WO2016066938A1 - Transducteur électroacoustique, ensemble et système associés - Google Patents

Transducteur électroacoustique, ensemble et système associés Download PDF

Info

Publication number
WO2016066938A1
WO2016066938A1 PCT/FR2015/052862 FR2015052862W WO2016066938A1 WO 2016066938 A1 WO2016066938 A1 WO 2016066938A1 FR 2015052862 W FR2015052862 W FR 2015052862W WO 2016066938 A1 WO2016066938 A1 WO 2016066938A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
transducer
fixed
electrode
transducer according
acoustic
Prior art date
Application number
PCT/FR2015/052862
Other languages
English (en)
Other versions
WO2016066938A9 (fr
Inventor
Stéphane Durand
Petr HONZIK
Alexey PODKOVSKIY
Nicolas JOLY
Michel Bruneau
Original Assignee
Universite Du Maine
Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite Du Maine, Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) filed Critical Universite Du Maine
Priority to EP15791719.6A priority Critical patent/EP3213531B1/fr
Priority to US15/521,702 priority patent/US10567885B2/en
Publication of WO2016066938A1 publication Critical patent/WO2016066938A1/fr
Publication of WO2016066938A9 publication Critical patent/WO2016066938A9/fr

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/02—Loudspeakers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/04—Microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/02—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
    • H04R7/04—Plane diaphragms
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/10—Resonant transducers, i.e. adapted to produce maximum output at a predetermined frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R21/00—Variable-resistance transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00
    • H04R23/008—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00 using optical signals for detecting or generating sound
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R9/00—Transducers of moving-coil, moving-strip, or moving-wire type
    • H04R9/18—Resonant transducers, i.e. adapted to produce maximum output at a predetermined frequency

Definitions

  • the present invention relates to the field of electroacoustic transducers. It relates more particularly to an electroacoustic transducer capable of converting an aerial acoustic signal into an electrical signal.
  • an electroacoustic sensor can implement various transduction technologies. It may in particular be of the capacitive, piezoresistive, piezoelectric, electrodynamic or optical type.
  • an electroacoustic transducer comprises a movable element (such as a deformable membrane, or a suspended or deformable plate, or a flexible blade) whose movement, caused by an acoustic wave, is transformed into an electrical quantity, image of the acoustic pressure, by a transduction element.
  • a piezoresistive electroacoustic sensor implements piezoresistive gauges placed in the zones of maximum stress of a membrane constituting the movable element.
  • a piezoelectric electroacoustic sensor implements a piezoelectric coating carried on a membrane constituting the mobile element and electrodes configured to characterize the stresses in the membrane.
  • An electrodynamic electroacoustic sensor uses a coil and magnets to perform a current measurement when the coil carried by the movable member moves in a fixed magnetic field.
  • An optical electroacoustic sensor implements an optical measurement of the displacement of the movable element.
  • Capacitive sensing is the one that offers the greatest sensitivity to the small displacements of the moving element, and thus constitutes the technology preferentially, but not necessarily, implemented in the invention.
  • An electroacoustic capacitive effect sensor also called electrostatic transducer, comprises a movable electrode positioned facing a fixed rear electrode.
  • the mobile electrode is generally made of a deformable membrane covered with a conductive layer.
  • the movable electrode may also consist of a conductive plate, or according to other known configurations.
  • the moving electrode and the fixed electrode thus form the armatures of a capacitor, charged by a DC voltage.
  • An acoustic pressure exerted on the moving electrode causes the displacement vis-à-vis the rear electrode, usually by deformation of the membrane that constitutes it. This causes a variation in the capacitance formed between the moving electrode and the fixed back electrode.
  • this type of sensor corresponds to a microphone technology.
  • the microphones are configured to present on their bandwidth sensitivity as constant as possible. Their bandwidth extends as widely as possible in a band between about 20 Hz and about 20 kHz, which corresponds to the entire audible spectrum.
  • the coupled system consists of the moving electrode, a dissipative element (that is to say able to cause energy dissipation), and can typically be an air gap located between the moving electrode and the fixed electrode, and a cavity, has a natural frequency, which corresponds to a resonance frequency of the electroacoustic transducer according to a resonance mode of its own. This is the case for any capacitive electroacoustic transducer.
  • the resonant frequency can be defined - to a certain extent - by adjusting the voltage of the membrane.
  • the quality factor can be measured or calculated in various known ways. It is defined as the ratio of the natural frequency, at which the gain is maximum, to the width of the bandwidth of the system at -3 dB of the level of the resonance.
  • an electroacoustic transducer must have a low quality factor, reflecting the absence of a significant peak of resonance.
  • the applications of an electroacoustic transducer operating as a sensor are multiple. In some applications, it is necessary to determine whether the electroacoustic transducer is exposed or not at a given frequency.
  • the present invention aims to solve at least one of the aforementioned drawbacks.
  • the invention relates to an acoustic transducer adapted to convert an acoustic signal into an electrical signal, comprising a mobile element, under the effect of said acoustic signal, a fixed element arranged facing the mobile element, a cavity, and a dissipative element interposed between the movable element and the fixed element, the coupled system consisting of the movable element, the dissipative element and the cavity having a natural frequency corresponding to a resonant frequency of the transducer at which its sensitivity is maximum wherein the movable element, the fixed element, the dissipative element and the cavity are configured so that the quality factor of the acoustic transducer is greater than two.
  • the cavity is of generally straight or cylindrical or frustoconical prismatic shape, the mobile element forming a first base of the prism, cylinder or truncated cone, the fixed element being disposed inside said prism, cylinder or truncated cone in elevation from the second base of the prism, cylinder or truncated cone.
  • a quality factor greater than two characterizes a selective filter around the eigenfrequency of the moving electrode.
  • the fixed element has a lower surface to the surface of the movable element.
  • the ratio between the surface of the movable element and that of the fixed element is less than or equal to 1/6.
  • the ratio between the surface of the movable element and that of the fixed element is less than or equal to 1/12.
  • the dissipative element may consist of a gas or a mixture of gases.
  • the dissipative element may consist of air.
  • the movable member and the fixed member are circular.
  • the cavity may in particular be of cylindrical general shape of revolution.
  • the coupled system consisting of the moving electrode, the dissipative element and the cavity can be configured so that its natural frequency is between 20Hz and 20KHz. This is the case in the preferred applications of the invention, but a transducer according to some embodiments of the invention may have a resonance frequency in certain ranges of ultrasound or infrasound.
  • the transducer may for example be configured to have a maximum sensitivity frequency between 20kHz and 140KHz.
  • the transducer may for example be configured to have a maximum sensitivity frequency of the order of 500KHz.
  • the transducer is, in a preferred embodiment, capacitive.
  • the movable element is a moving electrode
  • the fixed element is a fixed electrode.
  • the movable electrode may comprise a deformable membrane.
  • the capacitive transducer according to one embodiment of the invention can be configured so that exposure of the moving electrode to an acoustic wave of frequency corresponding to the resonant frequency of the transducer causes contact between the moving electrode and the fixed electrode, so that the transducer forms a switch.
  • the transducer may further comprise a device for balancing the static pressure prevailing on both sides of the movable element.
  • a device for balancing the static pressure may comprise a capillary tube.
  • the static pressure balancing device may comprise a plurality of capillary tubes.
  • FIG. 1 shows schematically an electroacoustic transducer according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 diagrammatically represents on a graph the behavior of an electroacoustic transducer according to a first configuration of the embodiment of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows schematically on a graph similar to FIG. 2 the behavior of an electroacoustic transducer according to a second configuration of the embodiment of FIG. 1;
  • FIG. 4 diagrammatically shows on a graph similar to FIGS. 2 and 3 the behavior of an electroacoustic transducer according to a third configuration of the embodiment of FIG.
  • Figure 1 shows schematically, in a sectional view of a transducer according to one embodiment of the invention.
  • the electroacoustic transducer is of revolution about a main axis z.
  • a capacitive electroacoustic transducer as shown comprises a movable electrode 1 constituting a movable element.
  • the movable electrode 1 is a deformable membrane constituting an electrical conductor (or having an electrically conductive coating).
  • a fixed electrode 2, constituting a fixed element, is arranged facing the moving electrode 1.
  • An air gap between the moving electrode 1 and the fixed electrode 2 constitutes a dissipative element 3.
  • the dissipative element is also resistive.
  • the dissipative element 3 causes a viscous damping effect of the movement of the movable element.
  • other dissipative fluids may be employed, such as another gas or gas mixture, or a polymer layer.
  • the electroacoustic transducer further comprises a cavity 4, having in the example shown an annular shape because of the particular configuration of the transducer.
  • the cavity 4 thus has, in the example shown here, a general shape of a cylinder of revolution.
  • the moving electrode 1 and the fixed electrode 2 form the armatures of a capacitor, biased by a DC voltage.
  • the moving electrode 1 moves towards the fixed electrode.
  • this movement corresponds to a deformation of the mobile electrode membrane 1. This causes a variation in the capacitance formed between the membrane and the fixed electrode, which produces an inverse voltage variation.
  • the moving electrode 1, the fixed electrode 2, the dissipative element 3 and the cavity 4 are configured so that the quality factor of the acoustic transducer is greater than two.
  • Such a transducer used as a sensor, allows, in one application of the invention, the detection of a localized acoustic field having as frequency that defined by the resonance frequency of the coupled system constituted by the moving electrode, the blade of air between the latter and the back electrode and the cavity.
  • An electroacoustic transducer having a high quality factor, typically greater than two, is said to be resonant.
  • the choice of these parameters influencing the behavior of the transducer aims in particular to limit the damping of the system, without decreasing the acoustic sensitivity of the transducer.
  • the damping in such a device is caused by the viscous shear of the air knife (or adequate dissipative element 3) located under the membrane (or other mobile electrode 1).
  • the ratio between the surface of the moving electrode 1, that is to say the surface exposed to the acoustic waves, for example the surface of the membrane adapted to deform under the received waves effect, and the surface of the fixed electrode 2, is preponderant.
  • a resonant capacitive electroacoustic transducer typically characterized by a quality factor greater than 1.5, and preferably greater than 2, is generally obtained by employing a fixed electrode 2 having an area less than 1/6 of the surface of the moving electrode. 1.
  • the ratio of the radius of the fixed electrode 2 to the radius of the membrane is thus preferably chosen less than 2/5, corresponding to a surface ratio of 4/25, ie about 1/6.
  • Reduction of the surface of the fixed electrode 2 relative to that of the moving electrode 1 results in a reduction of the viscous friction damping within the dissipative element 3 (for example the air gap) situated between these two electrodes, when the movement of the moving electrode 1 flushes the dissipative element to the cavity 4, which may in particular be a rear or peripheral cavity.
  • the decrease in the space between the moving electrode 1 and the fixed electrode 2 (also called inter-electrode space) makes it possible to maintain the sensitivity of the transducer without appreciably increasing the viscous damping.
  • the spacing of the electrodes to significantly reduce the viscous damping induces a decrease in the static capacity of the transducer, which results in a significant decrease in sensitivity.
  • the surface ratio mentioned above is generalizable to many forms of membranes and fixed electrode 2.
  • a circular membrane, a square, polygonal, oval membrane, etc. can be used as a mobile electrode 1 .
  • a circular electrode, a square, polygonal, oval electrode, etc. may be employed as a fixed electrode 2. All combinations of the aforementioned forms of membrane (or more generally mobile electrode 1) and fixed electrode 2 may be employed in the invention, especially with a surface ratio as above expressed.
  • the deformation of a square membrane is expressed by a cosine product, and the deformation of a circular membrane according to a Bessel function.
  • the series developments of their deformed functions are identical up to the second order.
  • this maximum surface ratio can be substantially exceeded if the other parameters give the system a very low damping, and this surface ratio must in any state This should be adopted in combination with other parameters that give the system adequate low damping.
  • the damping of the system is directly related to the dissipative element interposed between the mobile membrane and the fixed membrane and to its viscosity.
  • the thickness of the viscous boundary layer of the dissipative element 3 (generally air) is important, so that the distance between the moving electrode 1 and the fixed electrode 2 constitutes an important parameter of configuration electroacoustic transducer.
  • the thickness of the dissipative element for example the air layer between the moving electrode 1 and the fixed electrode 2 can be increased.
  • the moving element if it is a membrane: its dimensions - typically its surface or its radius if it is circular - its thickness, the material constituting its substrate and the conductive coating it carries, its voltage (mechanical) at rest;
  • the fixed electrode its dimensions - typically its surface or radius if it is circular -, its position in the transducer;
  • the dissipative element its constituent material, its thickness, its pressure and its temperature if it is a gas;
  • the parameters to be defined may vary.
  • the movable element may for example be a bending plate, a rigid suspended plate or a flexible blade embedded at one of its ends (the movement of the other end being characterized).
  • the parameters defined are in particular those which define the mechanical properties of the movable element.
  • a preferred geometry of the invention comprises an annular cavity defined by a cylinder. of revolution within which the fixed electrode is positioned in elevation with respect to one of the bases of the cylinder.
  • the height of elevation of the fixed electrode 2 makes it possible to adjust the distance between said fixed electrode 2 and the membrane in order to obtain the desired low damping without, however, limiting the sensitivity too much.
  • the cavity 4 previously described in an embodiment in which it is cylindrical of revolution may, however, have another general shape, including straight prismatic square or rectangular base.
  • the membrane may have a corresponding shape (square, rectangular, ...) especially in the case where it is machined in a silicon wafer by anisotropic chemical etching.
  • the membrane may alternatively and non-exhaustively be constituted by a bending plate, a flexible blade or a rigid plate suspended by bending arms, provided that cuts allowing the movement of arms do not constitute a short one. acoustic circuit between the front face of the sensor and the air knife or other dissipative element at the rear of the plate.
  • the electroacoustic transducer may advantageously comprise a device that balances the static pressure, that is to say the atmospheric pressure on either side of the mobile element.
  • This device may comprise one or more capillary tubes.
  • This static pressure balancing device allows the acoustic sensor to function as a differential sensor. Indeed, the static pressure (atmospheric) being balanced on both sides of the movable element (typically the membrane), the static mechanical tension of the membrane, which influences the sensitivity of the sensor, remains constant. The sensor thus obtained is therefore sensitive only to a dynamic pressure differential, the dimensioning of the capillary tube or tubes so that they behave as an infinite impedance preventing the dynamic pressure from entering the rear of the moving element. typically in the transducer cavity.
  • the previously described geometry, in which the fixed element is disposed inside the raised cavity of one of its bases is advantageously applicable to any transducer technology.
  • the movable element for example a membrane
  • the movable element is positioned facing a stud having an elevation arrangement in the cavity, as previously described for the fixed electrode of a capacitive transducer.
  • the material constituting the mobile part may be silicon, a polymer, metal, or any other suitable material.
  • the paramount parameter which determines the behavior of the moving element is its surface mass, which results from the product density by its thickness (if it is constant).
  • DRIE deep reactive ion etching
  • anisotropic chemical etching method is used in an aqueous bath, the shape obtained depends on the crystallographic orientation of the silicon wafer and the orientation of the patterns on this wafer with respect to the crystallographic reference.
  • the shapes obtained for initially square or round masks may be as varied as cylinders or cones with square, octagonal or hexagonal bases, or other shapes depending on the orientation of the pattern on the silicon wafer and the orientation of this pattern. last in relation to the crystallographic reference.
  • FIG. 2 shows a first example of behavior of an electrostatic transducer according to an embodiment of the invention, and configured according to a first configuration.
  • the general geometry of the transducer corresponds to the embodiment shown in FIG.
  • the main parameters of this first configuration example are as follows.
  • the membrane is circular of a 2.5mm radius, 50 microns thick and 4000 kg density. m "3.
  • the tension of the membrane is 213 Nm" 1.
  • the fixed electrode has a radius of 0.6mm.
  • the distance between the membrane and the fixed electrode is 13 microns.
  • the annular cavity has a depth of 4mm.
  • the bias voltage is 5 V.
  • the resonant frequency of the transducer for which the sensitivity is maximum is about 5300Hz.
  • the quality factor of the transducer is about 7, which guarantees good selectivity as a sensor. This results in a high and narrow peak of sensitivity around the resonant frequency of the transducer.
  • FIG. 3 shows schematically on a graph similar to FIG. 2 the behavior of an electroacoustic transducer according to a second configuration of the embodiment of FIG. 1.
  • the scales used are similar to those in Figure 2.
  • the general geometry of the transducer corresponds to the embodiment shown in FIG.
  • the main parameters of this second configuration example are as follows.
  • the membrane is circular with a radius of 2.5 mm, a thickness of 50 microns and a density of 4000 kg. m "3.
  • the tension of the membrane is 213N.m" 1.
  • the fixed electrode has a radius of 0.6mm.
  • the distance between the membrane and the fixed electrode is 15 microns.
  • the annular cavity has a depth of 4mm.
  • the bias voltage is 5 V.
  • the resonant frequency of the transducer for which the sensitivity is maximum is about 7000Hz.
  • the quality factor of the transducer is about 10, which guarantees good selectivity as a sensor. This results in a high and narrow peak of sensitivity around the resonant frequency of the transducer.
  • This figure nevertheless illustrates the fact that resonance modes may be close to the main mode.
  • the damping of the system should not be too limited.
  • certain configurations limit this spacing because of the need to maintain sufficient damping necessary because of the proximity between the main mode of resonance and other modes.
  • FIG. 4 diagrammatically shows on a graph similar to FIGS. 2 and 3 the behavior of an electroacoustic transducer according to a third configuration of the embodiment of FIG.
  • the general geometry of the transducer corresponds to the embodiment shown in FIG.
  • the main parameters of this third configuration example are as follows.
  • the membrane is circular with a radius of 6.5mm, a thickness of 25 microns and a density of 1420 kg. m "3.
  • the tension of the membrane is 2621 Nm" 1.
  • the fixed electrode has a radius of 0.1 mm.
  • the distance between the membrane and the fixed electrode is 5 microns.
  • the annular cavity has a depth of 2mm.
  • the bias voltage is 2 V.
  • the resonant frequency of the transducer for which the sensitivity is maximum is about 16800Hz.
  • the quality factor of the transducer is about 805. This ensures extreme selectivity as a target frequency sensor. This results in a high and extremely narrow sensitivity peak around the resonant frequency of the transducer.
  • the significant decrease in the radius of the fixed electrode implies a decrease in the inter-electrode space (distance between the membrane and the fixed electrode), which makes it possible to maintain the value of the static capacitance of the transducer .
  • This can nevertheless, in the case of a capacitive transducer, cause diaphragm collapse phenomena (also referred to as "pull-in”) which correspond to a maximum deflection of the diaphragm which reaches the contact with the back electrode. It is then necessary to reduce the polarization voltage of the transducer to a much lower level (often referred to as "V_pull_out”) in order to release the latter.
  • transducer would no longer be used as a variable capacitor but as a switch activated by an acoustic wave of a given frequency (in this case the resonance frequency of the transducer).
  • the above examples illustrate resonant transducers whose resonance frequency is between about 5000Hz and 17000Hz.
  • the invention is of preferential application in the audible frequency range, that is to say from about 20 Hz to about 20 kHz, and preferably above 1 kHz.
  • the invention can also be applied in the field of ultrasound.
  • the invention can also be applied in certain ranges of infrasound, but a low voltage of the membrane is generally a parameter opposing the obtaining of a resonant capacitive transducer, so that a high quality factor is particularly difficult to reach in the low frequencies.
  • the transducer can be used successfully even in a noisy environment. Due to the great simplicity of implementation of such a system, and the absence of electronic filtration and the associated power consumption for each transducer, it is possible to easily multiply the number of transducers used, especially in space important and / or to capture several predefined frequencies.
  • the invention developed here proposes the design of an electroacoustic transducer whose resonance is little attenuated so that it behaves like a frequency filter selective. This results in a high quality factor, unknown in the field of microphones, typically greater than two.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)

Abstract

La présente invention a pour objet un transducteur acoustique adapté à convertir un signal acoustique en signal électrique. Le transducteur comporte un élément mobile sous l'effet du signal acoustique, un élément fixe en regard de l'élément mobile, une cavité (4), et un élément dissipatif (3) interposé entre l'élément mobile et l'élément fixe. Le système couplé ainsi formé a une fréquence propre correspondant à une fréquence de résonance du transducteur à laquelle sa sensibilité est maximale. L'élément mobile, l'élément fixe, l'élément dissipatif et la cavité sont configurés de sorte que le facteur de qualité du transducteur acoustique est supérieur à deux. La cavité (4) est de forme générale prismatique droite ou cylindrique ou tronconique, l'élément mobile formant une première base du prisme, cylindre ou tronc de cône, l'élément fixe étant disposé à l'intérieur dudit prisme, cylindre ou tronc de cône en surélévation de la seconde base du prisme, cylindre ou tronc de cône. Un tel transducteur intègre ainsi une fonction de filtration analogique du signal autour de sa fréquence de résonance.

Description

Transducteur électroacoustique, ensemble et système associés
La présente invention concerne le domaine des transducteurs électroacoustiques. Elle porte plus particulièrement sur un transducteur électroacoustique apte à convertir un signal acoustique aérien en signal électrique. Un tel capteur électroacoustique peut mettre en œuvre diverses technologies de transduction. Il peut notamment être du type capacitif, piézorésitif, piézoélectrique, électrodynamique ou optique. De manière générale, un tel transducteur électroacoustique comporte un élément mobile (tel qu'une membrane déformable, ou une plaque suspendue ou déformable, ou encore une lame flexible) dont le mouvement, provoqué par une onde acoustique, est transformé en grandeur électrique, image de la pression acoustique, par un élément de transduction.
Un capteur électroacoustique piézorésistif met en œuvre des jauges piézorésistives placées dans les zones de contraintes maximales d'une membrane constituant l'élément mobile.
Un capteur électroacoustique piézoélectrique met en œuvre un revêtement piézoélectrique reporté sur une membrane constituant l'élément mobile et des électrodes configurées pour caractériser les contraintes dans la membrane.
Un capteur électroacoustique électrodynamique met en œuvre une bobine et des aimants pour effectuer une mesure de courant lorsque la bobine portée par l'élément mobile se déplace dans un champ magnétique fixe.
Un capteur électroacoustique optique met en œuvre une mesure optique du déplacement de l'élément mobile.
La détection capacitive est celle qui offre la plus grande sensibilité aux faibles déplacements de l'élément mobile, et constitue ainsi la technologie préférentiellement, mais pas nécessairement, mise en œuvre dans l'invention. Un capteur électroacoustique à effet capacitif, également appelé transducteur électrostatique, comporte une électrode mobile positionnée en regard d'une électrode arrière fixe. L'électrode mobile est généralement constituée d'une membrane déformable recouverte d'une couche conductrice. L'électrode mobile peut également être constituée d'une plaque conductrice, ou selon d'autres configurations connues.
L'électrode mobile et l'électrode fixe forment ainsi les armatures d'un condensateur, chargé par une tension continue. Une pression acoustique exercée sur l'électrode mobile en provoque le déplacement vis-à-vis de l'électrode arrière, généralement par déformation de la membrane qui la constitue. Cela entraîne une variation de la capacité formée entre l'électrode mobile et l'électrode arrière fixe.
La charge électrique du condensateur ainsi constitué étant maintenue constante et égale au produit de la tension et de la capacité, la variation de la capacité produit une variation inverse de tension.
Dans l'état de la technique connu, ce type de capteur correspond à une technologie de microphones. Les microphones sont configurés pour présenter sur leur bande passante une sensibilité la plus constante possible. Leur bande passante s'étend le plus largement possible sur une bande située entre 20Hz environ et 20kHz environ, ce qui correspond à l'ensemble du spectre audible.
Dans un transducteur électroacoustique capacitif, le système couplé constitué de l'électrode mobile, d'un élément dissipatif (c'est-à-dire apte à provoquer une dissipation d'énergie), et pouvant typiquement être une lame d'air située entre l'électrode mobile et l'électrode fixe, et une cavité, présente une fréquence propre, qui correspond à une fréquence de résonance du transducteur électroacoustique selon un mode propre de résonance. Cela est le cas pour tout transducteur électroacoustique capacitif. Dans le cas d'un transducteur électroacoustique capacitif dont l'électrode mobile est une membrane déformable, la fréquence de résonance peut être définie - dans une certaine mesure - en réglant la tension de la membrane.
Une sensibilité la plus constante possible sur la bande passante pour laquelle le microphone est configuré est obtenue d'une part en configurant le transducteur pour écarter sa première fréquence de résonance au-delà de la bande passante employée, et en amortissant cette résonance.
Typiquement, pour un microphone, il est classique de décaler cette fréquence de résonance vers les hautes fréquences, par exemple au-delà de 9KHz ou plus selon les applications : jusqu'à 140 kHz pour des microphones destinés à des mesures sur maquettes (afin de garder une longueur d'onde à l'échelle de la maquette, il faut employer une fréquence décalée en conséquence vers les hautes fréquences) , voire jusqu'à 0,5 MHz pour l'étude des ondes de choc ou des animaux émettant dans les ultrasons comme par exemple les chauves-souris. Pour ce qui est de l'obtention d'un amortissement permettant l'atténuation du pic de résonance selon le mode principal ou selon d'autres modes pouvant se situer dans la bande passante employée, la présence d'un film d'air entre la membrane et l'électrode induit un amortissement provoqué par les pertes visqueuses dans l'air. Cette résistance acoustique va conditionner le facteur de qualité, qui est un paramètre prépondérant de caractérisation du comportement du transducteur électroacoustique. Le facteur de qualité est un paramètre adimensionnel qui caractérise le taux d'amortissement d'un système oscillant.
Le facteur de qualité peut être mesuré ou calculé de diverses manières connues. Il est défini comme le rapport de la fréquence propre, à laquelle le gain est maximal, à la largeur de la bande passante du système à -3 dB du niveau de la résonance.
Plus le facteur de qualité est élevé, plus la bande passante est petite, et plus la résonance se traduit par un pic de gain important, c'est-à-dire élevé et étroit.
Ainsi, un transducteur électroacoustique doit présenter un facteur de qualité faible, traduisant l'absence de pic important de résonance. Les applications d'un transducteur électroacoustique fonctionnant en tant que capteur sont multiples. Dans certaines applications, il convient de déterminer si le transducteur électroacoustique est exposé ou non à une fréquence donnée.
Pour cela, il est connu d'employer un filtre électronique sélectif de la fréquence considérée, ou de la plage de fréquences considérée. Un tel filtre entraine néanmoins une certaine complexité de mise en œuvre, nécessite une certaine puissance de calcul (dans le cas d'un filtre numérique), et requiert une alimentation électrique qui, elle aussi, complexifie la mise en œuvre du système. Cette complexité est préjudiciable, en particulier dans les systèmes mettant en œuvre des transducteurs électroacoustiques de petite taille et/ou en grand nombre. Un grand nombre de transducteurs électroacoustiques employés comme capteurs peut en effet être nécessaire pour discriminer plusieurs fréquences ou plages de fréquences, et/ou afin de déterminer l'exposition à certaines fréquences dans un espace étendu, ce qui nécessite une dissémination de capteurs.
La présente invention a pour but de résoudre au moins l'un des inconvénients précités.
En particulier, l'invention porte sur un transducteur acoustique adapté à convertir un signal acoustique en signal électrique, comportant un élément mobile, sous l'effet dudit signal acoustique, un élément fixe disposé en regard de l'élément mobile, une cavité, et un élément dissipatif interposé entre l'élément mobile et l'élément fixe, le système couplé constitué de l'élément mobile, l'élément dissipatif et la cavité ayant une fréquence propre correspondant à une fréquence de résonance du transducteur à laquelle sa sensibilité est maximale, dans lequel l'élément mobile, l'élément fixe, l'élément dissipatif et la cavité sont configurés de sorte que le facteur de qualité du transducteur acoustique est supérieur à deux. La cavité est de forme générale prismatique droite ou cylindrique ou tronconique, l'élément mobile formant une première base du prisme, cylindre ou tronc de cône, l'élément fixe étant disposé à l'intérieur dudit prisme, cylindre ou tronc de cône en surélévation de la seconde base du prisme, cylindre ou tronc de cône. Un facteur de qualité supérieur à deux caractérise un filtre sélectif autour de la fréquence propre de l'électrode mobile. Ainsi, contrairement à un dispositif tel que ceux connus dans l'état de la technique, la filtration du signal acoustique reçu est réalisée directement au niveau du transducteur électroacoustique employé comme capteur, de manière analogique, sans requérir l'emploi de moyens numériques complémentaires. Il en découle une grande facilité de mise en œuvre, une faible consommation électrique de l'ensemble, et l'absence de moyens de calculs complémentaires.
De préférence l'élément fixe présente une surface inférieure à la surface de l'élément mobile. Dans une variante, le rapport entre la surface de l'élément mobile et celle de l'élément fixe est inférieur ou égal à 1/6. En particulier, le rapport entre la surface de l'élément mobile et celle de l'élément fixe est inférieur ou égal à 1 /12.
L'élément dissipatif peut être constitué d'un gaz ou d'un mélange de gaz. Par exemple, l'élément dissipatif peut être constitué d'air.
Dans un mode de réalisation, l'élément mobile et l'élément fixe sont circulaires.
La cavité peut notamment être de forme générale cylindrique de révolution.
Le système couplé constitué de l'électrode mobile, l'élément dissipatif et la cavité peut être configuré de sorte que sa fréquence propre est comprise entre 20Hz et 20KHz. Cela est le cas dans les applications préférentielles de l'invention, mais un transducteur conforme à certains modes de réalisation de l'invention peut avoir une fréquence de résonance dans certaines plages des ultrasons ou des infrasons. Le transducteur peut par exemple être configuré de sorte à avoir une fréquence de sensibilité maximale située entre 20kHz et 140KHz. Le transducteur peut par exemple être configuré de sorte à avoir une fréquence de sensibilité maximale de l'ordre de 500KHz.
Le transducteur est, dans un mode de réalisation préférentiel, capacitif. Dans ce cas, l'élément mobile est une électrode mobile, l'élément fixe est une électrode fixe. L'électrode mobile peut comporter une membrane déformable. Le transducteur capacitif selon un mode de réalisation de l'invention peut être configuré de sorte que l'exposition de l'électrode mobile à une onde acoustique de fréquence correspondant à la fréquence de résonance du transducteur provoque le contact entre l'électrode mobile et l'électrode fixe, de sorte que le transducteur forme un interrupteur.
Le transducteur peut en outre comporter un dispositif d'équilibrage de la pression statique régnant de part et d'autre de l'élément mobile. Un tel dispositif d'équilibrage de la pression statique peut comporter un tube capillaire. Le dispositif d'équilibrage de la pression statique peut comporter plusieurs tubes capillaires.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après.
Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs :
- la figure 1 représente schématiquement un transducteur électroacoustique selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 représente schématiquement sur un graphique le comportement d'un transducteur électroacoustique selon une première configuration du mode de réalisation de la figure 1 ;
- La figure 3 présente schématiquement sur un graphique analogue à la figure 2 le comportement d'un transducteur électroacoustique selon une seconde configuration du mode de réalisation de la figure 1 ;
- La figure 4 présente schématiquement sur un graphique analogue aux figures 2 et 3 le comportement d'un transducteur électroacoustique selon une troisième configuration du mode de réalisation de la figure 1 .
La figure 1 représente schématiquement, selon une vue en coupe un transducteur selon un mode de réalisation de l'invention. Dans le mode de réalisation ici représenté à titre d'exemple, le transducteur électroacoustique est de révolution autour d'un axe principal z.
Un transducteur électroacoustique capacitif tel que représenté comporte, une électrode mobile 1 constituant un élément mobile. Dans le mode de réalisation ici représenté, l'électrode mobile 1 est une membrane déformable constituant un conducteur électrique (ou comportant un revêtement conducteur électrique). Une électrode fixe 2, constituant un élément fixe, est disposée en regard de l'électrode mobile 1 . Une lame d'air entre l'électrode mobile 1 et l'électrode fixe 2 constitue un élément dissipatif 3. L'élément dissipatif est également résistif. L'élément dissipatif 3 provoque un effet d'amortissement visqueux du mouvement de l'élément mobile. Dans d'autres modes de réalisation non représentés, d'autres fluides dissipatifs peuvent être employés, tels qu'un autre gaz ou mélange de gaz, ou une couche de polymère. Le transducteur électroacoustique comporte en outre une cavité 4, ayant dans l'exemple représenté une forme annulaire du fait de la configuration particulière du transducteur. La cavité 4 présente ainsi, dans l'exemple ici représenté, une forme générale de cylindre de révolution. L'électrode mobile 1 et l'électrode fixe 2 forment les armatures d'un condensateur, polarisé par une tension continue. Lorsque qu'une pression acoustique est exercée sur l'électrode mobile 1 , cette dernière se déplace vis-à-vis de l'électrode fixe. Dans l'exemple ici représenté, ce mouvement correspond à une déformation de la membrane formant électrode mobile 1 . Cela entraine une variation de la capacité formée entre la membrane et l'électrode fixe, qui produit une variation inverse de tension.
Dans un transducteur électroacoustique conforme à l'invention, l'électrode mobile 1 , l'électrode fixe 2, l'élément dissipatif 3 et la cavité 4 sont configurés de sorte que le facteur de qualité du transducteur acoustique est supérieur à deux.
Un tel transducteur, employé comme capteur, permet, dans une application de l'invention, la détection d'un champ acoustique localisé ayant comme fréquence celle définie par la fréquence de résonance du système couplé constitué par l'électrode mobile, la lame d'air entre cette dernière et l'électrode arrière et la cavité. Un transducteur électroacoustique ayant un facteur de qualité élevé, typiquement supérieur à deux, est dit résonnant.
L'obtention d'un facteur de qualité élevé est permise par le choix adéquat des nombreux paramètres définissant les éléments précités constitutifs du transducteur (l'électrode mobile 1 , l'électrode fixe 2, l'élément dissipatif 3 et la cavité 4). Le choix de ces paramètres influant sur le comportement du transducteur vise en particulier à limiter l'amortissement du système, sans diminuer la sensibilité acoustique du transducteur. L'amortissement dans un tel dispositif est provoqué par le cisaillement visqueux de la lame d'air (ou élément dissipatif 3 adéquat) située sous la membrane (ou autre électrode mobile 1 ).
Parmi les paramètres influant sur le facteur de qualité, le rapport entre la surface de l'électrode mobile 1 , c'est-à-dire typiquement la surface exposée aux ondes acoustiques, par exemple la surface de la membrane adaptée à se déformer sous l'effet d'ondes reçues, et la surface de l'électrode fixe 2, est prépondérant. Un transducteur électroacoustique capacitif résonnant, caractérisé typiquement par un facteur de qualité supérieur à 1 ,5 et de préférence supérieur à 2, est généralement obtenu en employant une électrode fixe 2 présentant une surface inférieure à 1 /6 de la surface de l'électrode mobile 1 . Pour une membrane circulaire et une électrode fixe 2 également circulaire, tel que dans l'exemple de mode de réalisation ici représenté, le rapport du rayon de l'électrode fixe 2 au rayon de la membrane est ainsi préférentiellement choisi inférieur à 2/5, correspondant à un rapport de surface de 4/25, soit environ 1 /6.
La réduction de la surface de l'électrode fixe 2 par rapport à celle de l'électrode mobile 1 entraîne une diminution de l'amortissement par frottement visqueux au sein de l'élément dissipatif 3 (par exemple la lame d'air) situé entre ces deux électrodes, lorsque le mouvement de l'électrode mobile 1 chasse l'élément dissipatif vers la cavité 4, qui peut notamment être une cavité arrière ou périphérique. La diminution de l'espace entre l'électrode mobile 1 et l'électrode fixe 2 (également appelé espace inter-électrode) permet de maintenir la sensibilité du transducteur sans augmenter notablement l'amortissement visqueux. Pour des électrodes (fixe et mobile) de même surface, l'écartement des électrodes permettant de diminuer significativement l'amortissement visqueux induit une baisse de la capacité statique du transducteur, ce qui se traduit par une diminution importante de sa sensibilité. Le rapport de surface ci-dessus mentionné est généralisable à de nombreuses formes de membranes et d'électrode fixe 2. Alternativement à une membrane circulaire, une membrane carrée, polygonale, ovale, etc., peut être employée en tant qu'électrode mobile 1 . Alternativement à une électrode circulaire, une électrode carrée, polygonale, ovale, etc., peut être employée en tant qu'électrode fixe 2. Toutes les combinaisons des formes précitées de membrane (ou plus généralement électrode mobile 1 ) et d'électrode fixe 2 peuvent être employées dans l'invention, notamment avec un rapport de surface tel que ci-dessus exprimé. En effet, à titre d'exemple, la déformée d'une membrane carrée s'exprime par un produit de cosinus, et la déformée d'une membrane circulaire selon une fonction de Bessel. Pour le premier mode, et en dehors des coins de la membrane carrée, les développements en série de leurs fonctions de déformée sont identiques jusqu'au second ordre.
Bien évidemment, de nombreux autres paramètres déterminant la configuration du transducteur influant sur l'amortissement du système, ce rapport maximal de surface peut être sensiblement dépassé si les autres paramètres confèrent au système un très faible amortissement, et ce rapport de surface doit en tout état de cause être adopté en association avec d'autres paramètres conférant au système un amortissement faible adéquat.
L'amortissement du système est directement lié à l'élément dissipatif interposé entre la membrane mobile et la membrane fixe et à sa viscosité. En particulier, l'épaisseur de la couche limite visqueuse de l'élément dissipatif 3 (généralement de l'air) est importante, de sorte que la distance entre l'électrode mobile 1 et l'électrode fixe 2 constitue un paramètre important de configuration du transducteur électroacoustique. Ainsi, afin de limiter l'amortissement pour maximiser le facteur de qualité, l'épaisseur de l'élément dissipatif (par exemple la couche d'air) entre l'électrode mobile 1 et l'électrode fixe 2 peut être augmentée.
Parmi l'ensemble des paramètres de configuration influant sur le facteur de qualité du système, on peut citer :
- Pour la définition de l'élément mobile, s'il s'agit d'une membrane : ses dimensions - typiquement sa surface ou son rayon si elle est circulaire -, son épaisseur, le matériau constitutif de son substrat et le revêtement conducteur qu'elle porte, sa tension (mécanique) au repos ;
- Pour la définition de l'électrode fixe : ses dimensions - typiquement sa surface ou son rayon si elle est circulaire -, sa position dans le transducteur ;
- Pour la définition de l'élément dissipatif : son matériau de constitution, son épaisseur, sa pression et sa température s'il s'agit d'un gaz;
- Pour la définition de la cavité : sa forme générale et ses dimensions,
- Pour l'ensemble : la configuration générale, notamment la position et l'orientation des éléments précités, la tension de polarisation du condensateur ainsi formé (dans le cas d'un transducteur capacitif).
Bien évidemment, selon différents modes de réalisation de l'invention, les paramètres à définir peuvent varier. Notamment, l'élément mobile peut être par exemple une plaque encastrée en flexion, une plaque rigide suspendue ou une lame flexible encastrée à l'une de ses extrémités (le mouvement de l'autre extrémité étant caractérisé). Dans ce cas, les paramètres définis sont notamment ceux qui définissent les propriétés mécaniques de l'élément mobile.
Afin de permettre l'obtention d'une configuration adéquate pour l'obtention d'un gain maximum à la fréquence souhaitée, une géométrie préférentielle de l'invention, telle que représentée à la figure 1 , comporte une cavité 4 annulaire définie par un cylindre de révolution à l'intérieur duquel l'électrode fixe est positionnée en surélévation par rapport à l'une des bases du cylindre. La hauteur de surélévation de l'électrode fixe 2 permet de régler la distance entre ladite électrode fixe 2 et la membrane pour l'obtention du faible l'amortissement souhaité sans toutefois trop limiter la sensibilité.
Bien que décrite selon un mode de réalisation préférentiel illustré à la figure 1 , de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Notamment, la cavité 4, précédemment décrite dans un mode de réalisation dans laquelle elle est cylindrique de révolution, peut cependant présenter une autre forme générale, notamment prismatique droite à base carrée ou rectangulaire. La membrane peut présenter une forme correspondante (carré, rectangulaire, ...) notamment dans le cas où elle est usinée dans une tranche de silicium par gravure chimique anisotrope.
La membrane peut alternativement et de manière non exhaustive être constituée d'une plaque en flexion, d'une lame flexible ou une plaque rigide suspendue par des bras en flexion, pour autant que des découpes permettant le mouvement de bras ne constituent pas un court-circuit acoustique entre la face avant du capteur et la lame d'air ou autre élément dissipatif à l'arrière de la plaque.
Le transducteur électroacoustique peut avantageusement comporter un dispositif équilibrant la pression statique, c'est-à-dire la pression atmosphérique de part et d'autre de l'élément mobile. Ce dispositif peut comporter un ou plusieurs tubes capillaires.
Ce dispositif d'équilibrage de pression statique permet au capteur acoustique de fonctionner comme un capteur différentiel. En effet, la pression statique (atmosphérique) étant équilibrée de part et d'autre de l'élément mobile (typiquement la membrane), la tension mécanique statique de la membrane, qui influe sur la sensibilité du capteur, reste constante. Le capteur ainsi obtenu n'est donc sensible qu'à un différentiel de pression dynamique, le dimensionnement du ou des tubes capillaires faisant qu'ils se comportent comme une impédance infinie empêchant la pression dynamique de pénétrer à l'arrière de l'élément mobile, typiquement dans la cavité du transducteur.
En outre, la géométrie précédemment décrite, dans laquelle dans laquelle l'élément fixe est disposé à l'intérieur de la cavité en surélévation d'une de ses bases est avantageusement applicable à toute technologie de transducteur. Typiquement, pour un capteur piézoélectrique, piézorésistif, électrodynamique ou optique, l'élément mobile (par exemple une membrane) est positionné en regard d'un plot ayant une disposition en surélévation dans la cavité, tel que précédemment décrit pour l'électrode fixe d'un transducteur capacitif.
De nombreuses variantes de réalisation sont envisageables sans sortir du cadre défini dans l'invention. Typiquement, en fonction du mode de réalisation considéré, le matériau constitutif de la partie mobile peut être du silicium, un polymère, du métal, ou tout autre matériau adéquat. Le paramètre prépondérant qui détermine le comportement de l'élément mobile est sa masse surfacique, qui résulte du produit masse volumique par son épaisseur (si elle est constante).
Dans le cas de l'emploi de silicium, il est possible par gravure ionique réactive profonde (en anglais « Deep Reactive Ion Etching » ou « DRIE ») de réaliser de nombreuses formes de membrane et d'électrode fixe (si le capteur est capacitif). Cependant, si l'on utilise un procédé de gravure chimique anisotrope en bain aqueux, la forme obtenue dépend de l'orientation cristallographique de la tranche de silicium et de l'orientation des motifs sur cette tranche par rapport au repère cristallographique. Les formes obtenues pour des masques initialement carrés ou ronds peuvent être aussi variées que des cylindres ou des cônes à bases carrées, octogonales ou hexagonales, ou d'autres formes selon l'orientation du motif sur la tranche de silicium et l'orientation de cette dernière par rapport au repère cristallographique.
Dans le cas de l'usinage d'un métal ou d'un polymère, il est généralement possible de réaliser la forme souhaitée, aux conditions et tolérances d'usinage près. La figure 2 montre un premier exemple de comportement d'un transducteur électrostatique conforme à un mode de réalisation de l'invention, et configuré selon une première configuration.
En ordonnée est portée la sensibilité du transducteur en décibels (dB) référencés à 1 V/Pa, en abscisse la fréquence en hertz (Hz).
La géométrie générale du transducteur correspond au mode de réalisation présenté à la figure 1 . Les paramètres principaux de ce premier exemple de configuration sont les suivants. La membrane est circulaire d'un rayon de 2,5mm, d'une épaisseur de 50 microns et d'une densité de 4000 kg. m"3. La tension de la membrane est de 213 N.m"1. L'électrode fixe a un rayon de 0,6mm. La distance entre la membrane et l'électrode fixe est de 13 microns. La cavité annulaire a une profondeur de 4mm. La tension de polarisation est de 5 V.
La fréquence de résonance du transducteur pour laquelle la sensibilité est maximale est de 5300Hz environ. Le facteur de qualité du transducteur est de 7 environ, ce qui garantit une bonne sélectivité en tant que capteur. Cela se traduit par un pic de sensibilité élevé et étroit autour de la fréquence de résonance du transducteur.
La figure 3 présente schématiquement sur un graphique analogue à la figure 2 le comportement d'un transducteur électroacoustique selon une seconde configuration du mode de réalisation de la figure 1 . Les échelles employées sont similaires à celles de la figure 2.
La géométrie générale du transducteur correspond au mode de réalisation présenté à la figure 1 . Les paramètres principaux de ce deuxième exemple de configuration sont les suivants. La membrane est circulaire d'un rayon de 2,5mm, d'une épaisseur de 50 microns et d'une densité de 4000 kg. m"3. La tension de la membrane est de 213N.m"1. L'électrode fixe a un rayon de 0,6mm. La distance entre la membrane et l'électrode fixe est de 15 microns. La cavité annulaire a une profondeur de 4mm. La tension de polarisation est de 5 V.
La fréquence de résonance du transducteur pour laquelle la sensibilité est maximale est de 7000Hz environ. Le facteur de qualité du transducteur est de 10 environ, ce qui garantit une bonne sélectivité en tant que capteur. Cela se traduit par un pic de sensibilité élevé et étroit autour de la fréquence de résonance du transducteur. Cette figure illustre néanmoins le fait que des modes de résonance peuvent être proches du mode principal. Dans ce cas, afin d'obtenir un filtre sélectif autour du mode principal uniquement, il convient de ne pas trop limiter l'amortissement du système. Ainsi, pour un rapport de surface donné entre la membrane et l'électrode fixe, il peut exister une valeur maximale d'écartement entre ladite membrane et ladite électrode au-delà de laquelle d'autres modes de résonance ne seront pas suffisamment atténués. Ainsi, si la maximisation de l'écart entre la membrane et l'électrode fixe est une règle générale de conception, certaines configurations limitent cet écartement du fait de la nécessité de maintenir un amortissement suffisant nécessaire du fait de la proximité entre le mode principal de résonance et d'autres modes.
La figure 4 présente schématiquement sur un graphique analogue aux figures 2 et 3 le comportement d'un transducteur électroacoustique selon une troisième configuration du mode de réalisation de la figure 1 .
Les échelles employées sont similaires à celles de la figure 1 et de la figure 2.
La géométrie générale du transducteur correspond au mode de réalisation présenté à la figure 1 . Les paramètres principaux de ce troisième exemple de configuration sont les suivants. La membrane est circulaire d'un rayon de 6.5mm, d'une épaisseur de 25 microns et d'une densité de 1420 kg. m"3. La tension de la membrane est de 2621 N.m"1. L'électrode fixe a un rayon de 0,1 mm. La distance entre la membrane et l'électrode fixe est de 5 microns. La cavité annulaire a une profondeur de 2mm. La tension de polarisation est de 2 V.
La fréquence de résonance du transducteur pour laquelle la sensibilité est maximale est de 16800Hz environ. Le facteur de qualité du transducteur est de 805 environ. Cela garantit une sélectivité extrême en tant que capteur de la fréquence ciblée. Cela se traduit par un pic de sensibilité élevé et extrêmement étroit autour de la fréquence de résonance du transducteur.
Par ailleurs, on constate que la diminution importante du rayon de l'électrode fixe implique une diminution de l'espace inter-électrode (distance entre la membrane et l'électrode fixe), qui permet de maintenir la valeur de la capacité statique du transducteur. Ceci peut néanmoins, dans le cas d'un transducteur capacitif, provoquer des phénomènes de collapse de la membrane (également désigné par l'expression anglophone "pull-in") qui correspondent à une déflexion maximale de la membrane qui va jusqu'au contact avec l'électrode arrière. Il est alors nécessaire de réduire la tension de polarisation du transducteur à un niveau très inférieur (souvent désignée « V_pull_out ») afin de relâcher cette dernière. Ce phénomène, qui doit généralement être évité, peut cependant être mis à profit dans le cas où le transducteur ne serait plus utilisé comme une capacité variable mais comme un interrupteur activé par une onde acoustique de fréquence donnée (en l'occurrence la fréquence de résonance du transducteur).
Les exemples ci-dessus présentés illustrent des transducteurs résonnants dont la fréquence de résonance est située entre 5000Hz et 17000Hz environ. L'invention est d'application préférentielle dans la plage des fréquences audibles, c'est-à-dire de 20Hz environ à 20KHz environ, et de préférence au-dessus de 1 KHz.
De plus, l'invention peut également être appliquée dans le domaine des ultrasons. L'invention peut aussi être appliquée dans certaines plages des infrasons, mais une faible tension de la membrane est de manière générale un paramètre s'opposant à l'obtention d'un transducteur capacitif résonnant, de sorte qu'un facteur de qualité élevé est particulièrement difficile à atteindre dans les basses fréquences.
Grâce au filtrage fréquentiel réalisé par un transducteur présentant un facteur de qualité élevé, le transducteur peut être employé avec succès y compris en ambiance bruyante. Du fait de la grande simplicité de mise en œuvre d'un tel système, et de l'absence de filtration électronique et de la consommation électrique associée pour chaque transducteur, il est possible de multiplier aisément le nombre de transducteurs mis œuvre, notamment dans espace important et/ou pour capter plusieurs fréquences prédéfinies.
Ainsi, en adoptant une conception contraire à celle recherchée pour les microphones traditionnels, dont la bande passante doit être la plus large possible dans le domaine des fréquences audibles, l'invention ici développée propose la conception d'un transducteur électroacoustique dont la résonance est peu atténuée de sorte à ce qu'il se comporte comme un filtre fréquentiel sélectif. Cela se traduit par un facteur de qualité élevé, inconnu dans le domaine des microphones, typiquement supérieur à deux.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Transducteur acoustique adapté à convertir un signal acoustique en signal électrique, comportant un élément mobile sous l'effet dudit signal acoustique, un élément fixe disposé en regard de l'élément mobile, une cavité (4), et un élément dissipatif (3) interposé entre l'élément mobile et l'élément fixe,
le système couplé constitué de l'élément mobile, l'élément dissipatif (3) et la cavité (4) ayant une fréquence propre correspondant à une fréquence de résonance du transducteur à laquelle sa sensibilité est maximale, l'élément mobile, l'élément fixe, l'élément dissipatif (3) et la cavité (4) étant configurés de sorte que le facteur de qualité du transducteur acoustique est supérieur à deux, caractérisé en ce que la cavité (4) est de forme générale prismatique droite ou cylindrique ou tronconique, l'élément mobile formant une première base du prisme, cylindre ou tronc de cône, l'élément fixe étant disposé à l'intérieur dudit prisme, cylindre ou tronc de cône en surélévation de la seconde base du prisme, cylindre ou tronc de cône.
2. Transducteur acoustique selon la revendication 1 , dans lequel l'élément fixe présente une surface inférieure à la surface de l'élément mobile.
3. Transducteur acoustique selon la revendication 2, dans lequel le rapport entre la surface de l'élément mobile et celle de l'élément fixe est inférieur ou égal à 1 /6, et de préférence inférieur ou égal à 1 /12.
4. Transducteur acoustique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément dissipatif (3) est constitué d'un gaz ou d'un mélange de gaz.
5. Transducteur acoustique selon la revendication 4, dans lequel l'élément dissipatif (3) est constitué d'air.
6. Transducteur acoustique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément mobile et l'élément fixe sont circulaires.
7. Transducteur acoustique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la cavité (4) est de forme générale cylindrique de révolution.
8. Transducteur acoustique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont le système couplé constitué de l'électrode mobile, l'élément dissipatif (3) et la cavité (4) est configuré de sorte que sa fréquence propre est comprise entre 20Hz et 20KHz.
9. Transducteur acoustique selon l'une des revendications précédentes, l'élément mobile étant une électrode mobile (1 ), l'élément fixe étant une électrode fixe (2), le transducteur étant un transducteur capacitif.
10. Transducteur selon la revendication 9, dans lequel l'électrode mobile (1 ) comporte une membrane déformable.
1 1 . Transducteur selon la revendication 9 ou la revendication 10, configuré de sorte que l'exposition de l'électrode mobile (1 ) à une onde acoustique de fréquence correspondant à la fréquence de résonance du transducteur provoque le contact entre l'électrode mobile (1 ) et l'électrode fixe (2), de sorte que le transducteur forme un interrupteur.
12. Transducteur selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre un dispositif d'équilibrage de la pression statique régnant de part et d'autre de l'élément mobile.
13. Transducteur selon la revendication 12, dans lequel le dispositif d'équilibrage de la pression statique comporte un tube capillaire.
PCT/FR2015/052862 2014-10-27 2015-10-23 Transducteur électroacoustique, ensemble et système associés WO2016066938A1 (fr)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP15791719.6A EP3213531B1 (fr) 2014-10-27 2015-10-23 Transducteur électroacoustique, ensemble et système associés
US15/521,702 US10567885B2 (en) 2014-10-27 2015-10-23 Electroacoustic transducer, and associated assembly and system

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1460325 2014-10-27
FR1460325A FR3027762B1 (fr) 2014-10-27 2014-10-27 Transducteur electroacoustique, ensemble et systeme associes

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2016066938A1 true WO2016066938A1 (fr) 2016-05-06
WO2016066938A9 WO2016066938A9 (fr) 2017-05-18

Family

ID=52465512

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2015/052862 WO2016066938A1 (fr) 2014-10-27 2015-10-23 Transducteur électroacoustique, ensemble et système associés

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10567885B2 (fr)
EP (1) EP3213531B1 (fr)
FR (1) FR3027762B1 (fr)
WO (1) WO2016066938A1 (fr)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10412491B2 (en) * 2015-10-30 2019-09-10 Goertek, Inc. Band-pass acoustic filter and acoustic sensing apparatus
US10616690B2 (en) * 2016-08-22 2020-04-07 Goertek Inc. Capacitive MEMS microphone and electronic apparatus
JP7410935B2 (ja) 2018-05-24 2024-01-10 ザ リサーチ ファウンデーション フォー ザ ステイト ユニバーシティー オブ ニューヨーク 容量性センサ

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2673347A1 (fr) * 1991-02-22 1992-08-28 Thomson Csf Transducteur electroacoustique a decouplage acoustique optimise.
US20030128628A1 (en) * 2002-01-10 2003-07-10 Osborn Jason W. Wave flextensional shell configuration
US20100142325A1 (en) * 2007-03-14 2010-06-10 Epos Development Ltd. Mems microphone
DE102012213310A1 (de) * 2012-07-30 2014-01-30 Robert Bosch Gmbh MEMS-Bauelement

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3008013A (en) * 1954-07-20 1961-11-07 Ferranti Ltd Electrostatic loudspeakers
US3778561A (en) * 1972-06-21 1973-12-11 Bell Canada Northern Electric Electret microphone
GB2122842B (en) * 1982-05-29 1985-08-29 Tokyo Shibaura Electric Co An electroacoustic transducer and a method of manufacturing an electroacoustic transducer
US5335286A (en) * 1992-02-18 1994-08-02 Knowles Electronics, Inc. Electret assembly

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2673347A1 (fr) * 1991-02-22 1992-08-28 Thomson Csf Transducteur electroacoustique a decouplage acoustique optimise.
US20030128628A1 (en) * 2002-01-10 2003-07-10 Osborn Jason W. Wave flextensional shell configuration
US20100142325A1 (en) * 2007-03-14 2010-06-10 Epos Development Ltd. Mems microphone
DE102012213310A1 (de) * 2012-07-30 2014-01-30 Robert Bosch Gmbh MEMS-Bauelement

Also Published As

Publication number Publication date
FR3027762A1 (fr) 2016-04-29
US20170245059A1 (en) 2017-08-24
EP3213531B1 (fr) 2019-09-11
EP3213531A1 (fr) 2017-09-06
FR3027762B1 (fr) 2018-01-19
WO2016066938A9 (fr) 2017-05-18
US10567885B2 (en) 2020-02-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3414756B1 (fr) Absorbeur acoustique, paroi acoustique et procédé de conception et fabrication
EP3213531B1 (fr) Transducteur électroacoustique, ensemble et système associés
FR2667396A1 (fr) Capteur pour mesure de pression en milieu liquide.
EP0260173B1 (fr) Hydrophones piezo-électriques de sensibilité accrue
FR2848478A1 (fr) Matiere absorbante pour dispositif transducteur a ultrasons micro-usine
FR3066833A1 (fr) Capteur avec cavite scellee sous vide
EP1144948B1 (fr) Capteur gyroscopique et appareil de mesure de rotation
FR2881913A1 (fr) Transducteur capacitif tres sensible (a micro-usinage) micro-usine a ultrasons
EP2747452A1 (fr) Dispositif à membrane à déplacement contrôlé
EP3538479B1 (fr) Dispositif de transmission d'un mouvement et d'une force entre deux zones isolées l'une de l'autre
WO2016092020A1 (fr) Hydrophone piezoelectrique a perforations, antenne comprenant une pluralite d'hydrophones et procede de realisation de l'hydrophone
EP3766829B1 (fr) Liaison mecanique pour dispositif mems et nems de mesure d'une variation de pression et dispositif comprenant une telle liaison mecanique
EP2109935A1 (fr) Résonateur acoustique en volume à fréquence de résonance réglable et utilisation d'un tel résonateur dans le domaine de la téléphonie.
WO2013008203A2 (fr) Capteur miniaturise a element chauffant et procede de fabrication associe.
FR2967788A1 (fr) Systeme de detection et de localisation d’une perturbation d’un milieu, procede et programme d’ordinateur correspondants
EP3065415B1 (fr) Dispositif a membranes actionnables et haut-parleur digital comportant au moins un tel dispositif
FR2582806A1 (fr) Dispositif a utiliser dans les microphones a pression afin d'ameliorer leurs proprietes a basse frequence
WO2005061991A1 (fr) Structure vibrante micro-usinee et microgyrometre associe
FR2540325A1 (fr) Hydrophone de vitesse
EP3275024B1 (fr) Capteur piézoélectrique et instrument comportant un tel capteur
EP2279557B1 (fr) Filtre resonant a base de matrice de n/mems
EP0072289A2 (fr) Transducteur électroacoustique à condensateur à diélectrique intrinséquement polarisé
EP4202387B1 (fr) Procede et systeme de determination de l'etat d'un capteur dont le comportement mecanique est non lineaire en fonction de l'amplitude de la pression exercee
CH709293A2 (fr) Microphone passif.
EP4081770A1 (fr) Dispositif optique de détection d'une onde acoustique

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15791719

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15521702

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2015791719

Country of ref document: EP