DE102004030748A1 - Electro-acoustic back electret converter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen elektro-akustischen Backelektret-Wandler (1) mit einer Membran (2), einer Gegenelektrode (3) und einer auf der Membran zugewandten Seite der Gegenelektrode aufgebrachten Elektretschicht (4) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektro-akustischen Backelektret-Wandlers (1). Um einen elektro-akustischen Backelektret-Wandler (1) zu schaffen, der einen geringeren Abstand zwischen Membran (2) und Gegenelektrode (3) und eine glatte Elektretschicht (4) aufweist, auch wenn die Gegenelektrode (3) Löcher (5) aufweist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Elektretschicht (4) durch Abscheidung im Vakuum verdampft wird.The invention relates to an electro-acoustic back electret transducer (1) having a membrane (2), a counterelectrode (3) and an electret layer (4) applied to the membrane side of the counterelectrode and a method for producing such an electro-acoustic back electret Converter (1). In order to provide an electro-acoustic back electret transducer (1) having a smaller distance between the membrane (2) and counter electrode (3) and a smooth electret layer (4), even if the counter electrode (3) has holes (5), According to the invention, it is proposed that the electret layer (4) be vaporized by deposition in vacuo.
Description
Die Erfindung betrifft einen elektro-akustischen Backelektret-Wandler mit einer Membran, einer Gegenelektrode und einer auf der der Membran zugewandten Seite der Gegenelektrode aufgebrachten Elektretschicht sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektro-akustischen Backelektret-Wandlers.The The invention relates to an electro-acoustic back electret converter with a membrane, a counter electrode and one on the membrane facing Side of the counter electrode applied electret layer and a Method for producing such an electro-acoustic back electret converter.
Seit vielen Jahren finden Elektretmaterialien immer breitere Verwendung in elektroakustischen Wandlern und vor allem in Mikrofonen. Als bestes Elektretmaterial hat sich Fluorethylenpropylen-Folie (FEP-Folie) etabliert, die eine hervorragende Stabilität der Ladung gewährleistet. Hohe Ladungsstabilität ist aber nur bei Folien zu erreichen, die dicker als 10 μm sind. Üblicherweise verwendet man Folien von 12,5 und 25 μm Dicke.since Electret materials are becoming more widely used for many years in electroacoustic transducers and especially in microphones. When best electret material has fluoroethylene propylene film (FEP film) established, which ensures excellent stability of the charge. High charge stability is but only to reach with films that are thicker than 10 microns. Usually one uses films of 12.5 and 25 microns thick.
In ersten elektro-akustischen Elektret-Wandlern wurde diese Folie als Membran benutzt. Obgleich eine solche Membran die Elekret-Aufgaben erfüllt, wird sie den mechanischen Anforderungen als Membran nur unzureichend gerecht. Bei den weiterentwickelten Backelektret-Wandlern wird eine außen metallisierte Membran aus einer dünnen Folie mit sehr guten mechanischen Eigenschaften, aber ohne Elektreteigenschaften verwendet. Die Elektretschicht ist direkt auf der Gegenelektrode aufgetragen. Obwohl die FEP-Folie auch für Beschichtungszwecke entwickelt wurde, ist ihre Anwendung in elektro-akustischen Backelektret-Wandlern mit einigen Problemen verbunden.In The first electro-acoustic electret transducers were this film as Membrane used. Although such a membrane is the Elekret task Fulfills, it is only inadequate to the mechanical requirements as a membrane just. In the advanced back electret converters is a metallized outside Membrane made of a thin Film with very good mechanical properties, but without electret properties used. The electret layer is directly on the counterelectrode applied. Although the FEP film is also designed for coating purposes Their use in electro-acoustic back-electret transducers has been with some Problems connected.
Die Folie wird üblicherweise auf die Gegenelektrode laminiert. Das Laminieren der Folie erfolgt bei Temperaturen oberhalb von 300°C, wodurch die Wahl der Werkstoffe für die Gegenelektrode stark eingrenzt ist. Beim Laminieren bilden sich zudem oft unerwünschterweise kleine Luftblasen oder Falten an der Elektretoberfläche.The Foil is usually laminated to the counter electrode. The lamination of the film takes place at Temperatures above 300 ° C, whereby the choice of materials for the counter electrode greatly limited is. When laminating also often form undesirably small air bubbles or wrinkles on the electret surface.
Noch größere Schwierigkeiten bringen die Löcher in der Gegenelektrode mit sich, die aus akustischen Gründen notwendig sind und deren Größe und Verteilung entscheidenden Einfluss auf die elektro-akustischen Parameter des Wandlers haben. Die Möglichkeiten der bekannten Technologien (Stanzen der Gegenelektrode zusammen mit der FEP-Folie, Ausschneiden der Folie mit Eximer-Lasern, Plasmaätzen oder ähnliches) kommen oft in Widerspruch mit dem optimalen Lochmuster. Da der Luftspalt zwischen Membran und Gegenelektrode zumeist nur 20 – 30 μm beträgt, ist ein Grat an den Lochkanten äußerst unerwünscht, kann jedoch mit existierenden Technologien nicht immer vermieden werden.Yet bigger difficulties bring the holes in the counter electrode with it, which is necessary for acoustic reasons are and their size and distribution decisive influence on the electro-acoustic parameters of the Have converter. The possibilities the known technologies (punching the counter electrode together with the FEP film, cutting out the film with Eximer lasers, plasma etching or the like) often come into conflict with the optimal hole pattern. Because the air gap between membrane and counter electrode is usually only 20-30 microns, is a ridge at the hole edges extremely undesirable, can However, with existing technologies not always be avoided.
Ein Kleben der FEP-Folie ist zwar prinzipiell möglich, wird aber in der Praxis nicht benutzt, da das Kleben neue Probleme mit sich bringt.One Adhesion of the FEP film is possible in principle, but in practice not used because sticking brings new problems.
Aus Gründen der besseren Handhabbarkeit wird in Backelektret-Wandlern vorwiegend 25 μm dicke FEP-Folie benutzt. Der effektive Abstand zwischen Metallisierung auf der Membran und der eigentlichen Gegenelektrode wird dadurch wesentlich größer, die Kapazität der Kapsel wird kleiner und dies führt zu einer Verschlechterung der Wandlereigenschaften.Out establish the better handling is predominantly in Backelektret converters 25 μm thick FEP film used. The effective distance between metallization on the membrane and the actual counter electrode is characterized much larger, the capacity the capsule gets smaller and this leads to a deterioration the converter characteristics.
Beim Aufbringen eines Elektretmaterials mittels des Verfahrens des „spincoating", also beim Aufbringen des Materials in flüssiger oder in flüssigem Lö sungsmittel aufgelöster Form, kann zwar die Bildung von Blasen oder Falten auf der Gegenelektroden ohne Löcher vermieden werden, es ergeben sich hier jedoch die selben Probleme beim nachträglichen Erstellung der Löcher wie bei der Folie. Ist die Gegenelektrode bereits vor dem Aufbringen des Materials mit Löchern versehen, bilden sich unerwünschte Wülste an den Lochkanten.At the Applying an electret material by means of the method of "spincoating", ie during application of the material in liquid or in liquid solvent resolved Form, though, can cause the formation of bubbles or wrinkles on the counter electrodes without holes avoided, but the same problems arise here for subsequent creation the holes like the foil. Is the counter electrode already before application of the material with holes provided, form unwanted beads on the hole edges.
Auch das Verfahren der Laserablation gestattet die Abscheidung von organischen Schichten für Elektretanwendungen. Bei der Laserablation wird aber die chemische und physikalische Struktur des Ausgangspolymers stark verändert, und es ist eine thermische Nachbehandlung erforderlich, die für die hier vorgesehene Anwendung unbedingt zu vermeiden ist. Die Schichten weisen auch für die vorgesehene Anwendung eine viel zu raue Oberfläche auf. Ursache sind eine zu große Korngröße und bei der Laserablation abgeschiedenen größere Partikel. (siehe hierzu: M. Hauser et al., Appl. Surf. Sci., 208-209 (2003) 107-112; J. E. Mahan, "Physical Vapor Deposition of Thin Films", John Wiley & Sons, Inc. New York, S. 142.; D. Bäuerle et al., Appl. Phys. A 69 [Suppl], (1999) S. 47).Also The method of laser ablation allows the deposition of organic Layers for Elektretanwendungen. In the case of laser ablation, however, the chemical and physical structure of the starting polymer changed greatly, and It is a thermal aftertreatment required for here intended use must be avoided. The layers also show for the intended application on a much too rough surface. reason are too big Grain size and at the laser ablation deposited larger particles. (see also: M. Hauser et al., Appl. Surf. Sci., 208-209 (2003) 107-112; J.E. Mahan, "Physical Vapor Deposition of Thin Films ", John Wiley & Sons, Inc. New York, p. 142; D. Bäuerle et al., Appl. Phys. A 69 [Suppl], (1999) p. 47).
Aufgabe der Erfindung ist es, die oben aufgeführten Probleme zu beseitigen oder zu umgehen, und einen elektro-akustischen Backelektret-Wandler vorzustellen, der einen geringeren Abstand zwischen Membran und Gegenelektrode und eine glatte Elektretschicht aufweist, auch wenn die Gegenelektrode Löcher aufweist. Zudem soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem ein erfindungsgemäßer elektro-akustischer Backelektret-Wandler hergestellt werden kann.task The invention is to eliminate the problems listed above or bypass, and introduce an electro-acoustic back-electret transducer, the smaller the distance between the membrane and the counter electrode and has a smooth electret layer, even if the counter electrode has holes. In addition, a method is to be specified, with which an inventive electro-acoustic Back electret converter can be made.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten elektro-akustischen Wandler dadurch gelöst, dass die Elektretschicht durch Abscheidung im Vakuum aufgedampft ist.These Task is in the aforementioned electro-acoustic transducer solved by that the electret layer is deposited by deposition in a vacuum is.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zum einen durch das Aufdampfen eine sehr glatte Oberfläche erreicht werden kann und zum anderen die Dicke der Elektretschicht nicht durch eine nötige Handhabbarkeit oder Festigkeit einer Folie eingegrenzt ist. Mit dem Aufdampfen ergibt sich die Aufhebung einer Beschränkung für die Wahl der Materialien für die Gegenelektrode, da zum Be schichten die Temperatur der Gegenelektrode praktisch nicht bzw. nur unwesentlich erhöht werden muss.Of the The invention is based on the finding that on the one hand by the Vaporizing a very smooth surface can be achieved and on the other hand, the thickness of the electret layer not by a necessary handling or strength of a film is limited. With the evaporation there is the removal of a restriction on the choice of materials for the Counter electrode, as to Be the temperature of the counter-electrode layers practically not or only slightly increased must be.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Elektretschicht eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis 25 μm, insbesondere 6 bis 12 μm auf. Diese Schicht weist mit der bekannten FEP-Folie vergleichbare oder sogar bessere Elektreteigenschaften auf und ist dabei dünner als die FEP-Folie. Dies ermöglicht einen geringeren effektiven Abstand zwischen Metallisierung der Membran und der Gegenelektrode und verbessert damit die Eigenschaften des elektroakustischen Wandlers. Die Kapazität der Kapsel ist höher und das Eigenrauschen des Wandlers geringer. Bei Miniaturmikrofonen mit einem Kapseldurchmesser von weniger als 4 mm lässt sich beispielsweise so eine Verbesserung des Rauschabstandes von 1,5 bis 2 dB erreichen.In A preferred embodiment of the invention comprises the electret layer a layer thickness in the range of 1 to 25 .mu.m, in particular 6 to 12 .mu.m. These Layer has comparable or even with the known FEP film better electret properties and is thinner than the FEP film. this makes possible a lower effective distance between metallization of the Membrane and the counter electrode, thus improving the properties of the electroacoustic transducer. The capacity of the capsule is higher and higher the self-noise of the converter lower. For miniature microphones with a capsule diameter of less than 4 mm, for example achieve such an improvement of the signal to noise ratio of 1.5 to 2 dB.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die von der Gegenelektrode abgewandte Oberfläche der Elektretschicht eine Oberflächenrauhigkeit im Bereich von 0,5 μm, insbesondere im Bereich von 0,1 μm, oder kleiner auf. Aufgrund der im Vergleich zum Abstand zwischen Elektretmaterial und Membran geringen Oberflächenrauhigkeit ist das im Wandler aufgebaute elektrische Feld homogener und zudem werden Streuungen in den Eigenschaften verschiedener elektro-akustischer Backelektret-Wandler verringert. Weiterhin weist eine glatte Oberfläche reproduzierbarere Reibungseigenschaften gegenüber der bewegten Luftschicht zwischen Membran und Gegenelektrode auf.In an advantageous embodiment of the invention, the of the Counter electrode remote surface the electret layer has a surface roughness in the range of 0.5 μm, especially in the range of 0.1 μm, or less. Because of the distance between Electret material and membrane low surface roughness is that in the transducer built-up electric field more homogeneous and also become scattering in the properties of various electro-acoustic back electret transducers reduced. Furthermore, a smooth surface has reproducible friction characteristics across from the moving air layer between the membrane and counter electrode.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das aufgebrachte Elektretmaterial ein Copolymer, insbesondere von Tetrafluorethylen und Perfluor-2,2-Dimethyl-1,3-Dioxol. Versuche haben gezeigt, dass Elektreteigenschaften dieses Materials wie Ladungsstabilität und Oberflächenladungsdichte bei einer gegenüber der konventionell verwendeten FEP-Folie verringerter Schichtdicke mit denen der FEP-Folie vergleichbar oder besser sind. Im Prinzip ist jedes Dielektrikum als Elektretmaterial verwendbar, sofern ausreichende Ladungsstabilität und Oberflächenladungsdichte eine praktische Verwendung erlauben.In a further embodiment of the invention is the applied Electret material is a copolymer, in particular of tetrafluoroethylene and perfluoro-2,2-dimethyl-1,3-dioxole. Experiments have shown that electret properties of this material like load stability and surface charge density one opposite the conventionally used FEP film reduced layer thickness with those of the FEP film are comparable or better. In principle is any dielectric usable as the electret material, if sufficient load stability and surface charge density allow a practical use.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Elektretschicht nur in einem vorbestimmten Oberflächenbereich der der Membran zugewandten Seite der Gegenelektrode aufgebracht. Durch die Verwendung von Masken beim Aufbringen der Elektretschicht können gezielt Bereiche der Gegenelektrode von der Beschichtung ausgenommen werden. Weist nur der zentrale Bereich der Gegenelektrode die Beschichtung auf, so kann der Peripheriebereich als Bezugsebene für den Abstandshalter zwischen Membran und Gegenelektrode genutzt werden.In A preferred embodiment of the invention is the electret layer only in a predetermined surface area of the membrane applied facing side of the counter electrode. By use of masks when applying the electret layer can specifically areas of the counter electrode be excluded from the coating. Only the central one knows Area of the counter electrode the coating on, so can the peripheral area as reference plane for the spacer between membrane and counter electrode can be used.
Erfindungsgemäße elektro-akustische Wandler finden bevorzugt Verwendung in einem Elektretmikrofon oder einem Lautsprecher, insbesondere für einen Kopfhörer.Inventive electro-acoustic transducer preferably find use in an electret microphone or a Speakers, especially for a headphone.
In einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines elektro-akustischen Backelektret-Wandlers wird die Elektretschicht durch Abscheidung im Vakuum aufgedampft, wobei die Abscheidungsrate im Bereich von 0,5 – 3 μm/min, insbesondere im Bereich von 0,5 – 1 μm/min, liegt. Bei dieser Geschwindigkeit lassen sich Gegenelektroden in kurzer Zeit und damit kostengünstig herstellen. Die Abscheidungsrate ist niedrig genug, um Abscheidungsfehler zu vermeiden, die zu einer Verschlechterung der Oberflächeneigenschaften der Elektretschicht führen können, und um die Schichtdicke präzise kontrollieren zu können.In a preferred embodiment of a method according to the invention for the production of an electro-acoustic back electret converter the electret layer is vapor-deposited by deposition in a vacuum, wherein the deposition rate in the range of 0.5 - 3 microns / min, especially in the range from 0.5 to 1 μm / min. At this speed, counter electrodes can be in short Time and therefore cost-effective produce. The deposition rate is low enough to cause deposition errors to avoid the deterioration of the surface properties lead the electret layer can, and the layer thickness precisely to be able to control.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur des Elektretmaterial so gesteuert, dass die Zersetzungstemperatur des Elektretmaterials während des Aufdampfens nicht wesentlich überschritten wird. Knapp oberhalb der Zersetzungstemperatur geht das Elektretmaterial aufgrund der Zersetzung in die Gasphase über, es behält jedoch die Möglichkeit, sich wieder abzuscheiden und danach wieder Elektreteigenschaften aufzuweisen. Wird die Zersetzungstemperatur wesentlich überschritten, wird das Material vollständig zersetzt, was zur Folge hat, dass sich bei der Abscheidung unerwünschte Nebenprodukte bilden, die die Elektreteigenschaften der Schicht stören.In an advantageous embodiment of a method according to the invention the temperature of the electret material is controlled so that the Decomposition temperature of the electret material during the vapor deposition not significantly exceeded becomes. Just above the decomposition temperature, the electret material goes due to decomposition into the gas phase over, it retains the possibility to separate again and then again electret properties exhibit. If the decomposition temperature is significantly exceeded, the material is complete decomposed, with the result that in the deposition unwanted by-products form, which disturb the electret properties of the layer.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf mehrere Gegenelektroden für mehrere elektro-akustische Wandler gleichzeitig das Elektretmaterial aufgebracht. Damit ist eine erhöhte Produktionsrate möglich.at a further embodiment of the method according to the invention is based on several Counterelectrodes for several electro-acoustic transducers simultaneously the electret material applied. This is an increased Production rate possible.
Im
folgenden wird eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung mit
Bezug auf
Bei
der Herstellung eines erfindungsgemäßen elektro-akustischen Backelektret-Wandlers werden in
die Gegenelektrode
Die Erfindung stellt einen elektro-akustischen Backelektret-Wandler zur Verfügung, der die oben aufgeführten Nachteile überwindet. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines solchen elektro-akustischen Backelektret-Wandlers erlaubt eine effiziente Herstellung mit Eigenschaften, die für verschiedene Wandler nur gering streuen. Gegenelektroden mit weitgehend beliebigen Lochanordnungen zur akustischen Optimierung können verwendet werden.The The invention provides an electro-acoustic back electret converter to disposal, the ones listed above Overcomes disadvantages. The inventive method allowed for the production of such an electro-acoustic back electret converter efficient production with properties that are different for Scatter converter only slightly. Counterelectrodes with largely arbitrary Hole arrangements for acoustic optimization can be used.
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Legal Events
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| OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
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