CN108513241B - 振动传感器和音频设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种振动传感器和音频设备，振动传感器包括外壳，所述外壳形成有容纳腔，该容纳腔形成有开口；电路板组件，该电路板组件与所述外壳固定连接，并将所述开口封堵；MEMS麦克风，该MEMS麦克风设于所述电路板组件的一表面，并位于容置于所述容纳腔内，该MEMS麦克风所述电路板组件电性连接；第一振膜，该第一振膜设置于所述容纳腔的内壁面；质量块，该质量块贴合设置于所述第一振膜的表面；在外壳背离容纳腔的一侧输入振动信号或压力信号时，第一振膜和质量块振动，带动容纳腔内的气压产生变化。本发明技术方案旨在使振动传感器对高频振动和低频振动均具备较好的振动响应，从而提升振动传感器应用于音频领域的效果。

Description

振动传感器和音频设备
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种振动传感器和应用该振动传感器的音频设备。
背景技术
目前现有的MEMS振动传感器包括振动感应装置及将振动转化为电信号的振动检测装置，由于振动感应装置及振动检测装置均集成于一起，并且由于振动检测装置采用压电或电容式的感应，在受到压力直接挤压接触的情况下才能感应，使得其对低频<500Hz的振动敏感，但对高频>1kHz的振动响应很低，应用于音频领域的效果较差。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种振动传感器，旨在使振动传感器对高频振动和低频振动均具备较好的振动响应，从而提升振动传感器应用于音频领域的效果。
为实现上述目的，本发明提供的振动传感器，包括：
外壳，所述外壳形成有容纳腔，所述容纳腔形成有开口；
电路板组件，所述电路板组件与所述外壳固定连接，并将所述开口封堵；
MEMS麦克风，所述MEMS麦克风设于所述电路板组件的一表面，并位于容置于所述容纳腔内，所述MEMS麦克风所述电路板组件电性连接；
第一振膜，所述第一振膜设置于所述容纳腔的内壁面；
质量块，所述质量块贴合设置于所述第一振膜的表面；
在所述外壳背离容纳腔的一侧输入振动信号或压力信号时，所述第一振膜和所述质量块振动，带动所述容纳腔内的气压产生变化。
可选地，所述电路板组件还设有ASIC芯片，所述ASIC芯片容置于所述容纳腔内，并与所述MEMS麦克风电性连接。
可选地，所述电路板组件包括第一电路板，所述外壳设于所述第一电路板的一表面，所述第一电路板还设有贯穿孔；
所述MEMS麦克风包括包括第一支架和第二振膜，所述第一支架环绕贯穿孔设置，所述第二振膜固定于所述第一支架，并罩盖所述贯穿孔设置。
可选地，所述电路板组件还包括第二电路板，所述第一电路板和第二电路板之间形成有谐振腔，所述外壳设于所述第一电路板背离所述谐振腔的一表面，所述贯穿孔连通所述容纳腔和所述谐振腔；
且/或，所述第一振膜设于所述外壳正对所述第二振膜的表面。
可选地，所述第一振膜与所述第二振膜的距离h为：0.1mm≤h≤1mm。
可选地，所述外壳的内壁面还设有第二支架，所述第二支架呈环状设置，所述第一振膜的边缘固定于所述第二支架，并与所述第二支架围合形成振动空间，所述第一振膜正对所述第二振膜设置。
可选地，所述第一振膜在上下方向的投影面积大于所述第二振膜在上下方向的投影面积。
可选地，所述质量块的边缘与所述第二支架固定连接。
可选地，所述第二支架形成有第一通气孔，所述通气孔将所述振动空间与所述容纳腔连通；
且/或，所述第一振膜和所述质量块均形成有第二通气孔，所述第二通气孔将所述振动空间与所述容纳腔连通。
本发明还提出一种音频设备，包括振动传感器，该振动传感器包括：
外壳，所述外壳形成有容纳腔，所述容纳腔形成有开口；
电路板组件，所述电路板组件与所述外壳固定连接，并将所述开口封堵；
MEMS麦克风，所述MEMS麦克风设于所述电路板组件的一表面，并位于容置于所述容纳腔内，所述MEMS麦克风所述电路板组件电性连接；
第一振膜，所述第一振膜设置于所述容纳腔的内壁面；
质量块，所述质量块贴合设置于所述第一振膜的表面；
在所述外壳背离容纳腔的一侧输入振动信号或压力信号时，所述第一振膜和所述质量块振动，带动所述容纳腔内的气压产生变化。
本发明的技术方案通过将外壳与电路板组件相互固定，使外壳形成的容纳腔被封堵，并在该容纳腔内设置与电路板组件电性连接的MEMS麦克风，以及在该容纳腔内设置第一振膜和质量块。当需要使用振动传感器时，在外壳背离容纳腔的一侧输入振动信号或压力信号，第一振膜和质量块被该振动信号或压力信号激励，质量块和第一振膜产生振动，从而容纳腔的气体产生振动，以使容纳腔内的气压产生变化，由于MEMS麦克风和被检测的介质(容纳腔内的空气)位于同一容纳腔内，MEMS麦克风可以较好的感应容纳腔内气体产生的振动，并将感应到的信息转换成可以检测的电信号，传递到电路板组件。如此，本发明的技术方案可以使振动传感器对高频振动和低频振动均具备较好的振动响应，从而提升振动传感器应用于音频领域的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明振动传感器一实施例的结构示意图。
附图标号说明：
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种振动传感器100。
参照图1，本发明技术方案提出的振动传感器100包括：
外壳31，所述外壳31形成有容纳腔313，所述容纳腔313形成有开口；
电路板组件11，所述电路板组件11与所述外壳31固定连接，并将所述开口封堵；
MEMS麦克风13，所述MEMS麦克风13设于所述电路板组件11的一表面，并位于容置于所述容纳腔313内，所述MEMS麦克风13所述电路板组件11电性连接；
第一振膜332，所述第一振膜332设置于所述容纳腔313的内壁面；
质量块334，所述质量块334贴合设置于所述第一振膜332的表面；
在所述外壳31背离容纳腔313的一侧输入振动信号或压力信号时，所述第一振膜332和所述质量块334振动，带动所述容纳腔313内的气压产生变化。
本发明的技术方案通过将外壳31与电路板组件11相互固定，使外壳31形成的容纳腔313被封堵，并在该容纳腔313内设置与电路板组件11电性连接的MEMS麦克风13，以及在该容纳腔313内设置第一振膜332和质量块334。当需要使用振动传感器100时，在外壳31背离容纳腔313的一侧输入振动信号或压力信号，第一振膜332和质量块334被该振动信号或压力信号激励，质量块334和第一振膜332产生振动，从而容纳腔313的气体产生振动，以使容纳腔313内的气压产生变化，由于MEMS麦克风13和被检测的介质(容纳腔313内的空气)位于同一容纳腔313内，MEMS麦克风13可以较好的感应容纳腔313内气体产生的振动，并将感应到的信息转换成可以检测的电信号，传递到电路板组件11。如此，本发明的技术方案可以使振动传感器100对高频振动和低频振动均具备较好的振动响应，从而提升振动传感器100应用于音频领域的效果。
在本申请的一实施例中，MEMS麦克风13可以通过焊锡实现与电路板组件11的电性连接诶，外壳31可以通过胶接件与电路板组件11固定，或者通过卡扣或连接件与电路板组件11固定，只要便于MEMS麦克风13可以较好的感应容纳腔313内气体产生的振动即可。
进一步地，所述MEMS麦克风13为MEMS(Microelectro Mechanical Systems，微机电系统)麦克风，所述电路板组件11还设有ASIC芯片115，所述ASIC芯片115容置于所述容纳腔313内，并与所述MEMS麦克风13电性连接。MEMS麦克风13在不同温度下的性能都十分稳定，其敏感性不会受温度、振动、湿度和时间的影响。由于耐热性强，MEMS麦克风13可承受260℃的高温回流焊，而性能不会有任何变化。由于组装前后敏感性变化很小，还可以节省制造过程中的音频调试成本。ASIC(Application Specific Integrated Circuit)芯片为MEMS麦克风13提供外部偏置，有效的偏置将使MEMS麦克风13在整个操作温度范围内都可保持稳定的声学和电气参数，还支持具有不同敏感性的麦克风设计。
在本申请的一实施例中，所述电路板组件11包括第一电路板111，所述外壳31设于所述第一电路板111的一表面，所述第一电路板111还设有贯穿孔1111；
所述MEMS麦克风13还包括第一支架1311和第二振膜1312，所述第一支架1311环绕贯穿孔1111设置，所述第二振膜1312固定于所述第一支架1311，并罩盖所述贯穿孔1111设置。
在本实施例中，MEMS麦克风13的制造过程是，首先在晶圆上沉积数层不同的物质，然后蚀去无用的物质，在基础晶片形成一个腔室，在腔室覆盖一层能够运动的振膜(即第二振膜1312)和一个固定的背板(即第一支架1311).背板具有较好的刚性，采用通孔结构。第二振膜1312较薄，易弯曲。当气压变换时，第二振膜1312会随着气压变化而弯曲，第二振膜1312弯曲时其与第一支架1311之间的电容量将会变化，从而ASIC芯片15可以将这种电容信号转换成电信号。电路板组件11可以为单独的一块电路板，如此设置将贯穿孔1111与外部连通，最大的减小了第二振膜1312的振动阻力。需要说明的是，如此设置时应考虑外部噪声的进入，从而减少第二振膜1312的多余振动。
在本申请的一实施例中，所述电路板组件11还包括第二电路板112，所述第一电路板111和第二电路板112之间形成有谐振腔113，所述振动感应装置30设于所述第一电路板111背离所述谐振腔113的一表面，所述贯穿孔1111连通所述容纳腔313和所述谐振腔113；
且/或，所述第一振膜332设于所述外壳31正对所述MEMS麦克风13的表面。
当振动感应装置30背离容纳腔313的一侧输入振动信号或压力信号(在此定义为振动源)，从而容纳腔313的气体产生振动，振动的气体带动第二振膜1312产生振动，由于第二振膜1312罩盖贯穿孔1111，并且在贯穿孔1111的另一侧设置谐振腔113，第二振膜1312进行细微振动时，容易将振膜远离振动源的一侧进行压缩，从而减小第二振膜1312的振动阻力，使其能够容易地在细微的空气振动下产生振动响应，从而使MEMS麦克风13的灵敏度较高。可以理解的是，该谐振腔113的体积越大越好，越大的谐振腔113，其空气较多，便于第二振膜1312的振动。在本申请的一实施例中，谐振腔113的体积为0.1-5mm3，如此设置一方面可以使第二振膜1312较好的振动，另一方面可以减少振动传感器100的体积，其综合性较高。可以理解的是，第一电路板111和第二电路板112可以通过设置支撑块114，从而形成谐振腔113。
在本实施例中，该外壳31大致呈顶部为矩形的直四棱柱状设置，该外壳31的材质可以采用金属(金属的材质可选择不锈钢材料、铝质材料，铝合金材料、铜质材料、铜合金材料、铁质材料、铁合金材料等)、塑料(塑料可选择硬质塑料，如ABS、POM、PS、PMMA、PC、PET、PBT、PPO等)，以及其他合金材料等。如此，更加有利于提升外壳31的设置稳定性，从而有效提升外壳31的实用性、可靠性、及耐久性。
外壳31受到外部振动或压力的影响后，第一振膜332和质量块334产生振动，从而容纳腔313内部的空气产生振动，引起气体压力变化，气压变化被MEMS麦克风13接收，从而转化成可被检测的电信号输出。并且将第一振膜332和MEMS麦克风13的第二振膜1312设于容纳腔313内，便于经过第一振膜332振动后产生的气压变化，可以被MEMS麦克风13直接感应，气压不会由于经过孔洞被衰减而减少气压的能量，从而可以使MEMS麦克风13最准确的检测到气压的变化。
在本申请的一实施例中，外壳31包括顶板311和自顶板311延伸的侧板312，该顶板311和侧板312共同围合形成容纳腔313，该第一振膜332与顶板311固定连接，设于顶板311可以便于传递顶板311的压力或振动，从而使容纳腔313内的气压产生变化；
或者该第一振膜332与侧板312固定连接，设于顶板311可以便于传递侧板312的压力或振动，从而使容纳腔313内的气压产生变化。
将第一振膜332设于外壳31正对MEMS麦克风13的表面，便于MEMS麦克风13直接感应第一振膜332引起的气压变化，从而提高振动传感器100的传感效果。
在本申请的一实施例中，所述第一振膜332与所述第二振膜1312的距离h为：0.1mm≤h≤1mm。需要说明的是，该距离h具体指，在上下方向，第一振膜332与第二振膜1312之间的距离，该距离可以为二者最靠近的两个点之间的连线形成的距离。当第一振膜332与第二振膜1312的距离小于0.1mm时，容易导致第一振膜332在振动的情况下触碰到第二振膜1312，从而引起振动能量的损失，当第一振膜332与第二振膜1312的距离大于1mm时，第一振膜332在细微振动下产生振动引起的气压变化，不容易被第二振膜1312感应。当第一振膜332和第二振膜1312之间的距离处于0.1mm≤h≤1mm时，可以较好地使第二振膜1312感应第一振膜332引起的气压变化。该距离h还可以为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm，只要便于使第二振膜1312感应第一振膜332引起的气压变化即可。
在本申请的一实施例中，所述外壳31的内壁面还设有第二支架331，所述第二支架331呈环状设置，所述第一振膜332的边缘固定于所述第二支架331，并与所述第二支架331围合形成振动空间333，所述第一振膜332正对所述第二振膜1312设置。
可以理解的是，第二支架331环绕顶板311设置，或者第二支架331环绕侧板312，横隔于顶板311和第二振膜1312之间，将其设置成环状结构便于第一振膜332位于振动空间333的部分振动，通过第一振膜332振动可以较好的将容纳腔313内的气体进行振动，从而引起气压变化。
在本申请的一实施例中，所述第一振膜332在上下方向的投影面积大于所述第二振膜1312在上下方向的投影面积。第一振膜332与容纳腔313内气体的接触面积更大，使其可以更好地振动气体，第二振膜1312的面积较小，使MEMS麦克风13会对由安装在同一PCB上的扬声器引起的PCB噪声产生更低的振动耦合，方便使用。
在本申请的一实施例中，所述质量块334的边缘与所述第二支架331固定连接。
设置质量块334可以让其在接收振动或压力信号后，带动第一振膜332振动，从而引起压力变化。质量块334可以使振动感应装置30的感应效果更好，可以在细微振动下具有更敏感的响应。该质量块334的质量m可以为0.003mg≤m≤0.5mg，当质量块334的质量过小，或过大都不利于质量块334带动第一振膜332的振动。为了使振动感应装置30的灵敏度较高，可以将质量块334的质量m设置为0.004mg、0.004mg、0.005mg、0.008mg、0.009mg、0.01mg、0.03mg、0.05mg、0.08mg、0.09mg、0.1mg、0.2mg、0.3mg、0.4mg等。该质量块334可以为弹片、横梁或其他结构，在与第一振膜332振动时，为第一振膜332提供支撑。以及，该质量块334的边缘还可以与第二支架331连接，从而更好地为第一振膜332提供支撑，可以理解的是，该质量块334与第二支架331连接后，应保证第一振膜332仍具备振动功能。
在本申请的一实施例中，该质量块334的厚度由边缘至中心逐渐增加，从而使其振动的效果更好。
在本申请的一实施例中，所述第二支架331形成有第一通气孔，所述通气孔将所述振动空间333与所述容纳腔313连通；
且/或，所述第一振膜332和所述质量块334均形成有第二通气孔，所述第二通气孔将所述振动空间333与所述容纳腔313连通。
在第一振膜332振动时，封闭的振动空间333会对第一振膜332的振动产生振动阻力，不利于第一振膜332带动容纳腔313内的气体振动，从而引起气压变化，设置第一通气孔可以使振动空间333于外部连通，从而减小第一振膜332振动时的阻力，其机理类似第二振膜1312，在此不作赘述。该第一通气孔的数量和位置可以根据实际需要进行设定，只要便于减小第一振膜332的振动阻力即可。
同样的，该第二通气孔与第一通气孔的效果一样，在本申请的实施例中，可以单独采用设置第一通气孔或设置第二通气孔或者第一通气孔与第二通气孔结合的方案，只要便于减小第一振膜332的振动阻力即可。
本发明还提出一种音频设备(未图示)，该音频设备包括振动传感器100，该振动传感器100包括：外壳31，所述外壳31形成有容纳腔313，所述容纳腔313形成有开口；
电路板组件11，所述电路板组件11与所述外壳31固定连接，并将所述开口封堵；
MEMS麦克风13，所述MEMS麦克风13设于所述电路板组件11的一表面，并位于容置于所述容纳腔313内，所述MEMS麦克风13所述电路板组件11电性连接；
第一振膜332，所述第一振膜332设置于所述容纳腔313的内壁面；
质量块334，所述质量块334贴合设置于所述第一振膜332的表面；
在所述外壳31背离容纳腔313的一侧输入振动信号或压力信号时，所述第一振膜332和所述质量块334振动，带动所述容纳腔313内的气压产生变化。
可以理解的是，该音频设备可以为骨传导麦克风。该音频设备还包括安装孔，从而便于将振动传感器100的外壳部分显露，从而便于感应振动。
由于本音频设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种振动传感器，其特征在于，包括：
外壳，所述外壳形成有容纳腔，所述容纳腔形成有开口；
电路板组件，所述电路板组件与所述外壳固定连接，并将所述开口封堵；
MEMS麦克风，所述MEMS麦克风设于所述电路板组件的一表面，并位于容置于所述容纳腔内，所述MEMS麦克风所述电路板组件电性连接；
第一振膜，所述第一振膜设置于所述容纳腔的内壁面；
质量块，所述质量块贴合设置于所述第一振膜的表面；
在所述外壳背离容纳腔的一侧输入振动信号或压力信号时，所述第一振膜和所述质量块振动，带动所述容纳腔内的气压产生变化；
所述电路板组件包括第一电路板，所述外壳设于所述第一电路板的一表面，所述第一电路板还设有贯穿孔；
所述电路板组件还包括第二电路板，所述第一电路板和第二电路板之间形成有谐振腔，所述外壳设于所述第一电路板背离所述谐振腔的一表面，所述贯穿孔连通所述容纳腔和所述谐振腔；
其中，所述质量块的厚度由边缘至中心逐渐增加。
2.如权利要求1所述的振动传感器，其特征在于，所述电路板组件还设有ASIC芯片，所述ASIC芯片容置于所述容纳腔内，并与所述MEMS麦克风电性连接。
3.如权利要求2所述的振动传感器，其特征在于，所述MEMS麦克风包括第一支架和第二振膜，所述第一支架环绕贯穿孔设置，所述第二振膜固定于所述第一支架，并罩盖所述贯穿孔设置。
4.如权利要求3所述的振动传感器，其特征在于，所述第一振膜设于所述外壳正对所述第二振膜的表面。
5.如权利要求4所述的振动传感器，其特征在于，所述第一振膜与所述第二振膜的距离h为：0.1mm≤h≤1mm。
6.如权利要求3至5中任一项所述的振动传感器，其特征在于，所述外壳的内壁面还设有第二支架，所述第二支架呈环状设置，所述第一振膜的边缘固定于所述第二支架，并与所述第二支架围合形成振动空间，所述第一振膜正对所述第二振膜设置。
7.如权利要求6所述的振动传感器，其特征在于，所述第一振膜在上下方向的投影面积大于所述第二振膜在上下方向的投影面积。
8.如权利要求6所述的振动传感器，其特征在于，所述质量块的边缘与所述第二支架固定连接。
9.如权利要求8所述的振动传感器，其特征在于，所述第二支架形成有第一通气孔，所述通气孔将所述振动空间与所述容纳腔连通；
且/或，所述第一振膜和所述质量块均形成有第二通气孔，所述第二通气孔将所述振动空间与所述容纳腔连通。
10.一种音频设备，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的振动传感器。
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