CN110907029A - 振动感测装置的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动感测装置的校准方法。振动感测装置包括：壳体，在壳体的内部形成密闭的腔体；压力感测装置，压力感测装置被设置在腔体内，压力感测装置被配置为用于感测腔体内的压强；校准方法包括：至少压力感测装置响应第一振动信号，并输出第一电信号；根据第一电信号，调整振动感测装置的偏置电压；至少压力感测装置响应第二振动信号，并输出第二电信号；根据第二电信号和标准信号确定振动感测装置的增益值；将增益值设置到振动感测装置的电路中；其中，在至少压力感测装置响应第二振动信号，并输出第二电信号的步骤之前将压力感测装置与壳体组装在一起。

Description

振动感测装置的校准方法

技术领域

本发明涉及振动感测装置技术领域，更具体地，涉及一种振动感测装置的校准方法。

背景技术

振动感测装置，用于感测机械、人体等的振动信号。例如，在使用时，振动感测装置被设置在机械或者人体上。当发生振动时，振动感测装置能对振动进行响应，并转换为电信号。

振动感测装置通常包括壳体、振动获取单元和声学传感单元。振动获取单元和声学传感单元被设置在壳体内。振动获取单元响应外部的振动，并改变腔体内至少局部的压强。声学传感单元感测该压强的变化，并转换为电信号。

在通常情况下，振动感测装置的增益值是根据声学传感单元的增益值设置的。在被安装到腔体内之前，对声学传感单元进行校准。校准后的增益值被烧录到声学传感单元或者振动感测装置上，作为振动感测装置的增益值。在校准完成后，声学传感单元被组装到壳体内。

然而，在封装过程中，受到封装工艺、振动感测装置的内部结构的影响，振动感测装置的增益值往往与声学传感单元的增益值不同。这造成振动感测装置的灵敏度降低。

因此，需要提供一种新的技术方案，以解决上述至少一个技术问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种振动感测装置的校准方法的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种振动感测装置的校准方法。所述振动感测装置包括：壳体，在所述壳体的内部形成密闭的腔体；压力感测装置，所述压力感测装置被设置在所述腔体内，所述压力感测装置被配置为用于感测所述腔体内的压强；所述校准方法包括：至少压力感测装置响应第一振动信号，并输出第一电信号；根据所述第一电信号，调整所述振动感测装置的偏置电压；至少压力感测装置响应第二振动信号，并输出第二电信号；根据第二电信号和标准信号确定所述振动感测装置的增益值；将增益值设置到所述振动感测装置的电路中；其中，在所述至少压力感测装置响应第二振动信号，并输出第二电信号的步骤之前将所述压力感测装置与所述壳体组装在一起。

可选地，在所述至少压力感测装置响应第一振动信号，并输出第一电信号的步骤之前将所述压力感测装置与所述壳体组装在一起。

可选地，所述第一振动信号为声音信号或者机械振动信号。

可选地，在根据所述第一电信号，调整所述振动感测装置的偏置电压的步骤之后将所述压力感测装置与所述壳体组装在一起。

可选地，所述第一振动信号为声音信号。

可选地，所述振动感测装置还包括压力产生装置，所述压力产生装置位于所述腔体内，并将所述腔体分隔为至少两个密闭的腔室，所述压力产生装置被配置为用于响应第一振动信号以发生振动，所述压力感测装置被配置为用于感测所述两个所述腔室中任意一个的压强或者两个腔室的压强差。

可选地，所述压力产生装置包括振膜和设置在振膜上的质量元件，所述振膜的边缘与所述壳体形成密封连接。

可选地，所述质量元件包括所述压力感测装置。

可选地，所述压力感测装置为MEMS传感器。

可选地，所述压力感测装置为驻极体麦克风。

根据本公开的一个实施例，振动感测装置的校准包括第一次校准和第二次校准。在第一次校准之前，压力感测装置按照初始的偏置电压进行施加，并且没有设置增益值。初始的偏置电压是按照理论估算的电压，与实际需要的偏置电压存在差异。

在第一次校准时，振动感测装置响应第一振动信号输出第一电信号，通过对照标准参数表格，得到匹配的偏置电压。然后，将该偏置电压设置到振动感测装置(例如，烧录到压力感测装置)上。这样，在工作时，该偏置电压作用到压力感测装置上，以使压力感测装置在理想的状态下工作。

在第二次校准之前，即至少压力感测装置响应第二振动信号，并输出第二电信号的步骤之前，将压力感测装置组装到壳体内的腔体中，以形成完整的振动感测装置。

当响应第二振动信号输出的第二电信号偏离标准信号时，通过设置增益值，以使第二电信号达到理想的标准信号。

这样，第二次校准是针对振动感测装置的整体结构进行的校准。该校准过程考虑了壳体、以及振动感测装置的其他结构对感测效果的影响。因此，最终得到的校准效果优良。振动感测装置的灵敏度高。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本公开的一个实施例的振动感测装置的剖视图。

图2是根据本公开的一个实施例的校准方法的流程图。

附图标记说明：

11：感应膜；12：衬底；13：背腔；14：振膜；15：第一腔室；16：第二腔室；17：壳体；18：ASIC芯片；19：金属线。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据本公开的一个实施例，提供了一种振动感测装置的校准方法。振动感测装置为骨声纹传感器等。骨声纹传感器用于响应外界的振动并转换为电信号。振动可以是但不限于骨骼传导的音频振动、人体或动物体内关节处的振动、装置的机械振动等。

该振动感测装置包括：壳体和压力感测装置。在壳体的内部形成密闭的腔体。压力感测装置被设置在腔体内。压力感测装置被配置为用于感测腔体内的压强。例如，响应于外界的振动壳体发生形变，导致腔体容积发生变化，从而产生压强变化，或者腔体内的局部的容积发生改变，引起局部压强发生变化。

压力感测装置可以是但不局限于电容式压力传感器、压阻式压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器、压电式压力传感器等。

例如，压力感测装置为电容式压力传感器，例如MEMS麦克风或者驻极体麦克风。这两种麦克风均能感测腔体内至少局部的压强变化，灵敏度高。

如图2所示，振动感测装置的校准方法包括：

至少压力感测装置响应第一振动信号，并输出第一电信号；

根据第一电信号，调整振动感测装置的偏置电压；

至少压力感测装置响应第二振动信号，并输出第二电信号；

根据第二电信号和标准信号确定振动感测装置的增益值；

将增益值设置到振动感测装置的电路中；

其中，在至少压力感测装置响应第二振动信号，并输出第二电信号的步骤之前将压力感测装置与壳体组装在一起。

例如，第一振动信号可以是但不局限于声音信号或者机械振动信号。第二振动信号可以是但不局限于声音信号或者机械振动信号。在通常情况下，第一振动信号、第二振动信号均为预定频率、响度的信号。

第一电信号为电流信号、电压信号、电阻信号、电感信号、阻抗信号等。第二电信号为电流信号、电压信号、电阻信号、电感信号、阻抗信号等。

在调整振动感测装置的偏置电压时，根据第一振动信号、第一电信号和压力感测装置的物理特性确定偏置电压的大小，从而使得压力感测装置处于理想的工作状态。

标准信号是指，设定型号的压力感测装置响应标准的振动信号而产生的标准或者期望的电信号。标准信号与第二电信号的比值为增益值。例如，标准信号是在设定的振动信号下压力感测装置响应的理想的电信号。标准信号为电流信号、电压信号、电阻信号、电感信号、阻抗信号等。

例如，通过烧录的方式将增益值设置到振动感测装置的电路中。

在本公开实施例中，振动感测装置的校准包括第一次校准和第二次校准。在第一次校准之前，压力感测装置按照初始的偏置电压进行施加，并且没有设置增益值。初始的偏置电压是按照理论估算的电压，与实际需要的偏置电压存在差异。

在第一次校准时，振动感测装置响应第一振动信号输出第一电信号，通过对照标准参数表格，得到匹配的偏置电压。然后，将该偏置电压设置到振动感测装置(例如，烧录到压力感测装置)上。这样，在工作时，该偏置电压作用到压力感测装置上，以使压力感测装置在理想的状态下工作。

在第二次校准之前，即至少压力感测装置响应第二振动信号，并输出第二电信号的步骤之前，将压力感测装置组装到壳体内的腔体中，以形成完整的振动感测装置。

当响应第二振动信号输出的第二电信号偏离标准信号时，通过设置增益值，以使第二电信号达到理想的标准信号。

这样，第二次校准是针对振动感测装置的整体结构进行的校准。该校准过程考虑了壳体、以及振动感测装置的其他结构对感测效果的影响。因此，最终得到的校准效果优良。振动感测装置的灵敏度高。

在一个例子中，振动感测装置包括：壳体17、压力产生装置和压力感测装置。压力产生装置位于腔体内，并将腔体分隔为至少两个密闭的腔室。压力产生装置被配置为用于响应第一振动信号以发生振动。压力感测装置位于腔体内。压力感测装置被配置为用于感测两个腔室中任意一个的压强或者两个腔室的压强差。

图1是根据本公开的一个实施例的振动感测装置的剖视图。如图1所示，在壳体17的内部形成腔体。例如，壳体17的材质为金属、塑料或者PCB板。壳体17的形状可以是但不限于圆柱形、长方体形、球形、椭圆柱形、棱柱形等。

压力产生装置包括弹性元件和质量元件。弹性元件设置在腔体内。弹性元件用于为质量元件提供弹性回复力。例如，弹性元件为振膜14。振膜14包括连接部、围绕连接部设置的弹性部和围绕振动部设置的边缘部。弹性部能够发生弹性形变，从而提供弹性回复力。边缘部与壳体17(例如内壁)形成密封连接。

质量元件用于提供惯性，以获取外部的振动信号。质量元件通过振膜14悬置在腔体内，并能随振膜14一起在腔体内移动。例如，质量元件与连接部连接。质量元件和振膜14将腔体分隔为密闭的第一腔室15和第二腔室16。第一腔室15和第二腔室16具有设定的容积。两个腔室内密封预定压力的气体。气体为空气、氮气、惰性气体等。

在一个例子中，质量元件包括压力感测装置。在该例子中，不需要另外设置质量元件来感测振动。这使得振动感测装置的结构变得简单。

压力感测装置分别与第一腔室15和第二腔室16连通。压力感测装置用于感测第一腔室15和第二腔室16的压强差。例如，压力感测装置为电动式传感器、压电式传感器、涡流式传感器、电感式传感器、电容式传感器等。例如，压力感测装置为MEMS麦克风。

MEMS麦克风包括衬底12、背极和感应膜11。衬底形成背腔13。背腔13与第二腔室16连通。感应膜11和背极被设置在衬底12上，并与背腔13相对。感应膜11和背极分别作为电容器的两个极板。

在该例子中，MEMS麦克风通过金属线与设置在壳体17上的ASIC芯片连接。

当然，在其他示例中，MEMS麦克风与ASIC芯片18、基板(未示出)中的至少一个共同作为质量元件。

例如，基板的边缘与连接部连接。压力感测装置和ASIC芯片18被设置在基板上，三者共同作为质量元件。也可以是，仅MEMS麦克风被设置在基板上。

在该例子中，压力感测装置为一个，并且暴露于第一腔室15和第二腔室16。压力感测装置为电容式传感器，该传感器能直接感测两个腔室的压强差。

也可以是，压力感测装置为两个，分别感测两个腔室的压强，并通过处理装置的计算，得出两个腔室的压强差。

该感测方法包括：通过压力感测装置获取第一腔室15和第二腔室16之间的压强差；以及

通过压强差计算压力感测装置所在位置的振动状态。

在使用时，该振动感测装置被安装在待检测物体上，例如，人的关节、机器人的关节等。待检测物体的振动带动壳体17振动，由于质量元件的惯性以及弹性元件的弹性回复力的共同作用，故质量元件会相对壳体17发生振动。质量元件和弹性元件的振动使得第一腔室15和第二腔室16的体积发生变化，由于两个腔室都是密闭的腔室，故第一腔室15和第二腔室16内的气体的压强会发生变化。

在该例子中，压力感测装置用于感测第一腔室15或者第二腔室16的压强。压强信号转换为电信号，电信号经过计算从而得到待检测物体的振动状态。例如，振幅大小、振动频率等。

或者，压力感测装置用于感测第一腔室15和第二腔室16的压强差，并将压强差转换为电信号，例如电压信号、电流信号或者电容信号等。电信号经过计算从而得到待检测物体的振动状态。例如，振幅大小、振动频率等。

在其他示例中，MEMS麦克风的背腔13是封闭的。背腔13与第一腔室15、第二腔室16不连通。这样，MEMS麦克风用于感测第一腔室15或者第二腔室16的压强。这种方式同样能感测待检测物体的振动状态。

在其他示例中，压力感测装置设置在第一腔室15或者第二腔室16内。在振膜上设置有质量元件。压力感测装置被设置在壳体的内壁上。这种方式同样能感测待检测物体的振动状态。

在一个例子中，在至少压力感测装置响应第一振动信号，并输出第一电信号的步骤之前将压力感测装置与壳体组装在一起。例如，在进行第一次校准之前，先将MEMS麦克风、ASIC芯片、振膜等部件安装到壳体内，以形成完整的压力感测装置。

第一次校准是针对振动感测装置进行的校准。在第一次校准时，施加的偏置电压根据压力感测装置的初始的偏置电压进行施加。在响应第一振动信号并输出第一电信号后，根据第一电信号进行查表，确定理想的偏置电压。然后，将该偏置电压设置到振动感测装置的电路中。表格中数据是根据振动信号、电信号、以及不同压力感测装置的结构特性设定的偏置电压的值。振动感测装置的电路至少包括压力感测装置的电路以及压力感测装置以外的电气元件的电路。

例如，第一振动信号为声音信号或者机械振动信号。声音信号是指频率在人的听觉范围内振动信号；机械振动信号是指频率在人的听觉范围外的振动信号。上述振动信号均能作为标准的振动信号，以引起压力感测装置的响应。

在一个例子中，在根据第一电信号，调整振动感测装置的偏置电压的步骤之后将压力感测装置与壳体组装在一起。

在该例子中，第一次校准是针对压力感测装置进行的校准，在响应第一振动信号并输出第一电信号后，根据第一电信号进行查表，确定理想的偏置电压。然后，将该偏置电压设置到压力感测装置的电路中。在进行第二次校准时，根据该偏置电压进行施加。

例如，第一振动信号为声音信号。压力感测装置对声音信号的感应更准确。例如，压力感测装置为MEMS麦克风。

在进行第二次校准之前，振动感测装置被组装完毕。在进行第二次校准时，针对振动感测装置的整体进行的校准。根据第二振动信号输出的第二电信号是在校准后的偏置电压下响应产生的。由于偏置电压为理想的偏置电压，故只需要调整增益值就能得到理想的电信号。该增益值为标准信号与第二电信号的比值。因此，第二次校准时只需要确定增益值，并将该增益值烧录到振动感测装置的电路中即可。

该例子通过的校准方法同样能够显著提高振动感测装置的灵敏度。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种振动感测装置的校准方法，其特征在于：所述振动感测装置包括：

壳体，在所述壳体的内部形成密闭的腔体；

压力感测装置，所述压力感测装置被设置在所述腔体内，所述压力感测装置被配置为用于感测所述腔体内的压强；

所述校准方法包括：

至少压力感测装置响应第一振动信号，并输出第一电信号；

根据所述第一电信号，调整所述振动感测装置的偏置电压；

至少压力感测装置响应第二振动信号，并输出第二电信号；

根据第二电信号和标准信号确定所述振动感测装置的增益值；

将增益值设置到所述振动感测装置的电路中；

其中，在所述至少压力感测装置响应第二振动信号，并输出第二电信号的步骤之前将所述压力感测装置与所述壳体组装在一起。

2.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于：在所述至少压力感测装置响应第一振动信号，并输出第一电信号的步骤之前将所述压力感测装置与所述壳体组装在一起。

3.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于：所述第一振动信号为声音信号或者机械振动信号。

4.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于：在根据所述第一电信号，调整所述振动感测装置的偏置电压的步骤之后将所述压力感测装置与所述壳体组装在一起。

5.根据权利要求4所述的校准方法，其特征在于：所述第一振动信号为声音信号。

6.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于：所述振动感测装置还包括压力产生装置，所述压力产生装置位于所述腔体内，并将所述腔体分隔为至少两个密闭的腔室，所述压力产生装置被配置为用于响应第一振动信号以发生振动，所述压力感测装置被配置为用于感测所述两个所述腔室中任意一个的压强或者两个腔室的压强差。

7.根据权利要求6所述的校准方法，其特征在于：所述压力产生装置包括振膜和设置在振膜上的质量元件，所述振膜的边缘与所述壳体形成密封连接。

8.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于：所述质量元件包括所述压力感测装置。

9.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于：所述压力感测装置为MEMS传感器。

10.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于：所述压力感测装置为驻极体麦克风。

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