WO2004062318A1 - Membrane for acoustic transducers - Google Patents

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WO2004062318A1
WO2004062318A1 PCT/EP2004/000011 EP2004000011W WO2004062318A1 WO 2004062318 A1 WO2004062318 A1 WO 2004062318A1 EP 2004000011 W EP2004000011 W EP 2004000011W WO 2004062318 A1 WO2004062318 A1 WO 2004062318A1
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membrane
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thickness
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PCT/EP2004/000011
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Charles Thomas Rosenmayer
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W. L. Gore & Associates Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a membrane for acoustic transducers, in particular for acoustic transducers of the so-called fiat panel technology, comprising a - in particular metal-coated - polymer membrane.
  • Acoustic transducers of Fiat panel technology can work according to two different principles.
  • the polymer membrane is first charged to a constant electrical potential.
  • the membrane is electrically biased by means of a direct voltage applied to the membrane in the range of typically 100 V to 400 V. This principle is typically used in home audio devices.
  • the membrane is permanently electrostatically charged from the outset, which eliminates the need for an electrical bias. This principle is typically used with microphones, but not with loudspeakers.
  • the biased or charged membrane is then subjected to an AC voltage in a capacitor in accordance with the acoustic signal to be generated in order to generate acoustic vibrations of the membrane (loudspeaker function), or an acoustic oscillation is converted into such an AC voltage by means of the membrane (microphone function).
  • Electrostatic membranes usually consist of metallized fluoroethylene poly mer- (FEP) films. However, due to their low tensile strength of typically less than 10 MPa, these membranes are only of limited suitability for use in loudspeakers, since the membrane area, load and vibration amplitude in loudspeaker membranes are comparatively large.
  • FEP metallized fluoroethylene poly mer-
  • Electrostatic membranes are also suitable for use in mobile electronic devices, in particular in mobile telecommunications terminals, since acoustic transducers in flat-panel technology can be implemented easily and space-saving on circuit boards.
  • the increasing miniaturization of electronic devices requires the development of new membranes for acoustic transducers for these purposes.
  • the object of the present invention is therefore to propose a membrane for acoustic transducers, which is particularly suitable for loudspeakers and / or for use in mobile telecommunication terminals.
  • the membrane according to the invention consists of polymeric, permanently electrostatically chargeable material, the term "permanent" not to be understood in the strict sense, but in such a way that the natural loss of voltage occurs very slowly, so that the electrostatic bias is not renewed during the service life of the membrane or in any case only necessary at longer intervals. Nevertheless, the membrane according to the invention can of course also be used for applications in which the membrane is continuously electrically biased by means of a DC voltage source.
  • the membrane according to the invention is distinguished by a special choice of material for the polymeric membrane material.
  • the decisive influencing factors in the choice of material are, on the one hand, the weight per unit area of the polymer Membrane material, which should be as low as possible, and on the other hand, the surface charge density of the membrane material, which should be as high as possible.
  • the thickness of the membrane is a critical factor for acoustic conversion, since a thicker membrane is slower and therefore has less favorable vibration properties than a correspondingly thinner membrane. In fact, it is not the material thickness but the basis weight of the material that is the critical factor for the vibration properties. A thick membrane made of a material with a low density can therefore have better acoustic properties than a membrane made of a thinner but much denser material. Therefore, a particularly critical factor for the present invention is the basis weight of the membrane material.
  • the acoustic properties of a transducer with an electrostatic membrane are the better, the higher the surface charge density of the electrostatically charged membrane. It is therefore desirable in connection with the present invention to use a membrane material with the highest possible maximum surface charge density.
  • the maximum achievable surface charge density is essentially a material-specific value that can be influenced only slightly by the type of electrostatic charging process.
  • the membrane according to the invention is characterized by a value which is referred to below as the El value ("electret inertia”) and which results from the ratio of the membrane basis weight M to the surface charge density ⁇ :
  • the El value is below about 22 mg / ⁇ C, in particular below about 20 mg / ⁇ C.
  • a fluoropolymer is preferably used as the polymeric membrane material because fluoropolymers are highly temperature-resistant. Temperatures above 80 ° C can occur over long periods of time in mobile telecommunication end devices. In cooperation with microelectronic components, temperatures of up to 250 ° C can be reached for a short time.
  • Stretched polytetrafluoroethylene (ePTFE) and HSF have proven to be particularly suitable materials. HSF is compressed ePTFE.
  • ePTFE While the maximum achievable area charge density of ePTFE is only about 75% of the maximum area charge density of FEP, ePTFE can be manufactured with a much lower basis weight than FEP.
  • HSF An even more suitable polymer material for the membrane is HSF.
  • HSF cannot be produced with such a low basis weight as ePTFE because it is compressed ePTFE. However, it can still be produced with a lower surface density than the conventional FEP and moreover has the particular surprising advantage that the maximum achievable surface charge density is more than twice the maximum achievable surface charge density of FEP.
  • ePTFE can be electrostatically pre-stressed with a surface charge density of approximately 700 ⁇ C / m 2
  • HSF with a surface charge density of approximately 2100 ⁇ C / m 2 .
  • the maximum achievable surface charge density of FEP is around 1000 ⁇ C / m 2 .
  • an El value of less than 22 mg / ⁇ C can therefore already be achieved with ePTFE films that have a basis weight of less than 15 g / m 2 .
  • Typical commercially available ePTFE membranes for example, have a basis weight of 8 g / m 2 with a membrane thickness of about 15 ⁇ m. With such a membrane, the El value is only 11.4 mg / ⁇ C.
  • the El value of the typically 12.5 ⁇ m thick FEP films with a basis weight of 27 g / m 2 is 27.2 mg / ⁇ C, that is to say 2.5 times the value.
  • the easiest way to determine the respective membrane thickness is from the weight per unit area and the experimentally determined material density.
  • the thickness of an ePTFE membrane can suitably be less than 30 ⁇ m.
  • ePTFE membranes with a basis weight between 5 g / m 2 and 10 g / m 2 can be manufactured without any problems and their use as an acoustic membrane is quite realistic.
  • the thickness of the membrane is then between approximately 9 ⁇ m and 19 ⁇ m.
  • ePTFE membranes can be realized with a basis weight of 2 g / m 2 or even 1 g / m 2 if necessary by adding any additives.
  • the thickness of the membrane is then only about 4 ⁇ m or 2 ⁇ m.
  • HSF membranes Due to the high maximum surface charge density of HSF, the corresponding El values of HSF membranes are much cheaper than the El values of conventional FEP membranes than the El values of ePTFE membranes.
  • An El value of about 22 mg / ⁇ C is already achieved, for example, with an HSF membrane that has a weight per unit area of 45 g / m 2. sitting. Such a membrane would have a thickness of approximately 21 ⁇ m.
  • HSF membranes only have a basis weight of 28 g / m 2 , so that the El value is only 13.2 mg / ⁇ C, ie less than half the El value of conventional FEP membranes , HSF membranes with a weight per unit area of between 10 g / m 2 and 30 g / m 2 can be produced without any problems in the current state of the art.
  • Such membranes have a thickness between approximately 5 ⁇ m and 15 ⁇ m.
  • HSF membranes have the particular advantage over ePTFE membranes that they have no pores and therefore no air passages, so that they are more suitable for acoustic transducers.
  • the membranes according to the invention can be integrated in a space-saving manner on a printed circuit board in an acoustic transducer. They are not only suitable for microphones, but due to their low basis weight and high tensile strength, they are also particularly suitable for loudspeakers, in particular also for large-area loudspeakers such as those used for. B. can be found in home audio systems. They are also particularly suitable for use as an ultrasonic transducer or for other pressure sensor and sound transmission applications.
  • FIG. 1 shows the process of electrostatically charging a membrane according to the invention
  • Figure 3 shows a membrane between two electrodes. Practical tests were carried out with the following three materials:
  • ePTFE membrane with a basis weight M 8 g / m 2 and a thickness of 15 ⁇ m
  • the aforementioned membranes were first vapor-deposited with a 20 nm thick gold layer and then electrostatically charged in a corona discharge process using a corona triode, as shown in FIG. 1.
  • the thickness of the metal coating is not critical since the metal coating only serves as a reference electrode. Electrons were transmitted from the corona electrode 1 through a grid electrode 2 onto the metal coating of the membrane substrate 3. In the experimental setup, the distance between the corona electrode 1 and the grid electrode 2 was 40 mm and the distance between the grid electrode 2 and the substrate 4 was 7 mm.
  • the gold coating 4 had a circular diameter of approximately 50 mm.
  • the voltage applied to the corona electrode 1 was - 11 kV and the voltage applied to the grid electrode was - 1.5 kV. The voltage was maintained for 60 s.
  • the surface tension of the samples charged in this way was then measured using a Kelvin probe.
  • the area charge density ⁇ can be determined from this using the following equation:
  • Tefzel T2 23 2.60 991 39 39.5 PFA T2 20 2.10 991 43 43.4
  • FIG. 2 shows a cross section through the acoustic transducer comprising the membrane 3 with an external metallic coating 4.
  • the membrane 3 is electrostatically charged and arranged at a distance from an electrode 6 by means of insulating spacers 5.
  • the electrode 6 and the metal coating 4 of the membrane 3 are connected to an electrical circuit 7 which is constructed in such a way that the acoustic transducer can be used as a microphone, loudspeaker, ultrasonic transducer or other pressure sensor or sound transmission device in accordance with its desired function.
  • Either the membrane 3 is vibrated supply offset by applying an alternating voltage between the metallic coating 4 and the electrode 6 (loudspeaker function). Or an oscillation of the membrane 3 due to sound pressure is converted in the opposite way into an alternating voltage (microphone function).
  • the electrode 6 can be part of a printed circuit board, not shown here. It has acoustic passage openings 8.
  • the metal coating 4 acting as an electrode does not necessarily have to be part of the membrane 3. It can also be spaced apart from the membrane 3. In this case, the membrane 3 is thus uncoated.
  • Figure 3 There is an uncoated membrane 3 between two electrodes 6, each of which is equipped with acoustic passages 8. The electrodes 6 are kept at a distance from the membrane 3 by means of insulating spacers 5.
  • the electrostatic bias of the membrane 3 can be carried out in a corona discharge process using a corona triode, after the membrane 3 has already been integrated into an acoustic transducer, as shown schematically in cross section in FIG.
  • One of the two electrodes 6 serves as a grid electrode and the other as a reference electrode of the corona triode.
  • the corona electrode (discharge electrode) itself is not shown in FIG. 3.
  • the two electrodes 6 are exposed to an alternating voltage with respect to the electrostatically charged membrane 3 (“push-pull configuration”) in order to set the membrane 3 in vibration in accordance with the acoustic signal to be generated.

Abstract

The invention relates to an electrostatically chargeable polymer membrane (3) for acoustic transducers, which has an electric inertia value of less than 22 mg/ mu C, whereby the electric inertia value is defined as the ratio of the weight per unit area to the surface density of charge of the electrostatically charged membrane. Preferred membrane materials are expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE) and condensed ePTFE, known as HSF.

Description

Beschreibung description
Membran für akustische WandlerMembrane for acoustic transducers
Die Erfindung betrifft eine Membran für akustische Wandler, insbesondere für akustische Wandler der sogenannten Fiat— Panel-Technologie, umfassend eine — insbesondere metallbeschichtete — Polymermembran.The invention relates to a membrane for acoustic transducers, in particular for acoustic transducers of the so-called fiat panel technology, comprising a - in particular metal-coated - polymer membrane.
Akustische Wandler der Fiat- 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).Acoustic transducers of Fiat panel technology can work according to two different principles. In both cases, the polymer membrane is first charged to a constant electrical potential. According to one principle, the membrane is electrically biased by means of a direct voltage applied to the membrane in the range of typically 100 V to 400 V. This principle is typically used in home audio devices. According to the other principle, the membrane is permanently electrostatically charged from the outset, which eliminates the need for an electrical bias. This principle is typically used with microphones, but not with loudspeakers. The biased or charged membrane is then subjected to an AC voltage in a capacitor in accordance with the acoustic signal to be generated in order to generate acoustic vibrations of the membrane (loudspeaker function), or an acoustic oscillation is converted into such an AC voltage by means of the membrane (microphone function).
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 ei¬ ne ausreichend hohe Flächenladungsdichte besitzen soll. Elektrostatische Membranen bestehen üblicherweise aus metallisierten Fluorethylenpoly- mer-(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.While thin by means of DC voltage electrically biased membranes made of PET or other rigid and can be made inexpensive polymers, the material requirements imposed on electrostatically permanent rechargeable membranes are higher, since the electrostatic charge can be durable and should have ei ¬ ne sufficiently high surface charge density. Electrostatic membranes usually consist of metallized fluoroethylene poly mer- (FEP) films. However, due to their low tensile strength of typically less than 10 MPa, these membranes are only of limited suitability for use in loudspeakers, since the membrane area, load and vibration amplitude in loudspeaker membranes are comparatively large.
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.Electrostatic membranes are also suitable for use in mobile electronic devices, in particular in mobile telecommunications terminals, since acoustic transducers in flat-panel technology can be implemented easily and space-saving on circuit boards. The increasing miniaturization of electronic devices requires the development of new membranes for acoustic transducers for these purposes.
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.The object of the present invention is therefore to propose a membrane for acoustic transducers, which is particularly suitable for loudspeakers and / or for use in mobile telecommunication terminals.
Diese Aufgabe wird durch eine Membran gemäß Patentanspruch 1 gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.This object is achieved by a membrane according to claim 1. Advantageous refinements and developments of the invention are specified in claims dependent thereon.
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.The membrane according to the invention consists of polymeric, permanently electrostatically chargeable material, the term "permanent" not to be understood in the strict sense, but in such a way that the natural loss of voltage occurs very slowly, so that the electrostatic bias is not renewed during the service life of the membrane or in any case only necessary at longer intervals. Nevertheless, the membrane according to the invention can of course also be used for applications in which the membrane is continuously electrically biased by means of a DC voltage source.
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.The membrane according to the invention is distinguished by a special choice of material for the polymeric membrane material. The decisive influencing factors in the choice of material are, on the one hand, the weight per unit area of the polymer Membrane material, which should be as low as possible, and on the other hand, the surface charge density of the membrane material, which should be as high as possible.
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.It is generally known that the thickness of the membrane is a critical factor for acoustic conversion, since a thicker membrane is slower and therefore has less favorable vibration properties than a correspondingly thinner membrane. In fact, it is not the material thickness but the basis weight of the material that is the critical factor for the vibration properties. A thick membrane made of a material with a low density can therefore have better acoustic properties than a membrane made of a thinner but much denser material. Therefore, a particularly critical factor for the present invention is the basis weight of the membrane material.
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.In addition, it is known that the acoustic properties of a transducer with an electrostatic membrane are the better, the higher the surface charge density of the electrostatically charged membrane. It is therefore desirable in connection with the present invention to use a membrane material with the highest possible maximum surface charge density. The maximum achievable surface charge density is essentially a material-specific value that can be influenced only slightly by the type of electrostatic charging process.
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:It has now surprisingly turned out that the two aforementioned factors “area charge density” and “area weight” influence one another. It was found that a membrane, despite its low maximum surface charge density, has good acoustic transducer properties if its surface weight can only be reduced sufficiently. Conversely, a membrane with good acoustic transducer properties can also consist of a material which, on the one hand, has a high basis weight, but on the other hand, however, a disproportionately high area charge density can be achieved. Accordingly, the membrane according to the invention is characterized by a value which is referred to below as the El value ("electret inertia") and which results from the ratio of the membrane basis weight M to the surface charge density σ:
El = M/σ.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 liegende Wert als gegenüber einem darüber liegenden Wert bevorzugt anzusehen ist.In the membrane according to the invention, the El value is below about 22 mg / μC, in particular below about 20 mg / μC. The lower the El value, the better the properties of the membrane, so that any value below 22 mg / μC is to be regarded as preferred over a value above.
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.A fluoropolymer is preferably used as the polymeric membrane material because fluoropolymers are highly temperature-resistant. Temperatures above 80 ° C can occur over long periods of time in mobile telecommunication end devices. In cooperation with microelectronic components, temperatures of up to 250 ° C can be reached for a short time.
Als besonders geeignete Materialien haben sich gerecktes Polytetrafluorethylen (ePTFE) sowie HSF erwiesen. Bei HSF handelt es sich um verdichtetes ePTFE.Stretched polytetrafluoroethylene (ePTFE) and HSF have proven to be particularly suitable materials. HSF is compressed 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 geringeren Flächengewicht hergestellt werden als FEP.While the maximum achievable area charge density of ePTFE is only about 75% of the maximum area charge density of FEP, ePTFE can be manufactured with a much lower basis weight than 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 erreichbare 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— embranen 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 27 g/m2 bei 27,2 mg/μC, also etwa bei dem 2,5 fachen Wert.An even more suitable polymer material for the membrane is HSF. HSF cannot be produced with such a low basis weight as ePTFE because it is compressed ePTFE. However, it can still be produced with a lower surface density than the conventional FEP and moreover has the particular surprising advantage that the maximum achievable surface charge density is more than twice the maximum achievable surface charge density of FEP. ePTFE can be electrostatically pre-stressed with a surface charge density of approximately 700 μC / m 2 , HSF with a surface charge density of approximately 2100 μC / m 2 . In contrast, the maximum achievable surface charge density of FEP is around 1000 μC / m 2 . An El value of less than 22 mg / μC can therefore already be achieved with ePTFE films that have a basis weight of less than 15 g / m 2 . Typical commercially available ePTFE membranes, for example, have a basis weight of 8 g / m 2 with a membrane thickness of about 15 μm. With such a membrane, the El value is only 11.4 mg / μC. In comparison, the El value of the typically 12.5 μm thick FEP films with a basis weight of 27 g / m 2 is 27.2 mg / μC, that is to say 2.5 times the value.
Die jeweilige Membrandicke läßt sich am einfachsten aus dem Flächengewicht und der experimentell ermittelbaren Materialdichte bestimmen.The easiest way to determine the respective membrane thickness is from the weight per unit area and the experimentally determined material density.
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 schwingungsüber— tragenden Eigenschaften ab einem gewissen Wert nicht mehr akzeptabel sind. Die Dicke einer ePTFE- Membran kann geeigneter Weise unter 30 μm liegen. 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.The lower the weight per unit area, the better the El value. However, there are physical limits to the basis weight, since the membrane also loses strength with decreasing thickness, so that its vibration-transmitting properties are no longer acceptable from a certain value. The thickness of an ePTFE membrane can suitably be less than 30 μm. Nowadays, ePTFE membranes with a basis weight between 5 g / m 2 and 10 g / m 2 can be manufactured without any problems and their use as an acoustic membrane is quite realistic. The thickness of the membrane is then between approximately 9 μm and 19 μm. It is considered to be realistic that suitable ePTFE membranes can be realized with a basis weight of 2 g / m 2 or even 1 g / m 2 if necessary by adding any additives. The thickness of the membrane is then only about 4 μm or 2 μm.
Aufgrund der hohen maximalen Flächenladungsdichte von HSF liegen die entsprechenden El-Werte von HSF-Membranen gegenüber den El-Werten her-- kömmlicher FEP-Membranen noch wesentlich günstiger als die El-Werte von ePTFE-Membranen. Ein El-Wert von etwa 22 mg/μC wird beispielsweise bereits mit einer HSF-Membran erzielt, die ein Flächengewicht von 45 g/m2 be- sitzt. 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.Due to the high maximum surface charge density of HSF, the corresponding El values of HSF membranes are much cheaper than the El values of conventional FEP membranes than the El values of ePTFE membranes. An El value of about 22 mg / μC is already achieved, for example, with an HSF membrane that has a weight per unit area of 45 g / m 2. sitting. Such a membrane would have a thickness of approximately 21 μm. The currently commercially available HSF membranes only have a basis weight of 28 g / m 2 , so that the El value is only 13.2 mg / μC, ie less than half the El value of conventional FEP membranes , HSF membranes with a weight per unit area of between 10 g / m 2 and 30 g / m 2 can be produced without any problems in the current state of the art. Such membranes have a thickness between approximately 5 μm and 15 μm. However, it is considered to be realistic to use the currently available technology to produce HSF membranes with a density of only 2.5 g / m 2 , which then have a thickness of approximately 1 μm.
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.HSF membranes have the particular advantage over ePTFE membranes that they have no pores and therefore no air passages, so that they are more suitable for acoustic transducers.
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.The membranes according to the invention can be integrated in a space-saving manner on a printed circuit board in an acoustic transducer. They are not only suitable for microphones, but due to their low basis weight and high tensile strength, they are also particularly suitable for loudspeakers, in particular also for large-area loudspeakers such as those used for. B. can be found in home audio systems. They are also particularly suitable for use as an ultrasonic transducer or for other pressure sensor and sound transmission applications.
Nachfolgend werden experimentelle Versuche anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:Experimental experiments are explained below using the accompanying drawings. In it show:
Figur 1 den Vorgang des elektrostatischen Aufladens einer erfindungsgemäßen Membran,FIG. 1 shows the process of electrostatically charging a membrane according to the invention,
Figur 2 eine auf einer Leiterplatte applizierte Membran, und2 shows a membrane applied to a printed circuit board, and
Figur 3 eine Membran zwischen zwei Elektroden. Es wurden praktische Versuche durchgeführt mit den drei folgenden Materialien:Figure 3 shows a membrane between two electrodes. Practical tests were carried out with the following three materials:
- ePTFE-Membran mit einem Flächengewicht M = 8 g/m2 bei einer Dicke von 15 μm,ePTFE membrane with a basis weight M = 8 g / m 2 and a thickness of 15 μm,
- HSF-Membran mit einer Flächendichte von 28 g/m2 bei einer Dicke von 13 μm, und- HSF membrane with a surface density of 28 g / m 2 at a thickness of 13 microns, and
- herkömmliche FEP-Membran von DuPont mit einem Flächengewicht von 27 g/m2 bei einer Dicke von 12,5 μm.- conventional DuPont FEP membrane with a basis weight of 27 g / m 2 and a thickness of 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 Figur 1 dargestellt. Die Dicke der Metallbeschichtung ist unkritisch, da die Metallbeschich- tung 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 Versuchsauf bau 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.The aforementioned membranes were first vapor-deposited with a 20 nm thick gold layer and then electrostatically charged in a corona discharge process using a corona triode, as shown in FIG. 1. The thickness of the metal coating is not critical since the metal coating only serves as a reference electrode. Electrons were transmitted from the corona electrode 1 through a grid electrode 2 onto the metal coating of the membrane substrate 3. In the experimental setup, the distance between the corona electrode 1 and the grid electrode 2 was 40 mm and the distance between the grid electrode 2 and the substrate 4 was 7 mm. The gold coating 4 had a circular diameter of approximately 50 mm. The voltage applied to the corona electrode 1 was - 11 kV and the voltage applied to the grid electrode was - 1.5 kV. The voltage was maintained for 60 s.
Die Oberflächenspannung der so aufgeladenen Proben wurde anschließend mittels einer Kelvinsonde gemessen. Daraus läßt sich die Flächenladungsdichte σ mittels der folgenden Gleichung bestimmen:The surface tension of the samples charged in this way was then measured using a Kelvin probe. The area charge density σ can be determined from this using the following equation:
σ = Vkεo/tσ = Vkεo / t
wobei σ die Flächenladungsdichte, V die Oberflächenspannung, k die Elektrizitätkonstante des Substrats, εQ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums und t die Substratdicke darstellen. Das Ergebnis ist in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben:where σ represents the surface charge density, V the surface tension, k the electricity constant of the substrate, ε Q the dielectric constant of the vacuum and t the substrate thickness. The result is shown in the table below:
Material maximale Dicke Elektrizität- FlächenFlächenEl-WertMaterial maximum thickness Electricity area area El value
Oberflächen[μm] konstante ladungsgewicht M [mg/ μC] spannung [V] dichte σ [g/m2] [μC/m2]Surfaces [μm] constant charge weight M [mg / μC] tension [V] density σ [g / m 2 ] [μC / m 2 ]
ePTFE 950 15 1 ,25 701 8 11,4ePTFE 950 15 1, 25 701 8 11.4
FEP 700 12,5 2,00 991 27 27,2FEP 700 12.5 2.00 991 27 27.2
HSF 1480 13 2,10 2116 29 13,2HSF 1480 13 2.10 2116 29 13.2
Theoretische WerteTheoretical values
ePTFE 2 1,25 701 2 2,9 HSF 2,5 2,00 2116 5 2,5ePTFE 2 1.25 701 2 2.9 HSF 2.5 2.00 2116 5 2.5
Tefzel T2 23 2,60 991 39 39,5 PFA T2 20 2,10 991 43 43,4Tefzel T2 23 2.60 991 39 39.5 PFA T2 20 2.10 991 43 43.4
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/Te- trafluorethylen Copolymer- Membran einerseits und eine Perfluoralkoxy- Membran andererseits.The table above also gives theoretical values that can be achieved for ePTFE with a basis weight of 2 g / m 2 and HSF with a basis weight of 5 g / m 2 . Comparative values are also given for Dupont membranes that have a thickness of 23 μm (Tefzel T2) and 20 μm (PFA T2). On the one hand, this is an ethylene / tetrafluoroethylene copolymer membrane on the one hand and a perfluoroalkoxy membrane on the other hand.
Der Aufbau eines akustischen Wandlers ist nachfolgend beispielhaft in Figur 2 schematisch wiedergegeben. Figur 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 Abstand 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 Schwin- gung versetzt, 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.The structure of an acoustic transducer is shown schematically in the following by way of example in FIG. 2. FIG. 2 shows a cross section through the acoustic transducer comprising the membrane 3 with an external metallic coating 4. The membrane 3 is electrostatically charged and arranged at a distance from an electrode 6 by means of insulating spacers 5. The electrode 6 and the metal coating 4 of the membrane 3 are connected to an electrical circuit 7 which is constructed in such a way that the acoustic transducer can be used as a microphone, loudspeaker, ultrasonic transducer or other pressure sensor or sound transmission device in accordance with its desired function. Either the membrane 3 is vibrated supply offset by applying an alternating voltage between the metallic coating 4 and the electrode 6 (loudspeaker function). Or an oscillation of the membrane 3 due to sound pressure is converted in the opposite way into an alternating voltage (microphone function). The electrode 6 can be part of a printed circuit board, not shown here. It has acoustic passage openings 8.
Die als Elektrode wirkende Metallbeschichtung 4 muß aber nicht notwendigerweise Bestandteil der Membran 3 sein. Sie kann von der Membran 3 auch be— abstandet sein. In diesem Fall ist die Membran 3 somit unbeschichtet. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in Figur 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 Abstand gehalten.However, the metal coating 4 acting as an electrode does not necessarily have to be part of the membrane 3. It can also be spaced apart from the membrane 3. In this case, the membrane 3 is thus uncoated. Such an embodiment is shown in Figure 3. There is an uncoated membrane 3 between two electrodes 6, each of which is equipped with acoustic passages 8. The electrodes 6 are kept at a distance from the membrane 3 by means of insulating spacers 5.
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 Figur 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 Figur 3 nicht dargestellt.In this exemplary embodiment, the electrostatic bias of the membrane 3 can be carried out in a corona discharge process using a corona triode, after the membrane 3 has already been integrated into an acoustic transducer, as shown schematically in cross section in FIG. One of the two electrodes 6 serves as a grid electrode and the other as a reference electrode of the corona triode. The corona electrode (discharge electrode) itself is not shown in FIG. 3.
Beim Einsatz des in Figur 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. When the acoustic transducer shown schematically in FIG. 3 is used, the two electrodes 6 are exposed to an alternating voltage with respect to the electrostatically charged membrane 3 (“push-pull configuration”) in order to set the membrane 3 in vibration in accordance with the acoustic signal to be generated.

Claims

Patentansprüche claims
1. Membran für akustische Wandler umfassend eine Polymerschicht (3) mit einem vorgegebenen Flächengewicht (M), wobei 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, insbesondere El < 20 mg/μC, aufladbar ist, wobei der El-Wert definiert ist als Quotient von Flächengewicht (M) der Polymerschicht zu Flächenladungsdichte (σ).1. A membrane for acoustic transducers comprising a polymer layer (3) with a predetermined basis weight (M), the membrane having a desired area charge density (σ) being electrostatically chargeable, characterized in that the membrane has an El value less than about 22 mg / μC, in particular El <20 mg / μC, can be charged, the El value being defined as the quotient of the basis weight (M) of the polymer layer and the surface charge density (σ).
2. Membran nach Anspruch 1, wobei die Membran mit einem Metall (5) beschichtet ist.2. Membrane according to claim 1, wherein the membrane is coated with a metal (5).
3. Membran nach Anspruch 1 oder 2, wobei das polymere Material ein Fluorpolymer ist.3. The membrane of claim 1 or 2, wherein the polymeric material is a fluoropolymer.
4. Membran nach Anspruch 3, wobei das Fluorpolymer verstrecktes Polytetrafluorethylen (ePTFE) ist.4. The membrane of claim 3, wherein the fluoropolymer is stretched polytetrafluoroethylene (ePTFE).
5. Membran nach Anspruch 4, wobei das ePTFE ein Flächengewicht unter 15 g/m2 besitzt.5. The membrane of claim 4, wherein the ePTFE has a basis weight below 15 g / m 2 .
6. Membran nach Anspruch 5, wobei des ePTFE ein Flächengewicht zwischen 1 g/m2, insbesondere 5 g/m2, und 10 g/m2 besitzt.6. Membrane according to claim 5, wherein the ePTFE has a basis weight between 1 g / m 2 , in particular 5 g / m 2 , and 10 g / m 2 .
7. Membran nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das ePTFE eine Dicke von weniger als 30 μm besitzt. 7. Membrane according to one of claims 4 to 6, wherein the ePTFE has a thickness of less than 30 microns.
8. Membran nach Anspruch 7, wobei das ePTFE eine Dicke zwischen etwa 2 μm, insbesondere 9 μm, und 19 μm besitzt.8. The membrane of claim 7, wherein the ePTFE has a thickness between about 2 microns, in particular 9 microns, and 19 microns.
9. Membran nach Anspruch 3, wobei das Fluorpolymer verdichtetes gerecktes Polytetrafluorethylen (HSF) ist.9. The membrane of claim 3, wherein the fluoropolymer is densified stretched polytetrafluoroethylene (HSF).
lO.Membran nach Anspruch 9, wobei das Fluorpolymer ein Flächengewicht unter 45 g/m2 besitzt.10. The membrane of claim 9, wherein the fluoropolymer has a basis weight below 45 g / m 2 .
1 I .Membran nach Anspruch 10, wobei das Flächengewicht zwischen 2,5 g/m2 , insbesondere 10 g/m2, und 30 g/m2 beträgt.1 I .Membrane according to claim 10, wherein the weight per unit area is between 2.5 g / m 2 , in particular 10 g / m 2 , and 30 g / m 2 .
12. Membran nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1, wobei das Fluorpolymer eine Dicke von weniger als 21 μm besitzt.12. Membrane according to one of claims 9 to 1 1, wherein the fluoropolymer has a thickness of less than 21 microns.
13.Membran nach Anspruch 12, wobei die Dicke zwischen 1 μm, insbesondere 5 μm, und 15 μm beträgt.13. Membrane according to claim 12, wherein the thickness is between 1 μm, in particular 5 μm, and 15 μm.
14.Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Membran auf den El-Wert aufgeladen ist.14. Membrane according to one of claims 1 to 13, wherein the membrane is charged to the El value.
15. Leiterplatte mit einer akustisch wandelnden Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 14.15. Printed circuit board with an acoustically converting membrane according to one of claims 1 to 14.
16. Lautsprecher umfassend eine akustisch wandelnde Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 14, insbesondere umfassend eine Leiterplatte nach Anspruch 15.16. Loudspeaker comprising an acoustically converting membrane according to one of claims 1 to 14, in particular comprising a printed circuit board according to claim 15.
17. Mikrofon umfassend eine akustisch wandelnde Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 14, insbesondere umfassend eine Leiterplatte nach Anspruch 15.17. Microphone comprising an acoustically converting membrane according to one of claims 1 to 14, in particular comprising a printed circuit board according to claim 15.
18. Ultraschallwandler umfassend eine akustisch wandelnde Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 14, insbesondere umfassend eine Leiterplatte nach Anspruch 15.18. Ultrasonic transducer comprising an acoustically converting membrane according to one of claims 1 to 14, in particular comprising a printed circuit board Claim 15.
19.Telekommunikationsendgerät umfassend einen Lautsprecher nach Anspruch 16 und/oder ein Mikrofon nach Anspruch 17. 19. Telecommunication terminal comprising a loudspeaker according to claim 16 and / or a microphone according to claim 17.
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