CN104185449B - 传感器和听诊器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一个传感器，包括传感器板（14）、基座片（15）以及第一传感器膜（7a）和第二传感器膜（7b），每一个传感器膜包含一个正极性侧和一个负极性侧。第一传感器膜和第二传感器膜中的每一个都安装在传感器板和基座片之间，并允许传感器板随基座片的安装而移动。第一传感器膜和第二传感器膜按照如下安装：它们各自的正电极性侧彼此面对或彼此背对。也提供一个相应的电子听诊器。

Description

传感器和听诊器

技术领域

本发明涉及传感器以及包含该传感器的电子听诊器。

背景技术

制造传感器和换能器是为了满足特定的传感作用，并且基于给定的应用对传感器和换能器的设计进行优化。例如，传感器可以被安排来检测例如由振动、声音等产生的力或力的变化。

总是有必要改善有效传感信号和/或减少干扰传感信号的影响。

发明内容

本发明的目的在于从包含传感器膜的传感器中减少干扰信号。

根据本发明的一个方面，本发明中的传感器包括：传感器板、传感器基座片、第一传感器膜和第二传感器膜。其中，每一个传感器膜包含一个正极性侧和一个负极性侧。第一传感器膜和第二传感器膜中的每一个都安装在传感器板和传感器基座片之间，并允许传感器板随传感器基座片的安装而移动。第一传感器膜和第二传感器膜按照如下安装：它们各自的正电极性侧彼此面对或彼此背对。

每一块传感器膜都可能是一块力传感器膜。

每一块传感器膜可能配置为基于垂直于沿传感器膜的一侧的传感器膜的平面的分力而产生一个传感信号。

第一传感器膜和第二传感器膜可能按照各自的正电极性侧彼此面对或彼此背对来安装。

该传感器可能进一步包括第三传感器膜和第四传感器膜，每一个传感器膜包含一个正极性侧和一个负极性侧。在这种情况下，第三传感器膜和第四传感器膜中的每一个都安装在传感器板和传感器基座片之间，并允许传感器板随传感器基座片的安装而移动。第三传感器膜和第四传感器膜按照如下安装：它们各自的正电极性侧彼此面对或彼此背对。

传感器膜可能按照如下布置：传感器板在沿着传感器板的第一方向上相对于基座片的平面运动比在沿着传感器板的第二方向的运动受到更多的限制。

根据沿着介于传感器板和基座片之间的相应传感器膜的测量结果，第三传感器膜和第四传感器膜中的任意一个可能比第一传感器膜和第二传感器膜中的任意一个要长。如此情况下，第三传感器膜和第四传感器膜弯曲超过第一传感器膜和第二传感器膜。

第一传感器膜和第二传感器膜之间最短的线可能基本垂直于第三传感器膜和第四传感器膜之间最短的线。在这里，基本垂直可以解释为与90度的偏差小于30度。

第一传感器膜和第二传感器膜之间最短的线可能基本平行于于第三传感器膜和第四传感器膜之间最短的线。

该传感器可能进一步包括与其它传感器膜相同类型的第五传感器膜和第六传感器膜，第五传感器膜和第六传感器膜安装于传感器基座片和传感器板之间。第五传感器膜和第六传感器膜之间最短的线基本平行于第三传感器膜和第四传感器膜之间最短的线。

第一传感器膜和第二传感器膜可能有第一刚度，第三传感器膜和第四传感器膜可能有不同于第一刚度的第二刚度。

该传感器可能进一步包括一个组合器，该组合器将来自于每一个传感器膜的信号并提供给一个组合信号输出器。

该组合器可能是一个加法放大器。

每一个传感器膜可能是压电薄膜。

该传感器可能进一步包括布置在所述基板和所述传感器板之间的阻尼器。

根据本发明的第二个方面，本发明中的电子听诊器包括根据前述权利要求中任一项所述的传感器。

通常，除非明确地定义，否则在权利要求书中使用的所有术语将根据在本技术领域中的普通含义进行解释。除非明确说明，所有用词，如“一个元件、仪器、部件、方法以及步骤等” 都被开放地解释为指“元件、仪器、部件、方法以及步骤等”的至少一个实例。除非明确说明，本文中公开的任意方法的步骤不一定需要按照确切的公开顺序执行。

附图说明

参照附图，通过示例的方式描述本发明，其中：

图1A-B是展示多个传感器的一个一般应用的示意图；

图2是描述传感器的一个实施例的侧视图的示意图；

图3A是描述当图2中的传感器倾斜时的侧视图的示意图，图3B是描述产生的传感器信号的原理图；

图4A是描述当图2中的传感器的基座片发生扭转时的俯视图，图4B是描述产生的传感器信号的原理图；

图5是在图2、3A、4A以及图6-14中使用到的传感器膜的示意图；

图6是描述当图2、3A和4A中的传感器使用四个传感器膜时的一个扩展实施例的侧面示意图；

图7是描述图6中的传感器的俯视图的示意图；

图8是图2中的传感器的侧面示意图，用来描述力是如何由传感器感测到的；

图9是图8中包含组合器的传感器的俯视示意图；

图10是描述当图2、3A和4A中的传感器使用四个传感器膜时的一个扩展实施例的侧面示意图；

图11是描述当图2、3A和4A中的传感器使用四个传感器膜时的一个扩展实施例的侧面示意图；

图12是描述图8中包含传感器的一个扩展实施例的侧面示意图；

图13是描述当图2、3A和4A中的传感器使用六个传感器膜时的一个扩展实施例的侧面示意图；

图14是描述图2、3A、4A以及图6-13中设置在壳体内的传感器的侧面示意图；

图15是描述图2、3A、4A以及图6-13中的传感器组成一个电子听诊器（40）的部分。

具体实施方式

参照附图，在下文中将更全面地描述本发明，其中展示了发明的某些实施例。本发明可能以不同的形式来实施，并且不应该局限于这里所阐述的实施例来构造，而是通过举例的方式提供这些实施例是为了使得本公开将是彻底和完整的，并且向本领域的技术人员充分地传达本发明的范围。本说明中相同的数字指代相同的元件。

图1A-B是展示多个传感器的一个一般应用的示意图。在图1A中，设置第一传感器1a和第二传感器1b在测试2中检测一个对象的某些参数。该参数例如可以是力的变化，例如频率范围内和/或外的振动，也就是人的发声。测试2中的对象可以是，例如人或其他对象。从传感器1a和1b中接收的信号在组合器（如加法放大器）中组合并相加，并提供给组合信号输出器5。当使用加法放大器作为组合器时，则可以减少由高增益放大产生的电子噪声。在图1A中，设置传感器1A和1B两个传感器的输出端在彼此的顶部。

在图1B中，在一个传感器（本例中是第二传感器1b）和加法放大器3之间有一个反相放大器。因此，根据传感器的输出极性，将它们的位置相反组合。如此情况下，使用的电子设备6在求和操作之前将来自于位置相对的传感器的信号反转。此方案在共模电噪声出现在每个传感器路径的情况下是有利的。即是，传感器的配置容易产生噪音，那么当信号反转然后求和之后将产生消音效果。在某些情况下，传感器被安装到或置于二级壳体内，这些采用的步骤可能减少干扰信号采集。例如，安装有松紧带或橡皮圈的麦克风可能有其本身的传感元件震荡。虽然这个传感器不是麦克风阐述的接触式传感器。

干扰信号的抑制原则

这里描述的实施例包括一对或多对传感器。每对传感器按照电极相对的方式安装。传感器膜可以包括压电薄膜、压阻材料或相似的传感器膜。一对传感器可以抑制来自运动的一个平面中的干扰信号，两对传感器可以被用于检测在优先选择的轴线上的信号并抑制在另外轴线上的干扰信号。

在这些情况下，这些传感器针对于它们检测信号而以相似的方式排列。这种情况下，来自各个传感器的信号通过电子方式相加来提供更高的输出并由于累加来改善信噪比，至少部分消除在每个传感器中产生的随机噪声。

图2、3A-B和4A-B展示了一种消除由于传感器运动产生的干扰信号的方式，同时仍然允许采集有效信号。

图2是描述一个传感器的实施例的示意图。传感器10包括基座片15和传感器板14。在基座片15和传感器板14之间有一对传感器膜，其包括第一传感器膜7a和第二传感器膜7b。从第一传感器膜7a和第二传感器膜7b中输出的传感器信号在组合器3中累加，组合器3可以是加法放大器或其他合适的装置用来使得来自第一传感器膜7a和第二传感器膜7b的两个信号可以合并起来。每一个传感器膜7a-b的另一个端是相应的接地端（也就是所知的负极端）。由于本实施例的机械结构，在垂直方向11上的运动相对限制较低，该垂直方向基本垂直于传感器膜7a-b。相反地，在平行方向12上的运动相对限制较高，该平行方向基本平行于传感器膜7a-b。

图3A是描述当图2中的传感器10倾斜时的示意图。传感器膜7a-b是刚性但具有柔性的压电薄膜，并且主要在一个方向上具有柔性，将如下做详细的说明。这里的传感器膜7a-b中压电薄膜的设计目的是当其在垂直于薄膜平面发生弯曲时给予最大的电信号输出。因此，每一个传感器在低阻力运动方向（见图中垂直方向11）上给予最高的输出。注意到的是，压电薄膜按照一块电极性与另一块电极性相反的方式取向。换言之，它们各自的正电极性侧彼此面对或彼此背对，也可以表述成它们各自的负电极性侧彼此面对或彼此背对。传感器膜安装在（并且选择性安装至）传感器板14和基座片15，例如传感器膜可以被安装至一个从传感器采集信号的装置，例如听诊器。传感器板基本上是平面结构，也可能是弯曲，或凹或凸，或两者皆有。

图3B描述的是当装配的传感器板14相对于基座片15横向运动时从图3A中两块各自的传感器膜中产生的传感器电信号输出。第一个电信号9a从第一传感器膜7a中产生，第二个电信号9b从第二传感器膜7b中产生的。取决于传感器膜按照其侧面的几何相反极性安装的配置，来源于横向移动的电信号输出的变化是相同的，但极性相反。当第一个电信号9a和第二个电信号9b在组合器3中合并，来源于横向运动的效果因此基本消除。

图4a描述的是该组件的顶部相对于基座片发生扭转时的情形，图4B描述的是相应的电信号9a-b。与图3A-B中描述的案例相似，由于传感器膜各自的正电极性侧彼此面对或彼此背对，传感器膜7a-b中的每一块产生相反极性的电信号。鉴于在制造公差范围内传感器是相似的并且组装是对称的，由传感器膜7a-b产生的信号当合并时应该很大程度上相互抵消。

图5、6和7描述了一个实施例。

图5是在图2、3A、4A以及图6-14中使用到的传感器膜的示意图。在这里所有的传感器膜由一张传感器膜7来示意。传感器膜对力和力的变化，例如振动，很灵敏，并可能例如是一个表面由两块接触薄膜组成的压电薄膜传感器。在一个表面上的一块接触薄膜被指定为正极端，在另一个表面的另一块接触薄膜被指定为负极端或接地端。也就是说，传感器膜7有一个正电极性的侧面和一个负电极性的侧面。该薄膜是由一块整体的塑料覆盖薄膜任选保护以得到所需的耐用性和刚度。

图6和7描述如何在一个实施例中使用四个传感器膜。本实施例包括两对处于相反电极性的传感器。第一对传感器膜包括由第一传感器膜7a和第二传感器膜7b组成的第一对传感器膜。第二对传感器膜包括由第三传感器膜7c和第四传感器膜7d组成的传感器膜。在图7中最容易看到的是，所有的膜7a-d的电极性都是朝外的（在本例中为正极性，但同样可以是负电极）。任意地，面向第一和第二传感器膜的朝外的极性可以是一种极性，面向第三和第四传感器膜的朝外的极性可以是另一种极性。传感器膜7a-d固定于或接近于传感器板14和基座片15的四个面的边缘。传感器板14和基座片15在这里被描述成正方形形状，然而，这些可以是任意合适的形状，包括圆形、椭圆形、矩形、六边形以及八边形等。传感器膜7a-b的安装按照如下来执行，传感器膜与传感器板14的接触角使得传感器发生弯曲。当弯曲力达到与膜的刚度相平衡，形状就自然形成，其中膜的刚度使得传感器回复到平面位置。

传感器膜7a-b的形状可以按照如下配置，相对于基座片的传感器板的平面运动在沿着传感器板上的第一方向上比在沿着传感器板上的第二方向上受到更多的限制。例如，根据沿着介于传感器板和基座片之间的相应传感器膜的测量结果，第三传感器膜和第四传感器膜中的每一个可能比第一传感器膜和第二传感器膜中的每一个要长。

图6和7中传感器的传感器膜7a-d按照成两个横向对的方式排列，也就是第一传感器膜7a和第二传感器膜7b之间最短的线可能基本垂直于第三传感器膜7c和第四传感器膜7d之间最短的线。

基座片15用于固定传感器部件于一个设备或其他结构，例如于一个听诊器。传感器板14用于感知垂直于板的力。力产生了属于在相反的传感器膜上相同极性的信号，并且由于第一和/或第二对传感器膜的相反极性，信号不能抵消。示意图显示了正方形的传感器板14和基座片15以及矩形传感器7a-d。实际当中，传感器板14和基座片15可以是任意形状。然而，为了得到无用信号的良好消除效果，任意对的传感器膜是彼此的镜像（就极性而言），并且结构是对称的。传感器板也可以通过连续的外层薄膜连接传感器膜来实施。

图8是传感器感应垂直于感应板/圈（信号采集的首先轴）的力的应用。作用力使得传感器膜7a-d类似地发生弯曲，传感器膜的输出可以通过加法放大器进行累加，如图9所示。这样使得经过放大器的信号输出增强，并且至少部分消除随机的电子噪音。图3A-B和图4A-B中的说明可以看出，作用于传感器板/圈的横向力或扭转力将产生电信号输出，当累加时，该电信号输出可以基本被消除。此外，作用于传感器膜的弯曲的预应力给予更高的灵敏度，从而产生一些优势。首先，从所期望的感测方向上离轴的无用信号的采集被减弱。第二，所期望感测方向上（由箭头表示）的灵敏度得到改善。所期望的感测方向可以是垂直于传感器板14面的方向。第三，信噪比得到改善。

在另一种配置中，传感器的输出可能直接在放大器的输入处累加，以致极大地简化了电子设备。

传感器部件的尺寸是可以扩展的，由可以制造的最大和最小的膜的尺寸所限制。

图8描述适合于小深度的传感器部件的传感器装置的一种形式。图10和11展示减小传感器的宽度要求的两种替代装置。上述中的第一个变型，图10展示由较窄带子形成的传感器膜在传感器板所包含的尺寸范围内允许弯曲。图11中第二个变型更改固定于板/圈上的膜的角度，并且是介于图6中的较宽解决方案和图10中宽度减小解决方案的一个折衷的解决方案。膜的带子变得越窄，就横向运动而言，部件的稳定性变差。因此，第二个变型，也即是图11中传感器10在这方面更好，同时还实现了整体宽度的减少。

图8中，当力作用于感应板/圈，部件表现出类似弹簧的特性。因此，结构可能拥有共振特性，其中在某些情况下该共振处于不期望的频率范围内。可以通过在基座片和传感器板之间增加一个阻尼器18来控制共振，包括连接顶部和底部板/圈的能够抑制共振的材料。阻尼器18在图12中被描述成共振控制的支柱，它可以是泡沫状材料、橡胶材料或其他任何可以变形同时减缓共振的材料。阻尼器18可能是任何弹性材料，用来减缓传感器板相对于基座片的运动。

图12中的方案提供有效共振控制，由于需求扭转结构的力增加，例如，与图8中的实施例相比较，该方案减少了传感器部件的最终的电信号输出。由于共振控制的要求提高，共振控制材料的刚度需要增强。

图13描述了传感器10的实施例。在该例中，传感器莫按照如下配置排列，围绕一个点同心复制，使得可用空间被利用。在该例中，有第一对传感器膜7a、7b，第二对传感器膜7a’、7b’和第三对传感器膜7a”、7b”。每一个附加的传感器可能表现出不同的刚度性质，无论是弯曲半径或膜强度变化。附加传感器的输出被提供给电子加法放大器。通过此种方法，由于每一个附加传感器对与其它传感器有不同的共振性质，因此传感器对将相互减缓，并使得共振得到控制。尽管结构是刚性的，由于每对传感器产生额外的信号，该信号可以被累加入最终输出，电子信号输出的整体损失降低。可以使用任意适当数量的对。在一个实施例中，在每个同心层上增加四个传感器，其中在矩形的相对侧成对彼此相对。

在图13的传感器中，传感器膜按照沿着一条直线逐渐远离传感器中心的方式成对排列。这可以也表达成，对于前四个传感器膜，第一传感器膜7a和第二传感器膜7b之间最短线基本平行于第三传感器膜7a’和第四传感器膜7b’之间最短线。考虑到第五传感器膜7a”和第六传感器膜7b”，第五传感器膜7a”和第六传感器膜7b”之间最短线也基本平行于第三传感器膜7a’和第四传感器膜7b’之间最短线。基本平行可以解释为小于30度的偏差。在一个实施例中，基本平行解释为小于10度的偏差。

图14是描述设置在壳体30中的传感器10的示意图。传感器10在这里安装在一个壳体结构。壳体和传感器与表面接触安置，以捕获其振动曲线。在此种情形下，干扰信号可能通过振动产生，并通过壳体传输入与传感器接触的表面。在这种情况下，附加的传感器27a-b被附加到所述壳体，并且它们的输出累加入整体传感器输出。传感器27a-b可能是如图5所示的类型或其他接触式传感器。附加传感器27a-b可以被定位于产生壳体产生噪音的逆转或在累加之前使用一个反相放大器来消除壳体的噪音。

此处呈现的实施例可以就像相关传感器一样广泛应用。其使用可以扩展到肺、心脏和肠的声音的采集的医疗环境中，例如在电子听诊器中。其可以使用到通用振动传感的工业应用中。尽管主要用于接触式传感器，其灵敏度允许其可以应用于气体和液体环境中的波压力传感，同时保持增强的方向特性。

图15是描述根据本文所述的任何实施例中的传感器10组成的电子听诊器40的部分的示意图。听诊器可能包括其他此处没有显示的部件，例如扬声器/头戴耳机、处理器、过滤器和处理器等。

这里如下列举实施方案的清单。

I. 传感器包括：

传感器板；

基座片；和

第一对传感器膜，每一对连接在传感器板和基座片之间，其中传感器膜允许传感器板相对于基座片的移动。

II. 根据实施例I所述的传感器，进一步包括第二对传感器膜。

III. 根据实施例II所述的传感器，其中第一和第二对传感器膜按照如下排列，相对于在沿着传感器板的第二方向上的平面运动，在沿着传感器板的第一方向上的，相对于基座片的传感器板的平面运动受到更多的限制。

IV. 根据实施例III所述的传感器，其中根据传感器板和基座片之间的测量，第一对传感器膜比第二对传感器膜要长，因此，第一对传感器膜比第二对传感器膜弯曲的更多。

V. 听诊器包括任意前述的实施例I到V中的传感器。

上述主要描述的发明参考了一些实施例。然而，正如可容易地被本领域技术人员所理解，其他非本发明上述公开的实施例也同样可能在本发明的范围内，正如由所附的专利权利要求所限定的。

Claims (16)

1.传感器(10)，包括：

传感器板(14)；

传感器基座片(15)；以及

第一传感器膜(7a)和第二传感器膜(7b)，每一个传感器膜包含一个正电极性侧和一个负电极性侧；

其特征在于，第一传感器膜(7a)和第二传感器膜(7b)中的每一个都安装在传感器板(14)和基座片(15)之间，并允许传感器板(14)在平行于基座片(15)的方向上运动；并且

第一传感器膜(7a)和第二传感器膜(7b)按照如下安装：它们各自的正电极性侧彼此面对或彼此背对。

2.根据权利要求1中所述的传感器，其特征在于每一个传感器膜都是一块力传感器膜。

3.根据权利要求1中所述的传感器，其特征在于每一块传感器膜配置为产生一个基于垂直于沿传感器膜的一侧的传感器膜平面的分力的传感信号。

4.根据权利要求1中所述的传感器，其特征在于第一传感器膜(7a)和第二传感器膜(7b)按照如下安装：它们各自的负电极性侧彼此面对或彼此背对。

5.根据权利要求1中所述的传感器，该传感器进一步包括第三传感器膜(7c，7a’)和第四传感器膜(7d，7b’)，每一个传感器膜包含一个正电极性侧和一个负电极性侧，其特征在于第三传感器膜(7c，7a’)和第四传感器膜(7d，7b’)中的每一个都安装在传感器板(14)和基座片(15)之间，并允许发生与基座片(15)相关的传感器板(14)运动，并且第三传感器膜(7c，7a’)和第四传感器膜(7d，7b’)按照如下安装：它们各自的正电极性侧彼此面对或彼此背对。

6.根据权利要求5中所述的传感器，其特征在于传感器膜按照如下布置：传感器板在沿着传感器板的第一方向上，相对于基座片的平面运动比在沿着传感器板的第二方向上的运动受到更多的限制。

7.根据权利要求5中所述的传感器，其特征在于根据沿着介于传感器板和基座片之间的相应传感器膜的测量结果，第三传感器膜(7c)和第四传感器膜(7d)中的每一个比第一传感器膜(7a)和第二传感器膜(7b)中的每一个要长。

8.根据权利要求5中所述的传感器，其特征在于第一传感器膜(7a)和第二传感器膜(7b)之间最短的线基本垂直于第三传感器膜(7c)和第四传感器膜(7d)之间最短的线。

9.根据权利要求5中所述的传感器，其特征在于第一传感器膜(7a)和第二传感器膜(7b)之间最短的线基本平行于第三传感器膜(7a’)和第四传感器膜(7b’)之间最短的线。

10.根据权利要求9中所述的传感器，该传感器进一步包括与其它传感器膜(7a,7b,7a’,7b’)相同类型的第五传感器膜(7a”)和第六传感器膜(7b”)，第五传感器膜(7a”)和第六传感器膜(7b”)安装于基座片(15)和传感器板(14)之间，第五传感器膜(7a”)和第六传感器膜(7b”)之间最短的线基本平行于第三传感器膜(7a’)和第四传感器膜(7b’)之间最短的线。

11.根据权利要求9中所述的传感器，其特征在于第一传感器膜(7a)和第二传感器膜(7b)有第一刚度，第三传感器膜(7a’)和第四传感器膜(7b’)有不同于第一刚度的第二刚度。

12.根据权利要求1中所述的传感器，该传感器进一步包括一个组合器(3)，该组合器将来自于每一个传感器膜的信号组合并提供给一个组合信号输出器。

13.根据权利要求12中所述的传感器，其特征在于组合器(3)是一个加法放大器。

14.根据权利要求1中所述的传感器，其特征在于每一个传感器膜是压电薄膜。

15.根据权利要求1中所述的传感器，该传感器进一步包括布置在所述基座片和所述传感器板之间的阻尼器(18)。

16.电子听诊器，包括根据权利要求1中所述的传感器。