Differensiell mikrofon med optisk utlesning

Den overordnet idéen i dette prosjektet er å realisere et nytt mikrofonkonsept hvor membranposisjonens leses ut optisk ved hjelp av en miniatyrisert laser. En mikrofon består av en membran som svinger med trykkvariasjoner i en innkommende lydbølge. Tradisjonelt leser man ut posisjon til membranen elektrostatisk med en elektrode bak membranen. SINTEF har utviklet en teknologi for optisk utlesning av en posisjonssensor, som kan brukes til å måle posisjon til en mikrofonmembran. I flere applikasjoner ønsker man å utføre en differensiell måling hvor man bruker to mikrofoner som peker mot hverandre og hvor man trekker den enes signal fra den andres. Det er imidlertid flere ulemper med denne metoden: støy fra de to signalene legges til hverandre, det krever dermed at mikrofonene er veldig følsomme. I tillegg må mikrofoner være veldig like. Optisk utlesning gjør det mulig å måle membranens posisjon med svært høy følsomhet. En optisk differensiell mikrofon kan fremstilles ved bruk av mikromaskineringsprosesser på silisiumskiver. Dette gir veldig høy reproduserbarhet og gjør mulig serieproduksjon med lave kostnader. Norsonic og NEO er ledende på måletekniske anvendelser innenfor henholdsvis akustikk og gassmålinger. Norsonic produserer blant annet lydmålere. En differensiell mikrofon gir informasjon om partikkelhastigheten og kan brukes til å bestemme en lydbølges energi og retning. Dette er viktig for å vurdere og lokalisere støykilder. NEO lager og anvender gassmålere. Den nye mikrofonen kan benyttes til fotoakustisk gass deteksjon. Dette er en veldig følsom metode hvor man varmer opp en gass med en laser slik at gassen vekselvis ekspanderer og trekker seg sammen. Dette genererer en lydbølge som registreres av en mikrofon. Lydnivået gir en måling av gasskonsentrasjon. Ved hjelp av en differensiell måling kan man filtrerer bort ytre støy, som ofte er den begrensende støykilden i et fotoakustisk system. På denne måten kan man måle lavere gasskonsentrasjoner.

Dette prosjektet vil utnytte den unike norske kompetansen innen mikrooptiske sensorer til å utvikle et nytt mikrofonkonsept som vi kaller differensiell mikrofon, og hvor avstand mellom to membraner som ligger noen titallsmillimeter fra hverandre leses dir ekte. Ved direkte måling av differansen mellom to membraner filtrerer man bort ytre støy slik at man kan gjøre mer følsomme målinger. Slike mikrofoner kan produseres til lav kostnad ved hjelp av mikromaskinering. Det er to anvendelser hvor en slik differe nsiell mikrofon vil kunne åpne nye markeder for norske bedrifter: Norsonic vil utnytte teknikken til å utvikle en ny generasjon lydmålere som er følsomme for lydens retning og kan kvantifisere lydens energi. Dette er viktig for å vurdere og lokalisere stø ykilder. NEO vil anvende en annen variant av den differensielle mikrofonen til å implementere et fotoakustisk gassdeteksjonsystem med betraktelig økt følsomhet, som vil gjøre det mulig å detektere ekstremt lave konsentrasjoner av gasser for industri eller miljøovervåking. Ufordringen ligger i at en slik sensor har ekstremt høy følsomhet og dermed lett påvirkes av eksterne forstyrrelser. Dette kan løses ved å utvikle nye mikromaskineringsteknikker som sikrer en høy grad av integrasjon. I tillegg vil det u tvikles både aktive og passive teknikker for å øke toleranse mot disse forstyrrelsene. Prosjektet tar utgangspunkt i en 10 års forskningsinnsats innen mikrooptikk og utvikling av sensorer med optisk utlesning, som allerede har ledet til flere ideer, paten ter og produkter.