CN113132875A - 一种自校准的微机械扬声器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自校准的微机械扬声器，属于压电微机械技术领域，解决了现有技术中的微机械扬声器存在固有频率漂移而无法进行重新校准的问题，本发明包括基底，所述基底上安装有压电振膜，所述振膜上安装有驱动顶电极，振膜的半径大于所述驱动顶电极的半径，驱动顶电极安装于振膜的中心，振膜上围绕驱动顶电极外围设置有多个自校准感应电极。本发明的自校准的微机械扬声器可对扬声器相位进行完整检测，实现原位自校准。
Description
技术领域
本发明属于压电微机械技术领域，具体涉及一种自校准的微机械扬声器。
背景技术
压电微机械扬声器是利用压电材料的逆压电效应，通过压电材料将电信号转换为机械结构的机械振动，从而向外界发出声波的一种微电子机械系统。
传统的压电微机械扬声器结构如图1所示，振膜1是压电微机械扬声器的可动机械结构，基底是器件的固定部分，电极半径为r，振膜半径为R，还包括驱动电极5。传统的压电微机械扬声器侧视图如图2所示，顶电极101是完全覆盖振膜1的，即r＝R，这是由于此时可以使扬声器的输出声压最大化，如图3所示。
然而，作为一种电-力-声多物理场耦合的微机械器件，压电微机械扬声器存在固有的频率漂移问题。频率漂移问题可能是短期原因造成的，比如温度、湿度的变化；也可能是长期原因造成的，比如压电材料的老化，机械结构的疲劳等原因。尤其是长期积累的谐振频率漂移，造成了器件频率稳定性的下降，因此需要对器件进行校准。
传统的器件校准方法，主要是在器件安装前，利用专业校准设备进行一次校准，这种方法的优点是校准精度高，缺点是器件安装后不能再单独取下，无法实现器件的原位自校准，因此对器件的长期频率漂移问题无能为力。
发明内容
本发明的目的在于：
为解决现有技术中的微机械扬声器存在固有频率漂移而无法进行重新校准的问题，提供一种自校准的微机械扬声器。
本发明采用的技术方案如下：
一种自校准的微机械扬声器，包括基底，所述基底上安装有振膜，所述振膜上安装有驱动顶电极，振膜的半径大于所述驱动顶电极的半径，驱动顶电极安装于振膜的中心，振膜上围绕驱动顶电极外围设置有多个自校准感应电极。
进一步地，所述驱动顶电极的半径大小与振膜的半径大小之比为0.8～0.9。
由电极半径r与振膜半径R的比值r/R与扬声器输出声压的关系可以看出：r/R值与输出声压呈递增关系，但在前中期增长较快，在r/R大于等于0.8后，输出声压增长明显减缓。故可以利用振膜边缘0.1～0.2倍的面积，设计扬声器自校准结构，实现扬声器工作状态的在线监测，使扬声器输出声压降低不大的情况下，解决压电微机械扬声器的长期频率漂移问题。
进一步地，所述自校准感应电极围绕驱动顶电极设置有六个，自校准感应电极均呈弧形，六个自校准感应电极的弧度分别为5°、15°、30°、60°、90°和120°，六个自校准感应电极由小至大围绕驱动顶电极依次设置，相邻两个自校准感应电极之间的间距弧度均为2.5°，自校准感应电极还连接有外接检测电路。
六个自校准感应电极的作用，是在扬声器工作前，通过检测电路来检测扬声器当前的谐振频率。当扬声器的谐振频率漂移超过阈值时，检测电路将结果反馈，调节激励信号的频率，使扬声器重新工作在谐振频率，实现对扬声器的原位自校准。
进一步地，所述驱动顶电极还连接有电信号走线，所述电信号走线安装于5°与120°的两自校准感应电极之间。电信号走线用于连接到基底的焊盘上，实现电信号对驱动顶电极的激励。
进一步地，所述自校准感应电极围绕驱动顶电极设置有三个，所述自校准感应电极均呈弧形，三个自校准感应电极面积大小相等且弧度均为55°，相邻自校准感应电极之间的间距弧度均为65°。基于相同原理，此为简化后的自校准的压电微机械扬声器。
进一步地，所述驱动顶电极还连接有三个补充电极，三个补充电极分别安装于所述三个自校准感应电极之间，补充电极呈弧形且弧度均为55°。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明提出了一种可以实现原位自校准的压电微机械扬声器设计，通过在扬声器振膜表面设置自校准感应电极，解决了微机械扬声器的长期频率漂移问题。
2、本发明的压电微机械扬声器可以通过6个自校准感应电极实现对扬声器的实时在线检测，通过频率检测和相位检测实现瞬时频率响应异常的补偿，优化扬声器音质。
3、本发明6个用于自校准的感应电极和扬声器的驱动电极是完全独立的，时间上没有复用或占用的情况，实现了对扬声器的全时段在线监测。
附图说明
图1为现有技术中的压电微机械扬声器俯视图；
图2为现有技术中的压电微机械扬声器侧剖图；
图3为压电微机械扬声器驱动电极和振膜半径之比与输出声压的关系图；
图4为本发明的其中一种自校准的压电微机械扬声器结构图；
图5为本发明的其中一种自校准的压电微机械扬声器结构图。
图中标记：
1-振膜，5-驱动电极；
101-顶电极，102-压电薄膜，103-底电极，104-顶硅，105-二氧化硅，106-底硅；
10-驱动顶电极，11-5°自校准感应电极，12-15°自校准感应电极，13-30°自校准感应电极，14-60°自校准感应电极，15-90°自校准感应电极，16-120°自校准感应电极，17-电信号走线；
21、22、23-等面积自校准感应电极，24、25、26-补充电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的基本方案如下：
一种自校准的微机械扬声器，包括基底，基底上安装有振膜1，振膜1上安装有驱动顶电极101，振膜1的半径大于驱动顶电极101的半径，驱动顶电极101安装于振膜1的中心，振膜1上围绕驱动顶电极101外围设置有多个自校准感应电极。
实施例1
作为一种优选的实施方式，如图4所示，驱动顶电极101的半径大小与振膜1的半径大小之比为0.8，自校准感应电极围绕驱动顶电极101设置有六个，自校准感应电极均呈弧形，六个自校准感应电极的弧度分别为5°、15°、30°、60°、90°和120°，六个自校准感应电极由小至大围绕驱动顶电极101依次设置，相邻两个自校准感应电极之间的间距弧度均为2.5°，自校准感应电极还连接有外接检测电路，驱动顶电极101还连接有电信号走线17，电信号走线17安装于5°与120°的两自校准感应电极之间。电信号走线17用于连接到基底的焊盘上，实现电信号对驱动顶电极101的激励。
在扬声器工作过程中，6个自校准感应电极通过压电效应在实时测扬声器振膜1的位移，振膜1位移的大小直接反应了扬声器在频域上的工作点，实现了对扬声器的在线监测。此外，由于驱动顶电极101和6个自校准感应电极是相互独立的，不存在时间上复用或占用的情况，因此，对扬声器的在线监测是全时段的。
6个自校准感应电极可以在自校准之前，通过外部检测电路，对自校准感应电极本身进行互检测操作，保证6个自校准感应电极的初始状态相同。自校准感应电极设计为不同的弧度，对应了不同的自校准感应电极面积，使6个自校准感应电极基本环绕驱动顶电极101。这种环绕方式可以实现自校准感应电极对扬声器振膜1的相位检测。理想情况下，扬声器振膜1在振动时，振膜1上任何一个同心圆环上的振动幅度应该处处相等，但实际情况达不到理想状态：当同心圆环上振动幅度出现差异时，就会使扬声器的音质出现微小异常，当这个异常较大时，就会达到影响人的感官体验的程度。与此同时，同心圆环上振动幅度出现差异，会使6个自校准感应电极的检测波形出现相位差。因此，可以通过外部检测电路来实时监测这个相位差，并通过信号处理算法对此差异进行一定的补偿，实现对扬声器瞬时频率响应的补偿，从而进一步优化扬声器的音质。
实施例2
作为一种优选的实施方式，如图5所示，驱动顶电极101的半径大小与振膜1的半径大小之比为0.8，自校准感应电极围绕驱动顶电极101设置有三个，自校准感应电极均呈弧形，三个自校准感应电极面积大小相等且弧度均为55°，相邻自校准感应电极之间的间距弧度均为65°。驱动顶电极101还连接有三个补充电极，三个补充电极分别安装于三个自校准感应电极之间，补充电极呈弧形且弧度均为55°。
本实施方式的自校准感应电极相比实施例1，简化为三个等面积的自校准感应电极，该简化的自校准的压电微机械扬声器，可以基于相同原理实现扬声器的自校准和在线监测，同时相比之下器件成本和信号处理算法复杂度等更低。此外，补充电极增加了驱动顶电极101的电机面积，使扬声器的输出声压尽可能最大化。
实施例3
作为一种优选的实施方式，驱动顶电极101的半径大小与振膜1的半径大小之比为0.85，自校准感应电极围绕驱动顶电极101设置有六个，自校准感应电极均呈弧形，六个自校准感应电极的弧度分别为5°、15°、30°、60°、90°和120°，六个自校准感应电极由小至大围绕驱动顶电极101依次设置，相邻两个自校准感应电极之间的间距弧度均为2.5°，自校准感应电极还连接有外接检测电路，驱动顶电极101还连接有电信号走线17，电信号走线17安装于5°与120°的两自校准感应电极之间。电信号走线17用于连接到基底的焊盘上，实现电信号对驱动顶电极101的激励。
实施例4
作为一种优选的实施方式，驱动顶电极101的半径大小与振膜1的半径大小之比为0.9，自校准感应电极围绕驱动顶电极101设置有六个，自校准感应电极均呈弧形，六个自校准感应电极的弧度分别为5°、15°、30°、60°、90°和120°，六个自校准感应电极由小至大围绕驱动顶电极101依次设置，相邻两个自校准感应电极之间的间距弧度均为2.5°，自校准感应电极还连接有外接检测电路，驱动顶电极101还连接有电信号走线17，电信号走线17安装于5°与120°的两自校准感应电极之间。电信号走线17用于连接到基底的焊盘上，实现电信号对驱动顶电极101的激励。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种自校准的微机械扬声器，其特征在于，包括基底，所述基底上安装有振膜(1)，所述振膜(1)上安装有驱动顶电极(101)，振膜(1)的半径大于所述驱动顶电极(101)的半径，驱动顶电极(101)安装于振膜(1)的中心，振膜(1)上围绕驱动顶电极(101)外围设置有多个自校准感应电极。
2.根据权利要求1所述的一种自校准的微机械扬声器，其特征在于，所述驱动顶电极(101)的半径大小与振膜(1)的半径大小之比为0.8～0.9。
3.根据权利要求1所述的一种自校准的微机械扬声器，其特征在于，所述自校准感应电极围绕驱动顶电极(101)设置有六个，自校准感应电极均呈弧形，六个自校准感应电极的弧度分别为5°、15°、30°、60°、90°和120°，六个自校准感应电极由小至大围绕驱动顶电极(101)依次设置，相邻两个自校准感应电极之间的间距弧度均为2.5°，自校准感应电极还连接有外接检测电路。
4.根据权利要求3所述的一种自校准的微机械扬声器，其特征在于，所述驱动顶电极(101)还连接有电信号走线(17)，所述电信号走线(17)安装于5°与120°的两自校准感应电极之间。
5.根据权利要求1所述的一种自校准的微机械扬声器，其特征在于，所述自校准感应电极围绕驱动顶电极(101)设置有三个，所述自校准感应电极均呈弧形，三个自校准感应电极面积大小相等且弧度均为55°，相邻自校准感应电极之间的间距弧度均为65°。
6.根据权利要求5所述的一种自校准的微机械扬声器，其特征在于，所述驱动顶电极(101)还连接有三个补充电极，三个补充电极分别安装于所述三个自校准感应电极之间，补充电极呈弧形且弧度均为55°。
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