SE463065B

SE463065B - MICROPHONE FOR RECORDING BODY SOUND

Info

Publication number: SE463065B
Application number: SE8900392A
Authority: SE
Inventors: B Hoek
Original assignee: Hoek Instr Ab
Priority date: 1989-02-06
Filing date: 1989-02-06
Publication date: 1990-10-01
Also published as: SE8900392D0; WO1990009083A1; AU5038790A; SE8900392L

Description

46.5 065 2. 46.5 065 2.

I de nämnda patentansökningarna finns tvá helt skilda lösningar på detta problem. l SE 8702647-2 beskrivs en till hudens mekaniska impedans anpassad sensor, vars utsignal âr proportionell mot hudytans vibrationer.In the mentioned patent applications there are two completely different solutions to this problem. SE 8702647-2 describes a sensor adapted to the mechanical impedance of the skin, the output of which is proportional to the vibrations of the skin surface.

Sensorn är uppbyggd som en sandwich-konstruktion av olika skikt. Det aktiva sensorskiktet utgöres av ett piezoelektriskt material, medan övriga skikt har till uppgift att mekaniskt skydda det relativt ömtàliga piezoelektriska skiktet samt attge elektrostatisk skârmning mot nätbrum och andra störningar av elektromagnetiskt ursprung. Detta resulterar i en relativt komplex uppbyggnad med stora krav pá precision och hantverksmässig skicklighet i tillverkningen, vilket leder till en relativt dyr produkt som endast med svårighet och till höga kostnader kan tillverkas i större antal.The sensor is built as a sandwich construction of different layers. The active sensor layer consists of a piezoelectric material, while the other layers have the task of mechanically protecting the relatively delicate piezoelectric layer and providing electrostatic shielding against mains hum and other disturbances of electromagnetic origin. This results in a relatively complex structure with high demands on precision and craftsmanship in manufacturing, which leads to a relatively expensive product that can only be manufactured in large numbers with difficulty and at high costs.

I SE 880521-0 beskrivs en mikrofonanordning bestående av tvä eller flera bryggkopplade mikrofoner, där varje mikrofon uppfàngar kroppsljuden via en kapsel som antingen är öppen mot hudytan eller via ett tunt membran i kontakt med denna. Bryggkopplingen gör att starkt lokaliserade akustiska signaler som t ex kroppsljud, genom de bryggkopplade mikrofonerna upptas, medan gemensamt infallande ljudsignaler undertrycks.SE 880521-0 describes a microphone device consisting of two or more bridge-connected microphones, where each microphone picks up the body sounds via a capsule which is either open towards the skin surface or via a thin membrane in contact therewith. The bridge connection means that highly localized acoustic signals, such as body sound, are recorded through the bridge-connected microphones, while common incident sound signals are suppressed.

Arrangemanget fordrar emellertid för att effektiv störningsundertryckning skall uppnås att den akustiska kopplingen mellan huden och mikrofonerna är lika för båda mikrofonerna. Detta uppnås endast i praktiken till en viss approximationsgrad, vilket innebär att störningsundertryckningen mot luftburna akustiska störningar blir relativt begränsad.However, in order for effective interference suppression to be achieved, the arrangement requires that the acoustic coupling between the skin and the microphones be equal for both microphones. This is only achieved in practice to a certain degree of approximation, which means that the disturbance suppression against airborne acoustic disturbances becomes relatively limited.

Föreliggande uppfinning löser det grundläggande problemet med störningsundertryckning utan de nackdelar som de ovannämnda konstruktionerna är behäftade med. Uppfinningen kan sägas utnyttja samma grundläggande fysikaliska principer som beskrivits i nämnda ansökningar. i en konstruktion som möjliggör masstillverkning till låg kostnad av en mikrofon med mycket god störningsundertryckning för störningar från olika störkâllor. En annan väsentlig fördel med mikrofonen enligt uppfinningen är enkelheten i dess användning. Den kräver i motsats till flertalet alternativa konstruktioner ingen tätning mot huden och kan enkelt appliceras med tejp eller helt enkelt genom att läggas mot huden.The present invention solves the basic problem of interference suppression without the disadvantages of the above constructions. The invention can be said to utilize the same basic physical principles as described in said applications. in a design that enables mass production at low cost of a microphone with very good interference suppression for interference from various interference sources. Another significant advantage of the microphone according to the invention is the simplicity of its use. Unlike most alternative constructions, it requires no seal against the skin and can be easily applied with tape or simply by applying it to the skin.

Uppfinningen kännetecknas av bifogade patentkrav och skall i det följande närmare beskrivas i anslutning till bilagda figurritningar. Figur 1 visar mikrofonen enligt uppfinningen i en föredragen utförandeform, figur 2 uppbyggnaden hos enskilda mikrofonelement. Figur 3 och 4, slutligen, visar alternativa utförandeformer.The invention is characterized by the appended claims and will be described in more detail below in connection with the accompanying figure drawings. Figure 1 shows the microphone according to the invention in a preferred embodiment, figure 2 the construction of individual microphone elements. Figures 3 and 4, finally, show alternative embodiments.

Mikrofonen enligt uppfinningen bestàr såsom framgår av figur 1 av en kapsel 1, vars inre utgör ett väsentligen slutet rum mot omgivningen. l själva verket bör tätningen mellan detta rum vara så god att luftburna 3 465 Û65 akustiska signaler i omgivningen ej leds genom ett eventuellt läckage in i det slutna rummet. Materialet i kapseln kan vara en metall eller en polymer, och dess väggar bör vara dimensionerade så att resonanssvängningar i det hörbara frekvensområdet ej kan uppkomma.As can be seen from Figure 1, the microphone according to the invention consists of a capsule 1, the interior of which constitutes a substantially closed space towards the surroundings. in fact, the seal between this room should be so good that airborne 3 465 Û65 acoustic signals in the surroundings are not conducted through a possible leak into the closed room. The material of the capsule may be a metal or a polymer, and its walls should be dimensioned so that resonant oscillations in the audible frequency range cannot occur.

Kapselns 1 inre delas i två hâlrum 2, 3 av ett elastiskt membran 4, som kan utgöras av en tunn duk av latex (naturgummi), silicone eller en annan elastomer. På membranet 4 finns en vikt 5, företrädesvis uppbyggd av ett material med hög densitet, anbringad. Då kapseln 1 utsätts för vibrationer, t ex av kroppsljud som når hudyta på vilken kapseln applicerats, kommer vikten 5 genom sin tröga massa och genom membranets elasticitet att motverka vibrationsrörelsen. Detta leder till tryckvariationer av motsatt tecken hos den gas (i allmänhet luft) som finns innesluten i hålrummen 2 och 3. l figur 1 leder en accelererande rörelse nedåt i figuren till en relativ förskjutning av vikten 5 i förhållande till kapseln 1 på så sätt att det övre hàlrummet 2 får ett övertryck medan det undre hålrummet 3 får ett undertryck. Till hålrummen 2 och 3 finns tryckavkännande mikrofonelement 6, 7 anslutna, genom vilka tryckvariationerna i hålrummen omvandlas till elektriska spänningsvariationer. I en utförandeform av mikrofonen enligt uppfinningen sker mikrofonelementens 6, 7 anslutning till hålrummen 2 respektive 3 via var sin rörledning 11, 12.The interior of the capsule 1 is divided into two cavities 2, 3 by an elastic membrane 4, which may consist of a thin cloth of latex (natural rubber), silicone or another elastomer. On the membrane 4 a weight 5, preferably built up of a high density material, is applied. When the capsule 1 is subjected to vibrations, for example by body sounds which reach the skin surface on which the capsule is applied, the weight 5 will counteract the vibrational movement through its sluggish mass and through the elasticity of the membrane. This leads to pressure variations of the opposite sign of the gas (generally air) contained in the cavities 2 and 3. In Figure 1, an accelerating downward movement in the figure leads to a relative displacement of the weight 5 relative to the capsule 1 in such a way that the upper cavity 2 gets an overpressure while the lower cavity 3 gets a negative pressure. Pressure sensing microphone elements 6, 7 are connected to the cavities 2 and 3, through which the pressure variations in the cavities are converted into electrical voltage variations. In an embodiment of the microphone according to the invention, the connection of the microphone elements 6, 7 to the cavities 2 and 3, respectively, takes place via separate pipelines 11, 12.

Denna utförandeform har den fördelen att kapseldelen, inkluderande kapseln 1, membranet 4, vikten 5 och ledningarna 11 och 12 kan tillverkas som en självständig enhet, vilken genom kopplingsdon 13, 14 kan inkopplas resp frànkopplas till mikrofonelementen 6, 7. Kopplingsdonet 13, 14 kan i enklaste fall bestå av två rörsektioner, varav den ena är konisk, såsom visas i fig 1. Andra utförandeformer med låsbara kopplingsdon är givetvis möjliga, utnyttjande t ex skruv- eller bajonettfattning.This embodiment has the advantage that the capsule part, including the capsule 1, the membrane 4, the weight 5 and the lines 11 and 12 can be manufactured as an independent unit, which can be connected or disconnected to the microphone elements 6, 7 by connectors 13, 14. in the simplest case consist of two pipe sections, one of which is conical, as shown in Fig. 1. Other embodiments with lockable connectors are of course possible, using, for example, screw or bayonet sockets.

Mikrofonelementen 6, 7 är sammankopplade i en bryggkoppling med två spänningsmatande ledningar 8, 10 och en signalåterförande ledning 9.The microphone elements 6, 7 are connected in a bridge connection with two voltage supply lines 8, 10 and a signal returning line 9.

Såsom beskrivits i patentansökan SE 880521-0 ger en sådan bryggkoppling av mikrofonelement undertryckning av störningar som infaller mot båda elementen i samma fas. Detta är t ex fallet med luftburna akustiska störningar, om mikrofonelementens inbördes avstånd är väsentligt mindre än ljudvåglängden hos den akustiska störningen. ' Bryggkopplingen är speciellt lämplig, då kapacitiva elektretelement med inbyggda impedansomvandlare utnyttjas som mikrofonelement. Ett sådant mikrofonelement är schematiskt avbildat i figur 2. Mikrofonelementet består av en kondensator 15, vars plattavstånd och därmed kapacitansvårde varierar med trycket. Ett polariserat s k elektretmaterial 17 är inlagt i kondensatorn 15, vilket gör att kapacitansvariationerna ger en laddningsförskjutning och därmed åtföljande spänningsvariation mellan kondensatorns anslutningar. Denna spänningsvariation påförs styrelektroden på en fälteffekttransistor 16 vars huvudsakliga funktion är 465 oss , att leverera en utsignal med låg utimpedans, därmed tillåtande praktiskt användbara anslutningslängder på den signalåterförande ledningen.As described in patent application SE 880521-0, such a bridge connection of microphone elements suppresses disturbances which occur against both elements in the same phase. This is the case, for example, with airborne acoustic disturbances, if the mutual distance of the microphone elements is significantly less than the sound wavelength of the acoustic disturbance. The bridge coupling is particularly suitable when capacitive electret elements with built-in impedance converters are used as microphone elements. Such a microphone element is schematically depicted in Figure 2. The microphone element consists of a capacitor 15, the plate spacing and thus the capacitance of which varies with the pressure. A polarized so-called electret material 17 is embedded in the capacitor 15, which means that the capacitance variations give a charge shift and the consequent voltage variation between the capacitors' connections. This voltage variation is applied to the control electrode of a field effect transistor 16 whose main function is 465 μs, to deliver a low output impedance output signal, thereby allowing practically useful connection lengths on the signal return line.

Mikrofonelement med små dimensioner och med inbyggda impedansomvandlare enligt denna beskrivning finns kommersiellt tillgängliga i en rad olika detaljutföranden och masstillverkas för bruk i telefonapparater, bandspelare m m. i Som beskrivits i SE 880521-0 är det möjligt i bryggkopplingen att kompensera för individuella variationer i känslighet hos mikrofonelementen 6, 7 genom att koppla in motstånd och/eller kondensatorer 18, 19 parallellt eller i serie med mikrofonelementen.Microphone elements with small dimensions and with built-in impedance converters according to this description are commercially available in a number of different detailed designs and are mass-produced for use in telephone sets, tape recorders, etc. In As described in SE 880521-0, it is possible in the bridge coupling to compensate for individual variations in sensitivity of the microphone elements 6, 7 by connecting resistors and / or capacitors 18, 19 in parallel or in series with the microphone elements.

Kapseln 1 kan med fördel vara cylindrisk med en diameter av 15 - 50 mm och en höjd av 5 - 25 mm. Om kraven på distorsionsfri signalöverföring är höga, skall ledningarnas 11, 12 längd vara väsentligt mindre än ljudvåglângden för den högsta frekvens man önskar registrera. Är ledningarna längre, uppstår stående vågor som omfördelar signalens frekvensinnehåll till frekvenser där de kända resonansvillkoren för stående vågor är uppfyllda. I många applikationer, t ex patientövervakning, är detta distorsionsfenomen tämligen ovâsentligt, varför meterlånga ledningar ibland kan utnyttjas. Ledningarnas innerdiameter bör vara så liten som möjligt, eftersom dess volym adderar sig till hålrummens 2, 3.The capsule 1 can advantageously be cylindrical with a diameter of 15 - 50 mm and a height of 5 - 25 mm. If the requirements for distortion-free signal transmission are high, the length of the lines 11, 12 must be substantially less than the sound wavelength of the highest frequency desired to be recorded. If the lines are longer, standing waves arise which redistribute the frequency content of the signal to frequencies where the known resonant conditions for standing waves are met. In many applications, such as patient monitoring, this distortion phenomenon is rather insignificant, so meter-long lines can sometimes be used. The inside diameter of the pipes should be as small as possible, as its volume adds to the cavities 2, 3.

Ju mindre den samlade luftvolymen är, desto större blir den tryckändring som fås för en given rörelse hos membranet 4 och vikten 5. Om långa ledningar 11, 12 är nödvändiga, kan innerdiametern ofta avpassas så att ledningarnas flödesmotstånd ger en optimal dämpning av de ovannämnda resonansfenomenen. Exempelvis kan vid 100 cm ledningslängd effektiv dämpning, och därmed relativt distorsionsfri signalöverföring, fås med en innerdiameter av ca 1.0 mm. Materialet hos ledningarna 11, 12 kan lämpligen vara en relativt töjbar och flexibel polymer, t ex polyvinylklorid med tillsats av mjukgörare. Ledningarna 11 och 12 kan också inbyggas i ett enda gemensamt plasthölje.The smaller the total air volume, the greater the pressure change obtained for a given movement of the diaphragm 4 and the weight 5. If long lines 11, 12 are necessary, the inner diameter can often be adjusted so that the flow resistance of the lines provides optimal damping of the above resonance phenomena. . For example, at 100 cm cable length, effective attenuation, and thus relatively distortion-free signal transmission, can be obtained with an inner diameter of about 1.0 mm. The material of the conduits 11, 12 may suitably be a relatively extensible and flexible polymer, for example polyvinyl chloride with the addition of plasticizer. The lines 11 and 12 can also be built into a single common plastic housing.

Ett annat mekaniskt resonansfenomen uppträder till följd av viktens 5 massa och elastisk fjäderverkan hos membranet 4 i kombination med eftergivligheten ("compliance") hos den innestängda luftvolymen i hålrummen 2 och 3, eventuellt med luftvolymen hos ledningarna 11 och 12.Another mechanical resonance phenomenon occurs due to the weight mass and elastic spring action of the diaphragm 4 in combination with the compliance of the trapped air volume in the cavities 2 and 3, possibly with the air volume of the conduits 11 and 12.

Denna mekaniska resonansfrekvens bör i tillämpningar som kräver god signalåtergivning antingen väljas lägre eller högre än de avsedda kroppsljudens frekvensområde.This mechanical resonant frequency should in applications that require good signal reproduction be chosen either lower or higher than the frequency range of the intended body sounds.

En fördel med kopplingsdon. 13, 14 för icke-permanent anslutning mellan kapseldelen och mikrofonelementen är att kapseldelens dimensioner, form och vikt samt ledningarnas längd kan anpassas till den individuella patientens anatomi och till applikationen genom utbytbarhet mellan A63 065 5 kapseldelar och ledningar. Detta är väsentligt, eftersom variationerna är så stora mellan olika patientgrupper. l vissa utförandeformer kan det vara en fördel att bygga in mikrofonelementen 6, 7 i en förstärkarlåda, varvid de elektriska förbindningarna 8, 9, 10 också är inneslutna i denna.An advantage of connectors. 13, 14 for non-permanent connection between the capsule part and the microphone elements is that the dimensions, shape and weight of the capsule part and the length of the leads can be adapted to the anatomy of the individual patient and to the application by interchangeability between capsule parts and leads. This is significant because the variations are so great between different patient groups. In some embodiments it may be advantageous to build the microphone elements 6, 7 into an amplifier box, the electrical connections 8, 9, 10 also being enclosed therein.

I sammanhang där signalkvalitén är av yttersta vikt önskar man nedbringa den innestängda volymen 2, 3_ och ledningarnas 11, 12 längd. I dessa sammanhang är Utförandeformen enligt figur 3 aktuell. Figuren visar en mikrofon med många gemensamma kännetecken med den i figur 1 avbildade.In contexts where the signal quality is of utmost importance, it is desired to reduce the enclosed volume 2, 3_ and the length of the lines 11, 12. In these contexts, the Embodiment according to Figure 3 is relevant. The figure shows a microphone with many common characteristics with the one depicted in figure 1.

Míkrofonen består också av en kapsel 1 vars inre är uppdelat i två hålrum 2, 3 av ett membran 4 och en vikt 5. Två mikrofonelement 6, 7 är anslutna till hålrummen 2 resp 3. I detta fall sker anslutningen dock genom att mikrofonelementen monterats direkt i själva kapseln genom hål 20, 21 upptagna i kapselväggen. På samma sätt som i figur 1 är mikrofonelementen elektriskt anslutna genom en bryggkoppllng med två ledningar 8, 10 för spänningsmatning och en ledning 9 för signalåterföring.The microphone also consists of a capsule 1 whose interior is divided into two cavities 2, 3 by a diaphragm 4 and a weight 5. Two microphone elements 6, 7 are connected to the cavities 2 and 3, respectively. In this case, however, the connection is made by mounting the microphone elements directly in the capsule itself through holes 20, 21 received in the capsule wall. In the same way as in Figure 1, the microphone elements are electrically connected through a bridge connection with two lines 8, 10 for voltage supply and a line 9 for signal feedback.

I figur 4 beskrives en tredje utförandeform av mikrofonen enligt uppfinningen. Denna har likheter med de i figur 1 och 3 beskrivna i det att den består av en kapsel, i detta fall uppbyggd av tre sammanfogade plattor 22, 23, 24 av enkristallint kisel. Kapselns inre är uppdelat i två hålrum 25, 26 genom ett membran 27 och en vikt 28, vilka har etsats ut ur den ena av de tre kiselplattorna 23.Figure 4 describes a third embodiment of the microphone according to the invention. This has similarities to those described in Figures 1 and 3 in that it consists of a capsule, in this case built up of three joined plates 22, 23, 24 of single crystalline silicon. The interior of the capsule is divided into two cavities 25, 26 by a membrane 27 and a weight 28, which have been etched out of one of the three silicon plates 23.

Luftgapet 29 mellan plattan 22 och vikten 28 utgör en kondensator, vars kapacitansvärde är beroende av luftgapets storlek, som i sin tur varierar vid vibrationsrörelser hos kapseln till följd av membranets 27 elasticitet och viktens 28 massa. Kapacitansvärdets variationer orsakar en laddningsförskjutning i ett tunt skikt 30 av ett elektretmaterial som applicerats så att det täcker styrområdet på en fälteffekttransistor, vilken integrerats enligt känd teknik utnyttjande fotolltografi och dopning genom diffusion av spårämnen in i kiselplattan 22. Fälteffekttransistorn består av en genom styret modulerbar ledande kanal 33 samt av "source"- och ”drain"-kontakter 31, 32. Kanalens 33 konduktans moduleras på känt sätt av laddningsförskjutningen på styret, varvid impedansomvandling sker på analogt sätt som tidigare beskrivits i anslutning till figur 2.The air gap 29 between the plate 22 and the weight 28 constitutes a capacitor, the capacitance value of which depends on the size of the air gap, which in turn varies during vibrational movements of the capsule due to the elasticity of the membrane 27 and the mass 28 of the weight. Variations of the capacitance value cause a charge shift in a thin layer 30 of an electret material applied to cover the control area of a field effect transistor, which is integrated according to prior art using photonography and doping by diffusion of trace elements into the silicon wafer 22. Field effect transistor channel 33 and of "source" and "drain" contacts 31, 32. The conductance of the channel 33 is modulated in a known manner by the charge shift on the handlebar, whereby impedance conversion takes place in an analogous manner as previously described in connection with Figure 2.

Utförandeformen enligt figur 4 är ägnad att visa hur hela mikrofonkonstruktionen enligt uppfinningen kan integreras på ett fåtal kiselplattor. Genom att utnyttja tillverkningsteknik känd från tillverkning av integrerade kretsar, är det möjligt att masstillverka mikrofonen enligt uppfinningen till mycket låg kostnad. Tillverkningen innebär ett fåtal process-steg, såsom deponering av elektretmaterial, spårämnen för dopning, samt av metallskikt för ledningsdragning, etsning av håligheter samt slutligen sammanfogning. 463 065 b Mikrofonen enligt uppfinningen kan varieras pà mångahanda sätt inom ramen för nedanstående patentkrav.The embodiment according to Figure 4 is suitable for showing how the entire microphone construction according to the invention can be integrated on a few silicon plates. By utilizing manufacturing technology known from the manufacture of integrated circuits, it is possible to mass-produce the microphone according to the invention at a very low cost. The manufacture involves a few process steps, such as deposition of electret material, trace elements for doping, as well as of metal layers for wiring, etching of cavities and finally joining. 463 065 b The microphone according to the invention can be varied in many ways within the scope of the following claims.

Claims

Aßš 065 Patent claim.

Microphone for recording body sound characterized by a substantially tight and rigid capsule (1), the interior of which is divided into at least two cavities (2, 3), separated by at least one elastic membrane (4) to which at least one weight (5) is applied , and that at least one of the cavities (2, 3) at least one pressure-sensing microphone element (6, 7) is connected.

Microphone according to Claim 1, characterized in that each of the cavities (2, 3) is connected to a separate microphone element (6, 7), these being connected in a bridge connection with supply lines (8, 10) and at least one signal-returning line. (9) in such a way that pressure differences between the cavities (2, 3) give rise to electrical voltage variations on the signal return line (9), while common pressure variations which occur simultaneously in the cavities (2, 3) do not give rise to such voltage variations.

Microphone according to Claim 1, characterized in that the microphone elements (6, 7) consist of capacitive electret elements (15) with built-in impedance transducers (16).

Microphone according to Claim 1, characterized in that the microphone elements (6, 7) are connected to the respective cavities (2, 3) via tubular, preferably bendable lines (11, 12).

Microphone according to Claim 1, characterized in that the microphone elements (6, 7) are connected to the respective cavities (2, 3) by mounting in openings (20, 21) in the wall of the capsule (1).

Microphone according to Claim 1, characterized in that the mass of the weight (5), in combination with the elastic resilience of the diaphragm (4) and the cavities (2, 3) is chosen so that its mechanical natural frequency does not give rise to distortion of the body sounds to be reproduced.

Microphone according to Claims 1 and 4, characterized in that the inner diameter of the lines (11, 12) is adapted so that its flow resistance gives rise to attenuation of the resonant phenomenon in the canister (1) or the lines (11, 12). 465 065

Microphone according to claims 1 and 4, characterized by at least one connector (13, 14) to the wires (11, 12) for non-permanent interconnection of the capsule (1) with microphone elements (6, 7).

A microphone according to claim 1, characterized in that weight (28), diaphragm (27), microphone elements (29) are built up in single crystalline silicon by etching, surface deposition and joining a few silicon crystals (22, 23, 24).

Microphone according to Claims 1 and 2, characterized by at least one resistive or capacitive impedance element (18, 19) connected in series or in parallel with at least one of the microphone elements (6, 7).