CN112995861A - 传感器和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种传感器和电子设备，其中，传感器固定部；振动部，所述振动部连接于所述固定部，并可相对所述固定部振动；以及至少两个传感单元，每个所述传感单元均包括至少一个永磁体和至少四个功能传感元件，所述永磁体设于所述振动部，所述功能传感元件设于所述固定部，每个所述传感单元内的四个所述功能传感元件连接形成一级全桥结构；四个所述一级全桥结构连接形成二级全桥结构。本发明技术方案能够提高传感器输出信号的精度。

Description

传感器和电子设备

技术领域

本发明涉及声电转换技术领域，特别涉及一种传感器和应用该传感器的电子设备。

背景技术

目前市场上的传感器种类繁多，例如压力传感器、位移传感器等，均是通过平板电容器的原理对振膜的振动进行检测。传感器内部设置的检测单元能够在振膜振动过程中对永磁体的磁场变化进行检测，根据检测到的磁场变化而改变输出的电信号。然而在传感器应用过程中，由于温度等因素影响，使得传感器输出的电信号容易产生误差。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种传感器，旨在提高传感器输出信号的精度。

为实现上述目的，本发明提出的传感器，包括固定部；

振动部，所述振动部连接于所述固定部，并可相对所述固定部振动；以及

至少四个传感单元，每个所述传感单元均包括至少一个永磁体和至少四个功能传感元件，每个所述传感单元中的至少四个所述功能传感元件分布于所述永磁体的两侧，所述永磁体设于所述振动部，所述功能传感元件设于所述固定部，每个所述传感单元内的四个所述功能传感元件连接形成一级全桥结构；四个所述一级全桥结构连接形成二级全桥结构。

可选地，所述永磁体的磁极方向与所述振动部所在平面平行，所述功能传感元件的敏感方向与所述振动部所在平面垂直；

或，所述永磁体的磁极方向与所述振动部所在平面垂直，所述功能传感元件的敏感方向与所述振动部所在平面平行。

可选地，每个所述传感单元中的功能传感元件的长度方向与所述永磁体的长度方向呈夹角设置，所述夹角为锐角或钝角。

可选地，每个所述传感单元中所述永磁体两侧的功能传感元件对称排列或排列一致。

可选地，每个所述传感单元包括八个功能传感元件，每个所述传感单元内的功能传感元件组成一个或两个一级全桥结构。

可选地，所述振膜包括固定部和至少两个振动部，两个所述振动部均连接所述固定部，所述固定部延伸至位于每个所述振动部的相对两侧，两个所述传感单元中的所述永磁体分别设置于一所述振动部，每个所述振动部内的所述功能传感元件设置于所述固定部，并对称分布于所述永磁体的两侧。

可选地，所述振动部于所述固定部上间隔均匀设置。

可选地，所述固定部具有相对设置的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边朝向所述第二侧边方向凹设形成两缺口，所述第二侧边朝向所述第一侧边方向凹设形成两缺口，四个所述振动部分别于所述四个缺口处连接所述固定部，并形成悬臂结构。

可选地，所述固定部还具有相对设置的第三侧边和第四侧边，位于所述第一侧边的两缺口分别邻近所述第三侧边和所述第四侧边，位于所述第二侧边的两缺口分别邻近所述第三侧边和第四侧边。

本发明还提出一种电子设备，其特征在于，包括传感器；

所述传感器包括固定部；

振动部，所述振动部连接于所述固定部，并可相对所述固定部振动；以及

至少四个传感单元，每个所述传感单元均包括至少一个永磁体和至少四个功能传感元件，每个所述传感单元中的至少四个所述功能传感元件分布于所述永磁体的两侧，所述永磁体设于所述振动部，所述功能传感元件设于所述固定部，每个所述传感单元内的四个所述功能传感元件连接形成一级全桥结构；四个所述一级全桥结构连接形成二级全桥结构。

本发明技术方案的传感器包括至少两个传感单元，每个传感单元均包括至少一个永磁体和至少四个功能传感元件，每个传感单元中的至少四个功能传感元件分布于永磁体的两侧，永磁体设置于振动部，功能传感元件设置于固定部，在振动部相对固定部进行振动的过程中，永磁体相对功能传感元件进行振动，永磁体产生的磁场能够作用于功能传感元件上，而在永磁体振动过程中，作用于功能传感元件上的磁场不断发生变化，功能传感元件电性连接于传感器的芯片，功能传感元件受到变化的磁场而输出变化的电信号，芯片根据接收到的信号而进行相应的指令控制。

每个传感单元内的至少四个功能传感元件可连接形成一级全桥结构，该一级全桥满足惠斯通电桥原理，功能传感元件为电桥的桥臂，该组合呈全桥的传感单元能够更准确的检测出每个功能传感元件所受到磁场的变化。在电桥结构中能够消除掉温漂等其他因素对每个功能传感元件的共同影响，从而降低温漂等引起的传感器噪声，提高信噪比。

四个一级全桥结构组成二级全桥结构，每个一级全桥结构组成该二级全桥结构的桥臂，形成为二级全桥结构。该二级全桥也满足惠斯通电桥原理，该二级全桥结构能够消除掉温漂等其他因素对每个传感单元的共同影响，从而能够更进一步地降低温漂等引起的传感器噪声，更进一步地提高信噪比。

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为本发明传感器一实施例的结构示意图；

图2为图1沿A-A方向的剖视图；

图3为本发明传感器另一实施例的结构示意图；

图4为振动部振动过程中平面永磁体施加于功能传感元件上的磁场方向示意图；

图5为振动部振动过程中垂直永磁体施加于功能传感元件上的磁场方向示意图；

图6为永磁体为垂直永磁体时，功能传感元件的敏感方向；

图7为传感单元中设有八个功能传感元件时，功能传感元件的排布结构示意图；

图8为传感单元中设有八个功能传感元件时，功能传感元件的另一排布结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	传感器	313	第三侧边
10	衬底	314	第四侧边
				20	支撑部	315	缺口
30	振膜	32	振动部
				31	固定部	33	传感单元
311	第一侧边	331	永磁体
				312	第二侧边	332	功能传感元件

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。

参见图1，本发明提出一种传感器100，该传感器100包括固定部31和振动部32，该固定部31用于连接振动部32，传感器100在工作过程中，振动部32能够相对固定部31进行振动。在振动部32未进行振动时，固定部31可以与振动部32位于同一平面内，也可以位于不同平面内，可以根据不同的需要进行不同方式的设计，只要能使振动部32和固定部31上设置的各元件满足本申请所定义的位置关系即可。

结合图2，本发明技术方案中的传感器100可以包括衬底10、支撑部20和振膜30。支撑部20连接于衬底10和振膜30之间，并围合衬底10和振膜30形成封闭或开放的腔体。在腔体所对应的区域，即，振膜30未连接于支撑部20的部分，振膜30检测到空气的压力变化而产生振动。

结合图1和图2所示的实施例中，传感器100的固定部31和振动部32可以均位于振膜30上，即，将振膜30连接支撑部20的部分定义为固定部31，振膜30未连接支撑部20的部分定义为振动部32则为，振膜30未连接支撑部20的部分形成为悬空结构，该悬空结构的振动部32会在空气压力变化下相对固定部31进行振动。

本发明技术方案的传感器100中，在振膜30上设有至少两个传感单元33。每个传感单元33均包括至少一个永磁体331和至少四个功能传感元件332，每个传感单元33中的至少四个功能传感元件332分布于永磁体331的两侧，永磁体331设置于振动部32，功能传感元件332设置于固定部31，在振动部32相对固定部31进行振动的过程中，永磁体331相对功能传感元件332进行振动，永磁体331产生的磁场能够作用于功能传感元件332上，而在永磁体331振动过程中，作用于功能传感元件332上的磁场不断发生变化，功能传感元件332电性连接于传感器100的芯片，功能传感元件332受到变化的磁场而输出变化的电信号，芯片根据接收到的信号而进行相应的指令控制。

每个传感单元33内的至少四个功能传感元件332可连接形成一级全桥结构，该一级全桥满足惠斯通电桥原理，功能传感元件332为电桥的桥臂，该组合呈全桥的传感单元33能够更准确的检测出每个功能传感元件332所受到磁场的变化。在电桥结构中能够消除掉温漂等其他因素对每个功能传感元件332的共同影响，从而降低温漂等引起的传感器100噪声，提高信噪比。

四个一级全桥结构组成二级全桥结构，每个一级全桥结构组成该二级全桥结构的桥臂，形成为二级全桥结构。该二级全桥也满足惠斯通电桥原理，该二级全桥结构能够消除掉温漂等其他因素对每个传感单元33的共同影响，从而能够更进一步地降低温漂等引起的传感器100噪声，更进一步地提高信噪比。

当传感单元33为两个的情况下，每个传感单元33可以包括八个功能传感元件332，每个传感单元33中的八个功能传感元件332可以组成两个一级全桥结构，两个传感单元33则可以组成四个一级全桥结构，四个一级全桥结构能够组成一个二级全桥结构。

当传感单元33为四个的情况下，每个传感单元33可以包括四个功能传感元件332，每个传感单元33中的四个功能传感元件332可以组成一个一级全桥结构，四个传感单元33则可以组成四个一个全桥结构，四个一级全桥结构能够组成一个二级全桥结构。

本发明技术方案中，功能传感元件332可以为霍尔传感器、巨磁阻传感器、隧穿磁阻传感器或各向异性磁阻传感器，还可以为其他传感器，在此不做限定。

每个传感单元33内的永磁体331可以为平面永磁体或垂直永磁体，平面永磁体为永磁体331的磁极方向与振动部32所在平面平行，即，永磁体331的N极和S极沿振动部32所在平面方向设置，垂直永磁体为永磁体331的磁极方向与振动部32所在平面垂直，即，永磁体331的N极和S极沿振动部32所在平面的垂直方向设置。

当永磁体31为平面摆放时，永磁体31的N极和S极的连线沿平行于振动部32所在平面设置。图4所示为在振动部32振动过程中，功能传感元件332相对永磁体331处于z轴正向(z+)的位置和处于z轴负向(z-)位置时，功能传感元件332受到永磁体331的磁场作用方向(功能传感元件332所受磁场作用的总量和分量)，该图示中，振动部32振动过程中假设永磁体331所处的位置为z为0的情况。

当永磁体331为垂直摆放时，永磁体331的N极和S极的连线垂直于振动部32所在平面。图5所示为在振动部32振动过程中，功能传感元件332相对永磁体331处于z轴正向(z+)的位置和处于z轴负向(z-)位置时，功能传感元件332受到永磁体331的磁场作用方向(功能传感元件332所受磁场作用的总量和分量)，该图示中，振动部32振动过程中假设永磁体331所处的位置为z为0的情况。

当永磁体331为平面永磁体331时，在同一个传感单元33内，振动部32相对固定部31振动过程中，作用于功能传感元件332上的磁场，在垂直方向上的分量是不断变化的，传感单元33中的功能传感元件332的敏感方向为垂直方向，即，功能传感元件332的敏感方向与振动部32所在平面垂直，能够对该垂直方向上的磁场分量进行检测，从而能准确的对振动部32的振动进行检测。当功能传感元件332为巨磁阻传感器或隧穿磁阻传感器时，该敏感方向可以为钉扎层的磁化方向。

当永磁体331为垂直永磁体331时，在同一个传感单元33内，振动部32相对固定部31振动过程中，作用于功能传感元件332上的磁场，在平面方向上的分量是不断变化的，传感单元33中的功能传感元件332的敏感方向为平面方向，即，功能传感元件332的敏感方向与振动部32所在平面平行，能够对该平面方向上的磁场分量进行检测，从而能准确的对振动部32的振动进行检测。

每个传感单元33内的功能传感元件332均于永磁体331的相对两侧均匀分布。参见图6，该实施例中，每个传感单元33内设有四个功能传感元件332，每个传感单元33内两个功能传感元件332和另外两个功能传感元件332分别位于永磁体331的相对两侧。该实施例中，传感单元33内的永磁体331为垂直永磁体331，即，永磁体331的N极和S极沿振动部32所在平面的垂直方向设置，可以将传感单元33内的四个功能传感元件332分别定义为：S1、S2、S3和S4，其中S1和S2位于永磁体331的一侧，S3和S4位于永磁体331的另一侧，S1和S2的敏感方向朝向永磁体331设置，S3和S4的敏感方向背离永磁体331设置。

结合图5和图6所示，当振动部32运动至固定部31于z轴的上方时，即，永磁体331在z轴方向上位于功能传感元件332的上方，功能传感元件332上的磁场分量如图5中z-的虚线位置所示，此时，S1和S2的敏感方向与磁场分量方向一致，S3和S4的敏感方向与磁场分量方向相反，S1和S2的输出电阻减小，S3和S4的输出电阻增大。

如图7和图8所示的实施例中，每个传感单元33中还可以包括八个功能传感元件332，该八个功能元件于永磁体331的相对两侧均匀分布，每个传感单元33中的四个功能传感元件332可以组成一个一级全桥结构，每个传感元件中有四个功能元件，则可以组成两个一级全桥结构，可以根据不同的组合进行连接，满足惠斯通电桥原理的全桥结构即可。

该实施例中，四个传感单元33则可以形成有八个一级全桥结构，其中四个一级全桥结构又可以组成一个二级全桥结构，故，可以通过不同的组合方式形成不同的二级全桥结构，具体可以根据每个传感单元33的分布位置和不同的需求进行选择。可以理解地，该实施例中也可以组成两个二级全桥结构，可以将两个全桥结构相结合进行检测。

图7和图8中的箭头示意出了功能传感元件332的敏感方向，每个传感单元33内的功能传感元件332的摆放位置可以为与永磁体331相平行或相垂直，以使功能传感元件332的敏感方向与受到的磁场的分量的方向一致或相反，对磁场分量的变化检测效果更准确。

当每个传感单元33内的功能传感元件332个数较多时，为了节省安装空间，缩小传感器100的整体尺寸，可以使每个传感单元33内的功能传感元件332的长度方向与永磁体331的长度方向呈夹角设置，即，每个传感单元33中的功能传感元件332的敏感方向与该传感单元33中永磁体331作用于功能传感元件332上的磁场分量方向呈夹角设置，夹角为锐角或钝角。

本申请中所描述的功能传感元件332与永磁体331的相对位置均是基于功能传感元件332和永磁体331的结构为标准结构，即，该假设功能传感元件332和永磁体331均为长方体结构，并具有长度方向、宽度方向和高度方向，功能传感元件332同理。每个传感单元33中功能传感元件332沿永磁体331的宽度方向平均分布。功能传感元件332与永磁体331平行时，即，功能传感元件332的长度方向与永磁体331的长度方向平行，此时经永磁体331中心的长度方向指向线即为永磁体331两侧的功能传感元件332的对称轴；功能传感元件332与永磁体331呈夹角设置，即，功能传感元件332的长度方向与永磁体331的长度方向呈夹角设置。当永磁体331为平面永磁体331时，永磁体331的N极和S极沿永磁体331长度方向排列；当永磁体331为垂直永磁体331时，永磁体331的N极和S极沿永磁体331高度方向排列。功能传感元件332的敏感方向垂直于其长度方向。

每个传感单元33中，位于永磁体331同侧的相邻功能传感元件332沿永磁体331的长度方向对称设置。每个传感单元33中的功能传感元件332与永磁体331的夹角可以为45°，相邻两功能元件夹角为90°，位于永磁体331同一侧的多个功能传感元件332依次排列形成“W”形，或“M”形。

图7和图8所示的实施例中，永磁体331为垂直永磁体331，该图示出了一个传感单元33中每个功能传感元件332的敏感方向。

参见图7，每个传感单元33中永磁体331两侧的功能传感元件332对称排列；参见图8，每个传感单元33中永磁体331两侧的功能传感元件332排列一致。上述两个实施例分别给出了一个传感单元33中功能传感元件332的不同排列方式。

可以理解地，本发明技术方案的传感单元33中还可以包括有更多个的功能传感元件332，具体可以根据传感器100整体大小和需要实现的功能进行相应的设计。当传感器100包括更多个功能传感元件332时，功能传感元件332组成的一级全桥结构的个数可以更多，四个一级全桥结构可以组成一个二级全桥结构，当可组合呈二级全桥结构的数量更多时，四个二级全桥又可组成一个三级全桥，依次类推，只要结构允许，可以根据不同的需求进行选择。

在每个传感单元33中，永磁体331位于振动部32，功能传感元件332位于固定部31，使得振膜30可以根据该要求进行相应的设计。

本发明实施例中，振膜30包括固定部31和至少四个振动部32，四个振动部32均连接固定部31，固定部31延伸至位于每个振动部32的相对两侧，四个传感单元33中的永磁体331分别设置于一振动部32，每个振动部32内的功能传感元件332设置于固定部31，并对称分布于永磁体331的两侧。

由于每个传感单元33中的功能传感元件332分别设置于该传感单元33内的永磁体331的两侧，使得振膜30上的固定部31需要延伸至振动部32的两侧，用以对功能传感元件332的安装。

振动部32于固定部31上间隔均匀设置，使得每个传感单元33在振膜30上分布均匀，多个传感单元33能够对振膜30的振动效果检测更加准确。

参见图1，固定部31具有相对设置的第一侧边311和第二侧边313，第一侧边311朝向第二侧边313方向凹设形成两缺口315，第二侧边313朝向第一侧边311方向凹设形成两缺口315，四个振动部32分别于四个缺口315处连接固定部31，并形成悬臂结构。

该实施例中，四个传感单元33分别位于振膜30的两对两侧，使得传感单元33所形成的全桥结构对振膜30的振动检测效果更准确。

进一步参见图1，固定部31还具有相对设置的第三侧边313和第四侧边314，第一侧边311、第二侧边313、第三侧边313和第四侧边314依次连接，位于第一侧边311的两缺口315分别邻近第三侧边313和第四侧边314，位于第二侧边313的两缺口315分别邻近第三侧边313和第四侧边314，如此设置，可使得四个传感单元33在振膜30上分布更加均匀，对振膜30的振动效果检测更加准确。

该实施例中每个振动部32均连接于相应的缺口315的底边，每个振动部32在受到空气压力变化时均能相对固定部31进行振动，每个传感单元33中的永磁体331分别安装于一振动部32，每个传感单元33中的功能传感元件332均设于相应的永磁体331两侧的固定部31，在振动部32相对固定部31振动过程中，功能传感元件332受到的相应的永磁体331的磁场作用的大小和方向不断变化。

可以理解地，振膜30的结构还可以为图3所示，振动部32的形成还可以为直接在振膜30上开设沟槽，该沟槽环设于振动部32的三个侧边，使得振动部32仅有一个侧边连接于固定部31，而形成悬臂结构，也能达到本发明技术方案的技术效果。

本发明还提出一种电子设备，该电子设备包括传感器100，该传感器100的具体结构参照上述实施例，由于本电子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。

电子设备还包括主控板，传感器100的芯片电性连接电子设备的主控板，主控板获取传感器100芯片的信号数据而控制电子设备执行相应的功能，传感器100的芯片还可以集成于电子设备的主控板，以提高电子设备的集成度，使得电子设备的结构可以更加紧凑和小巧。

电子设备还包括壳体，传感器100容置于壳体中，用以对电子设备内部的电气元件以及传感器100进行保护。本发明传感器100中的芯片还可以直接设置于电子设备的主控板上，与主控板上的其他电气元件进行集成，以达到结构紧凑的效果。

该电子设备可以为手机、平板电脑、游戏机等便携式的移动终端，也可以为车载设备或智能家居上相应的结构，该传感器100可以为麦克风、压力传感器、位移传感器或本领域熟知的其他传感器。

该电子设备还可以进一步包括显示屏和/或按键，该显示屏和按键电性连接主控板，用户可以通过触控显示屏和或按键能够实现对传感器100的功能控制。

以上所述仅为本发明的可选实施例，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)

1.一种传感器，其特征在于，包括：

固定部；

振动部，所述振动部连接于所述固定部，并可相对所述固定部振动；以及

至少两个传感单元，每个所述传感单元均包括至少一个永磁体和至少四个功能传感元件，每个所述传感单元中的至少四个所述功能传感元件分布于所述永磁体的两侧，所述永磁体设于所述振动部，所述功能传感元件设于所述固定部，每个所述传感单元内的四个所述功能传感元件连接形成一级全桥结构；四个所述一级全桥结构连接形成二级全桥结构。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述永磁体的磁极方向与所述振动部所在平面平行，所述功能传感元件的敏感方向与所述振动部所在平面垂直；

或，所述永磁体的磁极方向与所述振动部所在平面垂直，所述功能传感元件的敏感方向与所述振动部所在平面平行。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，每个所述传感单元中的功能传感元件的长度方向与所述永磁体的长度方向呈夹角设置，所述夹角为锐角或钝角。

4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，每个所述传感单元中所述永磁体两侧的功能传感元件对称排列或排列一致。

5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，每个所述传感单元包括八个功能传感元件，每个所述传感单元内的功能传感元件组成一个或两个一级全桥结构。

6.如权利要求1至5中任一项所述的传感器，其特征在于，所述振膜包括固定部和至少两个振动部，两个所述振动部均连接所述固定部，所述固定部延伸至位于每个所述振动部的相对两侧，两个所述传感单元中的所述永磁体分别设置于一所述振动部，每个所述振动部内的所述功能传感元件设置于所述固定部，并对称分布于所述永磁体的两侧。

7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述振动部于所述固定部上间隔均匀设置。

8.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述固定部具有相对设置的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边朝向所述第二侧边方向凹设形成两缺口，所述第二侧边朝向所述第一侧边方向凹设形成两缺口，四个所述振动部分别于所述四个缺口处连接所述固定部，并形成悬臂结构。

9.如权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述固定部还具有相对设置的第三侧边和第四侧边，位于所述第一侧边的两缺口分别邻近所述第三侧边和所述第四侧边，位于所述第二侧边的两缺口分别邻近所述第三侧边和第四侧边。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的传感器。

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