1.4.1. Резистивные микрофоны
В прошлом резистивные преобразователи давления довольно широко применялись в составе микрофонов. Такие преобразователи состояли из полупроводникового порошка (обычно графита), объемное удельное сопротивление которого менялось в зависимости от величины приложенною давления (графит обладает пьезорезистивными свойствами.) Такие устройства обладали очень ограниченным динамическим диапазоном, плохими частотными характеристиками и высоким уровнем шума. Сейчас в некоторых микродатчиках также используется пьзорезистивный принцип преобразования: пьезорезисторы, чувствительные к механическому напряжению, являются составной частью кремниевой диафрагмы.
1.4.2 Электростатические микрофоны
Электростатические микрофоны иногда называются конденсаторными или емкостными микрофонами. напряжение на параллельных пластинах конденсатора можно найти из выражения:
(1)
где q - заряд на пластинах конденсатора, А - площадь пластин, а ε0=8.8542·10-12 Кл2 /(Н·м2) - электрическая постоянная. Уравнение (1) лежит в основе принципа действия емкостных микрофонов. 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 oт 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 смешения 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 отмстить, 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. 3,а показана схема такого микрофона, а на рис. 3,б - его гребенчатые электроды.
Рис. 3. Емкостной микрофон с механической обратной связью: а – схема электрическая принципиальная, б – гребенчатые электроды на диафрагме
Один из электродов служит для преобразования перемещения диафрагмы в напряжение на входе усилителя DА1, а другой — для преобразовании напряжения Va в механическое отклонение диафрагмы за счет действия электростатических сил. Механическая обратная связь улучшает линейность и частотный диапазон микрофона, но при этом значительно снижает отклонения мембраны, что приводит к уменьшению чувствительности.