[发明专利]电容式麦克风及其控制系统和控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及麦克风领域，特别是涉及一种电容式麦克风及其控制系统和控制方法。

背景技术

在电容式麦克风中，通过使用随声音信号变化的电容来检测输入的声音信号。图1为电容的结构示意图。如图1所示，电容由两块极板构成，这两块极板各有唯一的极板面，并且这两块极板的极板面是相对的。在使用时，两个极板面之间保持一定的间距101相对放置，这样，该电容就能储存和释放电荷。

图2为电容的力学结构示意图。如图2所示，电容的两块极板在分别偏置了一定量的正电荷或负电荷、即极板间存在一偏置电压之后，由于极板间电场所产生的静电力的作用，两块极板会有吸合的趋势，同时，由于极板的组成材料具有一定的弹性，使极板在产生位移时又有抗拒这种吸合的弹性恢复力，位移越大，弹性恢复力也越大，这种抗拒作用可以等效为一个弹簧，如图2所示，用弹簧201表示产生这种弹性力的等效因素的图例。

一般条件下，极板间的弹性恢复力正比于极板的位移大小。但是极板间的静电力吸引力的大小则反比于极板距离的平方。因此，当极板间存在电压从而产生静电力的吸合作用，极板会有一个吸合趋势的位移来产生抵消静电力的一个弹性恢复力。极板位移达到临界位移时，如果极板位移继续增加，则静电力增加的速度大于弹性恢复力增加的速度，此时则弹性力将无法抗拒这种吸合作用，此时，两块极板将在静电力的作用下完全吸合，极板间的距离101变为0。

这里，将极板的位移达到临界状态时的静电力被称为临界静电力。本发明中，将电容两极板间的静电力等于临界静电力的稳定状态称为电容的临界状态，临界状态的电容两极板的极板面之间的距离称为临界距离；将静电力低于临界静电力的稳定状态称为该电容的亚临界状态，将静电力高于临界静电力的稳定状态称为该电容的超临界状态。

电容的两极板之间存在一定的电压时，由于静电力和极板弹性恢复力的共同作用，该电压与两极板间的距离存在一定的关系。图3为电容极板间的电压与极板间距的关系图。如图3所示，横坐标为极板间的电压V，纵坐标为稳定时的极板间距d与极板间没有电压时的初始间距d₀的比值，图3中，当极板间距d恰好为初始间距d₀的三分之二时，电容工作在临界状态301，此时极板间的电压达到最大值V₀，将恰好为初始间距d₀的三分之二的极板间距称为临界间距；当极板间距d大于初始间距d₀的三分之二时，电容工作在亚临界状态，极板间距与极板间电压的关系如图中的实线所示，此时弹性力足以抗拒静电力的作用，保证两极板不吸合；当极板间距d小于初始间距d₀的三分之二时，电容工作在超临界状态，极板间距与极板间电压的关系如图中的虚线所示，此时弹性力不足以抗拒静电力的作用，需要外加力量作用于极板，使二者不吸合且能达到静态平衡。由图3可看出，在亚临界状态和超临界状态下，电容两极板间的电压都小于最大值V₀，且对于每个小于V₀的电压，在超临界状态和亚临界状态各有一个静态平衡的间距d与其相对应。

电容式麦克风利用电容来接收声音信号，使极板产生振动，然后将该振动通过电荷的储存和释放转换为音频信号输出，该音频信号的幅度和相位分别与电容接收的声音信号的幅度和相位成正比，这样来保证麦克风的输出信号与输入信号之间的对应关系。同时，麦克风需要有较高的灵敏度，即对于给定的输入声音信号，麦克风的输出信号较强。而电容式麦克风输出信号的强弱与麦克风电容的电荷变化量有关，为满足灵敏度需求，现有技术提供的麦克风有两种方式可以采用，第一种方式为增大电容两极板间的电压；第二种方式为减小极板标准间距，或者增大极板的振动范围，以得到更大的相对振动，即极板随声音信号位移振动范围和极板标准间距的比值，从而使得电容大小的变化程度更剧烈。上述两种方式均可使得麦克风电容极板在该过程中储存或释放的电荷量更大，从而提高麦克风的灵敏度。但是，上述两种方式都是受到电容工作状态的限制的，现有技术为了防止电容的两极板吸合碰撞，在设计制造麦克风时，要求其电容的工作点位于亚临界状态，即无论麦克风是否有声音信号输入，麦克风中由两块极板组成的电容都必须处于亚临界状态，其极板间的电压必须远远小于临界状态时的最大电压，极板间距必须大于极板上没有电荷时的初始间距d₀的三分之二，这限制了麦克风的灵敏度，也限制了电容麦克风所能达到的最高信噪比。

发明内容

本发明所要解决的技术间题是提供一种电容式麦克风及其控制系统和控制方法，能使其中的电容工作在超临界状态。