DE10300063A1

DE10300063A1 - Membran für akustische Wandler

Info

Publication number: DE10300063A1
Application number: DE2003100063
Authority: DE
Inventors: Charles Thomas Rosenmayer
Original assignee: WL Gore and Associates GmbH
Current assignee: WL Gore and Associates GmbH
Priority date: 2003-01-03
Filing date: 2003-01-03
Publication date: 2004-07-22
Also published as: WO2004062318A1

Abstract

Eine elektrostatisch aufladbare polymere Membran 3 für akustische Wandler besitzt einen El-Wert von weniger als 22 mg/muC, wobei der El-Wert definiert ist als Quotient des Flächengewichts des Membranmaterials zur Flächenladungsdichte der elektrostatisch aufgeladenen Membran. Bevorzugte Membranmaterialien sind verstrecktes Polytetrafluorethylen (ePTFE) sowie verdichtetes ePTFE, bekannt als HSF.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran für akustische Wandler, insbesondere für akustische Wandler der sogenannten Flat-Panel-Technologie, umfassend eine – insbesondere metallbeschichtete – Polymermembran.
Akustische Wandler der Flat-Panel-Technologie können nach zwei unterschiedlichen Prinzipien arbeiten. In beiden Fällen wird die Polymermembran zunächst auf ein konstantes elektrisches Potential aufgeladen. Gemäß dem einen Prinzip wird die Membran mittels einer an die Membran angelegten Gleichspannung im Bereich von typischerweise 100 V bis 400 V elektrisch vorgespannt. Dieses Prinzip findet typischerweise bei Heimaudiogeräten Anwendung. Gemäß dem anderen Prinzip ist die Membran von vornherein permanent elektrostatisch aufgeladen, wodurch das Erfordernis einer elektrischen Vorspannung entfällt. Dieses Prinzip findet typischerweise bei Mikrofonen, nicht aber bei Lautsprechern Anwendung. Die vorgespannte oder aufgeladene Membran wird dann in einem Kondensator einer Wechselspannung entsprechend dem zu erzeugenden akustischen Signal ausgesetzt, um akustische Schwingungen der Membran zu erzeugen (Lautsprecherfunktion), oder eine akustische Schwingung wird mittels der Membran in eine solche Wechselspannung gewandelt (Mikrofonfunktion).
Während mittels Gleichspannung elektrisch vorgespannte Membranen aus PET oder anderen dünnen, steifen und preiswerten Polymeren bestehen können, sind die an elektrostatisch permanent aufladbare Membranen gestellten Materialanforderungen höher, da die elektrostatische Ladung dauerhaft sein und eine ausreichend hohe Flächenladungsdichte besitzen soll. Elektrostatische Membranen bestehen üblicherweise aus metallisierten Fluorethylenpolymer-(FEP)-Folien. Aufgrund ihrer geringen Zugfestigkeit von typischerweise weniger als 10 MPa sind diese Membranen jedoch für den Einsatz in Lautsprechern nur bedingt geeignet, da die Membranfläche, Belastung und Schwingungsamplitude bei Lautsprechermembranen vergleichsweise groß sind.
Auch für den Einsatz in mobilen elektronischen Geräten, insbesondere in mobilen Telekommunikationsendgeräten, sind elektrostatische Membranen geeignet, da sich damit auf Leiterplatten akustische Wandler in der Flat-Panel-Technologie leicht und platzsparend realisieren lassen. Die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Geräte erfordert gerade für diese Zwecke die Entwicklung neuer Membranen für akustische Wandler.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Membran für akustische Wandler vorzuschlagen, die insbesondere für Lautsprecher und/oder den Einsatz in mobilen Telekommunikationsendgeräten geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Membran gemäß den Patentansprüchen 1 und 2 gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Die erfindungsgemäße Membran besteht aus polymerem, permanent elektrostatisch aufladbaren Material, wobei der Begriff "permanent" nicht im strengen Sinne zu verstehen ist, sondern derart, dass der natürliche Spannungsverlust sehr langsam erfolgt, wodurch eine Erneuerung der elektrostatischen Vorspannung während der Einsatzlebensdauer der Membran nicht oder jedenfalls nur in größeren Zeitabständen notwendig ist. Dennoch kann die erfindungsgemäße Membran selbstverständlich auch für Anwendungen benutzt werden, in denen die Membran mittels einer Gleichspannungsquelle kontinuierlich elektrisch vorgespannt ist.
Die erfindungsgemäße Membran zeichnet sich durch eine spezielle Materialauswahl des polymeren Membranmaterials aus. Maßgebende Einflußfaktoren bei der Materialauswahl sind einerseits das Flächengewicht des polymeren Membranmaterials, welches möglichst gering sein soll, und andererseits die Flächenladungsdichte des Membranmaterials, welche möglichst hoch sein soll.
Es ist allgemein bekannt, dass die Dicke der Membran für die akustische Wandlung einen kritischen Faktor darstellt, da eine dickere Membran träger ist und daher ungünstigere Schwingungseigenschaften besitzt als ein entsprechend dünnere Membran. Tatsächlich ist aber nicht die Materialdicke sondern das Flächengewicht des Materials für die Schwingungseigenschaften der kritische Faktor. Eine dicke Membran aus einem Material mit geringer Dichte kann daher bessere akustische Eigenschaften besitzen als eine aus dünnerem, aber wesentlich dichterem Material bestehende Membran. Daher ist ein besonders kritischer Faktor für die vorliegende Erfindung das Flächengewicht das Membranmaterials.
Darüber hinaus ist es bekannt, dass die akustischen Eigenschaften eines Wandlers mit elektrostatischer Membran um so besser sind, je höher die Flächenladungsdichte der elektrostatisch geladenen Membran ist. Daher ist es im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung erstrebenswert, ein Membranmaterial mit möglichst hoher maximaler Flächenladungsdichte zu verwenden. Die maximal erzielbare Flächenladungsdichte ist im wesentlichen ein materialspezifischer Wert, der durch die Art und Weise des elektrostatischen Aufladungsverfahrens nur wenig beeinflußbar ist.
Es hat sich nun überraschend herausgestellt, dass die beiden vorgenannten Faktoren "Flächenladungsdichte" und "Flächengewicht" einander gegenseitig beeinflussen. Es wurde nämlich festgestellt, dass eine Membran trotz geringer maximaler Flächenladungsdichte gute akustische Wandlereigenschaften besitzt, wenn ihr Flächengewicht nur genügend reduziert werden kann. Umgekehrt kann eine Membran mit guten akustischen Wandlereigenschaften auch aus einem Material bestehen, welches zwar einerseits ein hohes Flächengewicht besitzt, bei welchem andererseits aber eine überproportional hohe Flächenladungsdichte erreichbar ist.
Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Membran charakterisiert durch einen Wert, der nachfolgend als El-Wert ("electret inertia") bezeichnet wird und der sich aus dem Verhältnis des Membranflächengewichts M zur Flächenladungsdichte σ ergibt zu: El = M/σ.
Der El-Wert liegt bei der erfindungsgemäßen Membran bei einem Wert von unter etwa 22 mg/μC, insbesondere unter etwa 20 mg/μC. Je geringer der El-Wert ist, desto besser sind die Eigenschaften der Membran, so dass jeder beliebige unter 22 mg/μC liegender Wert als gegenüber einem darüber liegenden Wert bevorzugt anzusehen ist.
Vorzugsweise wird als polymeres Membranmaterial ein Fluorpolymer verwendet, weil Fluorpolymere hoch temperaturbeständig sind. In mobilen Telekommunikationsendgräten können Temperaturen über 80° C über längere Zeitspannen auftreten. Im Zusammenwirken mit mikroelektronischen Bauelementen können kurzzeitig sogar Temperaturen bis 250° C erreicht werden.
Als besonders geeignete Materialien haben sich verstrecktes Polytetrafluorethylen (ePTFE) sowie HSF erwiesen. Bei HSF handelt es sich um verdichtetes ePTFE.
Während die maximal erreichbare Flächenladungsdichte von ePTFE zwar lediglich etwa 75% der maximalen Flächenladungsdichte von FEP beträgt, kann ePTFE mit einem um ein Vielfaches geringeres Flächengewicht hergestellt werden als FEP.
Ein noch besser geeignetes Polymermaterial für die Membran ist HSF. Zwar ist HSF nicht mit einem derart geringen Flächengewicht herstellbar wie ePTFE, da es sich um verdichtetes ePTFE handelt. Jedoch läßt es sich immer noch mit einer geringeren Flächendichte herstellen als das herkömmliche FEP und besitzt darüber hinaus den besonderen überraschenden Vorteil, dass die maximal er reichbare Flächenladungsdichte mehr als das Doppelte der maximal erreichbaren Flächenladungsdichte von FEP beträgt.
ePTFE läßt sich mit einer Flächenladungsdichte von etwa 700 μC/m² elektrostatisch vorspannen, HSF mit einer Flächenladungsdichte von etwa 2100 μC/m². Demgegenüber liegt die maximal erreichbare Flächenladungsdichte von FEP bei etwa 1000 μC/m². Ein El-Wert von unter 22 mg/μC läßt sich daher bereits mit ePTFE-Folien erzielen, die ein Flächengewicht von unter 15 g/m² besitzen. Typische im Handel erhältliche ePTFE-Membranen besitzen beispielsweise ein Flächengewicht von 8 g/m² bei einer Membrandicke von etwa 15 μm. Bei einer solchen Membran liegt der El-Wert bei lediglich 11,4 mg/μC. Im Vergleich dazu liegt der El-Wert von den üblicherweise 12,5 μm dicken FEP-Folien mit einem Flächengewicht von 27g/m² bei 27,2 mg/μC, also etwa bei dem 2,5 fachen Wert.
Die jeweilige Membrandicke läßt sich am einfachsten aus dem Flächengewicht und der experimentell ermittelbaren Materialdichte bestimmen.
Je geringer das Flächengewicht ist, desto besser ist der El-Wert. Allerdings sind dem Flächengewicht physikalische Grenzen gesetzt, da die Membran mit abnehmender Dicke auch an Festigkeit verliert, so dass ihre schwingungsübertragenen Eigenschaften ab einem gewissen Wert nicht mehr akzeptabel sind. ePTFE-Membranen mit einem Flächengewicht zwischen 5 g/m² und 10 g/m² sind heutzutage problemlos herstellbar und ihr Einsatz als akustische Membran durchaus realistisch. Die Dicke der Membran liegt dann zwischen etwa 9 μm und 19 μm. Es wird durchaus als realistisch angesehen, dass geeignete ePTFE-Membranen gegebenenfalls durch Hinzufügung etwaiger Additive zukünftig auch mit einem Flächengewicht von 2 g/m² oder sogar 1 g/m² realisierbar sind. Die Dicke der Membran liegt dann bei nur etwa 4 μm bzw. 2 μm.
Aufgrund der hohen maximalen Flächenladungsdichte von HSF liegen die entsprechenden El-Werte von HSF-Membranen gegenüber den El-Werten herkömmlicher FEP-Membranen noch wesentlich günstiger als die El-Werte von ePTFE-Membranen. Ein El-Wert von etwa 22 mg/μC wird beispielsweise be reits mit eine HSF-Membran erzielt, die ein Flächengewicht von 45 g/m² besitzt. Eine solche Membran hätte eine Dicke von etwa 21 μm. Die derzeit im Handel gängigen HSF-Membranen besitzen lediglich ein Flächengewicht von 28 g/m², so dass der El-Wert bei lediglich 13,2 mg/μC liegt, also weniger als die Hälfte des El-Werts von herkömmlichen FEP-Membranen beträgt. HSF-Membranen mit einem Flächengewicht von zwischen 10 g/m² und 30 g/m² sind beim gegenwärtigen Stand der Technik problemlos herstellbar. Solche Membranen haben eine Dicke zwischen etwa 5 μm und 15 μm. Es wird aber durchaus als realistisch angesehen, mit der derzeit verfügbaren Technologie HSF-Membranen mit einer Dichte von lediglich 2,5 g/m² herzustellen, die dann eine Dicke von etwa 1 μm besitzen.
HSF-Membranen besitzen gegenüber ePTFE-Membranen den besonderen Vorteil, dass sie keine Poren und somit keine Luftpassagen aufweisen, so dass sie für akustische Wandler besser geeignet sind.
Die erfindungsgemäßen Membranen lassen sich in Leichtbauweise platzsparend auf einer Leiterplatte in einen akustischen Wandler integrieren. Sie eignen sich nicht nur für Mikrofone, sondern aufgrund ihres geringen Flächengewichts bei hoher Zugfestigkeit insbesondere auch für Lautsprecher, insbesondere auch für großflächige Lautsprecher, wie sie z. B. in Heimaudioanlagen zu finden sind. Sie sind auch besonders geeignet zur Verwendung als Ultraschallwandler oder für sonstige Drucksensor- und Klangübertragungsanwendungen.
Nachfolgend werden experimentelle Versuche anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
1 den Vorgang des elektrostatischen Aufladens einer erfindungsgemäßen Membran und
2 eine auf einer Leiterplatte applizierte Membran.
Es wurden praktische Versuche durchgeführt mit den drei folgenden Materialien:

– ePTFE-Membran mit einem Flächengewicht M = 8 g/m² bei einer Dicke von 15 μm,
– HSF-Membran mit einer Flächendichte von 28 g/m² bei einer Dicke von 13 μm, und
– herkömmliche FEP-Membran von DuPont mit einem Flächengewicht von 27 g/m² bei einer Dicke von 12,5 μm.

Die vorgenannten Membranen wurden zunächst mit einer 20 nm dicken Goldschicht bedampft und anschließend in einem Corona-Discharge-Verfahren mittels einer Corona-Triode elektrostatisch aufgeladen, wie in 1 dargestellt. Die Dicke der Metallbeschichtung ist unkritisch, da die Metallbeschichtung lediglich als Referenzelektrode dient. Von der Corona-Elektrode 1 wurden Elektronen durch eine Gitter-Elektrode 2 auf die Metallbeschichtung des Membransubstrats 3 transmittiert. Bei dem Versuchsaufbau lag der Abstand zwischen Corona-Elektrode 1 und Gitter-Elektrode 2 bei 40 mm und der Abstand zwischen der Gitter-Elektrode 2 und dem Substrat 4 bei 7 mm. Die Goldbeschichtung 4 hatte einen kreisförmigen Durchmesser von etwa 50 mm. Die an die Corona-Elektrode 1 angelegte Spannung betrug – 11 kV und die an die Gitter-Elektrode angelegte Spannung betrug – 1,5 kV. Die Spannung wurde über 60 s aufrechterhalten.
Die Oberflächenspannung der so aufgeladenen Proben wurde anschließend mittels einer Kelvinsonde gemessen. Daraus läßt sich die Flächenladungsdichte σ mittels der folgenden Gleichung bestimmen: σ = Vkε0/twobei σ die Flächenladungsdichte, V die Oberflächenspannung, k die Elektrizitätkonstante des Substrats, ε₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums und t die Substratdicke darstellen.
Das Ergebnis ist in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben:
Das Ergebnis ist in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben:
Theoretische Werte
In der vorstehenden Tabelle sind auch theoretische Werte angegeben, die für ePTFE mit einem Flächengewicht von 2 g/m² und HSF mit einem Flächengewicht von 5 g/m² erreichbar sind. Außerdem sind Vergleichswerte für Membrane der Firma Dupont angegeben, die eine Dicke von 23 μm (Tefzel T2) und 20 μm (PFA T2) besitzen. Dabei handelt es sich einerseits um eine Ethylen/Tetrafluorethylen Copolymer-Membran einerseits und eine Perfluoralkoxy-Membran andererseits.
Der Aufbau eines akustischen Wandlers ist nachfolgend beispielhaft in 2 schematisch wiedergegeben. 2 zeigt einen Querschnitt durch den akustischen Wandler umfassend die Membran 3 mit einer außenliegenden metallischen Beschichtung 4. Die Membran 3 ist elektrostatisch aufgeladen und mittels isolierenden Abstandshaltern 5 in einem zu einer Elektrode 6 angeordnet. Die Elektrode 6 und die Metallbeschichtung 4 der Membran 3 sind an einen elektrischen Schaltkreis 7 angeschlossen, der so aufgebaut ist, dass der akustische Wandler entsprechend seiner gewünschten Funktion als Mikrofon, Lautsprecher, Ultraschallwandler oder andere Drucksensor- oder Klangübertragungseinrichtung einsetzbar ist. Entweder wird die Membran 3 in Schwingung ver setzt, indem zwischen der metallischen Beschichtung 4 und der Elektrode 6 eine Wechselspannung angelegt wird (Lautsprecherfunktion). Oder eine schalldruckbedingte Schwingung der Membran 3 wird in umgekehrter Weise in eine Wechselspannung gewandelt (Mikrophonfunktion). Die Elektrode 6 kann Bestandteil einer hier nicht dargestellten gedruckten Leiterplatte sein. Sie besitzt akustische Durchlassöffnungen 8.
Die als Elektrode wirkende Metallbeschichtung 4 muß aber nicht notwendigerweise Bestandteil der Membran 3 sein. Sie kann von der Membran 3 auch beabstandet sein. In diesem Fall ist die Membran 3 somit unbeschichtet. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt. Dort befindet sich eine unbeschichtete Membran 3 zwischen zwei Elektroden 6, die jeweils mit akustischen Durchlässen 8 ausgestattet sind. Die Elektroden 6 werden von der Membran 3 mittels isolierenden Abstandshaltern 5 auf einem Abstand gehalten.
Die elektrostatische Vorspannung der Membran 3 kann bei diesem Ausführungsbeispiel in einem Corona-Discharge-Verfahren mittels einer Corona-Triode erfolgen, nachdem die Membran 3 bereits in einen akustischen Wandler, wie er in 3 schematisch im Querschnitt dargestellt ist, integriert worden ist. Dabei dient eine der beiden Elektroden 6 als Gitter-Elektrode und die andere als Referenzelektrode der Corona-Triode. Die Corona-Elektrode (Entladungselektrode) selbst ist in 3 nicht dargestellt.
Beim Einsatz des in 3 schematisch dargestellten akustischen Wandlers werden die beiden Elektroden 6 bezüglich der elektrostatisch aufgeladenen Membran 3 gegenphasig einer Wechselspannung ausgesetzt ("push-pull-Konfiguration"), um die Membran 3 entsprechend dem zu erzeugenden akustischen Signal in Schwingung zu versetzen.

Claims

Membran für akustische Wandler umfassend eine Polymerschicht (3) mit einem vorgegebenen Flächengewicht (M), wobei die Polymerschicht mit einem Metall (5) beschichtet ist, so dass die Membran mit einer gewünschten Flächenladungsdichte (σ) elektrostatisch aufladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran auf einen El-Wert kleiner als etwa 22 mg/μC elektrostatisch aufladbar ist, insbesondere kleiner als etwa 20 mg/μC, wobei der El-Wert definiert ist als Quotient von Flächengewicht (M) der Polymerschicht zu Flächenladungsdichte (σ).
Membran für akustische Wandler, insbesondere nach Anspruch 1, umfassend eine Polymerschicht (3) mit einem vorgegebenen Flächengewicht (M), dadurch gekennzeichnet, dass die Membran auf einen El-Wert kleiner als etwa 22 mg/μC, insbesondere El < 20 mg/μC, aufgeladen ist, wobei der El-Wert definiert ist als Quotient von Flächengewicht (M) oder Polymerschicht zu Flächenladungsdicke (σ).
Membran nach Anspruch 1 oder 2, wobei das polymere Material ein Fluorpolymer ist.
Membran nach Anspruch 3, wobei das Fluorpolymer verstrecktes Polytetrafluorethylen (ePTFE) ist.
Membran nach Anspruch 4, wobei das ePTFE ein Flächengewicht unter 15 g/m² besitzt.
Membran nach Anspruch 5, wobei des ePTFE ein Flächengewicht zwischen 1 g/m², insbesondere 5 g/m², und 10 g/m² besitzt.
Membran nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das ePTFE eine Dicke von weniger als als 30 μm besitzt.
Membran nach Anspruch 7, wobei das ePTFE eine Dicke zwischen etwa 2 μm, insbesondere 9 μm, und 19 μm besitzt.
Membran nach Anspruch 3, wobei das Fluorpolymer verdichtetes verstrecktes Polytetrafluorethylen (HSF) ist.
Membran nach Anspruch 9, wobei das Fluorpolymer ein Flächengewicht unter 45 g/m² besitzt.
Membran nach Anspruch 10, wobei das Flächengewicht zwischen 2,5 g/m² , insbesondere 10 g/m², und 30 g/m² beträgt.
Membran nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Fluorpolymer eine Dicke von weniger als 21 μm besitzt.
Membran nach Anspruch 12, wobei die Dicke zwischen 1 μm, insbesondere 5 μm, und 15 μm beträgt.
Leiterplatte mit einer akustisch wandelnden Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Lautsprecher umfassend eine akustisch wandelnde Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 13, insbesondere umfassend eine Leiterplatte nach Anspruch 14.
Mikrofon umfassend eine akustisch wandelnde Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 13, insbesondere umfassend eine Leiterplatte nach Anspruch 14.
Ultraschallwandler umfassend eine akustisch wandelnde Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 13, insbesondere umfassend eine Leiterplatte nach Anspruch 14.
Telekommunikationsendgerätumfassend einen Lautsprecher nach Anspruch 15 und/oder ein Mikrofon nach Anspruch 16.