一种基于石英晶体谐振器的高灵敏度传声器的制作方法

本发明属于传声器领域，具体涉及一种基于石英晶体谐振器的高灵敏度传声器。

背景技术：

在电声领域，传统的传声器是驻极体电容式传声器，其主要原理是通过驻极体膜与振膜或背极之间形成电容，将外界声音信号转换成电信号。驻极体电容式传声器结构简单，易于工业化生产，故价格低。但是驻极体电容式传声器的结构中有一个较大后腔，所以厚度较大，不能满足消费类电子产品薄型化的需求。近年来，新型的硅传声器，即微机电系统(mems)传声器在性能和体积方面相较于传统传声器有较大优势，然而目前mems压电传声器的灵敏度较低，阻碍了其应用发展。

石英晶体谐振器以其高q值、高频率稳定度被广泛应用于频率控制和通讯等领域。在实际应用中，石英谐振器的谐振频率不仅取决于谐振器的几何尺寸，同时还受到诸如温度、湿度、力、加速度和振动、磁场、电场以及辐射等环境因素的影响。这些环境因素的变化都会不同程度地引起石英谐振器谐振频率的变化。这些因素中，力、加速度和振动等对石英谐振器谐振频率的影响都是通过力—频效应起作用的。力—频效应就是当石英谐振器受到外加作用力、加速度和振动、电极变形或其它因素所引起的应力的作用时，产生谐振频率偏移的现象。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于石英晶体谐振器的高灵敏度传声器，利用石英晶体谐振器的力—频特性，将声波加载在振动膜片上产生的振动信息转换为应力作用在石英晶体谐振器上，使得石英晶体谐振器产生频偏，从而完成了声电转换，通过测量频偏即可得到膜片的振动参数，进一步可得出传递的声波信息。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于石英晶体谐振器的高灵敏度传声器，包括振动膜片、机械结构、石英晶体谐振器、振荡激励电路、数据采集与处理电路；

所述振动膜片受到声波的压力时，会随着压力的大小和频率的不同而产生振动；

所述机械结构用于将振动膜片产生的振动转换为力f加载到石英晶体谐振器的振子(敏感元件)上，使得石英晶体谐振器产生频偏，从而完成声电转换；

所述石英晶体谐振器的振子受力(或应变)的作用时，其谐振频率f0会随力的改变而线性变化；

所述振荡激励电路为多谐振荡器电路，可在上电后输出频率为f的矩形波；在接入石英晶体谐振器之后，其输出矩形波频率为石英晶体谐振器的固有谐振频率f0；

所述频率采集与数据处理电路包括频率采集电路以及信号处理器，通过测量频偏得到振动膜片的振动参数；分析声波与振动膜片产生振动的关系，即可得出声波的幅值和频率等信息。

进一步地，所述石英晶体谐振器由石英晶片(即振子)、电极和电极引线三部分组成；电激励信号通过电极引线和电极加在石英晶片上，使其产生机械振动，同时从电极上可以取到相应的电信号；当激励信号的频率与石英晶片的固有频率f0相一致时，石英晶片将产生谐振。

进一步地，制作石英晶片的石英材料选型应综合考虑获取尽量大的力灵敏度、频率工作范围以及最佳的频率—温度特性，根据具体应用选择对应的切形和加力方向。

进一步地，所述机械结构包括外壳、固定连接装置和外电极；机械结构形状为长方体，两个相对的侧面固定振动膜片；振动膜片与石英晶体谐振器通过固定连接装置连接，并且石英晶体谐振器被固定连接装置固定支承在机械结构中；将石英晶体谐振器的电极引线与外电极焊接在一起并引出外壳。

本发明的有益效果是：本发明传声器依据石英晶体谐振器的力—频效应，即当石英晶体谐振器的振子受力(或应变)的作用时，谐振器的谐振频率会随力的改变而线性变化。本发明的核心为振动膜片受到声波的压力时，会随着压力的大小和频率的不同而产生振动，将该振动通过机械结构转换为应力作用在石英晶体上，使得石英晶体谐振器产生频偏，从而完成声电转换，通过测量频偏即可得到膜片的振动参数，进一步可得出传递的声波信息。本发明传声器具有灵敏度高、频率响应范围大、体积小的特点。

附图说明

图1为基于石英晶体谐振器的高灵敏度传声器结构示意图；

图2为机械结构与石英晶体谐振器连接示意图，(a)为俯视图，(b)为左视图，(c)为前视图；

图3为振荡激励电路示意图；

图中，1-石英晶体，2-电极，3-电极引线，4-外壳，5-固定连接装置，6-外电极，7-振动膜片。

具体实施方式

实施例1

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所述实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种基于石英晶体谐振器的高灵敏度传声器。如图1所示，该传声器包括振动膜片、机械结构、石英晶体谐振器、振荡激励电路、频率采集与数据处理电路。

如图2所示，为了提高整体系统的灵敏度，石英晶体1的材料选型应综合考虑获取尽量大的力灵敏度、频率工作范围以及最佳的频率—温度特性。在石英晶体的所有切型中，只有at切型(xyl)-30°切型和bt切型具有零温度系数点，即在某个温度值上，谐振器对温度的一阶导数为零，在这一温度值附近，频率随温度的变化较小。而在上述三种切型中，at切型具有最大的力灵敏度。因此，本实施例选用的石英晶体1为at切型。

如图2所示，所述石英晶体谐振器振动形式为厚度剪切模式，其谐振频率可以表示为：

式(1)中，tx：石英晶体的厚度，n：谐波次数，ρ：晶体密度，c^*：弹性系数。

对于特定切型的石英晶体谐振器，式(1)还可以写为：

式(2)中，n0为频率常数。对于at切型，n0＝1661hz·m。

如图2所示，所述石英晶体1受到厚度方向的径向力f作用时，其谐振频率将由原来的f0变为f0+△f，△f与f呈线性关系，并且这种线性关系一直保持到f大到足以使谐振器产生机械破坏。

如图2所示，所述机械结构包括外壳4、固定连接装置5和外电极6。机械结构形状为长方体，其左右两侧面固定振动膜片7，其余侧面为外壳4。振动膜片7与石英晶体谐振器通过固定连接装置5连接，并且石英晶体谐振器被固定连接装置5固定支承在机械结构中。将石英晶体谐振器的电极引线3与外电极6焊接在一起并引出外壳4。

如图1所示，所述振动膜片7受到声波的压力时，会随着压力的大小和频率的不同而产生振动。该振动通过固定连接装置5转换成力f作用在石英晶体谐振器上，其在力—频特性的影响下谐振频率将产生变化，由f0变为f0+△f，△f与f呈线性关系。

如图3所示，所述振荡激励电路包括反相器g，反馈电阻rf以及耦合电容c。通过选取适当的反馈电阻rf值，就可以使反相器g的静态工作点位于电压传输特性的转折区。该电路为自激振荡电路，因为没有稳定的工作状态，多谐振荡器也称为无稳态电路。具体地说，如果一开始多谐振荡器处于0状态，那么它在0状态停留一段时间后将自动转入1状态，在1状态停留一段时间后又将自动转入0状态，如此周而复始，输出矩形波。

如图3所示，石英晶体具有优越的选频性能。将石英晶体引入普通多谐振荡器就能构成具有较高频率稳定性的石英晶体多谐振荡器。普通多谐振荡器是一种矩形波发生器，上电后输出频率为f的矩形波。根据傅里叶分析理论，频率为f的矩形波可以分解成无穷多个正弦波分量，正弦波分量的频率为nf(n＝1，2，3，.....)，如果石英晶体的串联谐振频率为f0，那么只有频率为f0的正弦波分量可以通过石英晶体形成正反馈，而其它正弦波分量无法通过石英晶体。频率为f0的正弦波分量被反相器转换成频率为f0的矩形波。当石英晶体谐振器的谐振频率变化为f0’时，振荡电路输出的矩形波频率也会变化为f0’。

如图1所示，频率采集与数据处理电路，包括单片机及其外围电路。频率测量由单片机内部的计数器完成，计数值经过数字滤波和归一运算后，便可得到频率测量结果。根据频率测量结果可得到振动膜片的振动参数，分析声波幅值和频率与振动膜片产生振动的关系，可进一步得出声波的幅值和频率信息，达到传声效果。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。