驻极体话筒内部的驻极体薄膜究竟是如何产生极化电压的呢？

Posted 2021-10-18 卓晴

简 介： 通过对于实际驻极体MIC进行拆解，看到其中的结构，对比起工作原理，实在令人难以想象它的工作机制是可行的。尽管现在它已经广泛应用在周围很多电子设备中。

关键词： 驻极体，MIC

 

§01 驻极体话筒

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一、话筒基本种类

  话筒，也常被成为麦克风（Microphone）是将声音转换成电信号的电器元件。在 An Introduction to Audio Electronics: Sound, Microphones, Speakers, and Amplifiers 总结了三种话筒基本原理：

• 动圈式电磁感应话筒；
• 电容话筒；
• 驻极体话筒；

  下图给出了动圈式电磁感应话筒结构，它实际上相当于普通动圈式喇叭的逆过程。感应声音压强变化的薄膜带动微型线圈在磁场中运动，产生感应电动势反映了声音信号变化情况。

▲ 图1.0.1 电磁感应话筒横截面结构示意图

  下图显示了电容话筒的结构图。具有导电特性的薄膜与邻近的背板构成了平板电容。其中的电池（偏置电压）为该电容充有一定电荷。当薄膜在声压作用下发生震动，改变了与背板之间的距离，进而影响了电容容量，最终反映在电容两极之间的电压发生变化，这个变化的电压包含有声音信号。经过后期高阻抗放大器便可以输出声音电信号。

▲ 图1.0.2 电容式话筒结构示意图

  下图是驻极体话筒结构示意图。相比于前面的电容话筒，它没有用于电容偏置的内部电池，取而代之的是带有驻极体材料的背板。由于驻极体内部包含有固定的电荷，从而可以将原来用于电容偏置的电源去掉。

  另外，为了使得输出信号阻抗降低，驻极体麦克内部还包含着结型场效应管将驻极体电压变化转变成场效应管电阻变化。

▲ 图1.0.3 驻极体话筒结构示意图

二、驻极体话筒实际结构

  通过上面介绍可以看到驻极体话筒是电容话筒的一种。在 Cellphone acoustics 中介绍了 驻极体麦克风是由Sessler 与 West 发明

  在网文 驻极体麦克风和电容麦克风的区别 中介绍了电容话筒与驻极体话筒的区别。电容话筒的基本原理就是使用一个电容器作为声信号到电信号的转换器，这个电容的一个极板可以感应电压的变化，起到声音输入的作用，通常这一由金属化的高分子膜构成。 如果这一高分的模式由驻极体材料组成，那么这就是驻极体麦克风。

  下图显示了普通的驻极体话筒外观与内部的结构。

▲ 图1.1.1 驻极体麦克风的基本结构

  在 PRODUCT SPOTLIGHT: ELECTRET CONDENSER MICROPHONES 中介绍了驻极体麦克风工作原理以及使用方法。驻极体薄膜在麦克风中通过前面的音孔感知外接声音压强的变化进而产生震动，改变了 与背板之间的距离。驻极体与背板相当于电容两个电极，电极之间的距离变化会改变电容的容量。如果两个电极之间存在一定量的电荷，会在两个电极之间产生电压。电压与电容容量之间成反比。

▲ 图1.1.2 驻极体麦克风工作原理

  因此，驻极体薄膜与背板电极之间的距离变化会在背板电极上产生变化的电压，经过结型场效应管（FET）阻抗转换形成输出信号。

2、驻极体材料

  从历史上看，驻极体是通过首先熔化合适的介电材料（例如包含极性分子的聚合物或蜡），然后使其在强大的静电场中重新凝固而制成的。电介质的极性分子将其自身对准静电场的方向，从而产生具有xxx性静电偏压的偶极驻极体。现代的驻极体通常是通过将多余的电荷嵌入到高度绝缘的电介质中来制成的，例如通过电子束、电晕放电、从电子枪注入电，跨越间隙的电击穿或电介质阻挡层。

▲ 图1.1.3 驻极体材料横截面示意图 在驻极体材料一面制作了导电的金属化土层 ¹

  驻极体材料绝缘性与稳定性很好，内部的电荷会保存很长时间（数百年）。因此通常在介绍驻极体麦克风文章中都说，正是借助于驻极体内部的电荷的存在，使得驻极体麦克风在使用过程中不需要向普通的电容话筒那样有极化电压。

三、存在的疑问

1、驻极体薄膜不会被电荷中和吗？

  根据前面介绍的驻极体话筒的原理，它如果需要将驻极体薄膜的震动转换成背板上的电压变化，基本要求是需要在两个电容极板之间存在一定量的电荷。

  问题就在于驻极体薄膜上的电荷是存在于薄膜内部。如果长时间暴露在外部的空气，空气中的电荷就会在薄膜电场的作用下汇聚在薄膜表面，将驻极体内部极化电场中和掉，对于外部来看，它就形成没有电荷的材料了。

▲ 图1.2.1 驻极体话筒内部结构

2、实际麦克内部结构差异

  下面是对一款实际的驻极体麦克风拆开后的情况，其中的主要部件包括四个：

• 铝金属外壳；
• 镀有金属导电层的驻极体薄膜；
• 金属环；
• JFET以及电路板；

▲ 图1.2.2 实际拆卸开的一个驻极体MIC内部结构

  可以看到这个麦克风的内部结构与前面叙述的结构有着很大的差异。

  除此之外，中间带有金属导电的驻极体薄膜非常薄，直观上来讲，很难想象这个带有金属层的薄膜是如何能够与金属外壳之间产生电压的。

 

§02 问题总结

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  通过观察实际的驻极体麦克风内部结构，会感到其中存在着诸多的疑问。这样的薄的驻极体薄膜真的能够对于其中的内部电荷长久保持吗？薄膜在长久暴露在空气中，表面会积累期相应的电荷与其内部极化电场进行中和，这样的薄膜还会产生极化电压吗？

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■ 相关文献链接:

• An Introduction to Audio Electronics: Sound, Microphones, Speakers, and Amplifiers
• Cellphone acoustics
• 驻极体麦克风和电容麦克风的区别
• PRODUCT SPOTLIGHT: ELECTRET CONDENSER MICROPHONES
• ELECTRET: A DEVICE FOR MICROELECTRONIC APPLICATIONS

● 相关图表链接:

• 图1.0.1 电磁感应话筒横截面结构示意图
• 图1.0.2 电容式话筒结构示意图
• 图1.0.3 驻极体话筒结构示意图
• 图1.1.1 驻极体麦克风的基本结构
• 图1.1.2 驻极体麦克风工作原理
• 图1.1.3 驻极体材料横截面示意图
  在驻极体材料一面制作了导电的金属化土层
• 图1.2.1 驻极体话筒内部结构
• 图1.2.2 实际拆卸开的一个驻极体MIC内部结构

◎ 公众号留言：

• 🌛 ：开始了，开始了，估计是声音信标卷土重来了
• Ride into the sea ：哦豁，难道声音传感器又有新用途了嘛
• huzican ：声音信标又来了？
• W.Xing ：节能声音信标
• Yuanjie ：驻极体麦克的JFET是如此小巧却又如此重要，nV级的微弱压差经过JFET的放大才能被运放拾取到，驻极体麦克的灵敏度、宽容度与JFET的品质、偏置电源的品质直接相关
• 火星大王 ：声音信标卷土重来?
• 佟超 ：我们疫情期间用的口罩也是驻极体材料做的，无纺布的细丝内部带有大量静电，可以借助静电吸附细小的灰尘。所以口罩重复利用也不可以水洗。口罩保质期大概5年，大概放久了也会漏电

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1. ELECTRET: A DEVICE FOR MICROELECTRONIC APPLICATIONS ↩︎