Электростатические микрофоны

АКУСТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Дат­чики, работающие в слышимом диапазоне, обычно называются микрофона­ми. Однако это название может употребляться и для детекторов ультразвуковых и инфразвуковых волн. По существу, микрофон является датчиком давления, при­способленным для преобразования звуковых волн в широком спектральном диа­пазоне, из которого обычно исключены очень низкие частоты (ниже нескольких герц). Микрофоны обычно характеризуются: чувствительно­стью, направленнос­тью, полосой частот, динамическим диапазоном, размерами, стоимостью и т.д. Для работы в разных средах используются различные конструкции акустических дат­чиков. Например, для детектирования волн в воздухе или вибраций в твердых те­лах применяются микрофоны, а для работы в жидкой среде - гидрофоны (при­ставка «гидра» произошла от греческого названия мифологической водяной змеи Гидры). Основное отличие между обычным датчиком давления и акустическим преобразователем заключается в том, что последнему не приходится измерять постоянное или очень медленно меняющееся давление. Его рабочий частотный диапазон начинается с нескольких герц (иногда с десятков миллигерц), а закан­чивается в районе нескольких мегагерц для ультразвуковых датчиков, и даже не­скольких гигагерц для устройств, реализованных на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Поскольку акустические волны являются механическими волнами, любой микрофон или гидрофон имеет ту же основную структуру, что и датчик давления: в его состав входит диа­фрагма и преобразователь перемещений, преобразующий отклонение диафрагмы в электриче­ский сигнал. Поэтому все акустические пре­образователи отличаются только конструкцией этих двух компонентов. Хотя не­которые из них могут также включать дополнительные компоненты, такие как звукопоглотители, фокусирующие отражатели или линзы и т.д.

Электростатические микрофоны

Такие устройства иногда называются конденсаторными или емкостными микрофона­ми. Напряжение на параллельных пластинах конденсатора определя­ется выражением:

, (1)

где q - заряд на пластинах конденсатора, d – расстояние между пластинами, А - площадь пла­стин, ε₀- электрическая постоянная.

Таким образом, элек­тростатический микрофон преобразует расстояние между пластинами в электрический сигнал, который усиливается последующими электронными цепями. Оче­видно, что для работы такого устройства необходим источник электрического за­ряда q, от величины которого зависит чувствительность микрофона. Заряд может быть получен либо от внешнего источника питания, вырабатывающего напряже­ние в диапазоне 20...200 В, либо от внутреннего источника, способного выдавать аналогичный заряд, для чего в подложке микро­датчика формируется электретный слой, представляющий собой поляризованный диэлектриче­ский кристалл.

В настоящее время многие емкостные микрофоны реализуются на основе крем­ниевых диафрагм, которые преобразуют акустическое давление в перемещение и вы­полняют функцию подвижной пластины конденсатора. Для повышения чувстви­тельности датчиков напряжение смещения должно быть максимально возможным; поскольку чем выше напряжение, тем больше отклонение диафрагмы. Однако это мо­жет привести к снижению динамического диапа­зона и надежности устройства. Также следует отметить, что уменьшение воздушного зазора между диафрагмой и подложкой ведет к увеличению акустического сопротивления в этом зазоре, что вызывает сниже­ние механической чувствительности микрофона на высоких часто­тах. Например, при воздушном зазоре 2 мкм верхняя частота среза составляет 2 кГц.

Одним из способов улучшения характеристик емкостного микрофо­на является примене­ние механичес­кой обратной связи между выходом усилителя и диафрагмой. На рис. 1А пока­зана схема такого микро­фона, а на рис. 1Б - его гребенча­тые электроды. Один из электродов служит для преобразования переме­щения диафрагмы в напряжение на входе усилителя A₁, а другой – для преобразования напряжения V_а в ме­ханическое отклонение диафрагмы за счет дей­ствия электростатических сил. Механическая обратная связь улучшает линейность и частотный диапазон микрофона, но при этом значительно снижает отклонение мембраны, что приводит к уменьшению чувствительности.