DE4342169A1

DE4342169A1 - Elektromechanischer Wandler, wie Mikrofon

Info

Publication number: DE4342169A1
Application number: DE19934342169
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Prof Dr Gevatter
Original assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1993-12-10
Filing date: 1993-12-10
Publication date: 1995-06-14

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen elektromechanischen Wandler der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art. Ein solcher Wandler kann z. B. als Mikrofon ausgebildet sein, wo ein Schalldruck als mechani sches Eingangssignal dient, die Bewegung der Membran bewirkt und ein elektrisches Ausgangssignal liefert, das dann ausgewertet wird. Eine Mem branbewegung kann aber auch durch eine Beschleunigung relativ zur Platte des Wandlers entstehen, die dann als mechanisches Eingangssignal dient.

Der bekannte Wandler dieser Art ist ein Kondensator-Mikrofon. Die durch den Schall erzeugte Auslenkung der Membran wird über die angelegte Be triebsspannung in Spannungsschwankungen umgeformt, die dann ausgewertet werden. Die Auslenkung der Membran führt zu einer Nichtlinearität des elektrischen Ausgangssignals, das gegenüber dem mechanischen Eingangssignal verzerrt wird. Es tritt ein hoher Klirrfaktor auf. Es sind platzaufwendige, teuere Geräte erforderlich, um die Nichtlinearität in Grenzen zu halten. Die Fertigung der bekannten Wandler ist relativ lohnintensiv. Die Herstellung von Kondensatormikrofonen kleiner Abmessungen, wie sie z. B. in Hörgeräten genutzt werden, erschwert die Herstellung von Produkten hoher Qualität. Es ergeben sich verhältnismäßig große Abmessungen und hohe Herstellungsko sten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zuverlässigen, raumsparen den elektromechanischen Wandler der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu entwickeln, der sich preiswert herstellen läßt. Dies wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführ ten Maßnahmen erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.

Das auf die Membran einwirkende mechanische Eingangssignal soll im Be reich der Leiterspitze einen Tunnelstrom zwischen den beiden Elektroden im Bereich der Leiterspitze erzeugen. Dazu wird eine Stellspannung genutzt, die eine elektrostatische Anziehung zwischen den beiden Elektroden er zeugt. Die Membran wird dadurch so nahe an die Platte herangeführt, bis, durch eine Betriebsspannung, im Bereich der Leiterspitze der gewünschte Tunnelstrom fließt. Der Abstand im Bereich der Leiterspitze liegt dann im Bereich von Nanometern und soll nachfolgend kurz "Tunnelabstand" bezeichnet werden. Um die für die Leitung des Tunnelstroms dienenden Bereiche der Elektrode elektrisch isoliert von den für die elektrostatische Anziehungskraft wirksamen Bereichen zu halten, wird mindestens die Leiter fläche der einen Elektrode, z. B. diejenige der Membran, in zwei Teilzonen gegliedert, von denen nur die eine mit der Leiterspitze zusammenwirkt bzw. diese trägt. Der Tunnelstrom erzeugt mittels eines elektrischen Ver stärkers das auszuwertende elektrische Ausgangssignal. Der Ausschlag der Membran wird also mittels des Tunnelstrom-Effekts in elektrische Spannungsänderungen umgeformt.

Damit läßt sich die Größe des Wandlers auf den Millimeterbereich reduzie ren. Mit mikromechanischen Fertigungsmethoden, die ein Ätzen und Be schichten von scheibenförmigem Material betreffen, lassen sich die Wandler nach der Erfindung preisgünstig herstellen. Wie noch näher erläutert werden wird, ist es von besonderem Vorteil, den Wandler durch eine Rückkopplung zwischen dem Ausgangs- und Eingangssignal als Regelkreis, und zwar als Kraft-Regelkreis, auszubilden. Mit dem Regelkreis wird über den Tunnelab stand ein definierter Tunnelstrom gesteuert. Ein elektrostatisches Kraftstell glied sorgt für einen konstanten Tunnelabstand zwischen den beiden Elektro den im Bereich der Leiterspitze. Durch Anpassung der Parameter des Kraft-Regelkreises läßt sich der nutzbare Frequenzbereich und die Dynamik des Wandlers einstellen. Über die Betriebsspannung wird, wie später noch näher erläutert wird, eine elektrostatische Rückstellkraft erzeugt, welche, selbst wenn sie einseitig auf die Membran wirkt, über einen PI- oder PID-Regler bereits die Nichtlinearität des Tunnelstrom-Effekts reduziert. Sorgt man für beidseitig wirkende, gegeneinander gerichtete Rückstellkräfte, so erhält man eine lineare Beziehung. Ein derartiger Wandler hat den Klirr faktor Null.

Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung sind aus den Unteransprü chen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich. Die Erfindung richtet sich dabei auf alle daraus entnehmbaren neuen Merk male und Merkmalskombinationen, auch wenn diese nicht ausdrücklich in den Ansprüchen angeführt sein sollten. In den Zeichnungen ist die Erfin dung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1, schematisch und in starker, nicht maßstabsgerechter Vergrößerung, einen Längsschnitt durch einen Wandler nach der Erfindung entlang der Schnittlinie I-I von Fig. 2,

Fig. 2 die Innenansicht auf die Membran des Wandlers von Fig. 1 in Blickrichtung der Pfeile II-II von Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines zum Wandler nach der Erfindung gehören den Kraft-Regelkreises mit einseitiger Kraft-Gegenkopplung durch ein quadratisches Kraft-Stellglied,

Fig. 4 eine Kennlinie des Wandlers in einem Arbeitsdiagramm, das den Tunnelstrom in Abhängigkeit von der Auslenkung der Membran verdeutlicht,

Fig. 5 das zum Kraft-Regelkreis von Fig. 3 gehörende Bode-Diagramm, das den nutzbaren Frequenzbereich des Wandlers zeigt,

Fig. 6 die Verwirklichung eines Stoß-Schutzes bei einem gegenüber Fig. 1 abgewandelten Wandler, wobei die Schnittführung durch die Schnittlinie VI-VI in der aus Fig. 7 ersichtlichen Ansicht verdeutlicht ist,

Fig. 7, in einer zu Fig. 2 entsprechenden Darstellung, die Innenansicht auf die Membran des Wandlers von Fig. 6 in Blickrichtung der Pfeile VII-VII von Fig. 6,

Fig. 8 in einer der Fig. 1 entsprechenden Schnittdarstellung eine abge wandelte Ausführungsform des Wandlers nach der Erfindung mit einer symmetrischen, linearen Kraftgegenkopplung, und

Fig. 9 in einer der Fig. 3 entsprechenden Darstellung ein Blockschaltbild des Kraftregelkreises zum Wandler von Fig. 8 mit einem linearen Kraft-Stellglied.

Der elektromechanische Wandler um faßt zwei nebeneinanderliegende Elektro den 10, 20, die ein zueinander unterschiedliches Verhalten gegenüber einem mechanischen Eingangssignal 28 aufweisen. Die eine Elektrode 10 ist ela stisch nachgiebig, läßt sich folglich durch das mechanische Eingangssignal 28 aus ihrer Ausgangslage bewegen und soll daher nachfolgend kurz "Mem bran" bezeichnet werden. Die andere Elektrode 20 ist dagegen starr, bleibt also bei den auftreffenden Eingangssignalen 28 in Ruhe und soll daher nachfolgend kurz "Platte" benannt werden. Denkbar wäre es aber auch, die zweite Elektrode 20 in ähnlicher Weise wie die erstgenannte Elektrode 10 beweglich in einem Wandlergehäuse anzuordnen. Als mechanisches Ein gangssignal 28 wird im vorliegenden Fall, ausweislich der Pfeile in Fig. 1, ein Schalldruck p benutzt. Man könnte aber alternativ als Eingangssignal Relativ-Bewegungen zwischen der Membran 10 und der gehäusefesten Platte 20 benutzen, die sich aus der Trägheit der Membran 10 bei einer Beschleu nigung des Wandlers ergeben, z. B. bei mechanischen Erschütterungen. Auf diese Weise kann z. B. Körperschall über das Gehäuse des Wandlers aufgenommen werden und sich in Relativ-Beschleunigungen der Membran 10 auswirken.

Im vorliegenden Fall ist die Membran 10 durch Ätzen einer Siliziumscheibe 11 in einem Bereich 12 entstanden, nämlich durch Abtragen der obersten Siliziumschichten, bis auf restliche, zum Aufbau der Membran 10 dienende untere Schichten. Dadurch entsteht über der Membran 10 ein Fensteraus schnitt 12 in der Siliziumscheibe 11. Die Siliziumscheibe 11 braucht bei spielsweise nur eine Dicke von 0,5 mm aufzuweisen.

Das zur Ausbildung der Platte 20 dienende Substrat besteht im vorliegenden Fall aus Glas, z. B. Pyrex, das bis auf den Membran-Bereich - vollflächig mit der Siliziumscheibe 11 verbunden ist. Jener Bereich der Glasscheibe 21, welcher der Membran 10 gegenüberliegt, ist ihrerseits z. B. durch Ätzen mit Flußsäure od. dgl., mit einer stufenförmigen Aussparung 22 versehen und trägt die ruhende Elektrode.

Die einander zugekehrten Flächenseiten der Membran 10 einerseits und der Platte 20 andererseits sind mit elektrisch leitenden Flächen 13, 14 bzw. 23 versehen, die nachfolgend kurz "Leiterflächen" bezeichnet werden sollen. Die Leiterflächen der Membran 10 sind in zwei, durch Punktschraffur in Fig. 2 hervorgehobene Teilzonen 13, 14 gegliedert, die elektrisch gegen einander isoliert sind. Die Teilzonen 13, 14 lassen sich durch Maskieren und Metall-Bedampfen herstellen, wodurch dazwischen eine elektrische Isolation 19 verbleibt. Die Leiterfläche 23 der Platte 20 entsteht ebenfalls durch gezieltes Bedampfen mit Metallen. Die beiden Teilzonen 13, 14 kön nen auf diese Weise zugleich mit Anschlüssen 15, 16 versehen sein, wie auch die plattenseitige Leiterfläche 23 einen solchen, im schematischen Schnitt von Fig. 1 verdeutlichten Anschluß 25 besitzen kann. Außerdem ist die Leiterfläche 23 der Platte 20 mit einer elektrisch leitenden Spitze 24 versehen, die sehr nahe an die gegenüberliegende Teilzone 13 der Leiter fläche von der Membran 10 heran reicht. Diese Spitze 24 soll nachfolgend kurz "Leiterspitze 24" bezeichnet werden. Die Leiterspitzen 24 lassen sich z. B. durch laserinduzierte CVD-Edelmetall-Abscheidung auf der Leiter fläche 23 erzeugen und enden mit einem sehr kleinen Radius. In Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels könnte anstelle der Platte 20 die Membran 10 mit einer solchen Leiterspitze 24 versehen sein, wie auch beidseitig, also sowohl an der Teilzone 13 der einen Leiterfläche als auch an der gegenüberliegenden Leiterfläche 23, zwei gegeneinander gerichtete Leiterspitzen vorgesehen sein könnten.

An die Leiter-Teilzone 13 der Membran 10, die der Leiterspitze 24 gegen überliegt, ist über einen Anschluß 15 der eine Pol einer Spannungsquelle 17a angeschlossen, der eine Betriebsspannung U_T liefert. Ein zur plattensei tigen Leiterfläche 23 gehörender Anschluß 25 liegt am Massepol. Im vorlie genden Fall bildet die Membran 10 und die Platte 20 die beiden Elektroden eines elektrostatischen Kraftstellglieds, wofür eine in Fig. 1 angedeutete elektrische Stellspannung U_Y maßgeblich ist. Die Stellspannung U_Y entsteht am Ausgang eines noch näher zu beschreibenden, in Fig. 3 erkennbaren PID-Reglers 18, dessen Ausgangsspannung in Fig. 1 mit 17b bezeichnet ist. Durch das mit Feldlinien 26 in Fig. 1 angedeutete elektrostatische Feld zwischen der membranseitigen Leiter-Teilzone 13 einerseits und der plattenseitigen Leiterfläche 23 andererseits wird die Membran 10 mit ihrer Leiter-Teilzone 13 so nahe an die Leiterspitze 24 heranbewegt, daß ein sogenannter "Tunnelstrom" fließt, der von der Spannungsquelle 17a geliefert und in Fig. 1 mit I_T bezeichnet ist. Dann liegt zwischen diesen Bauteilen 13, 24 ein Abstand 31 im Nanometerbereich vor, der nachfolgend kurz "Tunnelabstand" genannt und mit a_T bezeichnet werden soll.

Dieser Tunnelstrom I_T ergibt sich aus der quantenmechanischen Unschärfere lation für den Ort eines Elektrons im Bereich eines z. B. an der Leiterspit ze 24 befindlichen Atoms. Dieser physikalische Effekt macht sich in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise bemerkbar. Im dortigen Diagramm ist anhand der Kurve 27 die Größe des Tunnelstroms I_T in Abhängigkeit vom Tunnelabstand a_T bei konstanter Betriebsspannung U_T veranschaulicht. Mit abnehmendem Tunnelabstand a_T nimmt der Tunnelstrom I_T exponentiell zu.

Wie bereits erwähnt wurde, ist der erfindungsgemäße Wandler Bestandteil eines Kraft-Regelkreises 30 gemäß Fig. 3. Ziel des Regelkreises 30 ist es, den Tunnelstrom I_T konstant zu halten, ihn also auf einem bestimmten, aus Fig. 4 ersichtlichen mittleren Sollwert I_TSoll zu halten. Dies erreicht man, indem man den Tunnelabstand auf den zugehörigen Sollwert a_TSoll von Fig. 4 konstant hält. Der Regelkreis 30 ist so bemessen, daß Störgrößen, wie Temperaturschwankungen oder Erschütterungen, die unterhalb eines nutzbaren Frequenzbereichs, also z. B. unterhalb der Hörschwelle liegen, auskompensiert werden.

Mit G1 in Fig. 3 ist das Übertragungsverhalten des Vorwärtskanals des Kraft-Regelkreises 30 bezeichnet. Ausgehend von einer Kraft-Vergleichsstelle 29, beschreibt das erste Glied 31 von G1 das elastische Verhalten der Membran 10, die unter einer definierten elastischen Vorspannung steht. Diese Vorspannung ist in Fig. 3 an der Kraft-Vergleichsstelle 29 mit der elastischen Vorspannkraft F₀ gekennzeichnet und auch in Fig. 1 durch einen ihre Wirkrichtung kennzeichnenden Pfeil F₀ veranschaulicht. Diese Vorspannkraft entsteht durch die zwischen den beiden Elektroden 10, 20 angelegte elektrische Spannung. Wie durch die Symbolik in diesem ersten Glied 31 im Vorwärtskanal G1 zum Ausdruck kommt, wirkt sich eine auf die Membran einwirkende Kraftdifferenz Δ F in einer entsprechenden Differenz des Tunnelabstands Δ a_T aus.

Das zweite Glied 32 im Vorwärtskanal G1 des Regelkreises 30 beschreibt den bereits erwähnten Tunnelstromeffekt. Die vorerwähnte Differenz des Tunnelabstands Δ a_T wirkt sich in einer Tunnelstrom-Differenz Δ I_T aus, was in Fig. 4 eingezeichnet ist. Durch den Kraft-Regelkreis 30 wird dafür gesorgt, daß sich nur infinitesimale Änderungen des Tunnelabstands a_T und damit des Tunnelstroms I_T ergeben. Das ist in Fig. 4 durch ein dicker gekennzeichnetes Kurvenstück der dortigen Tunnelstrom-Kurve 27 veran schaulicht, das praktisch durch die Kurven-Tangente bestimmt ist. Am Ausgang des zweiten Glieds 32 fällt der Tunnelstrom Δ I_T an und wird, mit negativem Vorzeichen, an der nachfolgenden Strom-Vergleichsstelle 56 mit dem gewünschten I_TSoll verglichen, welcher ein positives Vorzeichen hat. Der sich daraus ergebende Differenzwert des Tunnelstroms geht dann an das dritte Glied 33 von G₁, nämlich einen elektronischen Verstärker. Im elektronischen Verstärker 33 wird die Differenz des Tunnelstroms I_T in eine entsprechende elektrische Spannung U_X umgewandelt, welche, ausweislich des Ausgangspfeils in Fig. 3, zur weiteren Auswertung verwendet wird. Insgesamt ergibt sich also im Vorwärtskanal G₁ eine Verstärkung V₁ zwischen dem Kraft-Eingangssignal einerseits und einer als Ausgangssignal anfallenden elektrischen Spannung U_X andererseits.

Dieser Sachverhalt ist in Fig. 5 durch den horizontalen Ast 38′ einer strichpunktierten Kennlinie verdeutlicht. Fig. 5 zeigt den Amplitudengang des Bode-Diagramms, als Betrag des Quotienten zwischen dem Spannungs- Ausgangssignal U_X und einer als Eingangssignal fungierenden Führungskraft F_W. Bei der mit 35 bezeichneten Stelle ist die variable Frequenz f gleich der Bezugsfrequenz f₀, die eine Frequenz von z. B. 20 Hz ist. Diese Füh rungskraft F_W ist auch in Fig. 1 eingezeichnet, und zwar als Resultierende des bereits erwähnten Schalldrucks 28. Die Benennung der Ordinate erfolgt in Dezibel. Die vorerwähnte Verstärkung V₁ bestimmt die Lage der Kennli nie 38′ in Fig. 5.

Dem Vorwärtskanal G1 im Kraftregelkreis 30 von Fig. 3 ist aber ein Gegen kopplungskanal G2 zugeordnet, dessen Übertragungsverhalten durch zwei weitere Glieder zu beschreiben ist. Das Spannungs-Ausgangssignal U_X wird dem bereits oben erwähnten PID-Regler 18 zugeführt, dessen I-Anteil den strichpunktiert im Bode-Diagramm von Fig. 5 verdeutlichten Knickver lauf 36′ unterhalb der bereits erwähnten unteren Grenzfrequenz 35 be stimmt. Dieser Kurvenverlauf 36′ und 38′ würde sich ergeben, wenn der Regler 18 nur ein Integrations-Regler wäre.

Nun ist aber, wie bereits erwähnt wurde, beim PID-Regler 18 auch ein P-Anteil wirksam, der die in Fig. 5 gezeigte Verstärkung des Wandlers erheblich reduziert und dadurch das Übertragungsverhalten im Vorwärtskanal G1 linearisiert. Das ergibt mit einem vom Regler 18 bestimmten Proportio nal-Verstärkungsfaktor V_P aus der vorerwähnten Verstärkung V₁ des Vor wärtskanals G1 eine Gesamt-Verstärkung V₀,

V₀ = V₁ · V_P » 1. (1)

Die Verstärkung V₁ liegt größenordnungsmäßig bei 10⁶ Volt pro Newton. Die Gesamtverstärkung V₀ liegt im Bereich zwischen 10² und 10³, ist also wesentlich größer als 1. Durch den P-Anteil des Reglers 18 wird die Verstärkung des Wandlers, bezogen auf die vorerwähnte Verstärkung V₁ auf den Wert

reduziert. Damit erniedrigt sich die Empfindlichkeit ca. um den Faktor 1/100, wodurch sich eine erhebliche Linearisierung für das Übertragungsver halten im Vorwärtskanal ergibt. Auf der Ausgangsseite des Reglers 18 erscheint die bereits erwähnte Stellspannung U_Y, die über ein elektrostati sches Kraftstellglied 34, gemäß Fig. 3, eine definierte Gegenkopplungskraft F_E auf die Membran ausübt und auch in Fig. 1 eingezeichnet ist. Diese Gegenkopplungskraft F_E ist der vorerwähnten elastischen Vorspannkraft F₀ zwar entgegen gerichtet, entsteht aber in analoger Weise, nämlich durch die zwischen die beiden Elektroden 10, 20 angelegte elektrische Stellspannung U_Y. Die Membran 10 ist kraftgefesselt und praktisch klirrfak torfrei; der Klirrfaktor in der Ausführungsform von Fig. 1 ist jedenfalls bei Vollaussteuerung kleiner als 2%. Die Amplitude des Spannungs- Ausgangssignals U_X ist um Größenordnungen kleiner als die für die Vorspan nung maßgebliche Betriebsspannung U_Y. Die Gegenkopplungskraft ergibt sich aus der quadratischen Beziehung

F_E∼(U_Y+U_X)² (3)

Gemäß dem Bode-Diagramm von Fig. 5 wirkt sich der vorbeschriebene P-Anteil des Reglers 18 dadurch aus, daß sich die Arbeitskennlinie um den aus (2) entnehmbaren und in Fig. 5 eingetragenen Betrag reduziert und den durch eine Kennlinie 38 gekennzeichneten Verlauf einnimmt. Die vorbeschriebene Wirkung des I-Anteils bleibt, ausweislich des Knickverlaufs 36, erhalten und bewirkt die untere Grenzfrequenz 35. Im vorliegenden Fall gibt es aber noch einen D-Anteil beim Regler 18, der sich aus einer Vorhaltzeit ergibt. Das wirkt sich im Bode-Diagramm von Fig. 5 durch eine bei 39 eingezeichnete obere Grenzfrequenz aus. Diese Frequenz liegt oberhalb des interessierenden Nutzbereichs 40, z. B., bei Abgrenzung eines Hörbereichs, bei ca. 20 000 Hz. Oberhalb dieser Grenzfrequenz 39 erhält die Arbeitskennlinie 38 einen weiteren abwärts gerichteten Knickverlauf 41, gemäß Fig. 5. Zwischen den beiden Grenzfrequenzen 35, 39 liegt der Nutzbereich 40.

Fällt kein mechanisches Eingangssignal 28 an, z. B. weil kein Schalldruck p wirkt oder keine Beschleunigung der Membran 10 relativ zur Platte 20 sich einstellt, dann fällt auch nicht im Membranschwerpunkt die in Fig. 1 und 3 veranschaulichte Führungskraft F_W an. Dann ist, ausweislich der Fig. 3, F₀ = F_E. Es liegt der Ruhefall vor. Wie bereits erwähnt wurde, sind F₀ und F_E einander entgegengerichtet, was in Fig. 3 durch entspre chende Vorzeichen der an der Kraft-Vergleichsstelle 29 eingezeichneten Kräfte zu erkennen ist.

Fällt bei der Membran 10 ein mechanisches Eingangssignal 28 an, so erzeugt diese im Flächenschwerpunkt der Membran die erwähnte Führungskraft F_W, die sich als Nutzsignal der konstanten Kraft F₀ überlagert. Diejenigen Frequenzen, die im vorbeschriebenen Bode-Diagramm von Fig. 5 unterhalb der Untergrenze 35 und oberhalb der Obergrenze 39 liegen, werden durch den Kraftregelkreis 30 ausgeregelt, während die Frequenzen im Nutzbereich 40 durch den Gegenkopplungskanal G2 soweit kompensiert werden, daß sich der gewünschte Dynamikbereich des elektromechanischen Wandlers einstellt. Damit wird auch die durch den beschriebenen Verstärker 33 des Regelkreises 30 zwangsweise gegebene Rauschquelle entsprechend runter gekoppelt. Wie bereits eingangs beschrieben wurde, wird bei der Erfindung die Lageabweichung der Membran 10, die in der Größenordnung von 10^-10 m liegt, durch die Stellkraft F_E gemäß der vorgenannten Proportional gleichung (3) kompensiert. Durch die vorbeschriebene Linearisierung im Gegenkopplungskanal G2 ist das elektrische Spannungs-Ausgangssignal U_X annähernd proportional der relativ kleinen Änderung der kompensierenden Gegenkopplungskraft F_E. Dies steht im Gegensatz zum bekannten Ausschlag verfahren von bekannten Kondensator-Mikrofonen, wo die Auslenkung der Kondensator-Membran über Änderungen der Kapazität in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Bei diesem bekannten Ausschlagverfahren liegen die Membran-Lageabweichungen bei ca. 10^-6 m, sind also um ca. 4 Zehner potenzen höher als bei der Erfindung, so daß bei dem bekannten Verfahren Nicht-Linearitäten anfallen, die zu einem beträchtlichen Klirrfaktor führen.

Wie bereits erwähnt wurde, zeigen Fig. 6 und 7 Modifikationen des bereits in Fig. 1 und 2 gezeigten, vorstehend beschriebenen Wandlers nach der Erfindung. Es gilt daher die bisherige Beschreibung, was sich durch die Verwendung der gleichen Bezugszeichen bemerkbar macht. Es genügt, ledig lich auf die Unterschiede in Fig. 6 und 7 einzugehen. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, daß, wie die Ansicht von Fig. 7 am besten erkennen läßt, der im Membranschwerpunkt liegende Zentralbezirk 43 der Membran 10, über Federglieder 42 elastisch nachgiebig mit den übrigen Membranteilen 44 verbunden ist. Die beim vorbeschriebenen Wandler vorge sehenen Teilzonen 13, 14 der Leiterflächen fallen mit der Gliederung der Membran 10 in Fig. 6 und 7 in den Zentralbezirk 43 und die übrigen Membranteile 44 zusammen.

Die Federglieder 42 bestehen aus dem gleichen Material, wie die Membran 10 selbst, nämlich, entsprechend dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, aus Silizium, und entstehen dadurch, daß im Umfangsbereich des Zentralbe zirks 43 mehrere Durchbrüche 45 gesetzt werden. Diese Durchbrüche 45 werden durch mikromechanische Fertigungsmethoden, wie Fotobeschichten, Belichten, Ätzen usw., erzeugt. Es bleiben dann haarfeine Stege 46 zwischen den Durchbrüchen 45 stehen, welche dann, aufgrund der ihnen innewohnenden Federelastizität die vorbeschriebenen Federglieder 42 zur Aufhängung des Membran-Zentralbezirks 43 bilden. Damit wird ein Stoß-Schutz des in Fig. 6 und 7 gezeigten Wandlers erreicht. Fällt der Wandler beispielsweise zu Boden, so sorgen die Federglieder 42 für eine so nachgiebige Aufhängung des Membran-Zentralbezirks 43, daß die Leiterspitze 24 beim Auftreffen auf die gegenüberliegende Leiterfläche 13 nicht zerstört wird.

Im letzten Ausführungsbeispiel von Fig. 8 ist ein Wandler mit einer symme trischen Kraft-Gegenkopplung dargestellt. Auch in diesem Fall sollen zur Bezeichnung entsprechender Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, weshalb insoweit die bisherige Beschreibung gilt. Ein wesentlicher Unterschied zu Fig. 1 besteht darin, daß die Membran 10 zwischen zwei als ruhende Elektroden dienenden Platten 20, 20′ angeordnet ist, weshalb es sich jetzt um einen Drei-Elektroden-Wandler handelt.

Die Membran 10 besteht im vorliegenden Fall aus einer beidseitig metalli sierten dünnen Polymer-Folie 47, könnte aber auch durch Pyrex-Glas ersetzt sein. Diese Folie 47 ist in Flächenkontakt mit zwei durch Ätzen profilier ten Siliziumscheiben 48, 49, die zum Aufbau der als ruhende Elektroden fungierenden Platten 20, 20′ dienen. In der einen Siliziumscheibe 48 ist ein Fensterdurchbruch 50 vorgesehen, der es einem z. B. durch Schalldruck anfallenden mechanischen Eingangssignal erlaubt, bis zu dem maßgeblichen Bereich der Membran 10 zu gelangen, wodurch die in Fig. 8 eingezeichnete Führungskraft F_W entsteht. Die gegenüberliegende Siliziumscheibe 49 ist dagegen, ähnlich wie der Wandler in Fig. 1, nur mit einer Aussparung 22 versehen, deren Aussparungsboden in analoger Weise mit der Leiterfläche 23 und der Leiterspitze 24 versehen ist. Dementsprechend besitzt auch die Membran 10 in Fig. 8 auf ihrer der Platte 20 zugekehrten Flächenseite die bereits beschriebenen beiden gegeneinander isolierten Leiterflächen- Teilzonen 13, 14.

Die weitere Besonderheit des Wandlers in Fig. 8 besteht darin, daß auch die andere Siliziumscheibe 48, ausgehend von ihrem Fensterdurchbruch 50, mit einer Aussparungsstufe 52 versehen ist. Der Aussparungsgrund ist mit einer elektrisch leitenden Fläche 53 versehen und die ihr zugekehrte Seite der Membran weist eine zweite, hier durchgehende Metallbeschichtung 51 auf. Es sollte auf einen weitgehend symmetrischen Aufbau der beidseiti gen Leiterflächen geachtet werden. Der durchgehenden Leiterfläche 23 der einen Platte 20 entspricht die durchgehende Leiterfläche 51 auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 10, während der membranseitige Leiter-Teilzone 14 eine entsprechend flächengleiche Leiterfläche 53 an der anderen Platte 20′ zugeordnet ist.

Im vorliegenden Fall wird eine symmetrische Kraft-Gegenkopplung F1 und F2 erzielt, die sich aus zwei einander entgegengerichteten elektrischen Stellspannungen U_Y1 einerseits und U_Y2 andererseits gemäß Fig. 8 ergeben. In Analogie zu Fig. 1 sind die dafür maßgeblichen Spannungsquellen in Fig. 8 mit 17b′ und 17b′′ bezeichnet. Für die Stellspannung U_Y1 werden die bereits im ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 1 beschriebenen Anschlüs se 16, 25 verwendet; während für die Stellspannung U_Y2 die weiteren, aus Fig. 6 ersichtlichen Anschlüsse 54, 55 dienen, die zu den Leitflächen 53, 51 führen. Diese beiden Stellspannungen erzeugen zwischen den beiden Elektroden-Paaren 10, 20 einerseits und 10, 20′ andererseits die durch die Feldlinien 26 und 26′ in Fig. 6 veranschaulichte elektrostatische Felder. Damit ist die resultierende Rückstellkraft der Membran linear, d. h. propor tional zu der Ausgangsspannung U_X. Der Klirrfaktor ist in diesem Fall Null.

In Fig. 9 ist der zum Wandler von Fig. 8 gehörende Kraft-Regelkreis 30′ gezeigt. Dort liegt ein lineares Kraft-Stellglied 34 vor, das im zugehöri gen Blockschaltbild von Fig. 9 gezeigt ist.

Soweit die Fig. 9 mit dem Blockschaltbild von Fig. 3 übereinstimmt, gilt die bisherige Beschreibung. Beim Kraftregelkreis 30′ von Fig. 9 gibt es noch eine Spannungs-Vergleichsstelle 57 zwischen den beiden Gliedern 18, 34 des Gegenkopplungskanals G₂. An dieser Spannungs-Vergleichsstelle 57 wird eine konstante Vorspannung U₀ eingeführt. Zwischen den vorerwähn ten Stellspannungen einerseits und der Vorspannung U₀ sowie der Ausgangs spannung U_X andererseits gilt:

U_Y1 = U₀ - U_X
U_Y2 = U₀ + U_X. (4)

Sofern die Randbedingung U_X < U₀ eingehalten wird, ist das elektrostatische Kraftstellglied 34 linear.

Bezugszeichenliste

10 elastisch nachgiebige Elektrode, Membran
11 Siliziumscheibe für 10
12 Fensterausschnitt in 11
13 Leiterfläche an 10, Teilzone
14 Leiterfläche an 10, Teilzone
15 Anschluß für 13
16 Anschluß für 14
17a Spannungsquelle für U_T
17b Spannungsquelle für U_Y
17b′ Spannungsquelle für U_Y1
17b′′ Spannungsquelle für U_Y2
18 PID-Regler
19 Isolation zwischen 13, 14
20 ruhende Elektrode, Platte
20′ weitere ruhende Elektrode, Platte (Fig. 8)
21 Glas-Substrat
22 Aussparungsstufe in 21 bzw. 49
23 Leiterfläche an 20
24 Leiterspitze an 23
25 Anschluß für 23 und 24
26 Feldlinie zwischen 14, 23
26′ Feldlinie zwischen 14, 53
27 Tunnelstrom-Kennlinie (Fig. 4)
28 mechanisches Eingangssignal, Schalldruck p
29 Kraft-Vergleichsstelle von 30
30 Kraft-Regelkreis (Fig. 3)
30′ Kraft-Regelkreis (Fig. 9)
31 erstes Übertragungsglied von G1 (elastisches Verhalten der Membran)
32 zweites Übertragungsglied von G1 (Tunnelstrom-Effekt)
33 drittes Übertragungsglied von G1, (elektronischer Verstärker)
34 elektro-statisches Kraftstellglied von 30
35 untere Grenzfrequenz (Fig. 5)
36 Knickverlauf von 38 mit PID-Regler (Fig. 5)
36′ Knickverlauf von 38′ mit I-Regler (Fig. 5)
37 Tangente im Arbeitspunkt (Fig. 4)
38 Amplitudengang des Regelkreises 30 mit PID-Regler (Fig. 5)
38′ Amplitudengang mit I-Regler
39 obere Grenzfrequenz (Fig. 5)
40 Nutzbereich von 38 (Fig. 5)
41 oberer Knickverlauf von 38 (Fig. 5)
42 Federglied (Fig. 7)
43 Zentralbezirk von 10 (Fig. 6, 7)
44 übriger Membranteil von 10 (Fig. 6, 7)
45 Durchbruch in 10
46 Federband für 42
47 Polymer-Folie für 10 (Fig. 8)
48 Siliziumscheibe (Fig. 8)
49 Siliziumscheibe (Fig. 8)
50 Fensterdurchbruch in 48
51 gegenüberliegende Metallbeschichtung von 10 (Fig. 8)
52 Aussparungsstufe in 48
53 Leiterfläche von 20′ (Fig. 8)
54 Anschluß für 53 (Fig. 8)
55 Anschluß für 51 (Fig. 8)
56 Strom-Vergleichsstelle (Fig. 3; 9)
57 Spannungs-Vergleichsstelle (Fig. 9)
a_T Tunnelabstand
Δ a_T Differenz des Tunnelabstands (Fig. 3, 4)
f variable Frequenz
f₀ Bezugsfrequenz
F₀ elastische Vorspannkraft der Membran
F₁ erste Kraftkomponente von F₀ (Fig. 8)
F₂ zweite Kraftkomponente von F₀ (Fig. 8)
Δ F Differenz der Eingangskraft bei 31
F_W Führungskraft (Fig. 1, 3)
F_E elektrostatische Gegenkopplungskraft (Fig. 1, 3)
G₁ Übertragungsverhalten des nicht gegengekoppelten Vorwärtskanals
G₂ Übertragungsverhalten des Gegenkopplungskanals
I_T Tunnelstrom
Δ I_T Differenz des Tunnelstroms
p Schalldruck (Fig. 1)
U₀ konstante Vorspannung
U_T Betriebsspannung
U_X Ausgangssignal, Ausgangsspannung (Fig. 3)
U_Y Stellspannung
U_Y1 erste Stellspannung
U_Y2 zweite Stellspannung
V₀ stationärer Schleifen-Verstärkungsfaktor von 30
V₁ Vorwärtsverstärkung von G₁, ohne G₂
V_P Proportional-Verstärkungsfaktor

Claims

1. Elektromechanischer Wandler, z. B. Mikrofon, mit einer starren Elek trode, nämlich einer Platte (20),
und mit einer der Platte (20) nebengeordneten, elastisch nachgiebigen Elektrode, nämlich einer Membran (10),
die durch ein mechanisches Eingangssignal (28), z. B. einen Schalldruck (p) oder eine Membran-Beschleunigung, gegenüber der Platte (20) bewegbar ist,
und beide Elektroden (10, 20) elektrisch leitende Flächen (Leiterflä chen 13, 14; 23) aufweisen, zwischen denen
einerseits eine elektrische Betriebsspannung (U_T) anliegt und anderer seits durch die Membran-Bewegung ein elektrisches Ausgangssignal entsteht,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens die Leiterfläche der einen Elektrode, z. B. diejenige der Platte (20), mit einer elektrisch leitenden Spitze (Leiterspitze 24) versehen ist, welche gegen die Leiterfläche (13) der gegenüberlie genden Elektrode, z. B. diejenige der Membran (10), weist,
wobei mindestens die Leiterfläche der einen Elektrode, z. B. diejenige der Membran (10), in wenigstens zwei gegeneinander elektrisch isolierte Teilzonen (13, 14) gegliedert ist
und die Betriebsspannung (U_T) nur an derjenigen Teilzone (13) der gegliederten Leiterfläche anliegt, welche entweder die Leiterspitze (24) trägt oder mit dieser zusammenwirkt,
während zwischen der anderen Teilzone (14) der gegliederten Leiterflä che dieser Elektrode (10) und der Leiterfläche (23) der gegenüberlie genden Elektrode (20) eine Stellspannung (U_Y) anliegt,
welche eine elektrostatische Anziehungskraft (F_E) zwischen den bei den Elektroden (10, 20) erzeugt und die Membran (10) so nahe an die Platte (20) heran führt, bis - aufgrund der Betriebsspannung (U_T) - im Bereich der Leiterspitze (24) ein Tunnelstrom (I_T) zwischen den Leiterflächen (13, 23) der beiden Elektroden (10, 20) fließt,
und dieser Tunnelstrom (I_T) mittels eines elektronischen Verstärkers (33) das auszuwertende elektrische Ausgangssignal (U_X) erzeugt.

2. Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Regelkreis (30), der - zum Erzeugen eines definierten Tunnelstroms (I_T) - im Bereich der Leiterspitze (24) den Abstand (Tunnelabstand a_T) zwischen den beiden Elektroden (10, 20) konstant hält.

3. Wandler nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Kraft-Regelkreis (30) mit einem elektrostatischen Kraftstellglied (34), welches den Tunnelabstand (a_T) zwischen den beiden Elektroden (10, 20) einstellt.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) einerseits elastisch vorgespannt ist und unter einer definierten Vorspannkraft (F₀) steht, aber andererseits vom Kraftstellglied (33) des Regelkreises (30) eine Gegenkopplungskraft (F_E) erfährt, die der Vorspannkraft (F₀) entgegengerichtet ist.

5. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Eingangssignal (28) eine Führungs kraft (F_W) auf die Membran (10) ausübt, die zwar mit der Vorspann kraft (F₀) gleichgerichtet ist, aber entgegengesetzt zur Gegenkopp lungskraft (F_E) wirkt.

6. Wandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungskraft (F_E) aus einer einseitig auf die Membran (10) wirkenden elektrostatischen Rückstellkraft besteht, die durch die Stellspannung (U_Y) zwischen den beiden Elektroden (10, 20) erzeugt ist, (vergl. Fig. 1).

7. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungskraft (F_E) als Resultierende aus zwei beidseitig auf die Membran (10) einwirkende elektrostati schen Kraftkomponenten (F₁, F₂) erzeugt ist, die entgegengesetzt zueinander wirken, (vergl. Fig. 8).

8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran zwischen zwei mit eigenen Leiterflächen (23; 53) versehenen Platten (20, 20′) angeordnet ist und auf ihren beiden Membranseiten ihrerseits zwei unabhängige Leiterflächen (13, 14; 51) besitzt, wobei zwischen zwei beidseitigen Membran-Leitflächen (14; 51) und Platten- Leiterflächen (23; 53) zwei Stellspannungen (U_Y1, U_Y2) anliegen, die die beiden einander entgegenwirkenden Kraft-Komponenten (F₁, F₂) für die resultierende Gegenkopplungskraft (F_E) der Membran (10) erzeugen, (vergl. Fig. 8).

9. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vom mechanischen Eingangssignal (28) auf die Membran (10) ausgeübte Führungskraft (F_W) im Vorwärtskanal (G1) des Kraft-Regelkreises über das elastische Verhalten der Membran (10) den Tunnelabstand (a_T) beeinflußt und dadurch den entsprechenden Tunnelstrom (I_T) steuert und der Tunnelstrom (I_T) einem elektronischen Verstärker (33) zugeführt wird, der als auszuwertendes Ausgangssignal eine elektrische Spannung (U_X) liefert.

10. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Gegenkopplungskanal (G2) des Kraft- Regelkreises mindestens ein PI-Regler (18) dem Kraftstellglied (34) vorgeschaltet ist, der PI-Regler (18) vom Ausgangssignal (U_x) beauf schlagt ist und der P-Anteil des Reglers (18) die Verstärkung des Wandlers reduziert und das Übertragungsverhalten im Vorwärtskanal (G1) linearisiert, während der I-Anteil des Reglers (18) die unterhalb einer Untergrenze (35) liegenden Frequenzen beim Aussteuern des Wandlers ausregelt.

11. Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kraft stellglied (34) ein PID-Regler (18) vorgeschaltet ist, dessen D-Anteil den nutzbaren Aussteuerungsbereich des Wandlers auch nach oben hin begrenzt und die jenseits einer Obergrenze (39) liegenden Frequen zen ausregelt.

12. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß - als Stoß-Schutz der Leiterspitze (24) - der zum Leiten des Tunnelstromes (I_T) dienende Teilbezirk (43) der Mem bran durch Federglieder (42) mit den übrigen Membranteilen verbunden ist, (vergl. Fig. 7).

13. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran im Umfangsbereich ihres zur Leitung des Tunnelstroms dienenden Teilbezirks (43) mit Durchbrüchen (45) versehen ist, zwischen denen dünne, aus dem Membran-Material gebildete Stege (46) verbleiben und diese Stege (46) als Federglieder (42) für den Stoß-Schutz der Leiterspitze (24) dienen.

14. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Membran (10) randseitig eingespannt ist und der Schwerpunkt der Membranfläche entweder die Leiterspitze (24) selbst trägt oder mit dieser zusammenwirkt.

15. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler mittels mikromechanischer Fertigungs methoden hergestellt ist.

16. Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) und/oder die Platte (20) des Wandlers durch Ätzen und Beschichten von scheibenförmigen Halbleiter-Werkstoffen (11; 48, 49) erzeugt sind, z. B. aus mono- oder polykristallinem Silizium.

17. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) aus einer metallbeschichteten Glasscheibe (21) besteht, (vergl. Fig. 1).

18. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) aus einer metallbeschichteten Kunststoff-Folie (47) besteht, (vergl. Fig. 8).

19. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterspitze (24) mittels laserinduzierter CVD-Edelmetall-Abscheidung erzeugt ist.