振动传感器

本申请是名称为“振动传感器”、申请日为2019年2月27日、申请号为201910143533.8的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种振动传感器，其包括压力换能器，该压力换能器用于测量彼此声学密封的第一容积体和第二容积体之间的压力差。第一容积体和第二容积体之间的压力差由压力产生元件响应于振动传感器的振动而产生。

背景技术

当前的振动传感器主要依赖于微机电系统(MEMS)，即，基于MEMS的振动传感器。然而，传统的基于MEMS的振动传感器的固有且严重的缺点是可动质量块的有限重量，这是因为该限制对振动传感器的基本本底噪声(即，Johnson﹣Nyquist噪声水平)具有显著影响。

为了处理上述的噪声问题，降低本底噪声的常用策略是限制振动传感器的带宽。然而，这种方法使得大多数基于MEMS的振动传感器无法与自身的语音拾取部相兼容。

因此，似乎需要具有可接受的本底噪声水平以及可接受的带宽的基于MEMS的振动传感器。

因此，可以将本发明的实施例的目的看作是提供一种在本底噪声水平、带宽和尺寸之间具有可接受的平衡的振动传感器。

可以将本发明的实施例的另一个目的看作是提供一种这样的振动传感器，其与传统的振动传感器系统相比具有相当小的体积。

发明内容

通过在第一方面提供一种振动传感器来实现上述目的，所述振动传感器包括：

﹣压力产生元件，所述压力产生元件用于响应于振动传感器的振动而在第一容积体和第二容积体之间产生压力差，第一容积体和第二容积体彼此声学密封；和

﹣压力换能器，所述压力换能器用于测量第一容积体和第二容积体之间的压力差。

因此，本发明涉及一种振动传感器，其包括压力产生元件和压力换能器，所述压力换能器适于测量第一容积体和第二容积体之间的压力差。这些压力差由压力产生元件响应于振动传感器的振动而产生。

压力换能器和压力产生元件并行布置，其有利之处在于不需要与压力换能器和压力产生元件两者相连接的柔性容积体。在没有柔性容积体的情况下，振动传感器可以设计地相当小。此外，通过减小体积可以显著提高根据本发明的振动传感器的灵敏度。

压力产生元件和压力换能器可以形成将第一容积体与第二容积体声学密封的设备的一部分或者可以固定到所述设备。通常，第一容积体和第二容积体形成振动传感器的一部分。

压力产生元件可以直接与第一容积体和第二容积体的空气相互作用。符合这一点的一种可能的方式可以包括将压力产生元件相对于第一容积体和第二容积体相邻地布置。相邻意味着压力产生元件可以形成将第一容积体与第二容积体分开的边界或壁的至少一部分。

可以以各种方式实施压力产生元件。在一个实施例中，压力产生元件可以包括可动元件，所述可动元件经由一个或多个弹性互连部而可操作地连接到静止元件。弹性是指可动元件在不暴露于振动时趋于朝中央位置。静止元件、可动元件以及一个或多个弹性互连部可以以组合方式形成单件式部件，即，由相同材料制成的部件。一个或多个弹性互连部可以在静止元件和可动元件之间形成一个或多个铰接部。

可以在静止元件和可动元件之间设置一个或多个开口，使得允许可动元件的至少一部分响应于振动传感器的振动而相对于静止元件移动。

静止元件、可动元件以及一个或多个弹性互连部可以由印刷电路板(PCB)形成，该印刷电路板具有布置在其上的一个或多个导电路径。所述一个或多个导电路径可以适于将电信号引导到压力换能器和/或其他的电子电路，和/或适于将电信号从压力换能器和/或其他电子电路引出。

替代地，静止元件、可动元件以及一个或多个弹性互连部可以构成不同材料制成的分立部件。因此，静止元件可以由一种材料制成，可动元件可以由另一种材料制成，一个或多个弹性互连部可以由另外又一种材料制成。同样在该实施方式中，可以在静止元件和可动元件之间设置一个或多个开口，使得允许可动元件的至少一部分响应于振动传感器的振动而相对于静止元件移动。

静止元件或可动元件和/或压力换能器可以包括在第一容积体和第二容积体之间具有预定阻力的小孔。小孔的预定阻力引起低频滚降。粘弹性物质可以布置在静止元件和可动元件之间的一个或多个开口中，以便在静止元件和可动元件之间形成声学密封。

如下文进一步详述的那样，粘弹性物质的粘度可以介于1000cP至100000cP之间，例如介于2000cP至80000cP之间，例如介于3000cP至50000cP之间，例如介于4000cP至40000cP之间，例如介于5000cP至30000cP之间，例如介于6000cP至20000cP之间，例如为大约10000cP。粘弹性物质可以是油制品，因为油随时间是稳定的并且不易于蒸发。此外，油具有宽泛围的粘度。粘弹性物质的其他合适的候选物可以包括凝胶、磁流体等。

替代地或与其组合地，箔或膜可以布置在静止元件和可动元件之间的一个或多个开口中，以便在静止元件和可动元件之间形成声学密封。

就实施而言，存在各种实施例。在一个实施例中，压力换能器可以被固定到可动元件。此外，用于处理来自压力换能器的信号的信号处理电路(例如专用集成电路(ASIC))可以被固定到可动元件。替代地，用于处理来自压力换能器的信号的信号处理电路可以被固定到静止元件。

ASIC可以不限于处理来自压力换能器的信号。它可以处理或产生由其他传感器、DSP或ASIC提供的或发送到所述其他传感器、DSP或ASIC的模拟信号或数字信号。

压力换能器可以被固定到静止元件上而非固定到可动元件。当压力换能器被固定到静止元件上时，用于处理来自压力换能器的信号的信号处理电路可以被固定到可动元件。替代地，用于处理来自压力换能器的信号的信号处理电路可以被固定到静止元件。在压力换能器和信号处理电路两者都被固定到静止元件上的情况下，可以将单独的质量块固定到可动元件上。压力换能器可以包括MEMS压力换能器。为了不增加振动传感器的高度，压力换能器和信号处理电路可以彼此相邻地布置，例如在形成静止元件和/或可动元件的PCB上彼此相邻。

为了改变振动传感器的性能特征，可以将一个或多个附加质量块添加到可动元件以减少噪声。这种一个或多个附加质量块的添加与压力换能器和信号处理电路的位置无关。质量与弹簧刚度之比决定了振动传感器的灵敏度和其峰值频率位置。

在第二方面中，本发明涉及一种包括根据第一方面的振动传感器的个人装置，所述个人装置选自助听器、听力装置、听穿戴装置、移动通信装置和平板电脑构成的组。

在第三方面，本发明涉及一种用于检测振动的方法，该方法包括以下步骤：

﹣在彼此声学密封的第一容积体和第二容积体之间产生压力差，和

﹣使用压力换能器测量第一容积体和第二容积体之间的压力差。

可以使用结合本发明的第一方面所公开类型的振动传感器来执行根据第三方面的方法。

附图说明

现在将参照附图进一步详细描述本发明，其中

图1示出了并行的可动质量块系统和压力换能器；

图2a和图2b示出了本发明的第一实施例；

图3示出了本发明第一实施例的分解图；

图4a和图4b示出了本发明第二实施例的分解图；

图5a和图5b示出了本发明第三实施例的分解图；

图6示出了本发明的第四实施例；

图7示出了本发明的第五实施例。

尽管本发明易于实施各种修改和替代形式，但是已经通过附图中的示例示出了特定的实施例并且将在本文中详细描述该特定的实施例。然而，应该理解的是，本发明并不限于所公开的特定形式。相反地，本发明将覆盖落入由所附带的权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物和替代物。

具体实施方式

在其最广泛的方面，本发明涉及一种振动传感器，其包括并行布置的压力换能器和的压力产生元件。压力换能器适于测量第一容积体和第二容积体之间的压力差。这些压力差由压力产生元件响应于振动传感器的振动而产生。

压力换能器和压力产生元件的并行布置的有利之处在于，所述布置不需要与压力换能器和压力产生元件两者相连接的柔性容积体，由此可以使振动传感器的设计明显更小。而且，可以显著提高根据本发明的振动传感器的灵敏度。

参照图1，以振动传感器100的形式描述了本发明的通用原理，所述振动传感器具有并行布置的压力换能器107和压力产生元件103。当振动传感器暴露于振动时，压力产生元件103的至少一部分适于如箭头104所示的那样移动和/或弯曲。压力产生元件103的至少一部分的移动和/或弯曲导致第一容积体101和第二容积体102之间的压力差，所述第一容积体和所述第二容积体彼此声学密封。压力换能器107(其在图1中被固定到具有贯通开口106的静止元件105)适于测量第一容积体101和第二容积体102之间产生的压力差。

如图1所示，压力产生元件103直接与第一容积体101和第二容积体102的空气相互作用，这是因为压力产生元件103相对于第一容积体101和第二容积体102相邻地布置，即，压力产生元件103形成将第一容积体101与第二容积体102分开的边界或壁的一部分。第一容积体101和第二容积体102的尺寸应该保持尽可能小。而且，压力换能器107的柔性也应该保持成最小但仍然适合于检测压力变化。最后，压力产生元件的表面应该尽可能大，以便确保适当的声学放大。

因此，根据本发明，用于产生压力差的压力产生元件103和用于检测所述压力差的压力换能器107在振动传感器100内并行布置。应当注意的是，压力换能器107和/或与其电连接的信号处理电路可以形成压力产生元件103的一部分，如将在下文所示的实施例中说明的那样。

根据本发明的振动传感器的实施例在图2a、图2b和图3中描绘。现在参照图2a，其描绘了压力产生元件，所述压力产生元件包括可动元件202、压力换能器204和用于处理来自压力换能器204的信号的信号处理电路205。在图2a中所示的实施例中应用的压力换能器204是MEMS麦克风。在图2a所示的实施例中，可动元件202、压力换能器204和信号处理电路205因此以组合方式构成适于产生压力差的可动质量块系统。

压力换能器204和信号处理电路205经由适当数量的导线206电连接，导线206可以与图2a中所示的两根导线不同。可动元件202形式的压力产生元件、压力换能器204和信号处理电路205相对于静止元件201可动地布置，其中一个或多个开口203设置在静止元件201和可动元件202之间。在静止元件201和可动元件202之间设置适当数量的弹性互连部或铰接部211、212、213。

在图2a所示的实施例中，可动元件202、静止元件201和弹性互连部或铰接部211、212、213以PCB的形式形成单件式部件，所述PCB具有布置在其上的导电PCB轨迹208、209、210。PCB轨迹208、209、210确保可以向信号处理电路205提供电信号和/或由信号处理电路205提供电信号，即，跨越弹性互连部或铰接部211、212、213。信号处理电路205经由适当数量的导线207电连接到PCB轨迹208、209、210，所述导线可以与图2a中所示的三根导线不同。替代地，信号处理电路205可以作为表面安装装置(SMD)而电连接到PCB轨迹208、209、210。类似地，压力换能器204可以是SMD。

如将结合图3解释的那样，结合图1讨论的第一容积体和第二容积体将在图2a中所示的布置中分别处于上方和下方。为了在第一容积体和第二容积体之间形成声学密封，粘弹性物质布置在静止元件201和可动元件202之间的一个或多个开口203中。

应当注意的是，如果静止元件201和可动元件202之间的一个或多个开口203足够小，则一个或多个开口203的阻力增加到常规补偿孔的数量级。因此，如果一个或多个开口203足够小，则所述一个或多个开口203将起到一个或多个补偿孔的作用，从而引起额外的低频滚降。在该实施方式中，不需要额外的密封措施。

粘弹性物质的粘度可以介于1000cP至100000cP之间，例如介于2000cP至80000cP之间，例如介于3000cP至50000cP之间，例如介于4000cP至40000cP之间，例如介于5000cP至30000cP之间，例如介于6000cP至20000cP之间，例如为大约10000cP。由于油随时间是稳定的并且不易于蒸发，因此作为粘弹性物质的合适候选物可以包括油。此外，油具有宽范围的粘度。作为粘弹性物质的其他合适候选物可以包括凝胶、磁流体等。

在图2b中更详细地示出形成静止元件214、可动元件215和集成的弹性互连部或铰接部218的PCB。类似于图2a，PCB轨迹219跨越相应的弹性互连部或铰接部218而布置，所述弹性互连部或铰接部将静止元件214和可动元件215相互连接。每个PCB轨迹219终止于轨迹盘220，这有利于进一步的电连接。如上所述，在静止元件214和可动元件215之间设置一个或多个开口216，使得可动元件215可以相对于静止元件214移动。此外，粘弹性物质布置在这些一个或多个开口216中，以便在第一容积体和第二容积体之间形成声学密封。如前所述，压力换能器204(参见图2a)适于检测第一容积体和第二容积体之间的压力差。为此，在可动元件215(参见图2b)中设置声学开口217。

现在参照图3，其描绘了完整的振动传感器的实施例300。在图3中用附图标记305表示压力产生元件，其包括可动元件202、压力换能器204和用于处理来自压力换能器204的信号的信号处理电路205，(参见图2a)。如图3所示，在组件305和连接板301之间设置有间隔件303，所述连接板具有适当数量的电接触区域302，所述电接触区域经由间隔件303中的连接部304而电连接到组件305的接触盘。如上所述，组件305的压力换能器适于检测第一容积体和第二容积体之间的压力差。在图3中，第一容积体由间隔件303中的腔308提供，而第二容积体由间隔件306中的腔309提供，所述间隔件306布置在组件305和顶板307之间。因此，在图3所示的振动传感器中，包括可动元件、压力换能器和用于处理来自压力换能器的信号的信号处理电路的组件305被布置在由腔308、309限定的第一容积体和第二容积体之间。

图4a、图4b中示出了根据本发明的振动传感器的另一个实施例400。图4a中所示的振动传感器400包括壳体412、间隔件411和盖板401，所述盖板具有布置在非导电板402上的适当数量的电连接件403。此外，组件包括静止元件404、405和可动元件406，所述可动元件406具有固定到其上的压力换能器409。可动元件406和压力换能器409因此以组合方式构成可动质量块系统，而用于处理来自压力换能器409的信号的信号处理电路408固定到静止元件404。可动元件406经由适当数量的弹性互连部或铰接部410而连接到静止元件404。此外，在可动元件406与静止元件404、405之间设置一个或多个开口407，使得允许可动元件406相对于静止元件404、405移动。类似于图2a、图2b和图3中所示的实施例，粘弹性物质布置在一个或多个开口407中，以便在第一容积体与第二容积体之间形成声学密封，所述第一容积体被限定在静止元件404、405和可动元件406的组件上方，所述第二容积体被间隔件411中的腔所限定。

图4b示出了静止元件413和418、可动元件414、一个或多个弹性互连部或铰接部417以及一个或多个开口415的更详细视图。在可动元件414中设置声学开口416，使得允许被固定到所述声学开口的压力换能器(未示出)检测第一容积体和第二容积体之间的压力差。如上所述，粘弹性物质布置在一个或多个开口415中，以便在第一容积体和第二容积体之间形成声学密封。静止元件413和418、可动元件414和一个或多个弹性互连部或铰接部417可以实施为单件式部件，或者它们可以使用不同的材料组装，例如针对静止元件413、418使用一种材料、针对可动元件414使用另一种材料以及针对一个或多个弹性互连部或铰接部417使用第三种材料。

现在参照图5a和图5b，其描绘了本发明的振动传感器的又一实施例500。与图4a、图4b所示的实施例相比，压力换能器508现在被固定到静止元件504、505，而信号处理电路509与可动元件506一起构成可动质量块系统，所述可动元件经由一个或多个弹性互连部或铰接部510而连接到静止元件504。粘弹性物质设置在一个或多个开口507中，以便在第一容积体和第二容积体之间形成声学密封，所述第一容积体限定在静止元件504、505和可动元件506的组件上方，所述第二容积体由间隔件511中的腔所限定。振动传感器500还包括壳体512、间隔件511和盖板501，所述盖板具有布置在非导电板502上的适当数量的电连接件503。

图5b示出了静止元件513和514、可动元件515、一个或多个弹性互连部或铰接部517以及一个或多个开口516的更详细视图。声学开口518设置在静止元件518中，使得允许被固定到所述声学开口的压力换能器(未示出)检测壳体512内的第一容积体和第二容积体之间的压力差。如已经讨论的那样，粘弹性物质被布置在一个或多个开口516中，以便在第一容积体和第二容积体之间形成声学密封。类似于图4a、图4b中所示的实施例，静止元件513和514、可动元件515和一个或多个弹性互连部或铰接部517可以实施为单件式部件，或者它们可以使用不同材料组装而成，例如针对静止元件513、514使用一种材料、针对可动元件515使用另一种材料以及针对一个或多个弹性互连部或铰接部517使用第三种材料。

如图2至图5所示，压力换能器204、409、508和相关的信号处理电路205、408、509彼此相邻地布置，即，布置在同一水平面上，以为了不增加振动传感器的高度。

图6示出了本发明的又一实施例600，其中可动质量块系统使用悬挂元件607、608悬挂在第一容积体601和第二容积体602之间。可动质量块系统包括可动元件606，MEMS压力换能器固定到所述可动元件上。因此，可动元件606和MEMS压力换能器以组合方式形成压力产生元件，所述压力产生元件能够响应于振动传感器的振动而如箭头609所示地那样移动。MEMS压力换能器为MEMS麦克风的形式，所述MEMS麦克风包括可动隔膜605，所述可动隔膜能够检测第一容积体601和第二容积体602之间的压力差。此外，设置第三容积体603和高柔性的可动隔膜604。

图7示出了另一振动传感器的实施例700，所述振动传感器包括MEMS麦克风和布置在该MEMS麦克风顶部的压力产生器。MEMS麦克风可以应用各种技术(包括压电、带电平板电容器等)。MEMS麦克风的信号处理可以是模拟式或者是应用任何数字编码方案的数字式。

MEMS麦克风包括具有顶部PCB 702和底部PCB 703的壳体，在所述底部PCB上设置用于电连接振动传感器700的电极716、717。电极716、717可以是焊盘的形式。

在顶部PCB 702中设置声学开口710，在顶部PCB 702和底部PCB 703之间设置壁部分701。在MEMS麦克风内，设置包括膜712和前室718的MEMS筒711。MEMS麦克风还包括背部室714，背部室714内设置有信号处理器电路713和一个或多个通孔715。如上所述，压力产生器布置在MEMS麦克风的顶部。如图7所示，压力产生器被固定到顶部PCB 702。压力产生器包括壳体704、压力产生元件706和固定到压力产生元件706的可动质量块705。压力产生元件706和可动质量块705包括相应的声学开口708和707。

压力产生器的壳体704可以由任何合适的材料制成，只要所述材料将内部完全密封即可。优选地，应用薄的金属遮罩。可以允许引起低于10Hz的低频滚降的小孔，因为这样的小孔不会引起主要的声学噪声。

可动质量块705的质量优选为约4毫克。据估计，实际的最小质量约为0.004毫克，因为这会增加+30分贝的噪音。类似地，0.04毫克的质量会使噪音增加+20分贝，0.4毫克的质量会使噪音增加+10分贝。因此，可动质量块的质量越大，则振动传感器的热运动噪声的影响就越小。

压力产生元件706和可动质量块705的面积应尽可能大，并且优选地大于0.5mm

如图7所示，在压力产生元件706和顶部PCB 702的上侧之间存在小的容积体709。该容积体应该尽可能小，并且优选地小于5mm

优选地，沿着压力产生元件706的边缘设置例如箔、膜、粘弹性物质或凝胶的形式的柔性密封件719。优选地，柔性密封件应具有低刚度并且应该能够承受回流焊接温度。

压力产生元件706和可动质量块705上方的容积体720经由通道或管721而声学地连接到MEMS麦克风的背部容积体714。