CN109520608B - 声音/振动频谱分析设备及获取和分析频率信息的方法 - Google Patents

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Abstract

一种声音和振动频谱分析设备包括具有不同中心频率的多个谐振器，该多个谐振器被配置为获取声音和振动的频谱。该声音和振动频谱分析设备被配置为基于该多个谐振器中的至少一些谐振器的第一谐振模式的第一频率信号和二阶或更高谐振模式的第二频率信号来分析声音和振动的频谱。

Description

声音/振动频谱分析设备及获取和分析频率信息的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年9月19日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请No.10-2017-0120515的优先权，并在此通过参考引入其全部公开的内容。
技术领域
根据示例实施例的装置和方法涉及声音/振动频谱分析设备及获取和分析频率信息的方法。
背景技术
分析声音或振动的频谱的频谱分析仪可应用于移动电话、计算机、家电、汽车、智能家居环境等中的语音识别、发言人识别、情景识别等，或者可通过安装在建筑物、汽车、家电等中以用于分析振动信息。
可通过将输入到具有宽带特性的麦克风的声音信号通过模数转换器(ADC)以进行傅里叶变换来获得声音信号的频域信息。然而，在频率信息获取方法中，由于傅里叶变换，计算量可能很大，并且由于频率分辨率和时间分辨率存在折衷关系，难以同时提高时间信息和频率信息的分辨率。
发明内容
提供了包括谐振器阵列以获取声音和/或振动的频谱的声音/振动频谱分析设备。
提供了可提高分辨率，减少器件面积/尺寸，并提高单独谐振器的输出的声音/振动频谱分析设备。
提供了可获得极佳分辨率同时具有小尺寸的声音/振动频谱分析设备。
提供了与声音/振动频谱分析设备相关的获取和分析频率信息的方法。
根据示例实施例的一个方面，提供了一种声音和振动频谱分析设备，包括具有不同中心频率的多个谐振器，该多个谐振器被配置为获取声音和振动的频谱。该声音和振动频谱分析设备被配置为基于该多个谐振器中的至少一些谐振器的第一谐振模式的第一频率信号和二阶或更高谐振模式的第二频率信号来分析声音和振动的频谱。
该声音和振动频谱分析设备可进一步包括频带信号划分器，该频带信号划分器分离该多个谐振器中的该至少一些谐振器的第一谐振模式的第一频率信号和二阶或更高谐振模式的第二频率信号。
频带信号划分器可包括双讯器(diplexer)、双工器(duplexer)和三工器(triplexer)之一。
频带信号划分器可包括低通滤波器和高通滤波器，并且低通滤波器和高通滤波器均具有相同的截止频率。
频带信号划分器可具有介于该多个谐振器的第一谐振模式的第一谐振频率组和第二谐振模式的第二谐振频率组之间的截止频率。
该多个谐振器可包括n个谐振器，其中第一谐振器的第一谐振模式的第一谐振频率可为f_11，第一谐振器的第二谐振模式的第二谐振频率可为f_12，且第二至第n谐振器的第一谐振模式的谐振频率可介于第一谐振频率和第二谐振频率之间。
该多个谐振器的第一谐振模式的谐振频率可以相同的间隔线性排列。
该多个谐振器的第一谐振模式的谐振频率可以变化的间隔非线性排列。
该多个谐振器可包括第一谐振器和第二谐振器，第一谐振器和第二谐振器各自可以在第一谐振模式下具有相同的谐振频率，第一谐振器和第二谐振器可以在第二谐振模式下具有不同的谐振频率。
该声音和振动频率分析设备可包括数量为该多个谐振器数量的二倍或更多的有效频带滤波器。
该多个谐振器可包括机电谐振器结构。
该多个谐振器可包括悬臂结构。
该多个谐振器可进一步包括设置在悬臂结构上的质体。
该多个谐振器可包括第一组的第一谐振器，第一谐振器可具有不同的长度。
一种电子装置可包括该声音和振动频谱分析设备。
根据示例实施例的一个方面，提供了一种声音和振动频谱分析设备，包括：具有不同中心频率的多个谐振器，该多个谐振器被配置为获取声音和振动的频谱；以及频带信号划分器，分离该多个谐振器中的每个谐振器的第一谐振模式的第一频率信号和二阶或更高谐振模式的第二频率信号。
该声音和振动频谱分析设备可被配置为基于该多个谐振器中的每一个谐振器的分离的第一谐振模式的第一频率信号和二阶或更高谐振模式的第二频率信号来分析声音和振动的频谱。
频带信号划分器可包括双讯器、双工器和三工器之一。
频带信号划分器可包括低通滤波器和高通滤波器，并且低通滤波器和高通滤波器均可具有相同的截止频率。
频带信号划分器可具有介于该多个谐振器的第一谐振模式的第一谐振频率组和第二谐振模式的第二谐振频率组之间的截止频率。
该多个谐振器可包括n个谐振器，第一谐振器的第一谐振模式的第一谐振频率可为f_11，第一谐振器的第二谐振模式的第二谐振频率可为f_12，第二至第n谐振器的第一谐振模式的谐振频率可介于第一谐振频率和第二谐振频率之间。
根据示例实施例的一个方面，提供了一种使用具有不同中心频率的多个谐振器来分析声音和振动的频谱的方法，该方法包括获取该多个谐振器中的至少一些谐振器的第一谐振模式的第一频率信号，获取该多个谐振器中的该至少一些谐振器的第二谐振模式的第二频率信号，以及分析第一谐振模式的第一频率信号和第二谐振模式的第二频率信号中的每个。
该方法可进一步包括分离该多个谐振器中的该至少一些谐振器的第一谐振模式的第一频率信号和第二谐振模式的第二频率信号。
分离的第一谐振模式的第一频率信号和第二谐振模式的第二频率信号可通过该多个谐振器中的该至少一些谐振器中的单个谐振器同时输出。
该方法可进一步包括获取并分析该多个谐振器中的该至少一些谐振器的三阶或更高谐振模式的第三频率信号。
根据示例实施例的一个方面，提供了一种声音和振动频谱分析设备，包括基板、设置在基板上的膜以及设置在膜上的多个谐振器，该多个谐振器具有不同的中心频率，并且该多个谐振器被配置为获得声音和振动的频谱。该多个谐振器中的每一个包括设置在膜上的第一电极以及设置在膜上并与第一电极间隔开的第二电极。
第二电极的一端或两端可以设置在膜上。
第一电极可以与膜间隔开，并且第一电极的一端或两端可以设置在膜上。
附图说明
通过以下结合附图对示例实施例的描述，上述和/或其他方面将变得清楚和更容易理解，附图中：
图1A和1B是用于解释根据示例实施例的可应用于声音/振动频谱分析设备的谐振器的第一谐振模式和第二谐振模式的概念图；
图2是示出图1A和1B的第一谐振模式的谐振频率和第二谐振模式的谐振频率的示例的曲线图；
图3是根据示例实施例制造的谐振器阵列的示例的拍摄图像；
图4是示出图3的谐振器阵列的频带特性的曲线图；
图5是示出通过将双讯器连接到谐振器来分离第一谐振模式的频率信号和第二谐振模式的频率信号的过程的示意图；
图6是示出根据示例实施例的一起使用多个谐振器的第一谐振模式和第二谐振模式的频带滤波器阵列设计的示例的曲线图；
图7是示出使用多个谐振器将频率滤波器设计为具有第一谐振模式和第二谐振模式的情况的曲线图；
图8是说明根据比较例的谐振器阵列传感器中谐振器的数量、频率分辨率、器件面积、单个谐振器的输出之间的关系的图；
图9是示出根据比较例的谐振器阵列传感器和由此产生的谐振频率之间的关系的图；
图10是示出根据示例实施例的谐振器阵列传感器和由此产生的谐振频率之间的关系的图；
图11是示出根据另一示例实施例的谐振器阵列传感器和由此产生的谐振频率之间的关系的图；
图12是示出根据示例实施例，当使用多模信号的声音/振动频率分析设备通过使用多个谐振器制造时，与声音/振动频谱分析设备对应的频带特性的曲线图；
图13是示出根据另一示例实施例，当使用多模信号的声音/振动频率分析设备通过使用多个谐振器制造时，与声音/振动频谱分析设备对应的频带特性的曲线图；
图14是示出多个谐振器的第一谐振模式的谐振频率间隔改变的情况下的曲线图；
图15A和15B是示出两个谐振器的结构的示例的截面图；
图16A和16B是用于解释由图15的各个谐振器产生的第一谐振频率和第二谐振频率的曲线图；
图17是根据示例实施例的声音/振动频谱分析设备的结构的示意性透视图；
图18是根据另一示例实施例的声音/振动频谱分析设备的结构的示意性透视图；
图19是适用于图17和18的谐振器结构的示例的横截面图；
图20是根据另一示例实施例的声音/振动频谱分析设备的谐振器阵列的透视图；
图21是图20中的谐振器阵列所布置在的基板的结构的透视图；
图22是将图20的谐振器阵列与图21的基板组合得到的结构的透视图；
图23是根据另一示例实施例的谐振器的结构的截面图；
图24是根据另一示例实施例的谐振器的结构的截面图；
图25是根据另一示例实施例的谐振器的结构的截面图；
图26是根据另一示例实施例的谐振器的结构的截面图；
图27是根据另一示例实施例的谐振器的结构的截面图。
具体实施方式
现在详细参考示例实施例，其示例在附图中示出，其中相同的附图标记始终表示相同的元件。此外，为了便于解释和清楚，附图中示出的每一层的尺寸可能被放大。就这一点而言，本示例实施例可具有不同的形式，并且不可被解释为受限于本文所阐明的描述。因此，以下仅通过参考附图来描述示例实施例，以解释本公开的各个方面。在层结构中，当一组成元素被布置在另一组成元素的“上方”或“之上”时，该组成元素可以直接位于该另一组成元素之上，或者以非接触方式位于该另一组成元素上方。
现在，将参考示出了示例实施例的附图来更全面地描述示例实施例。
应当理解，当提及一元件“连接”或“耦合”到另一元件时，该元件可以直接连接或耦合到该另一元件，或者可以存在介于中间的元件。相比之下，当提及一元件“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。本文所使用的术语“和/或”包括关联列出的项目中一个或多个项目的任意和所有组合。
应当理解，虽然本文中可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于彼此区分元素、组件、区域、层或部分。因此，在不脱离示例实施例的教导的前提下，以下提到的第一元件、组件、区域、层或部分也可以称作第二元件、组件、区域、层或部分。
在此可以使用空间相对术语如“下方”、“之下”、“下”、“上方”、“上”等，以便于描述一个元件或特征相对于另一元件或特征在附图中示出的关系。应理解，空间相对术语旨在包括附图示出的方向以外设备在使用中或操作中的不同方向。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或者“之下”的元件将被定向为在其他元件或特征的“上方”。因此，术语“下方”可以包括上方和下方两种方位。设备可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，且可以相应地解释本文中使用的空间相对描述语。
本文使用的术语仅仅是为了描述示例实施例的目的，而不是要限制示例实施例。本文中使用的单数形式“一”，“一个”和“该”意在还包括复数形式，除非上下文明确地给出相反的指示。还应该理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，表明存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但是并没有排除存在或另外添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。
这里参照示意性图示理想示例实施例(和中间结构)的横截面图来描述示例实施例。因此，应预计到例如由于制造技术和/或公差造成的相对于所图示的形状的变化。因而，不应该将示例实施例解释为局限于这里所示的具体区域形状，而应包括例如由于制造而导致的形状偏差。例如，所示为矩形的注入区域可以在其边缘处具有圆形或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区域到非注入区域的二元变化。同样地，由注入形成的埋入区域可以导致在埋入区域和通过其进行注入的表面之间的区域中的一些注入。因此，附图中图示的区域本质上是示意性的，它们的形状不是要图示器件中区域的实际形状，也不是要限制示例实施例的范围。
除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与示例实施例所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。还应理解，术语诸如在常用词典中定义的术语应被解释为其含义与在相关技术的上下文中的含义相一致，而不应将其解释为理想化或过于形式化的含义，除非本文明确如此定义。
在下文中，参照附图详细描述根据示例实施例的声音/振动频谱分析设备以及获取和分析频率信息的方法。此外，为了便于解释和清楚，图中所示的层或区域的厚度或宽度可能被放大。附图中类似的参考标记表示相似构成元件。在下面的描述中，“声音和振动的频谱”可表示声音和/或振动的频谱，并且“声音/振动”可表示声音和/或振动。此外，声音频谱、声音检测设备中使用的“声音”可表示声音、声学、音频等。
图1A和1B是用于解释根据示例实施例的可应用于声音/振动频谱分析设备的谐振器的第一谐振模式和第二谐振模式的概念图。图1A示出了第一谐振模式的谐振行为，图1B示出了第二谐振模式的谐振行为。
图2是示出图1A和1B的第一谐振模式的谐振频率f1和第二谐振模式的谐振频率f2的示例的曲线图。
参照图1A、1B和图2，悬臂型谐振器可具有第一谐振模式(基谐振模式)和二阶或更高谐振模式(高阶谐振模式)。第二谐振模式的谐振频率f2可以大于第一谐振模式的谐振频率f1。谐振模式之间的频率间隔以及每个谐振点处的带宽可根据谐振器的形状或尺寸如宽高比而变化。尽管图示和描述了具有悬臂结构的谐振器，但谐振器的形状/结构可以改变。谐振器可以具有各种类型的机电结构。
例如，在图1A和1B中，第一谐振模式的角速度ω1和第二谐振模式的角速度ω2可以由以下等式表示。
Figure BDA0001631324430000081
Figure BDA0001631324430000082
这里，“E”表示谐振器的杨氏模量，“I”表示惯性矩，“m”表示质量，“L”表示长度。在这种情况下，二阶谐振频率f2可以是第一谐振频率f1的大约6.23倍。
图3是根据示例实施例制造的谐振器阵列的示例的拍摄图像。
参照图3，用于获取声音和振动的频谱的多个谐振器可具有不同的中心频率。中心频率可表示第一谐振模式的谐振频率。中心频率可根据谐振器的长度而变化。相应地，多个谐振器可被设计为具有不同的长度。尽管例示了改变谐振器长度的情况，但是可以通过改变长度、宽度、厚度和重量中的任何一个或任意组合来改变中心频率。
图4是示出图3的谐振器阵列的频带特性的曲线图。
参照图4，可以看出，从多个谐振器产生与第一谐振模式对应的多个第一谐振频率以及与第二谐振模式对应的多个二阶谐振频率。第一模式谐振频率可以相对均匀的间隔布置，二阶模式谐振频率可以在高于第一模式谐振频率的频带中以一定间隔布置。由谐振器中的任一个(相应谐振器)产生的二阶模式谐振峰的幅度(高度)大于或等于与之对应的第一模式谐振峰的幅度(高度)。二阶模式谐振峰的带宽表现为宽于第一模式谐振峰的带宽。
在本示例实施例中，可以通过使用第一谐振模式和二阶或更高谐振模式的全部特性来获取并分析声音和振动频谱。因此，可以从单个物理谐振器同时获取二个或更多个不同的频带滤波器特性。换句话说，可从单个谐振器确保多模频带特性。
根据示例实施例，可使用“频带信号划分器(频带信号分离器)”来分离第一谐振模式的频率信号(频带信号)和二阶或更高谐振模式的频率信号(频带信号)。频带信号划分器可包括双讯器(diplexer)、双工器(duplexer)或三工器。双讯器可包括与其耦合的低通滤波器(LPF)和高通滤波器(HPF)。LPF和HPF可具有相同的截止频率。双讯器可被设置为其中共享一个截止频率的LPF和HPF彼此耦合的设备或者设置为与其相对应的功能，或者可通过使用模拟电路或者数字滤波器来实现。三工器可包括LPF、带通滤波器和HPF。频带信号可由双讯器和双工器分成二个信号，由三工器分成三个信号。当使用第一、第二和第三阶谐振模式的所有信号时可使用三工器。频带信号划分器可包括多个带通滤波器或者多带通滤波器。
图5是示出通过将双讯器连接到谐振器来分离第一谐振模式的频率信号和第二谐振模式的频率信号的过程的示意图。
参照图5，作为频带信号划分器的示例的双讯器可连接到谐振器。双讯器可以是其中共享一个截止频率的LPF和HPF彼此耦合的设备或功能。由单个物理谐振器产生的第一谐振模式频率信号(谐振频率：f1)和第二谐振模式频率信号(谐振频率：f2)可由双讯器同时分离并输出。可在谐振器和双讯器之间进一步提供用于放大信号的读出放大器Amp。
通过将信号彼此分离来使用第一谐振模式信号和二阶或更高谐振模式信号可改善信号处理和分辨率。如果第一谐振模式信号和二阶或更高谐振模式信号未分离，信号可能以混合状态输出，这样可能不会提高分辨率。然而，在某些情况下，可以不使用频带信号划分器。
单个频带信号划分器可通过共同连接到多个谐振器来用于这多个谐振器。或者，频带信号划分器可以逐一连接到每个谐振器，或者多个谐振器分为多个组，然后为每个组提供一频带信号划分器。
图6是示出根据示例实施例的一起使用多个谐振器的第一谐振模式和第二谐振模式的频带滤波器阵列设计的示例的曲线图。
参照图6，以单个物理谐振器实现二个或更多个频带滤波器特性时，可以设计第一谐振模式的谐振频率组和第二谐振模式的谐振频率组，以平滑地(自然地)彼此连接。
假设多个谐振器包括n个谐振器，第一谐振器(最低频率谐振器)的第一谐振模式的谐振频率为f_11，第一谐振器的第二谐振模式的谐振频率为f_12，可将第二至第n个谐振器的第一谐振模式的谐振频率设计为安排在f_11和f_12之间。在图6中，“f_n1”表示第n个谐振器的第一谐振模式的谐振频率，“f_n2”表示第n个谐振器的第二谐振模式的谐振频率。在该状态下，频带信号划分器例如双讯器的截止频率可设置在多个谐振器中的第一谐振模式的谐振频率组和第二谐振模式的谐振频率组之间。
从总共n个物理谐振器中，可获得覆盖整个关注频率范围的(2×n)个滤波器布置效果。
图7是示出关于大约7kHz或更小的频率范围使用三十二(32)、六十四(64)和九十六(96)个谐振器将频带滤波器设计为具有第一和第二谐振模式的情况的曲线图。因此，可实现能够使用相对较少数量的谐振器来覆盖相对宽的频率范围的声音/振动频谱分析设备。
图8是说明根据比较例的谐振器阵列传感器中谐振器的数量、频率分辨率、器件面积、单个谐振器的输出之间的关系的图。根据比较例的谐振器阵列传感器具有多个谐振器，每个谐振器仅包括一个频带滤波器，即，一个信道。换句话说，每个谐振器中仅使用第一谐振模式信号。
参照图8，由于频带的分辨率与谐振器的数量相同，谐振器的数量增加以提高分辨率。然而，当谐振器的数量增加时，器件面积增加，因此小型化变难，应用领域受限，且成本提高。此外，为了在保持器件面积的同时增加谐振器的数量，要减小单个谐振器的尺寸。因此，可能会降低输出，并且可能会限制谐振频率的设计。
图9是示出根据比较例的谐振器阵列传感器和由此产生的谐振频率之间的关系的图。
参照图9，一个谐振频率可对应于每个谐振器。在这种情况下，谐振器的数量和有效频带滤波器的数量，即，信道数，可以是一样的。整个设备的宽度表示为W。
图10是示出根据示例实施例的谐振器阵列传感器(声音/振动频谱分析设备)和由此产生的谐振频率之间的关系的图。
参照图10，由于使用了第一谐振模式信号和第二谐振模式信号二者，与图9的比较例相比，可仅使用一半数量的谐振器即可确保相同数量的有效频带滤波器(信道)。当器件的宽度/面积减半时，可确保同样或更好的性能。此外，当通过使用二阶或更高谐振模式信号以减少谐振器数量，并且与减少的数量同样程度地增加单个谐振器的尺寸时，例如，当通过使用二阶谐振模式信号使谐振器的数量减半，同时使单个谐振器的尺寸加倍(对于相同区域)时，单个谐振器的输出可以增加。
图11是示出根据另一示例实施例的谐振器阵列传感器(声音/振动频谱分析设备)和由此产生的谐振频率之间的关系的图。
如图11所示，通过使用第一谐振模式和第二谐振模式二者，以图9的比较例相同数量的谐振器即可确保二倍的有效频带滤波器特性。换句话说，可以在具有相同面积的器件中确保二倍的有效信道数。当进一步使用多个谐振器中的至少一些谐振器的三阶谐振模式频率信号时，可获得二倍以上的频带滤波器特性。
图12和图13是示出根据示例实施例，当使用多模信号的声音/振动频率分析设备通过使用多个谐振器(六十四(64)谐振器)制造时，与声音/振动频谱分析设备对应的频带特性的曲线图。
图12示出第一谐振模式的谐振频率之间的间隔相对较窄的情况。图13示出第一谐振模式的谐振频率之间的间隔相对较宽的情况。当如图12所示第一谐振模式的谐振频率之间的间隔窄时，第一谐振模式组与第二谐振模式组之间可能存在损耗频带。然而，在图13的情况下，可以看出，第一谐振模式组与第二谐振模式组适当地连接，其间没有损耗频带。
假设多个谐振器包括n个谐振器，第n个谐振器(最大频率谐振器)的第一谐振模式的谐振频率为f_n1，第一个谐振器(最小频率谐振器)的第二谐振模式的谐振频率为f_12，第二谐振器的第二谐振模式的谐振频率为f_22，[(f_12)-(f_n1)]可以小于或等于约二倍于[(f_22)-(f_12)]的值。然而，这是一个例子，实施例并不限于此。根据设备的用途和类型，上述条件可能不能满足。
在图12和图13的示例实施例中，多个谐振器的第一谐振模式的谐振频率可以相同的间隔线性排列。在这种情况下，第二谐振模式的谐振频率可以相同的间隔线性排列。术语“相同的间隔”可以是包括近似和基本相同的间隔的概念。在另一示例实施例中，多个谐振器的第一谐振模式的谐振频率可以非线性排列，从而间隔可以改变。其一个例子在图14中示出。
图14是示出多个谐振器的第一谐振模式的谐振频率间隔改变的情况下的曲线图。参照图14，第一谐振模式的谐振频率可以非线性地布置为具有朝向图中右侧，即，在频率增加的方向上，间隔逐渐增加的趋势。具有类似趋势的第二谐振模式的谐振频率可以非线性地布置。每个谐振器的谐振特性可通过改变谐振器的长度、宽度、厚度和重量中的任一个或任意组合来控制。
应用于根据示例实施例的声音/振动频谱分析设备的多个谐振器可具有微尺度或更小的机电结构。谐振器可以用微机电系统(MEMS)工艺制造。此外，每个谐振器可具有带一个固定端的悬臂结构或二端固定的结构。此外，每个谐振器可以是挠性杆型的振动部(可移动部)以及设置在振动部(可移动部)上的质体。谐振器的谐振特性可根据振动部和质体的尺寸、重量等来控制。
根据附加的示例实施例，多个谐振器可包括第一和第二谐振器，并且第一和第二谐振器可具有相同的第一谐振模式的谐振频率和不同的第二谐振模式的谐振频率。这可以通过调整第一和第二谐振器的结构、尺寸等来实现。参考图15A、15B和图16A、16B来说明其示例。
图15A和15B是示出两个谐振器的结构的示例的截面图。图15A示出包括杆型的第一振动部(可移动部)1a和设置在其一端的第一质体2a的第一谐振器。图15B示出包括第二振动部1b和第二质体2b的第二谐振器。第一质体2a相对较轻(质量轻)，第二质体2b相对较重(质量重)。第一振动部1a的挠性区域的长度相对较长(长挠曲)，第二振动部1b的挠性区域的长度相对较短(短挠曲)。
图16A和16B是用于解释分别由图15A和15B的第一和第二谐振器产生的第一谐振频率f1和第二谐振频率f2的曲线图。图16A的曲线图示出关于图15A的第一谐振器的结果，图16B的曲线图示出关于图15B的第二谐振器的结果。参照图16A和16B，第一谐振器的第一谐振频率f1可与第二谐振器的第一谐振频率f1相同或基本相同。第一谐振器的第二谐振频率f2可与第二谐振器的第二谐振频率f2不同。第二谐振器的第二谐振频率f2可以大于第一谐振器的第二谐振频率f2。例如，第一谐振器的第二谐振频率f2可以是第一谐振器的第一谐振频率f1的大约七(7)倍。第二谐振器的第二谐振频率f2可以是第二谐振器的第一谐振频率f1的大约十二(12)倍。这样，可通过控制谐振器的结构/形状和尺寸来调整二阶谐振频率相对于第一谐振频率的相对量值，即它们之间的间隔。
在以下描述中，简要描述根据示例实施例的获取和分析频率信息的方法，即获取和分析声音/振动频谱的方法。结合参考图1A至图16B描述的声音/振动频谱分析设备的结构和原理来理解根据示例实施例的分析声音/振动频谱的方法。
根据示例实施例，使用具有不同中心频率的多个谐振器来分析声音/振动频谱的方法可包括：获取至少一些谐振器的第一谐振模式的频率信号，获取所述至少一些谐振器的第二谐振模式的频率信号，并分析第一谐振模式的频率信号和第二谐振模式的频率信号中的每一个。
所述分析方法可以进一步包括分离所述至少一些谐振器的第一谐振模式的频率信号和第二谐振模式的频率信号。在这种情况下，谐振器中的至少一个单独谐振器可同时输出第一谐振模式的频率信号以及与第一谐振模式的频率信号相分离的第二谐振模式的频率信号。此外，所述分析方法可进一步包括获取并分析所述至少一些谐振器的三阶或更高谐振模式的频率信号。
根据示例实施例，可以多种方式改变多个谐振器的布置方法或者每个谐振器的结构、尺寸等。在接下来的描述中，参考图17至图27描述多个谐振器的布置和谐振器的结构的示例。
图17是根据示例实施例的声音/振动频谱分析设备的结构的示意性透视图。
参照图17，根据本示例实施例的声音/振动频谱分析设备可包括支撑基板710和布置在其上的谐振器阵列730。可在支撑基板710中形成通孔H1。谐振器阵列730可布置在支撑基板710上通孔H1周围的区域中。谐振器阵列730可包括具有不同中心频率的多个谐振器R。每一谐振器R可具有其长度、宽度、厚度和重量中的任一个或任意组合与另一谐振器不同的结构。本示例实施例中，谐振器R中的至少一些具有不同的长度。谐振器R可通过围绕通孔H1的区域延伸到通孔H1的内部。通孔H1可提供谐振器R振动的空间。尽管通孔H1被图示为圆形，但是本公开不限于此，并且通孔H1可具有多边形形状或各种其他闭合曲线形状。谐振器R各自可具有大约几微米或更小的宽度，大约几微米或更小的厚度，大约几毫米或更小的长度。谐振器R可以MEMS工艺制造。谐振器R可响应于外部信号，在Z轴方向上沿竖直方向振动。
图18是根据另一示例实施例的声音/振动频谱分析设备的结构的示意性透视图。
参照图18，根据本示例实施例的声音/振动频谱分析设备可包括其中形成有矩形通孔H2的支撑基板810以及布置在其上的谐振器阵列830。谐振器阵列830可分为多个组G1和G2。第一组G1的谐振器R和第二组G2的谐振器R可彼此面对。第一组G1的谐振器R的长度可以在第一方向上增加，而第二组G2的谐振器R的长度可以在与第一方向相反的方向上增加。因此，由于该布置结构，可以减小所有谐振器R占据的空间。
可进一步提供连接到图17和图18的谐振器的“频带信号划分器”。频带信号划分器可包括例如双讯器、双工器或三工器。
图19是适用于图17和18的谐振器R中的一个谐振器的结构的示例的横截面图。
参照图19，谐振器R可包括固定于支撑基板810的固定部10、响应于声音/振动信号移动的移动部20以及感测移动部20的移动的感测部30。感测部30可与移动部20一起振动。因此，可以说移动部20与感测部30构成一个“振动部(移动部)”。另外，谐振器R可进一步包括质体40以向移动部20提供一定量的质量。
移动部20可以弹性膜形成。弹性膜可具有一定宽度以及大于宽度的长度。弹性膜的长度和宽度可以与质体40的质量一起是确定谐振器R的谐振特性的因素。弹性膜的材料可使用硅、金属、聚合物等。
感测部30可包括用于感测移动部20的移动的感测层。感测部30可包括例如压电器件。在这种情况下，感测部30可具有堆叠第一电极层、压电材料层和第二电极层的结构。压电材料层的材料，即压电材料可包括ZnO、SnO、锆钛酸铅(PZT)、ZnSnO3、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)(P(VDF-TrFE))、AlN、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)等。作为第一和第二电极层，可以使用金属或金属化合物材料或各种其他导电材料。
图20是根据另一示例实施例的声音/振动频谱分析设备的谐振器阵列的透视图。图21是图20中的谐振器阵列所布置在的基板的结构的透视图。图22是将图20的谐振器阵列与图21的基板组合得到的结构的透视图。图22是从基板110的底部观察的透视图。
参照图20至图22，声音/振动频谱分析设备可包括基板110、膜120和多个谐振器130。例如硅基板可用作基板110，但本公开不限于此，其他各种材料可用于此。空腔110a可从基板110的一个表面形成一定深度。
谐振器130可布置在膜120上。膜120可布置在基板110的表面上，覆盖空腔110a。在这种情况下，谐振器130可布置在空腔110a内。空腔110a的内部可保持为真空状态。空腔110a的内部可保持在比大气压低的压力下，例如，大约100托或更小的真空度，具体地，大约1000毫托或更小，但是本公开不限于此。虽然膜120可包括例如硅、氧化硅、氮化硅、金属或聚合物，但这仅是示例，并可使用各种其他材料。
膜120可被提供用于接收宽带的声音信号。例如，尽管膜120可被设置为接收范围在大约20Hz到大约20kHz的可听频带的声音信号，但是本公开不限于此。膜120可被设置为接收约20kHz或更高的超声波频带的声音/振动信号或约20Hz或更低的次声频带的声音/振动信号。
谐振器130可以在膜120的表面上的形式布置。谐振器130可设置在膜120的内表面上，面向形成在基板110中的空腔110a，以位于保持在真空状态的空腔110a的内部。这样，当外围保持真空状态时，谐振器130的Q因子(品质因子)可被改善。谐振器130可被设置为感测不同频带的声音/振动频率。为此，至少一些谐振器130可具有不同的尺寸。例如，至少一些谐振器130可具有不同的长度、宽度或厚度。尽管设置在膜120上的谐振器130的数量可以例如是几十到几千，但是本公开不限于此，谐振器130的数量可以根据设计条件而不同地改变。
每个谐振器130可具有能够以静电方法感测振动的结构。每个谐振器130可包括设置在膜120上的第一电极131以及面对第一电极131的第二电极132。第二电极132包括与第一电极131间隔设置的具有不同长度的多个第二电极132。各第二电极132的二端都可以固定到膜120。第一和第二电极131和132可包括导电材料，例如，具有优秀导电性能的金属或合金。然而，本公开不限于此，第一电极131和第二电极132可包括如氧化铟锡(ITO)等透明导电材料。
第一电极131可设置在膜120中接触空腔110a的内表面上。第一电极131可以是公共电极。与上述不同，第一电极131可以是与第二电极132对应设置的单独电极。与第一电极131间隔开设置的第二电极132可具有大约几微米或更小的宽度、大约几微米或更小的厚度以及大约几毫米或更小的长度。
在如上配置的谐振器130中，当第二电极132根据膜120的移动而振动时，第一电极131和第二电极132之间的间隔改变，并且相应地，第一电极131和第二电极132之间的电容改变。可以基于电容的变化来感测来自第一电极131和第二电极132的电信号。于是，每个谐振器130可以感测一定频带的声音/振动频率。谐振器130可感测的频带可基于谐振器130的尺寸如长度而确定。
可进一步提供连接到谐振器130的“频带信号划分器”。频带信号划分器可包括，如，双讯器、双工器或者三工器。
图23是根据另一示例实施例的谐振器230的结构的截面图。
参照图23，谐振器230可以是设置在膜120上的静电谐振器。可在膜120的内表面，即设置谐振器230处进一步形成第一绝缘层121。当膜120包括导电材料时，第一绝缘层121将谐振器230与膜120互相绝缘。当膜120由绝缘材料形成时，可不形成第一绝缘层121。
谐振器230可包括彼此间隔开设置的第一电极231和第二电极232以及设置在第二电极232面对第一电极231的表面上的第二绝缘层233。尽管图23示出仅在第二电极232上形成第二绝缘层233的示例，第二绝缘层233还可形成在第一电极231上或者第一电极231和第二电极232上。谐振器230可通过MEMS工艺制造为精细尺寸。
图24是根据另一示例实施例的谐振器330的结构的截面图。
参照图24，可在膜120的内表面，即提供谐振器330处形成第一绝缘层121。与第一电极331间隔开设置的第二电极332的一端固定在膜120上，而第二电极332的另一端可与第一电极131间隔开而不固定在膜120上。因此，谐振器330可具有悬臂结构。
图25是根据另一示例实施例的谐振器430的结构的截面图。
参照图25，与图23所示的谐振器230不同，谐振器430中，第二电极432的一端以及第二绝缘层433的一端固定在膜120上，并且另一端可与第一电极431间隔开而不固定在膜120上。
图26是根据另一示例实施例的谐振器530的结构的截面图。
如图26所示，谐振器530可以是设置在膜120上的压电谐振器。谐振器530可包括彼此间隔开设置的第一电极531和第二电极532以及设置在第一电极531和第二电极532之间的压电层533。第一电极531的两端都固定在膜120的内表面上，第一电极531的中心部分可与膜120隔开。压电层533可包括能够通过形变产生电能的压电材料。
在如上配置的谐振器530中，当谐振器530根据膜120的移动而振动时，设置在第一电极531和第二电极532之间的压电层533变形。基于压电层533的形变可感测来自第一电极531和第二电极532的电信号。因此，谐振器530可选择性地感测一定频带的声音/振动频率。谐振器530感测的频带可通过谐振器530的长度、宽度或厚度调整。
图27是根据另一示例实施例的谐振器630的结构的截面图。
参照图27，不同于图26中的谐振器530，在谐振器630中，第一电极631的一端、第二电极632的一端以及压电层633的一端都固定到膜120，而另一端与膜120隔开而不固定到膜120。
当谐振器630具有悬臂结构时，如参照图1所述，可能发生第一谐振模式的振动和二阶或更高谐振模式的振动。此外，当谐振器的两端都固定而中间部分振动时，可能发生第一谐振模式的振动和二阶或更高谐振模式的振动。在这种情况下，第一和第二谐振模式中谐振器的中间部分的振动的形态可能不同。另外，在单个谐振器中，第一谐振模式的谐振频率的振动和第二谐振模式的谐振频率的振动可以彼此独立地产生，或者可以同时产生。
参照图17至图27描述的谐振器的布置和结构为示例，并可以多种方式改变。各种布置形状和各种谐振器结构都是可能的。
根据示例实施例的上述声音/振动频谱分析设备和分析方法可应用于各种领域。例如，声音/振动频谱分析设备可以通过芯片型声学传感器来实现，并且可以应用于移动电话、计算机、家电、车辆和智能家居等环境中的语音识别、发言人识别、情景识别等。此外，声音/振动频谱分析设备可以通过芯片型振动传感器来实现，并且可以通过安装在建筑物、车辆、家电等上来用于分析振动信息。此外，声音/振动频谱分析设备可以用于减少或消除噪音，或改善通话质量的领域。另外，声音/振动频谱分析装置可以应用于各种领域，例如助听器、安全与防护等。
如在本发明构思的领域中常见的那样，以功能块、单元和/或模块来描述并在附图中示出示例实施例。本领域技术人员将理解，这些块、单元和/或模块通过诸如逻辑电路、分立组件、微处理器、硬连线电路、存储器元件、布线连接等电子(或光学)电路物理地实现，其中所述电子(或光学)电路可以使用基于半导体的制造技术或其它制备技术来形成。在块、单元和/或模块由微处理器等实现的情况下，它们可以使用软件(例如，微代码)来编程以执行本文讨论的各种功能，并且可以可选地由固件和/或软件驱动。备选地，每个块、单元和/或模块可以通过专用硬件实现或实现为执行一些功能的专用硬件和执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关联的电路)的组合。此外，在不脱离本发明构思的范围的情况下，实施例的每个块、单元和/或模块可以物理地分成两个或更多个交互和分立的块、单元和/或模块。此外，在不脱离本发明构思的范围的情况下，示例实施例的块、单元和/或模块可以物理地组合成更复杂的块、单元和/或模块。
可以理解，本文所述的示例实施例应当被认为仅是描述意义的，而不是为了限制目的。对每个示例实施例中特征或方面的描述可以视为可用于其他示例实施例中的其他类似特征或方面。
尽管已参考附图描述了示例实施例，但本领域普通技术人员将理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的多种改变。

Claims (20)

1.一种声音和振动频谱分析设备，包括：
具有不同中心频率的多个谐振器，所述多个谐振器被配置为获取声音和振动的频谱；以及
与所述多个谐振器连接的频带信号划分器，所述频带信号划分器被配置为分离所述多个谐振器中的至少一些谐振器的第一谐振模式的第一频率信号和二阶或更高谐振模式的第二频率信号，
其中所述声音和振动频谱分析设备被配置为基于所述多个谐振器中的所述至少一些谐振器的分离的第一谐振模式的第一频率信号和二阶或更高谐振模式的第二频率信号来分析声音和振动的频谱，以及
其中所述多个谐振器包括n个谐振器，
第一谐振器的第一谐振模式的第一谐振频率为f_11，
第一谐振器的第二谐振模式的第二谐振频率为f_12，以及
第二至第n谐振器的第一谐振模式的谐振频率介于第一谐振频率和第二谐振频率之间。
2.如权利要求1所述的声音和振动频谱分析设备，其中所述频带信号划分器包括双讯器、双工器和三工器之一。
3.如权利要求1所述的声音和振动频谱分析设备，其中所述频带信号划分器包括低通滤波器和高通滤波器，并且
低通滤波器和高通滤波器均具有相同的截止频率。
4.如权利要求1所述的声音和振动频谱分析设备，其中所述频带信号划分器具有介于所述多个谐振器的第一谐振模式的第一谐振频率组和第二谐振模式的第二谐振频率组之间的截止频率。
5.如权利要求1所述的声音和振动频谱分析设备，其中所述多个谐振器的第一谐振模式的谐振频率以相同的间隔线性排列。
6.如权利要求1所述的声音和振动频谱分析设备，其中所述多个谐振器的第一谐振模式的谐振频率以变化的间隔非线性排列。
7.如权利要求1所述的声音和振动频谱分析设备，其中所述多个谐振器包括第一谐振器和第二谐振器，
第一谐振器和第二谐振器各自在第一谐振模式下具有相同的谐振频率，并且
第一谐振器和第二谐振器在第二谐振模式下具有不同的谐振频率。
8.如权利要求1所述的声音和振动频谱分析设备，其中所述声音和振动频谱分析设备包括数量为所述多个谐振器的数量的二倍或更多的有效频带滤波器。
9.如权利要求1所述的声音和振动频谱分析设备，其中所述多个谐振器包括机电谐振器结构。
10.如权利要求1所述的声音和振动频谱分析设备，其中所述多个谐振器包括悬臂结构。
11.如权利要求10所述的声音和振动频谱分析设备，其中所述多个谐振器进一步包括设置在悬臂结构上的质体。
12.如权利要求1所述的声音和振动频谱分析设备，其中所述多个谐振器包括第一组的第一谐振器，并且
所述第一谐振器具有不同的长度。
13.一种包括如权利要求1所述的声音和振动频谱分析设备的电子装置。
14.一种声音和振动频谱分析设备，包括：
具有不同中心频率的多个谐振器，所述多个谐振器被配置为获取声音和振动的频谱；以及
与所述多个谐振器连接的频带信号划分器，所述频带信号划分器被配置为分离所述多个谐振器中的每个谐振器的第一谐振模式的第一频率信号和二阶或更高谐振模式的第二频率信号，
其中所述声音和振动频谱分析设备被配置为基于所述多个谐振器中的每一个谐振器的分离的第一谐振模式的第一频率信号和二阶或更高谐振模式的第二频率信号来分析声音和振动的频谱，以及
其中所述多个谐振器包括n个谐振器，
第一谐振器的第一谐振模式的第一谐振频率为f_11，
第一谐振器的第二谐振模式的第二谐振频率为f_12，以及
第二至第n谐振器的第一谐振模式的谐振频率介于第一谐振频率和第二谐振频率之间。
15.如权利要求14所述的声音和振动频谱分析设备，其中所述频带信号划分器包括双讯器、双工器和三工器之一。
16.如权利要求14所述的声音和振动频谱分析设备，其中所述频带信号划分器包括低通滤波器和高通滤波器，并且
低通滤波器和高通滤波器均具有相同的截止频率。
17.如权利要求14所述的声音和振动频谱分析设备，其中所述频带信号划分器具有介于所述多个谐振器的第一谐振模式的第一谐振频率组和第二谐振模式的第二谐振频率组之间的截止频率。
18.一种使用具有不同中心频率的多个谐振器分析声音和振动频谱的方法，所述方法包括：
获取所述多个谐振器中的至少一些谐振器的第一谐振模式的第一频率信号；
获取所述多个谐振器中的所述至少一些谐振器的第二谐振模式的第二频率信号；
分离所述多个谐振器中的所述至少一些谐振器的第一谐振模式的第一频率信号和第二谐振模式的第二频率信号；以及
基于所述多个谐振器中的所述至少一些谐振器的分离的第一谐振模式的第一频率信号和二阶或更高谐振模式的第二频率信号来分析声音和振动的频谱，
其中所述多个谐振器包括n个谐振器，
第一谐振器的第一谐振模式的第一谐振频率为f_11，
第一谐振器的第二谐振模式的第二谐振频率为f_12，以及
第二至第n谐振器的第一谐振模式的谐振频率介于第一谐振频率和第二谐振频率之间。
19.如权利要求18所述的方法，其中分离的第一谐振模式的第一频率信号和第二谐振模式的第二频率信号是通过所述多个谐振器中的所述至少一些谐振器中的单个谐振器同时输出的。
20.如权利要求18所述的方法，进一步包括获取并分析所述多个谐振器中的所述至少一些谐振器的三阶或更高谐振模式的第三频率信号。
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