專利名稱：金剛石振膜的聲電轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于一種在空氣中敏感于聲信號的聲電轉(zhuǎn)換裝置。
傳聲器是一種廣泛應(yīng)用的聲電轉(zhuǎn)換傳感器，其中電容傳聲器是較好的一類。這類傳聲器的基本結(jié)構(gòu)，如“CH型電容傳聲器”(聲學(xué)學(xué)報第二卷，第三期，1965年9月)中提出的由振膜、殼體、后極板和絕緣體所組成。振膜應(yīng)是導(dǎo)電體，它借助于膜環(huán)或直接張緊在殼體的頂端，與后極板保持平行并有微小間距形成一個平行板電容器，其電容量為C0，在聲波作用下振膜產(chǎn)生振動使電容變化△C0，當(dāng)電容兩端加有極化電壓E0時，電容器充上電荷Q，而Q＝E0·C0。由于電荷Q是常量，聲壓作用后的電容量變化就轉(zhuǎn)變成電壓量變化而實現(xiàn)聲電變換。電容傳聲器由于在振膜上沒有附加質(zhì)量且結(jié)構(gòu)簡單，因此在靈敏度、頻率響應(yīng)范圍、工作穩(wěn)定性和可靠性方面優(yōu)于其他類型傳聲器，除用作一般廣播、錄音的傳聲器外，更適用于作為實驗室標(biāo)準(zhǔn)和測試傳聲器，并廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場的聲學(xué)測量。目前傳聲器振膜一般采用金屬或高分子材料。如鎳Ni、鈦Ti、鋁Al、聚對苯二甲酸乙二醇酯PET、四氟乙烯－六氟丙烯共聚物FEP等。這些材料的振膜在實際應(yīng)用中都有這樣或那樣的缺點。例如高分子材料振膜雖然密度低但強度也低，因此在高頻和高聲壓條件下使用都受到限制，高分子材料的膨脹系數(shù)也比金屬大一個數(shù)量級且易老化而脆裂，使傳聲器性能的穩(wěn)定性不好，使用壽命短。金屬振膜雖然不易老化，強度較高分子材料為高，在工作穩(wěn)定性和實驗室條件下的壽命方面都優(yōu)于高分子材料振膜。但受其比強度限制，在高頻和高聲壓條件下使用仍不盡人意。且抗腐蝕性差，不適合在腐蝕性環(huán)境下使用。因此在戶外全天候使用時壽命很短。
本實用新型的目的在于提出一種采用金剛石膜作為振膜的聲電轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)方案，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。
本實用新型所采用的技術(shù)方案是由低壓氣相化學(xué)沉積制備的金剛石膜，膜環(huán)，殼體，后極板和絕緣體所組成。如是駐極體傳聲器，則應(yīng)在后極板上加上一駐極體層。
從這種結(jié)構(gòu)和工作原理可以看出，振膜是傳聲器的關(guān)鍵組成部分，其物理化學(xué)性質(zhì)對傳聲器的性能有很大影響，如傳聲器的靈敏度 S＝3E0／4(X0ω0)2ρt (1)傳聲器的高頻響應(yīng)限 ω0＝0.373／r(T／ρt)1／2(2)式中E0為極化電壓，X0為后極板與振膜間距，r為振膜半徑，ρ為振膜密度，t為振膜厚度，T為振膜張力。其中T和ρ與振膜的材料性質(zhì)有關(guān)，T主要受材料的強度和彈性模數(shù)影響和限制，從式中可以看出要提高傳聲器的聲學(xué)性能則要求振膜材料具有高強度及低密度，即具有高的比強度。
為使傳聲器具有寬頻響、高靈敏度、高穩(wěn)定性，并適用于高聲壓和高腐蝕性環(huán)境，其關(guān)鍵在于振膜材料必須有優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)。其中材料的密度、強度、比強度以及耐老化性和抗腐蝕性是重要指標(biāo)。近年來發(fā)展出的低壓氣相化學(xué)沉積法(CVD)制備金剛石膜技術(shù)提供了新型振膜材料的可能性。
附表中給出了部分傳聲器振膜材料的物理化學(xué)性質(zhì)。從表中可以看出金剛石膜具有極高的強度和適中的密度，其比強度高出最好的材料近一個數(shù)量級。由式(1)、(2)可知，高比強度的振膜可使傳聲器具有更高的靈敏度和高頻響應(yīng)限，并更能經(jīng)受高聲壓沖擊。金剛石膜的耐老化和耐腐蝕性也非常好，是已知材料中較理想的傳聲器振膜材料。本實用新型就是以金剛石膜作為振膜，得到寬頻響、高靈敏度、高穩(wěn)定性，并適合在高聲壓沖
擊和腐蝕性環(huán)境下使用的傳聲器。
以下結(jié)合附圖對本傳聲器進(jìn)行說明本傳聲器的振膜(1)是以低壓化學(xué)氣相沉積法制備的金剛石膜，根據(jù)不同的傳聲器型號金剛石膜的厚度可為3－20微米，直徑3－40毫米。低壓化學(xué)氣相沉積制備的金剛石膜是附著在單晶硅Si、鉬Mo、鎢W、鎳Ni、碳化硅SiC等襯底材料上的。為得到無襯底的純金剛石膜，需用化學(xué)腐蝕或電解等方法把襯底材料去除。去除襯底可在金剛石膜與傳聲器殼體結(jié)合前或結(jié)合后進(jìn)行。由于金剛石膜為脆性材料，且制備過程中存在生長應(yīng)力，為得到平整的金剛石膜，在去除襯底時應(yīng)保留有環(huán)狀支撐。
金剛石振膜(1)與傳聲器殼體(2)的頂端或膜環(huán)(3)牢固結(jié)合。在采用膜環(huán)結(jié)構(gòu)的情況下，因膜環(huán)的內(nèi)徑大于殼體(2)上端外徑，當(dāng)膜環(huán)(3)結(jié)合到殼體(2)上時，可使殼體上端密切接觸到膜環(huán)上的振膜(1)。結(jié)合的方法可采用粘結(jié)、焊接，或在有襯底的殼體頂端或膜環(huán)上用低壓化學(xué)氣相沉積法直接生長金剛石膜，然后去除襯底部分，保留與殼體或膜環(huán)直接生長結(jié)合的金剛石膜。
與殼體或膜環(huán)結(jié)合好的金剛石膜鍍上一薄層導(dǎo)電材料。導(dǎo)電材料可以是金、銀、石墨、鋁、無定型碳或其他導(dǎo)電材料。這個導(dǎo)電層必須與殼體有可靠的電聯(lián)接。導(dǎo)電層可以在膜的內(nèi)側(cè)也可以在膜的外側(cè)或兩側(cè)都有。
在殼體內(nèi)安裝后極板(4)和絕緣體(5)，在駐極體傳聲器情況下，后極板(4)上有一層駐極體材料(6)。安裝時使后極板(4)與振膜(1)保持平行，并根據(jù)不同型號傳聲器保留有10－40微米間距。
本傳聲器由于采用了獨特的具有優(yōu)越物理化學(xué)性質(zhì)的金剛石膜作振膜，在同等靈敏度下具有更高的頻率響應(yīng)限，或在同等頻率響應(yīng)限時具有更高的靈敏度，工作穩(wěn)定性好，除可作一般語言、音樂的聲電轉(zhuǎn)換外，更適合于各種場合的聲學(xué)測量。由于其振膜強度高，本傳聲器抗高聲壓沖擊性能好，適于作高聲強信號測量。同時振膜的優(yōu)良抗老化和抗腐蝕性使本傳聲器尤其適合長期在腐蝕性環(huán)境下使用。


圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。它可適用于電容式或駐極體式的傳聲器。兩種傳聲器的結(jié)構(gòu)基本相同，差別是駐極體傳聲器的后極板上有一駐極體層，而電容傳聲器的后極板上沒有駐極體層。圖中，(1)為振膜，(2)為殼體，(3)為膜環(huán)，(4)為后極板，(5)為絕緣體和(6)為駐極體。
圖2為本實用新型與同規(guī)格鎳振膜傳聲器頻響的對比曲線，其中A為金剛石振膜傳聲器和B為鎳振膜傳聲器的頻響曲線。
本實用新型一個實施例在于在單晶硅襯底上采用低壓化學(xué)氣相沉積法制備的厚7微米，直徑為30毫米的金剛石膜。
從生長了金剛石膜的硅襯底背面，用氫氟酸硝酸＝11的溶液，把襯底的中間部分腐蝕掉，形成由硅環(huán)支撐的，直徑18毫米左右的無襯底純金剛石膜。
用膠粘劑把無襯底金剛石膜粘接在殼體(2)頂端，去除多余的金剛石膜和硅支撐環(huán)。金剛石膜(1)由自然生長應(yīng)力張緊在殼體(2)頂端。振膜有效直徑9毫米。
在金剛石膜上蒸鍍200埃的金膜，并用導(dǎo)電膠與殼體(2)聯(lián)接形成一個電極。
殼體內(nèi)裝入后極板(4)和絕緣體(5)，后極板(4)與振膜(1)間距18微米，形成電容式傳聲器。
按上述方法制作的傳聲器工作良好，性能穩(wěn)定。
權(quán)利要求1.一種由振膜(1)、殼體(2)、膜環(huán)(3)、后極板(4)和絕緣體(5)所組成的聲電轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于它的振膜(1)是采用金剛石膜，所說的金剛石振膜(1)被張結(jié)在殼體(2)的頂端，并在殼體(2)內(nèi)裝入后極板(4)和絕緣體(5)。
2.按照權(quán)利要求1所說的裝置，其特征在于所說的振膜(1)的厚度可以采用3至20微米，其直徑在3至40毫米。
3.按照權(quán)利要求1所說的裝置，其特征在于所說的后極板(4)可以有一層駐極體層。
4.按照權(quán)利要求1至3所說的裝置，其特征在于所說的振膜(1)要在其表面鍍有一層導(dǎo)電材料，如金、銀、鋁、石墨或無定型碳等材料。
專利摘要本實用新型屬于一種在空氣介質(zhì)中敏感于聲信號的聲電轉(zhuǎn)換裝置。它由振膜(1)，殼體(2)，后極板(4)，絕緣體(5)和駐極體(6)所組成。其中振膜(1)是采用了金剛石振膜。
由于金剛石膜具有高彈性模量、高強度、低密度、低熱膨脹系數(shù)和很好的化學(xué)穩(wěn)定性。因此本傳聲器在高頻響應(yīng)、靈敏度和工作穩(wěn)定性方面性能優(yōu)良，且適用于長期在腐蝕性環(huán)境下工作。
文檔編號G01H11/00GK2138790SQ92234048
公開日1993年7月21日 申請日期1992年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1992年9月29日
發(fā)明者孫濱如, 陶中達(dá), 張保軍, 蒼鳳波 申請人:中國建筑材料科學(xué)研究院, 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所