Электроакустический преобразователь Советский патент 1993 года по МПК H04R17/00 

Изобретение относится к акустическим приборам, а также к излучателям акустических колебаний для малогабаритных звуковых сигнальных устройств, например, наручных электронных часов.

Известны электроакустические преобразователи на электромагнитном принципе действия. Они содержат ферромагнитную мембрану, постоянный магнит и катушку, имеют относительно большие габариты и энергопотребление. ч .

Известны пьезоэлектрические преобразователи, применяемые в наручных электронных часах для звуковой сигнализации, содержащие круглую латунную мембрану с приклеенным пьезоэлементом. Такой преобразователь требует сборочных операций и имеет относительно большую толщину.

Известен электроакустический генератор колебаний, используемый в электронных часах в качестве источника энергии. Это устройство содержит плоскую алюминиевую мембрану, слой пьезоэлектрика с нанесенной на нем металлической пленкой. При механических колебаниях мембраны относительно опорной поверхности периметра вырабатывается электрический сигнал. В случае приложения к пьезоэлектрику переменного напряжения мембрана начинает колебаться, вызывая звуковой сигнал.

Известен также электроакустический преобразователь, принятый за прототип, содержащий металлическую мембрану с утолщением по периметру и наклеенный на одну из сторон мембраны пьезоэлемент с двумя электродами. Недостатком прототипа на основе металлической ленты является то, что при уменьшении габаритов уменьшается интенсивность звукового излучения мембраны в связи со смещением частотной характеристики в область высоких частот. Для сохранения частоты звучания требуется сверхтонкая мембрана (толщина 10...50 мкм), при этом, помимо тех

СО

с

XI со

00

о о о

нологических трудностей в получении такой мембраны, возникают проблемы с обеспечением монолитной заделки и идентичностью параметров преобразователя (а следовательно, и с добротностью акустиче- ской системы преобразователя). Кроме того, в прототипе имеется мембрана круглой формы, выполненная из изотропного металла с низкой добротностью и тенденцией к изменению свойств (усталости, деструкции и т.д.), а способ изготовления утолщенной части методом механического выдавливания вызывает нежелательные напряжения в заделке, которые с течением времени ухудшают стабильность преобразовательной ха- рактеристики мембраны и снижают добротность колебательной системы (а следовательно, интенсивность излучения).

Целью изобретения является уменьшение габаритов электроакустического преоб- разователя и повышение интенсивности излучения.

Это достигается за счет выполнения мембраны с пьезоэлементом и электродами моноблочной прямоугольной формы из мо- некристаллического кремния с утолщением по периметру в виде набора напыленных на кремнии пленок - пьезоэлектрической, например из окиси цинка, и проводниковой, например из алюминия, причем пьезоэле- мент и размещенный на его свободной поверхности первый электрод выполнены в виде пленок, последовательно расположенных на одной из поверхностей мембраны, а второй электрод нанесен на другую поверх- ность мембраны. Кроме того, монокристаллическая мембрана образована в плоскости (100) и одна из сторон ее располагается в направлении оси 110, а по периметру утолщенной части мембраны образована ди- электрическая пленка, например окись кремния.

На фиг. 1 показан общий вид электроакустического преобразователя; на фиг. 2 - преобразователи в пластине кремния, пол- учаемые групповым методом перед последней операцией - разделение на элементы (кристаллы).

Электроакустический преобразователь выполнен в виде моноблока из монокри- сталлического кремния и состоит из прямоугольной мембраны 1, имеющей утолщение 2 на периферии, и набора последовательно расположенных с одной стороны мембраны слоев (пленок) - пьезопленки 3, например из окиси цинка (ZnO), и металлической проводящей пленки 4, например алюминиевой, а с другой - металлического электрода 5. Толщина мембраны составляет г 20-50 мкм и выбирается, исходя из требуемой собственной звуковой частоты колебаний и обычно в 5-10 раз тоньше утолщенной части на периферии. Размеры сторон пьезо- и проводящей пленок больше сторон утоненной части мембраны, причем размеры проводящей всегда меньше пьезопленки.

Благодаря этому пьезо- и проводниковая пленки покрывают всю мембрану и оканчиваются на ее утолщенной части. Нижний металлический электрод 5 обеспечивает через кремний электрический контакт с одной стороны пьезопленки 3, а верхняя проводящая пленка 4 с другой ее стороной. Токоподводы 6 позволяют подключать преобразователь к электронной схеме. На периферии по периметру утолщенной части мембраны под пьезопленкой образована диэлектрическая пленка 7, например из окиси кремния для исключения закорачиваний слоев 4 и 5. Прямоугольная мембрана 1 образована в кристаллографической плоскости (100), а одна из ее сторон располагается вдоль направления кристаллографической оси 110 для достижения максимальной идентичности геометрических размеров и физических характеристик (модуль упругости, коэффициент Пуассона и др.) при изготовлении групповым способом.

Получение заданной собственной частоты колебаний 2000-4000 Гц может быть обеспечено введением прямоугольного утолщения 8 в центре мембраны за счет увеличения массы мембраны.

Изготовление электроакустического преобразователя из монокристаллического кремния осуществляется из стандартных пластин 9 кремния диаметром 60-102 мм групповым способом, С помощью фотолитографии обеспечивается получение необходимого рисунка по кремнию, его травление для получения требуемой конфигурации мембраны с последующим напылением или осаждением пьезо- и проводящих слоев. На одной пластине 9 одновременно изготавливаются более десятков и сотен преобразователей, прилегающих друг к другу. После получения многоблочных преобразователей в пластине производится окончательная операция - скрабирование на идентичные по параметрам элементы (кристаллы).

Работает электроакустический преобразователь следующим образом.

При подаче переменного напряжения на токоподводы 6 подводится с каждой стороны пьезопленки переменный потенциал. Под действием этого переменного напряжения пьезопленка сжимается или растягивается, что вызывает соответствующий изгиб тонкой части монокристаллической мембраны. Чем выше напряжение на пьезопленке, тем больше амплитуда колебаний мембраны и тем выше интенсивность акустического излучения (сила звука).

Выполнение мембраны прямоугольной формы из монокристалла кремния с определенной кристаллографической ориентацией и с монолитным сцеплением на ней набора пленок с размерами сторон, заканчивающихся на утолщенной мембране, обеспечивают высокую добротность колебательной системы, а следовательно, максимальную амплитуду колебаний при минимуме вносимой электрической энергии.

Идентичность геометрических и физических параметров преобразователя при групповом способе изготовления позволяет получать стабильную собственную частоту и добротность колебательной системы, что в свою очередь обеспечивает одинаковое и максимальное акустическое излучение.

В институте изготовлены опытные образцы электроакустических преобразователей с размерами мембраны 12 х 12 мм и толщиной утоненной части 0,04 мм, а утолщенной 0,3 мм. Толщина пьезоплен- ки составляла мкм, а проводящей алюминиевой 1 мкм. При подаче переменного напряжения 3 В громкость звука, создаваемая монокристаллическим преобразователем, в диапазоне частот от 2000 до 4500 Гц была не ниже, чем у сборного преобразователя с мембраной диаметром 20 мм и толщиной v0,5 мм, используемого в наручных

часах. Планируется изготовление в 1990 г. опытной партии электроакустических преобразователей для товаров народного потребления со звуковой сигнализацией - детские электронные игрушки, зуммеры для термометра, часов, таймеров и др. электронных устройств.

Формула изобретения

Электроакустический преобразователь, содержащий утолщенную по периметру мембрану, размещенный со стороны одной из поверхностей мембраны пьезоэле- мент, размеры которого больше размеров

ее утонченной части, первый электрод, размещенный на свободной поверхности пье- зоэлемента, второй электрод, отличающийся тем, что. с целью уменьшения габаритов и повышения интенсивности излучения, мембрана выполнена прямоугольной формы из монокристаллического кремния в кристаллографической плоскости (100), одна из сторон мембраны расположена в направлении кристаллографической

оси (110), по периметру утолщенной части мембраны со стороны размещения пьезоэ- лемента размещена введенная диэлектрическая пленка окиси кремния, причем пьезоэлемент и размещенный на его свободной поверхности первый электрод выполнены в виде пленок, последовательно расположенных на одной из поверхностей мембраны, а второй электрод нанесен на другую поверхность мембраны.

Использование: электронные часы. Сущность - изобретения: преобразователь содержит утолщенную по периметру мембрану прямоугольной формы из монокристаллическогокремния в кристаллографической плоскости (100), а одна из сторон мембраны расположена в направлении кристаллографической оси (110). Пьезоэлемент размещен со стороны одной из поверхностей мембраны, а его размеры больше размеров утонченной части мембраны. Пьезоэлемент и размещенный на его свободной поверхности первый электрод выполнены в виде пленок, последовательно расположенных на одной из поверхностей мембраны, а второй электрод нанесен на другую поверхность мембраны. 2 ил.

Фаг. /

Фиг. 2