for 3-5 minutes, then the temperature is increased to 140-150 ° C for 4-6 minutes, cooled to 30-50 ° C and the package is pressed to the hard disk along the perimeter of the outer diameter of the membrane, then a package of a capacitive sensitive element with a hard disk, a current collector pin with a pin, an output insulator, a nut, a lock nut are placed sequentially inside the housing of the measuring condenser microphone, and after assembly of the measuring condenser microphone it is subjected to temperature aging about t 160 to 180 ° C for a duration of 60-90 min; from 180 to 200 ° C - 30-60 minutes and set the sound pressure 1.2-1.5 times more than the nominal duration of 10-20 minutes with an interval of 5 minutes and the number of cycles of at least 10.