TRANSDUCTEUR ÉLECTROACOUSTIQUE, ENSEMBLE ET SYSTÈME ASSOCIÉS

Description

[0001] La présente invention concerne le domaine des transducteurs électroacoustiques. Elle porte plus particulièrement sur un transducteur électroacoustique apte à convertir un signal acoustique aérien en signal électrique.

[0002] Un tel capteur électroacoustique peut mettre en oeuvre diverses technologies de transduction. Il peut notamment être du type capacitif, piézorésitif, piézoélectrique, électrodynamique ou optique. De manière générale, un tel transducteur électroacoustique comporte un élément mobile (tel qu'une membrane déformable, ou une plaque suspendue ou déformable, ou encore une lame flexible) dont le mouvement, provoqué par une onde acoustique, est transformé en grandeur électrique, image de la pression acoustique, par un élément de transduction.

[0003] Un capteur électroacoustique piézorésistif met en oeuvre des jauges piézorésistives placées dans les zones de contraintes maximales d'une membrane constituant l'élément mobile.

[0004] Un capteur électroacoustique piézoélectrique met en oeuvre un revêtement piézoélectrique reporté sur une membrane constituant l'élément mobile et des électrodes configurées pour caractériser les contraintes dans la membrane.

[0005] Un capteur électroacoustique électrodynamique met en oeuvre une bobine et des aimants pour effectuer une mesure de courant lorsque la bobine portée par l'élément mobile se déplace dans un champ magnétique fixe.

[0006] Un capteur électroacoustique optique met en oeuvre une mesure optique du déplacement de l'élément mobile.

[0007] La détection capacitive est celle qui offre la plus grande sensibilité aux faibles déplacements de l'élément mobile, et constitue ainsi la technologie préférentiellement, mais pas nécessairement, mise en oeuvre dans l'invention.

[0008] Un capteur électroacoustique à effet capacitif, également appelé transducteur électrostatique, comporte une électrode mobile positionnée en regard d'une électrode arrière fixe. L'électrode mobile est généralement constituée d'une membrane déformable recouverte d'une couche conductrice. L'électrode mobile peut également être constituée d'une plaque conductrice, ou selon d'autres configurations connues.

[0009] L'électrode mobile et l'électrode fixe forment ainsi les armatures d'un condensateur, chargé par une tension continue. Une pression acoustique exercée sur l'électrode mobile en provoque le déplacement vis-à-vis de l'électrode arrière, généralement par déformation de la membrane qui la constitue. Cela entraîne une variation de la capacité formée entre l'électrode mobile et l'électrode arrière fixe.

[0010] La charge électrique du condensateur ainsi constitué étant maintenue constante et égale au produit de la tension et de la capacité, la variation de la capacité produit une variation inverse de tension.

[0011] Dans l'état de la technique connu, ce type de capteur correspond à une technologie de microphones. Les microphones sont configurés pour présenter sur leur bande passante une sensibilité la plus constante possible. Leur bande passante s'étend le plus largement possible sur une bande située entre 20Hz environ et 20kHz environ, ce qui correspond à l'ensemble du spectre audible.

[0012] Il es fait référence au document FR 2 673 347, qui décrit un transducteur acoustique, un élément fixe, une cavité et un élément dissipatif, le système couplé constitué de l'élément mobile, l'élément dissipatif et la cavité ayant une fréquence propre correspondant à une fréquence de résonance du transducteur à laquelle sa sensibilité est maximale, dans lequel l'élément mobile, l'élément fixe, l'élément dissipatif et la cavité sont configurés de sorte que le facteur de qualité du transducteur acoustique est supérieur à deux, la cavité étant de forme générale d'un cylindre ou d'un tronc de cône, l'élément mobile formant une première base du cylindre, l'élément fixe étant disposé à l'intérieur dudit cylindre en surélévation de la seconde base du cylindre.

[0013] Dans un transducteur électroacoustique capacitif, le système couplé constitué de l'électrode mobile, d'un élément dissipatif (c'est-à-dire apte à provoquer une dissipation d'énergie), et pouvant typiquement être une lame d'air située entre l'électrode mobile et l'électrode fixe, et une cavité, présente une fréquence propre, qui correspond à une fréquence de résonance du transducteur électroacoustique selon un mode propre de résonance. Cela est le cas pour tout transducteur électroacoustique capacitif. Dans le cas d'un transducteur électroacoustique capacitif dont l'électrode mobile est une membrane déformable, la fréquence de résonance peut être définie - dans une certaine mesure - en réglant la tension de la membrane.

[0014] Une sensibilité la plus constante possible sur la bande passante pour laquelle le microphone est configuré est obtenue d'une part en configurant le transducteur pour écarter sa première fréquence de résonance au-delà de la bande passante employée, et en amortissant cette résonance.

[0015] Typiquement, pour un microphone, il est classique de décaler cette fréquence de résonance vers les hautes fréquences, par exemple au-delà de 9KHz ou plus selon les applications : jusqu'à 140 kHz pour des microphones destinés à des mesures sur maquettes (afin de garder une longueur d'onde à l'échelle de la maquette, il faut employer une fréquence décalée en conséquence vers les hautes fréquences), voire jusqu'à 0,5 MHz pour l'étude des ondes de choc ou des animaux émettant dans les ultrasons comme par exemple les chauves-souris. Pour ce qui est de l'obtention d'un amortissement permettant l'atténuation du pic de résonance selon le mode principal ou selon d'autres modes pouvant se situer dans la bande passante employée, la présence d'un film d'air entre la membrane et l'électrode induit un amortissement provoqué par les pertes visqueuses dans l'air. Cette résistance acoustique va conditionner le facteur de qualité, qui est un paramètre prépondérant de caractérisation du comportement du transducteur électroacoustique. Le facteur de qualité est un paramètre adimensionnel qui caractérise le taux d'amortissement d'un système oscillant.

[0016] Le facteur de qualité peut être mesuré ou calculé de diverses manières connues. Il est défini comme le rapport de la fréquence propre, à laquelle le gain est maximal, à la largeur de la bande passante du système à -3 dB du niveau de la résonance.

[0017] Plus le facteur de qualité est élevé, plus la bande passante est petite, et plus la résonance se traduit par un pic de gain important, c'est-à-dire élevé et étroit.

[0018] Ainsi, un transducteur électroacoustique doit présenter un facteur de qualité faible, traduisant l'absence de pic important de résonance.

[0019] Les applications d'un transducteur électroacoustique fonctionnant en tant que capteur sont multiples. Dans certaines applications, il convient de déterminer si le transducteur électroacoustique est exposé ou non à une fréquence donnée.

[0020] Pour cela, il est connu d'employer un filtre électronique sélectif de la fréquence considérée, ou de la plage de fréquences considérée. Un tel filtre entraine néanmoins une certaine complexité de mise en oeuvre, nécessite une certaine puissance de calcul (dans le cas d'un filtre numérique), et requiert une alimentation électrique qui, elle aussi, complexifie la mise en oeuvre du système. Cette complexité est préjudiciable, en particulier dans les systèmes mettant en oeuvre des transducteurs électroacoustiques de petite taille et/ou en grand nombre. Un grand nombre de transducteurs électroacoustiques employés comme capteurs peut en effet être nécessaire pour discriminer plusieurs fréquences ou plages de fréquences, et/ou afin de déterminer l'exposition à certaines fréquences dans un espace étendu, ce qui nécessite une dissémination de capteurs.

[0021] La présente invention a pour but de résoudre au moins l'un des inconvénients précités.

[0022] En particulier, l'invention porte sur un transducteur acoustique de la revendication 1 adapté à convertir un signal acoustique en signal électrique, comportant un élément mobile, sous l'effet dudit signal acoustique, un élément fixe disposé en regard de l'élément mobile, une cavité, et un élément dissipatif interposé entre l'élément mobile et l'élément fixe, le système couplé constitué de l'élément mobile, l'élément dissipatif et la cavité ayant une fréquence propre correspondant à une fréquence de résonance du transducteur à laquelle sa sensibilité est maximale, dans lequel l'élément mobile, l'élément fixe, l'élément dissipatif et la cavité sont configurés de sorte que le facteur de qualité du transducteur acoustique est supérieur à deux. La cavité est de forme générale prismatique droite ou cylindrique ou tronconique, l'élément mobile formant une première base du prisme, cylindre ou tronc de cône, l'élément fixe étant disposé à l'intérieur dudit prisme, cylindre ou tronc de cône en surélévation de la seconde base du prisme, cylindre ou tronc de cône.

[0023] Un facteur de qualité supérieur à deux caractérise un filtre sélectif autour de la fréquence propre de l'électrode mobile. Ainsi, contrairement à un dispositif tel que ceux connus dans l'état de la technique, la filtration du signal acoustique reçu est réalisée directement au niveau du transducteur électroacoustique employé comme capteur, de manière analogique, sans requérir l'emploi de moyens numériques complémentaires. Il en découle une grande facilité de mise en oeuvre, une faible consommation électrique de l'ensemble, et l'absence de moyens de calculs complémentaires.

[0024] De préférence l'élément fixe présente une surface inférieure à la surface de l'élément mobile. Dans une variante, le rapport entre la surface de l'élément mobile et celle de l'élément fixe est inférieur ou égal à 1/6. En particulier, le rapport entre la surface de l'élément mobile et celle de l'élément fixe est inférieur ou égal à 1/12.

[0025] L'élément dissipatif peut être constitué d'un gaz ou d'un mélange de gaz. Par exemple, l'élément dissipatif peut être constitué d'air.

[0026] Dans un mode de réalisation, l'élément mobile et l'élément fixe sont circulaires.

[0027] La cavité peut notamment être de forme générale cylindrique de révolution.

[0028] Le système couplé constitué de l'électrode mobile, l'élément dissipatif et la cavité peut être configuré de sorte que sa fréquence propre est comprise entre 20Hz et 20KHz. Cela est le cas dans les applications préférentielles de l'invention, mais un transducteur conforme à certains modes de réalisation de l'invention peut avoir une fréquence de résonance dans certaines plages des ultrasons ou des infrasons. Le transducteur peut par exemple être configuré de sorte à avoir une fréquence de sensibilité maximale située entre 20kHz et 140KHz. Le transducteur peut par exemple être configuré de sorte à avoir une fréquence de sensibilité maximale de l'ordre de 500KHz.

[0029] Le transducteur est, dans un mode de réalisation préférentiel, capacitif. Dans ce cas, l'élément mobile est une électrode mobile, l'élément fixe est une électrode fixe. L'électrode mobile peut comporter une membrane déformable.

[0030] Le transducteur capacitif selon un mode de réalisation de l'invention peut être configuré de sorte que l'exposition de l'électrode mobile à une onde acoustique de fréquence correspondant à la fréquence de résonance du transducteur provoque le contact entre l'électrode mobile et l'électrode fixe, de sorte que le transducteur forme un interrupteur.

[0031] Le transducteur peut en outre comporter un dispositif d'équilibrage de la pression statique régnant de part et d'autre de l'élément mobile. Un tel dispositif d'équilibrage de la pression statique peut comporter un tube capillaire. Le dispositif d'équilibrage de la pression statique peut comporter plusieurs tubes capillaires.

[0032] D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après.

[0033] Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs :

• la figure 1 représente schématiquement un transducteur électroacoustique selon un mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 2 représente schématiquement sur un graphique le comportement d'un transducteur électroacoustique selon une première configuration du mode de réalisation de la figure 1 ;
• La figure 3 présente schématiquement sur un graphique analogue à la figure 2 le comportement d'un transducteur électroacoustique selon une seconde configuration du mode de réalisation de la figure 1 ;
• La figure 4 présente schématiquement sur un graphique analogue aux figures 2 et 3 le comportement d'un transducteur électroacoustique selon une troisième configuration du mode de réalisation de la figure 1.

[0034] La figure 1 représente schématiquement, selon une vue en coupe un transducteur selon un mode de réalisation de l'invention. Dans le mode de réalisation ici représenté à titre d'exemple, le transducteur électroacoustique est de révolution autour d'un axe principal z.

[0035] Un transducteur électroacoustique capacitif tel que représenté comporte, une électrode mobile 1 constituant un élément mobile. Dans le mode de réalisation ici représenté, l'électrode mobile 1 est une membrane déformable constituant un conducteur électrique (ou comportant un revêtement conducteur électrique). Une électrode fixe 2, constituant un élément fixe, est disposée en regard de l'électrode mobile 1. Une lame d'air entre l'électrode mobile 1 et l'électrode fixe 2 constitue un élément dissipatif 3. L'élément dissipatif est également résistif. L'élément dissipatif 3 provoque un effet d'amortissement visqueux du mouvement de l'élément mobile. Dans d'autres modes de réalisation non représentés, d'autres fluides dissipatifs peuvent être employés, tels qu'un autre gaz ou mélange de gaz, ou une couche de polymère. Le transducteur électroacoustique comporte en outre une cavité 4, ayant dans l'exemple représenté une forme annulaire du fait de la configuration particulière du transducteur. La cavité 4 présente ainsi, dans l'exemple ici représenté, une forme générale de cylindre de révolution. L'électrode mobile 1 et l'électrode fixe 2 forment les armatures d'un condensateur, polarisé par une tension continue. Lorsque qu'une pression acoustique est exercée sur l'électrode mobile 1, cette dernière se déplace vis-à-vis de l'électrode fixe. Dans l'exemple ici représenté, ce mouvement correspond à une déformation de la membrane formant électrode mobile 1. Cela entraine une variation de la capacité formée entre la membrane et l'électrode fixe, qui produit une variation inverse de tension.

[0036] Dans un transducteur électroacoustique conforme à l'invention, l'électrode mobile 1, l'électrode fixe 2, l'élément dissipatif 3 et la cavité 4 sont configurés de sorte que le facteur de qualité du transducteur acoustique est supérieur à deux.

[0037] Un tel transducteur, employé comme capteur, permet, dans une application de l'invention, la détection d'un champ acoustique localisé ayant comme fréquence celle définie par la fréquence de résonance du système couplé constitué par l'électrode mobile, la lame d'air entre cette dernière et l'électrode arrière et la cavité. Un transducteur électroacoustique ayant un facteur de qualité élevé, typiquement supérieur à deux, est dit résonnant.

[0038] L'obtention d'un facteur de qualité élevé est permise par le choix adéquat des nombreux paramètres définissant les éléments précités constitutifs du transducteur (l'électrode mobile 1, l'électrode fixe 2, l'élément dissipatif 3 et la cavité 4). Le choix de ces paramètres influant sur le comportement du transducteur vise en particulier à limiter l'amortissement du système, sans diminuer la sensibilité acoustique du transducteur. L'amortissement dans un tel dispositif est provoqué par le cisaillement visqueux de la lame d'air (ou élément dissipatif 3 adéquat) située sous la membrane (ou autre électrode mobile 1).

[0039] Parmi les paramètres influant sur le facteur de qualité, le rapport entre la surface de l'électrode mobile 1, c'est-à-dire typiquement la surface exposée aux ondes acoustiques, par exemple la surface de la membrane adaptée à se déformer sous l'effet d'ondes reçues, et la surface de l'électrode fixe 2, est prépondérant. Un transducteur électroacoustique capacitif résonnant, caractérisé typiquement par un facteur de qualité supérieur à 1,5 et de préférence supérieur à 2, est généralement obtenu en employant une électrode fixe 2 présentant une surface inférieure à 1/6 de la surface de l'électrode mobile 1. Pour une membrane circulaire et une électrode fixe 2 également circulaire, tel que dans l'exemple de mode de réalisation ici représenté, le rapport du rayon de l'électrode fixe 2 au rayon de la membrane est ainsi préférentiellement choisi inférieur à 2/5, correspondant à un rapport de surface de 4/25, soit environ 1/6.

[0040] La réduction de la surface de l'électrode fixe 2 par rapport à celle de l'électrode mobile 1 entraîne une diminution de l'amortissement par frottement visqueux au sein de l'élément dissipatif 3 (par exemple la lame d'air) situé entre ces deux électrodes, lorsque le mouvement de l'électrode mobile 1 chasse l'élément dissipatif vers la cavité 4, qui peut notamment être une cavité arrière ou périphérique. La diminution de l'espace entre l'électrode mobile 1 et l'électrode fixe 2 (également appelé espace inter-électrode) permet de maintenir la sensibilité du transducteur sans augmenter notablement l'amortissement visqueux. Pour des électrodes (fixe et mobile) de même surface, l'écartement des électrodes permettant de diminuer significativement l'amortissement visqueux induit une baisse de la capacité statique du transducteur, ce qui se traduit par une diminution importante de sa sensibilité.

[0041] Le rapport de surface ci-dessus mentionné est généralisable à de nombreuses formes de membranes et d'électrode fixe 2. Alternativement à une membrane circulaire, une membrane carrée, polygonale, ovale, etc., peut être employée en tant qu'électrode mobile 1. Alternativement à une électrode circulaire, une électrode carrée, polygonale, ovale, etc., peut être employée en tant qu'électrode fixe 2. Toutes les combinaisons des formes précitées de membrane (ou plus généralement électrode mobile 1) et d'électrode fixe 2 peuvent être employées dans l'invention, notamment avec un rapport de surface tel que ci-dessus exprimé. En effet, à titre d'exemple, la déformée d'une membrane carrée s'exprime par un produit de cosinus, et la déformée d'une membrane circulaire selon une fonction de Bessel. Pour le premier mode, et en dehors des coins de la membrane carrée, les développements en série de leurs fonctions de déformée sont identiques jusqu'au second ordre.

[0042] Bien évidemment, de nombreux autres paramètres déterminant la configuration du transducteur influant sur l'amortissement du système, ce rapport maximal de surface peut être sensiblement dépassé si les autres paramètres confèrent au système un très faible amortissement, et ce rapport de surface doit en tout état de cause être adopté en association avec d'autres paramètres conférant au système un amortissement faible adéquat.

[0043] L'amortissement du système est directement lié à l'élément dissipatif interposé entre la membrane mobile et la membrane fixe et à sa viscosité. En particulier, l'épaisseur de la couche limite visqueuse de l'élément dissipatif 3 (généralement de l'air) est importante, de sorte que la distance entre l'électrode mobile 1 et l'électrode fixe 2 constitue un paramètre important de configuration du transducteur électroacoustique. Ainsi, afin de limiter l'amortissement pour maximiser le facteur de qualité, l'épaisseur de l'élément dissipatif (par exemple la couche d'air) entre l'électrode mobile 1 et l'électrode fixe 2 peut être augmentée.

[0044] Parmi l'ensemble des paramètres de configuration influant sur le facteur de qualité du système, on peut citer :

• Pour la définition de l'élément mobile, s'il s'agit d'une membrane : ses dimensions - typiquement sa surface ou son rayon si elle est circulaire -, son épaisseur, le matériau constitutif de son substrat et le revêtement conducteur qu'elle porte, sa tension (mécanique) au repos ;
• Pour la définition de l'électrode fixe : ses dimensions - typiquement sa surface ou son rayon si elle est circulaire -, sa position dans le transducteur ;
• Pour la définition de l'élément dissipatif : son matériau de constitution, son épaisseur, sa pression et sa température s'il s'agit d'un gaz;
• Pour la définition de la cavité : sa forme générale et ses dimensions,
• Pour l'ensemble : la configuration générale, notamment la position et l'orientation des éléments précités, la tension de polarisation du condensateur ainsi formé (dans le cas d'un transducteur capacitif).

[0045] Bien évidemment, selon différents modes de réalisation de l'invention, les paramètres à définir peuvent varier. Notamment, l'élément mobile peut être par exemple une plaque encastrée en flexion, une plaque rigide suspendue ou une lame flexible encastrée à l'une de ses extrémités (le mouvement de l'autre extrémité étant caractérisé). Dans ce cas, les paramètres définis sont notamment ceux qui définissent les propriétés mécaniques de l'élément mobile.

[0046] Afin de permettre l'obtention d'une configuration adéquate pour l'obtention d'un gain maximum à la fréquence souhaitée, une géométrie préférentielle de l'invention, telle que représentée à la figure 1, comporte une cavité 4 annulaire définie par un cylindre de révolution à l'intérieur duquel l'électrode fixe est positionnée en surélévation par rapport à l'une des bases du cylindre. La hauteur de surélévation de l'électrode fixe 2 permet de régler la distance entre ladite électrode fixe 2 et la membrane pour l'obtention du faible l'amortissement souhaité sans toutefois trop limiter la sensibilité.

[0047] Bien que décrite selon un mode de réalisation préférentiel illustré à la figure 1, de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Notamment, la cavité 4, précédemment décrite dans un mode de réalisation dans laquelle elle est cylindrique de révolution, peut cependant présenter une autre forme générale, notamment prismatique droite à base carrée ou rectangulaire. La membrane peut présenter une forme correspondante (carré, rectangulaire,...) notamment dans le cas où elle est usinée dans une tranche de silicium par gravure chimique anisotrope.

[0048] La membrane peut alternativement et de manière non exhaustive être constituée d'une plaque en flexion, d'une lame flexible ou une plaque rigide suspendue par des bras en flexion, pour autant que des découpes permettant le mouvement de bras ne constituent pas un court-circuit acoustique entre la face avant du capteur et la lame d'air ou autre élément dissipatif à l'arrière de la plaque.

[0049] Le transducteur électroacoustique peut avantageusement comporter un dispositif équilibrant la pression statique, c'est-à-dire la pression atmosphérique de part et d'autre de l'élément mobile. Ce dispositif peut comporter un ou plusieurs tubes capillaires.

[0050] Ce dispositif d'équilibrage de pression statique permet au capteur acoustique de fonctionner comme un capteur différentiel. En effet, la pression statique (atmosphérique) étant équilibrée de part et d'autre de l'élément mobile (typiquement la membrane), la tension mécanique statique de la membrane, qui influe sur la sensibilité du capteur, reste constante. Le capteur ainsi obtenu n'est donc sensible qu'à un différentiel de pression dynamique, le dimensionnement du ou des tubes capillaires faisant qu'ils se comportent comme une impédance infinie empêchant la pression dynamique de pénétrer à l'arrière de l'élément mobile, typiquement dans la cavité du transducteur.

[0051] En outre, la géométrie précédemment décrite, dans laquelle dans laquelle l'élément fixe est disposé à l'intérieur de la cavité en surélévation d'une de ses bases est avantageusement applicable à toute technologie de transducteur. Typiquement, pour un capteur piézoélectrique, piézorésistif, électrodynamique ou optique, l'élément mobile (par exemple une membrane) est positionné en regard d'un plot ayant une disposition en surélévation dans la cavité, tel que précédemment décrit pour l'électrode fixe d'un transducteur capacitif.

[0052] De nombreuses variantes de réalisation sont envisageables sans sortir du cadre défini dans l'invention. Typiquement, en fonction du mode de réalisation considéré, le matériau constitutif de la partie mobile peut être du silicium, un polymère, du métal, ou tout autre matériau adéquat. Le paramètre prépondérant qui détermine le comportement de l'élément mobile est sa masse surfacique, qui résulte du produit masse volumique par son épaisseur (si elle est constante).

[0053] Dans le cas de l'emploi de silicium, il est possible par gravure ionique réactive profonde (en anglais « Deep Reactive Ion Etching » ou « DRIE ») de réaliser de nombreuses formes de membrane et d'électrode fixe (si le capteur est capacitif). Cependant, si l'on utilise un procédé de gravure chimique anisotrope en bain aqueux, la forme obtenue dépend de l'orientation cristallographique de la tranche de silicium et de l'orientation des motifs sur cette tranche par rapport au repère cristallographique. Les formes obtenues pour des masques initialement carrés ou ronds peuvent être aussi variées que des cylindres ou des cônes à bases carrées, octogonales ou hexagonales, ou d'autres formes selon l'orientation du motif sur la tranche de silicium et l'orientation de cette dernière par rapport au repère cristallographique.

[0054] Dans le cas de l'usinage d'un métal ou d'un polymère, il est généralement possible de réaliser la forme souhaitée, aux conditions et tolérances d'usinage près.

[0055] La figure 2 montre un premier exemple de comportement d'un transducteur électrostatique conforme à un mode de réalisation de l'invention, et configuré selon une première configuration.

[0056] En ordonnée est portée la sensibilité du transducteur en décibels (dB) référencés à 1V/Pa, en abscisse la fréquence en hertz (Hz).

[0057] La géométrie générale du transducteur correspond au mode de réalisation présenté à la figure 1. Les paramètres principaux de ce premier exemple de configuration sont les suivants. La membrane est circulaire d'un rayon de 2,5mm, d'une épaisseur de 50 microns et d'une densité de 4000 kg.m^-3. La tension de la membrane est de 213 N.m^-1. L'électrode fixe a un rayon de 0,6mm. La distance entre la membrane et l'électrode fixe est de 13 microns. La cavité annulaire a une profondeur de 4mm. La tension de polarisation est de 5 V.

[0058] La fréquence de résonance du transducteur pour laquelle la sensibilité est maximale est de 5300Hz environ. Le facteur de qualité du transducteur est de 7 environ, ce qui garantit une bonne sélectivité en tant que capteur. Cela se traduit par un pic de sensibilité élevé et étroit autour de la fréquence de résonance du transducteur.

[0059] La figure 3 présente schématiquement sur un graphique analogue à la figure 2 le comportement d'un transducteur électroacoustique selon une seconde configuration du mode de réalisation de la figure 1. Les échelles employées sont similaires à celles de la figure 2.

[0060] La géométrie générale du transducteur correspond au mode de réalisation présenté à la figure 1. Les paramètres principaux de ce deuxième exemple de configuration sont les suivants. La membrane est circulaire d'un rayon de 2,5mm, d'une épaisseur de 50 microns et d'une densité de 4000 kg.m^-3. La tension de la membrane est de 213N.m^-1. L'électrode fixe a un rayon de 0,6mm. La distance entre la membrane et l'électrode fixe est de 15 microns. La cavité annulaire a une profondeur de 4mm. La tension de polarisation est de 5 V.

[0061] La fréquence de résonance du transducteur pour laquelle la sensibilité est maximale est de 7000Hz environ. Le facteur de qualité du transducteur est de 10 environ, ce qui garantit une bonne sélectivité en tant que capteur. Cela se traduit par un pic de sensibilité élevé et étroit autour de la fréquence de résonance du transducteur. Cette figure illustre néanmoins le fait que des modes de résonance peuvent être proches du mode principal. Dans ce cas, afin d'obtenir un filtre sélectif autour du mode principal uniquement, il convient de ne pas trop limiter l'amortissement du système. Ainsi, pour un rapport de surface donné entre la membrane et l'électrode fixe, il peut exister une valeur maximale d'écartement entre ladite membrane et ladite électrode au-delà de laquelle d'autres modes de résonance ne seront pas suffisamment atténués. Ainsi, si la maximisation de l'écart entre la membrane et l'électrode fixe est une règle générale de conception, certaines configurations limitent cet écartement du fait de la nécessité de maintenir un amortissement suffisant nécessaire du fait de la proximité entre le mode principal de résonance et d'autres modes.

[0062] La figure 4 présente schématiquement sur un graphique analogue aux figures 2 et 3 le comportement d'un transducteur électroacoustique selon une troisième configuration du mode de réalisation de la figure 1.

[0063] Les échelles employées sont similaires à celles de la figure 1 et de la figure 2.

[0064] La géométrie générale du transducteur correspond au mode de réalisation présenté à la figure 1. Les paramètres principaux de ce troisième exemple de configuration sont les suivants. La membrane est circulaire d'un rayon de 6.5mm, d'une épaisseur de 25 microns et d'une densité de 1420 kg.m^-3. La tension de la membrane est de 2621 N.m^-1. L'électrode fixe a un rayon de 0,1mm. La distance entre la membrane et l'électrode fixe est de 5 microns. La cavité annulaire a une profondeur de 2mm. La tension de polarisation est de 2 V.

[0065] La fréquence de résonance du transducteur pour laquelle la sensibilité est maximale est de 16800Hz environ. Le facteur de qualité du transducteur est de 805 environ. Cela garantit une sélectivité extrême en tant que capteur de la fréquence ciblée. Cela se traduit par un pic de sensibilité élevé et extrêmement étroit autour de la fréquence de résonance du transducteur.

[0066] Par ailleurs, on constate que la diminution importante du rayon de l'électrode fixe implique une diminution de l'espace inter-électrode (distance entre la membrane et l'électrode fixe), qui permet de maintenir la valeur de la capacité statique du transducteur. Ceci peut néanmoins, dans le cas d'un transducteur capacitif, provoquer des phénomènes de collapse de la membrane (également désigné par l'expression anglophone "pull-in") qui correspondent à une déflexion maximale de la membrane qui va jusqu'au contact avec l'électrode arrière. Il est alors nécessaire de réduire la tension de polarisation du transducteur à un niveau très inférieur (souvent désignée « V_pull_out ») afin de relâcher cette dernière. Ce phénomène, qui doit généralement être évité, peut cependant être mis à profit dans le cas où le transducteur ne serait plus utilisé comme une capacité variable mais comme un interrupteur activé par une onde acoustique de fréquence donnée (en l'occurrence la fréquence de résonance du transducteur).

[0067] Les exemples ci-dessus présentés illustrent des transducteurs résonnants dont la fréquence de résonance est située entre 5000Hz et 17000Hz environ. L'invention est d'application préférentielle dans la plage des fréquences audibles, c'est-à-dire de 20Hz environ à 20KHz environ, et de préférence au-dessus de 1 KHz.

[0068] De plus, l'invention peut également être appliquée dans le domaine des ultrasons. L'invention peut aussi être appliquée dans certaines plages des infrasons, mais une faible tension de la membrane est de manière générale un paramètre s'opposant à l'obtention d'un transducteur capacitif résonnant, de sorte qu'un facteur de qualité élevé est particulièrement difficile à atteindre dans les basses fréquences.

[0069] Grâce au filtrage fréquentiel réalisé par un transducteur présentant un facteur de qualité élevé, le transducteur peut être employé avec succès y compris en ambiance bruyante. Du fait de la grande simplicité de mise en oeuvre d'un tel système, et de l'absence de filtration électronique et de la consommation électrique associée pour chaque transducteur, il est possible de multiplier aisément le nombre de transducteurs mis oeuvre, notamment dans espace important et/ou pour capter plusieurs fréquences prédéfinies.

[0070] Ainsi, en adoptant une conception contraire à celle recherchée pour les microphones traditionnels, dont la bande passante doit être la plus large possible dans le domaine des fréquences audibles, l'invention ici développée propose la conception d'un transducteur électroacoustique dont la résonance est peu atténuée de sorte à ce qu'il se comporte comme un filtre fréquentiel sélectif. Cela se traduit par un facteur de qualité élevé, inconnu dans le domaine des microphones, typiquement supérieur à deux.

Revendications

1. Transducteur acoustique adapté à convertir un signal acoustique en signal électrique, comportant un élément mobile sous l'effet dudit signal acoustique, un élément fixe disposé en regard de l'élément mobile, une cavité (4), et un élément dissipatif (3) interposé entre l'élément mobile et l'élément fixe,
le système couplé constitué de l'élément mobile, l'élément dissipatif (3) et la cavité (4) ayant une fréquence propre correspondant à une fréquence de résonance du transducteur à laquelle sa sensibilité est maximale, l'élément mobile, l'élément fixe, l'élément dissipatif (3) et la cavité (4) étant configurés de sorte que le facteur de qualité du transducteur acoustique est supérieur à deux, caractérisé en ce que
l'élément mobile est une électrode mobile (1) comportant une membrane déformable, l'élément fixe étant une électrode fixe (2), et l'élément dissipatif étant un élément résistif, de sorte que le transducteur est un transducteur capacitif,
la cavité (4) a une forme générale soit d'un prisme droit, soit d'un cylindre, soit d'un tronc de cône,
ledit prisme, respectivement ledit cylindre, respectivement ledit tronc de cône comportant une première base et une seconde base distincte de la première base,
l'élément mobile formant la première base du prisme, respectivement du cylindre ou respectivement du tronc de cône, l'élément fixe étant disposé à l'intérieur dudit prisme, respectivement dudit cylindre ou respectivement dudit tronc de cône en surélévation de la seconde base du prisme, respectivement du cylindre ou respectivement du tronc de cône.

2. Transducteur acoustique selon la revendication 1, dans lequel l'élément fixe présente une surface inférieure à la surface de l'élément mobile.

3. Transducteur acoustique selon la revendication 2, dans lequel le rapport entre la surface de l'élément mobile et celle de l'élément fixe est inférieur ou égal à 1/6, et de préférence inférieur ou égal à 1/12.

4. Transducteur acoustique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément dissipatif (3) est constitué d'un gaz ou d'un mélange de gaz.

5. Transducteur acoustique selon la revendication 4, dans lequel l'élément dissipatif (3) est constitué d'air.

6. Transducteur acoustique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément mobile et l'élément fixe sont circulaires.

7. Transducteur acoustique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la cavité (4) est de forme générale cylindrique de révolution.

8. Transducteur acoustique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont le système couplé constitué de l'électrode mobile, l'élément dissipatif (3) et la cavité (4) est configuré de sorte que sa fréquence propre est comprise entre 20Hz et 20KHz.

9. Transducteur selon l'une des revendications précédentes, configuré de sorte que l'exposition de l'électrode mobile (1) à une onde acoustique de fréquence correspondant à la fréquence de résonance du transducteur provoque le contact entre l'électrode mobile (1) et l'électrode fixe (2), de sorte que le transducteur forme un interrupteur.

10. Transducteur selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre un dispositif d'équilibrage de la pression statique régnant de part et d'autre de l'élément mobile.

11. Transducteur selon la revendication 10, dans lequel le dispositif d'équilibrage de la pression statique comporte un tube capillaire.

Ansprüche

1. Akustischer Wandler, der dazu geeignet ist, ein akustisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln, enthaltend ein Element, das unter der Wirkung des akustischen Signals beweglich ist, ein festes Element, das dem beweglichen Element gegenüberliegend angeordnet ist, einen Hohlraum (4) und ein dissipatives Element (3), das zwischen dem beweglichen Element und dem festen Element angeordnet ist,
wobei das gekoppelte System aus dem beweglichen Element, dem dissipativen Element (3) und dem Hohlraum (4) eine Eigenfrequenz hat, die einer Resonanzfrequenz des Wandlers entspricht, bei der seine Empfindlichkeit maximal ist, wobei das bewegliche Element, das feste Element, das dissipative Element (3) und der Hohlraum (4) dazu ausgelegt sind, dass der Gütefaktor des akustischen Wandlers größer als zwei ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das bewegliche Element eine bewegliche Elektrode (1) mit einer verformbaren Membran ist, wobei das feste Element eine feste Elektrode (2) ist und das dissipative Element ein Widerstandselement ist, so dass der Wandler ein kapazitiver Wandler ist,
wobei der Hohlraum (4) in Form von entweder einem geraden Prisma, einem Zylinder oder einem Kegelstumpf vorliegt,
wobei das Prisma bzw. der Zylinder bzw. der Kegelstumpf eine erste Grundfläche und eine zweite Grundfläche aufweist, die sich von der ersten Grundfläche unterscheidet,
wobei das bewegliche Element die erste Grundfläche des Prismas bzw. des Zylinders bzw. des Kegelstumpfes bildet, wobei das feste Element innerhalb des Prismas bzw. des Zylinders bzw. des Kegelstumpfes und bezüglich der zweiten Grundfläche des Prismas bzw. des Zylinders bzw. des Kegelstumpfes erhöht angeordnet ist.

2. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, wobei das feste Element eine Oberfläche aufweist, die kleiner als die Oberfläche des beweglichen Elements ist.

3. Akustischer Wandler nach Anspruch 2, wobei das Verhältnis zwischen der Oberfläche des beweglichen Elements und der des festen Elements kleiner oder gleich 1/6, vorzugsweise kleiner oder gleich 1/12, ist.

4. Akustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das dissipative Element (3) aus einem Gas oder einem Gasgemisch besteht.

5. Akustischer Wandler nach Anspruch 4, wobei das dissipative Element (3) aus Luft besteht.

6. Akustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das bewegliche Element und das feste Element kreisförmig sind.

7. Akustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (4) rotationszylinderförmig ist.

8. Akustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das gekoppelte System, bestehend aus der beweglichen Elektrode, dem dissipativen Element (3) und dem Hohlraum (4), dazu ausgelegt ist, dass seine Eigenfrequenz zwischen 20 Hz und 20 KHz liegt.

9. Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, der dazu ausgelegt ist, durch Aussetzen der beweglichen Elektrode (1) einer akustischen Welle mit einer Frequenz, die der Resonanzfrequenz des Wandlers entspricht, den Kontakt zwischen der beweglichen Elektrode (1) und der festen Elektrode (2) hervorzuzurufen, so dass der Wandler einen Schalter bildet.

10. Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner enthaltend eine Vorrichtung zum Ausgleichen des statischen Drucks, der auf beiden Seiten des beweglichen Elements herrscht.

11. Akustischer Wandler nach Anspruch 10, wobei die Vorrichtung zum Ausgleichen des statischen Drucks ein Kapillarrohr enthält.

Claims

1. Acoustic transducer capable of converting an acoustic signal into an electrical signal, comprising an element that is mobile under the effect of said acoustic signal, a fixed element arranged opposite the mobile element, a cavity (4), and a dissipative element (3) interposed between the mobile element and the fixed element,
the coupled system constituted by the mobile element, the dissipative element (3) and the cavity (4) having a natural frequency corresponding to a resonance frequency of the transducer at which its sensitivity is maximum, the mobile element, the fixed element, the dissipative element (3) and the cavity (4) being configured so that the quality factor of the acoustic transducer is greater than two, characterized in that
the mobile element is a mobile electrode (1) comprising a deformable membrane, the fixed element is a fixed electrode (2), and the dissipative element (3) is a resistive element, so that the transducer is a capacitive transducer,
the cavity (4) has a general shape of a straight prism or of a cylinder or of a frustum,
said prism, respectively said cylinder, respectively said frustum comprising a first base and a second base distinct from the second base,
the mobile element forming the first base of the prism, respectively of the cylinder, respectively of the frustum, the fixed element being arranged inside said prism, respectively said cylinder, respectively said frustum, raised with respect to the second base of the prism, respectively of the cylinder, respectively of the frustum.

2. Acoustic transducer according to claim 1, in which the fixed element has a surface area less than the surface area of the mobile element.

3. Acoustic transducer according to claim 2, in which the ratio between the surface area of the mobile element and that of the fixed element is less than or equal to 1/6, and preferably less than or equal to 1/12.

4. Acoustic transducer according to one of the preceding claims, in which the dissipative element (3) is constituted by a gas or a mixture of gases.

5. Acoustic transducer according to claim 4, in which the dissipative element (3) is constituted by air.

6. Acoustic transducer according to one of the preceding claims, in which the mobile element and the fixed element are circular.

7. Acoustic transducer according to any one of the preceding claims, in which the cavity (4) has a generally rotationally symmetrical shape.

8. Acoustic transducer according to any one of the preceding claims, in which the coupled system constituted by the mobile electrode, the dissipative element (3) and the cavity (4), is configured so that its natural frequency is comprised between 20 Hz and 20 KHz.

9. Transducer according to one of the preceding claims, configured so that that the exposure of the mobile electrode (1) to a sound wave with a frequency corresponding to the resonance frequency of the transducer causes contact between the mobile electrode (1) and the fixed electrode (2), so that that the transducer forms a switch.

10. Transducer according to one of the preceding claims, comprising moreover a device for balancing the static pressure prevailing on either side of the mobile element.

11. Transducer according to claim 10, in which the device for balancing the static pressure comprises a capillary tube.

Dessins