ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МИКРОФОН Российский патент 1998 года по МПК H04R19/04 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано как датчик давления в различных устройствах автоматического управления технологическими процессами.

Известны устройства для измерения давления, которые представляют собой кремниевую пластину, часть которой вытравливают до образования тонкой мембраны. Методом ионной имплантации на мембране выполняют резистивные элементы с межсоединениями. Четыре однотипных пьезорезистора образуют мост, при этом два резистора соединены так, что при прогибе мембраны их сопротивление возрастает, а у двух резисторов уменьшается. В результате достигается высокая чувствительность моста. Выходное напряжение в этом случае пропорционально давлению, но его величина порядка 0,1В недостаточна для дальнейшей обработки сигнала, поэтому его нужно усилить примерно до 1В. Такое усилие производится при помощи операционных усилителей [1].

Недостатком таких устройств является высокая температурная чувствительность, что значительно снижает точность определения величины давления.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению можно считать электростатический микрофон [2].

Устройство представляет собой конструкцию, которая содержит два чувствительных к давлению конденсатора, источник электрического питания, два полевых транзистора, два резистора и конденсатор.

Изменение давления приводит к изменению величины емкости, которая, в свою очередь, изменяет выходное напряжение устройства.

Недостатком известного устройства, является низкая точность измерений, особенно в области малых давлений, связанная с тем, что небольшие изменения емкости в малой степени изменяют выходное напряжение.

В основу изобретения поставлена задача создания электростатического микрофона, который обладает высокой точностью измерений.

Поставленная задача решается таким образом, что в известном устройстве преобразование давления в напряжение заменяется преобразованием давления в частоту в предлагаемом устройстве, для чего конструкция устройства выполнена в виде электростатического микрофона, содержащего два чувствительных к давлению конденсатора, два полевых транзистора, два резистора, первый источник питания и конденсатор. В предлагаемое устройство введены пассивная индуктивность и второй источник питания, причем затвор первого полевого транзистора через подключенные параллельные друг другу первый резистор и первый чувствительный к давлению конденсатор соединен с первым полюсом первого источника питания, затвор второго полевого транзистора через подключенные параллельно друг другу второй резистор и второй чувствительный к давлению конденсатор соединен со стоком первого полевого транзистора, истоки первого и второго полевых транзисторов соединены между собой, первый вывод пассивной индуктивности подключен к стоку первого полевого транзистора, первому выводу второго резистора, первому выводу второго чувствительного к давлению конденсатора и первому полюсу второго источника питания, второй вывод пассивной индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, к которому подключена первая выходная клемма микрофона, а второй вывод конденсатора, вторые полюса первого и второго источников питания, сток второго полевого транзистора и вторая выходная клемма микрофона подключены к общей шине.

Использование предлагаемого устройства для измерения давления существенно повышает точность измерения информативного параметра за счет выполнения емкостного элемента колебательного контура в виде полевых транзисторов, в котором изменение емкости под действием давления преобразуется в эффективную перестройку резонансной частоты, а также за счет возможности линеаризации функции преобразования путем выбора величины напряжения источников электропитания.

На чертеже представлен электростатический микрофон, содержащий источник постоянного напряжения 1, который осуществляет питание полевых транзисторов 2 и 3 через ограничительное сопротивление 4, параллельно которому подключен чувствительный к давлению конденсатор 5. Затвор полевого транзистора 3 через ограничительное сопротивление 6, параллельно которому подключен чувствительный к давлению конденсатор 7, соединен со стоком полевого транзистора 2. Истоки полевых транзисторов 2 и 3 соединены между собой. Параллельно стокам полевых транзисторов 2 и 3 подключена последовательная цепочка, состоящая из пассивной индуктивности 8 и конденсатора 9 совместно с источником электрического питания 10. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора 9 и общей шиной.

Электростатический микрофон работает следующим образом.

В начальный момент времени давление не действует на чувствительные к давлению конденсаторы 5 и 7. Повышением напряжения управляющих источников 1 и 10 до величины, когда на зажимных сток-сток полевых транзисторов 2 и 3 возникает отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на зажимных сток-сток полевых транзисторов 2 и 3 и индуктивным сопротивлением пассивной индуктивности 8. Конденсатор 9 предохраняет источник 10 управляющего напряжения от короткого замыкания через индуктивность 8, а также служит нагрузочным сопротивлением по переменному току, с которого снимается выходной сигнал. При последующем воздействии давления на чувствительные к давлению конденсаторы 5 и 7 происходит изменение их емкости, что приводит к изменению емкостной составляющей полного сопротивления на электродах сток-сток полевых транзисторов 2 и 3, а это в свою очередь вызывает изменение резонансной частоты колебательного контура.

Использование: в качестве датчика давления в различных устройствах автоматического управления технологическими процессами. Сущность изобретения: микрофон содержит два источника постоянного напряжения, которые осуществляют питание двух полевых транзисторов через ограничительные сопротивления, параллельно которым подключены чувствительные к давлению конденсаторы. Истоки полевых транзисторов соединены между собой. Параллельно стокам полевых транзисторов подключена последовательная цепочка, состоящая из пассивной индуктивности и конденсатора. При воздействии давления на чувствительные к давлению конденсаторы происходит изменение их емкости, что приводит к изменению емкостной составляющей полного сопротивления на зажимах сток-сток полевых транзисторов, а это в свою очередь вызывает изменение резонансной частоты колебательного контура. 1 ил.

Электростатический микрофон, содержащий два чувствительных к давлению конденсатора, два полевых транзистора, два резистора, первый источник питания и конденсатор, отличающийся тем, что в него введены пассивная индуктивность и второй источник питания, причем затвор первого полевого транзистора через подключенные параллельные друг другу первый резистор и первый чувствительный к давлению конденсатор соединен с первым полюсом первого источника питания, затвор второго полевого транзистора через подключенные параллельно друг другу второй резистор и второй чувствительный к давлению конденсатор соединен со стоком первого полевого транзистора, истоки первого и второго полевых транзисторов соединены между собой, первый вывод пассивной индуктивности подключен к стоку первого полевого транзистора, первому выводу второго резистора, первому выводу второго чувствительного к давлению конденсатора и первому полюсу второго источника питания, второй вывод пассивной индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, к которому подключена первая выходная клемма микрофона, а второй вывод конденсатора, вторые полюса первого и второго источников питания, сток второго полевого транзистора и вторая выходная клемма микрофона подключены к общей шине.