Улучшение конструкций электретных микрофонов

Повышение чувствительности электретных микрофонов путем оптимизации их параметров

В работах [1−16]. получены выражения для чувствительности различных конструкций электретных и конденсаторных микрофонов. В частности, выражение для показанной на рис. 1.1 конструкции имеет вид:

где уст — средний по площади противоэлектрода статический прото мембраны под действием электростатических и упругих сил, а и b — соответственно радиусы противоэлектрода и мембраны, А = s_xd₂ + €₂d_] ,?,?₂ — относительные диэлектрические проницаемости воздуха и материала мембраны, d_x и d₂ — толщины воздушного зазора и мембраны, со- циклическая частота колебаний мембраны, к = 0,3а>₀, (со₀. собственная частота колебаний мембраны):

Здесь т* =^рс1₂лЬ² — эффективная масса мембраны, р — сс объемная плотность, г;

натяжение мембраны, г=1,4, ро= 10⁵ Па, V- объем полости, в которой происходит сжатие воздуха при колебаниях мембраны, рис. 1.1.

Из очевидных физических соображений, а также непосредственно из (5.3.1.1) следует, что при увеличении поверхностного потенциала электрета Uj можно получить большую чувствительность. Однако реально значение Uj ограничено нс только возможностью пробоя и несгабильносгью во времени высоких значений Uj но и, главным образом, возможностью залипания мембраны: при больших Uj

электростатические силы становятся так велики, что силы упругой реакции мембраны нс могут их скомпенсировать. Таким образом, наибольшую чувствительность ЭМ можно получить, используя U-j на границе устойчивости мембраны, г. е. когда и_э = Цэь где Uji — потенциал запинания мембраны, который при куполообразной форме мембраны имеет значение.

Здесь Уоз — прогиб мембраны в ее центре на границе устойчивости. При этом.

гдеу<�™, — средний по площади прогиб мембраны на границе ее устойчивости, Формальный анализ приведенных выражений приводит к следующему результату: при уменьшении радиуса противоэлектрода а, очевидно, можно получить большие значения Uj" причем при а -> 0 —> ⁰⁰, как это видно из (5.3.1.3). Таким образом, при уменьшении а чувствительность ЭМ должна, с одной стороны, увеличиваться за счет больших значений 11э, а с другой — уменьшаться, так как а, как и Ujy стоит в числителе (5.3.1.1), Следовательно, при некотором а = а_<�чя и соответствующем ему Uj = U^opt можно ожидать максимальной (на данной частоте) чувствительности ЭМ. Этот формальный результат имеет простое физическое обоснование. При малых г/, действительно, можно использовать большие Uj, однако при этом собственная емкость капсюля С, очевидно, мала и, соответственно, велико его внутреннее реактивное сопротивление. Поэтому, учитывая наличие нагрузки (R/_f ?со и С_н *0), на выходе ЭМ будет значительно меньший электрический сигнал, по сравнению со случаем холостого хода (Rh = со и С"=0). Иными словами, в данном случае ЭМ играет роль источника питания с конечной ЭДС и большим внутренним сопротивлением, ограничивающим ток и, следовательно, выходное напряжение на нагрузке. С ;фугой стороны, при больших размерах противоэлектрода (а — велико) внутреннее реактивное сопротивление ЭМ будет относительно мало и наличие нагрузки существенно не снизит выходной сигнал, что приведет к росту чувствительности. Однако, очевидно, при больших а велики электростатические силы и, следовательно, нельзя использовать большие значения Uj что ведет к уменьшению чувствительности. Таким образом, следует ожидать, что при некоторых а = а_ч>1 можно получить наибольшую чувствительность ЭМ. Численный расчет на основе полученных выражений действительно показывает наличие а_()р1 и соответствующего ему значения, рис. 5.3.1.1. Конкретное значение а,_ч>1 зависит от параметров ЭМ и нагрузки, а также от частоты, однако, как показал анализ полученных результатов, в большинстве случаев можно считать a,_4iS = Ъ/2, т. е. выбирать радиус противоэлектрода примерно вдвое меньше радиуса мембраны [8]. Действительно, в рассмотренном примере b = 4 мм, a dap * 2 мм.

Рис. 5.3.1.1. Зависимость чувстви тельносш ЭМ от радиуса противоэлектрода при различных натяжениях мембраны. *//=30 мкм, <//=12 мкм, р = 1395 кг/м?, f = 1 кГц, C/f= 10 пФ,.

Rtr 50 МОм, ?_: = 22, Ь=4 мм.

Метод ВФХ позволяет исследовать электретные КСПО с поддержками мембраны, рис. 5.3.1.2. В них рабочий воздушный зазор формируется за счет естественной шероховатости и волнистости приводимых в контакт электрета и противоэлектрода. Такая конструкция значительно проще в изготовлении, т.к. не требует натяжения мембраны и формирования тонкого воздушного зазора нужной толщины.

Обнаружилось, что максимальная чувствительность таких КСПО достигается при определенном значении поверхностного потенциала электрета. Этот результат имеет следующее объяснение: с увеличением поверхностного потенциала электрета возрастают создаваемые им электрические поля, ню ведет к росту чувствительности в соответствии с принципом действия рассматриваемой структуры. Однако, при слишком большом поверхностном потенциале электрета доля участков фактического контакта, рис. 5.3.1.2, становится слишком большой из-за залипания электрета на противоэлектрод под действием электростатических сил.

Рис. 5.3.1.2. 1 — сетчатый (пористый) противоэлектрод, 2 -отверстия, 3 — элекгретиая полимерная пленка. 4 — слой металлизации, 5 — участки фактического контакта.

Эти участки неподвижны и, фактически, начинают играть роль возрастающей емкости нагрузки, что, как видно из 5.3.1.1 ведет к уменьшению чувствительности. Доля же подвижной площади мембраны при этом, наоборот, уменьшается, что, очевидно ведет к уменьшению чувствительности. Таким образом, для каждой КСПО такого типа, в зависимости от характеристик противоэлектрода и мембраны.

существует оптимальное (в смысле наибольшей чувствительности) значение поверхностного потенциала электрета, рис. 5.3.1.3.

Аналогично рассмотренным ЭМ с натянутой мембраной и мембраной с поддержками, могут быть проанализированы особенности конструкций ЭМ с жесткой мембраной (в том числе в элсктрстно-полупроводииковом варианте исполнения и конденсаторные MEMS микрофоны) [13], и оптимизированы в смысле наибольшей чувствительности их конструкции. Пример о;шой из таких конструкций, рассчитанной нами в 2002 г. в процессе выполнения совместных работ с ТЦ МИЭТ (г. Зеленоград), показан на рис. 5.3.1.4 — 5.3.1.6.

Рис. 53.1.3. Зависимость чувствительности КСПО с поддержками мембраны ог поверхностного потенциала электрета.

Рис. 5.3.1.4. Эквивалаггная схема конденсаторного микрофона Сщ, — паразитная емкость, обусловленная нерабочими участками мембраны; Сир- емкость транзистора; R_H — сопротивление нагрузки;

С-емкость микрофона.

Рис. 5.3.1.5. Схематическое изображение конденсаторного микрофона (сечение.

кристалла, вид сбоку).

Рис. 5.3.1.6. Схематическое изображение мембраны конденсаторного микрофона с поддерживающими ее балками (вид сверху). 1-мембрана, 2- балка.

Пути улучшения характеристик ЭМ различных конструкций электрофизическими методами подробно изложены в магистерских и дипломных работах, написанных под руководством автора данного учебного пособия. В частности, было показано, что: щя улучшения качества ЭМ можно варьировать не только их электрические характеристики. Например, изменением геометрии воздушных каналов в противоэлсктродс можно существенно влиять на дросселирование воздуха через них и поэтому регулировать частотно-зависимый упругий коэффициент подмембранного объема. Это позволяет увеличить чувствительность и расширишь частотный диапазон работы ЭМ.