CN114111850A - 麦克风、电子设备、耦合电容式传感器及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种麦克风、电子设备、耦合电容式传感器及其信号处理方法，其中，耦合电容式传感器包括：信号源，所述信号源用于产生并输出交流信号；可变电容器，所述可变电容器的输入端与所述信号源的输出端连接，所述可变电容器用于接收所述交流信号及外部输入的传感信号，并将所述交流信号及传感信号转换为混合信号后输出；本发明可以解决传统电容式传感器容易产生非线性失真或吸膜的问题。

Description

麦克风、电子设备、耦合电容式传感器及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及可变电容技术领域，特别涉及一种麦克风、电子设备、耦合电容式传感器及其信号处理方法。

背景技术

目前，行业现有的电容式传感器的一般特点是：可变电容器以定义偏置或预极化的形式，在电容器两端预设直流偏压，确保电容器容值受传感信号变化时，最终转换为电容器两端受信号影响而变化的电信号。该电信号经不同的阻抗匹配及放大电路处理后，即可适用不同的应用场景。但由于电容器两电极间预置偏压，其电极间有静电吸引力，该吸引力与电极间距的平方有线性关系，因此采集真实信号时，极容易产生非线性的失真甚至吸膜(可移动电极与固定电极间因静电作用而吸附在一起的状态)，很难在较宽的动态范围内便用线性的网络进行补偿。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种耦合电容式传感器，旨在解决电容式传感器容易产生非线性失真的问题。

为实现上述目的，本发明提出的耦合电容式传感器，包括：

信号源，所述信号源用于产生并输出交流信号；

可变电容器，所述可变电容器的输入端与所述信号源的输出端连接，所述可变电容器用于接收所述交流信号及外部输入的传感信号，并将所述交流信号及传感信号转换为混合信号后输出。

可选地，所述耦合电容式传感器还包括：

信号处理装置，所述信号处理装置的输入端与所述可变电容器的输出端连接，所述信号处理装置用于对所述混合信号进行解调，并输出解调信号。

可选地，所述耦合电容式传感器还包括：

信号处理装置，所述信号处理装置分别与所述可变电容器及信号源连接，所述信号处理装置用于将所述交流信号与混合信号进行对比、解调处理，并输出解调信号。

可选地，所述信号处理装置包括：

信号对比模块，所述信号对比模块分别与所述信号源及可变电容器连接，所述信号对比模块用于将所述交流信号与混合信号进行对比，并输出对比结果信号；

解调器，所述解调器的输入端与所述信号对比模块的输出端连接，所述解调器用于对所述对比结果信号进行解调处理，并输出解调信号。

可选地，所述信号对比模块为比较器。

本发明还提出一种麦克风，所述麦克风包括上述的耦合电容式传感器。

本发明还提出一种电子设备，所述电子设备包括上述的耦合电容式传感器；或者，包括上述的麦克风。

本发明还提出一种耦合电容式传感器的信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收外部输入的传感信号；

将所述传感信号与一交流信号混合后输出混合信号；

对所述混合信号进行解调，并输出解调信号。

可选地，所述对所述混合信号进行解调，并输出解调信号的步骤包括：

将混合信号与交流信号进行对比，得到对比结果信号；

对对比结果信号进行解调，得到解调信号。

本发明技术方案通过设置信号源及可变电容器，使得可变电容器接收外部输入的传感信号及信号源输出的交流信号，并将交流信号及传感信号转换为混合信号后输出；本发明通过将电容式传感器的预置偏压取消，改为使用易于起振且几乎不会引起电容器两极间吸引的交流信号，实现了基于耦合原理的信号传感，解决了原预置偏压式的电容传感器功耗高和容易产生非线性失真甚至吸膜的问题。

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为本发明耦合电容式传感器一实施例的功能模块示意图；

图2为本发明耦合电容式传感器一实施例的功能模块示意图；

图3为本发明耦合电容式传感器的信号处理方法一实施例的方法步骤流程图；

图4为本发明耦合电容式传感器的信号处理方法一实施例的方法步骤流程图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	信号源	31	信号对比模块
20	可变电容器	32	解调器
				30	信号处理装置

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，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示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，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“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。

本发明提出一种耦合电容式传感器。

目前，行业现有的电容式传感器的一般特点是：可变电容器以定义偏置或预极化的形式，在电容器两端预设直流偏压，确保电容器容值受传感信号变化时，最终转换为电容器两端受信号影响而变化的电信号。该电信号经不同的阻抗匹配及放大电路处理后，即可适用不同的应用场景。但由于电容器两电极间预置偏压，其电极间有静电吸引力，该吸引力与电极间距的平方有线性关系，因此采集真实信号时，极容易产生非线性的失真甚至吸膜，很难在较宽的动态范围内便用线性的网络进行补偿。

为解决上述问题，参照图1与图2，在一实施例中，所述耦合电容式传感器包括：

信号源10，所述信号源10用于产生并输出交流信号；

可变电容器20，所述可变电容器20的输入端与所述信号源10的输出端连接，所述可变电容器20用于接收所述交流信号及外部输入的传感信号，并将所述交流信号及传感信号转换为混合信号后输出。

在本实施例中，可变电容器20可以选用变极距型电容器、变面积型电容器和变介质型电容器，其中，变极距型电容器可以由硅片及基板电极组成，在硅片上采用浓硼掺杂技术刻蚀出感压薄膜，感压薄膜与基板电极组成一个平板电容。根据电容值公式C＝εA/δ，其中ε为电容两级简介质的介电常数，A为电容两极相互遮盖的面积大小，δ为电容两极之间的距离，当电容的介电常数与面积大小一定时，电容两级之间的距离越小，电容值就越大，反之，距离越大，电容值就越小。如此，当可变电容器20接收外部的传感信号，例如声音、压力、振动等传感信号时，感压薄膜会产生位移，引起感压薄膜与基板电极之间的距离发生变化，从而改变了感压薄膜与基板电极之间的电容值。

信号源10可以选用信号发生器，当信号源10输出的交流信号频率一定时，根据容抗公式Xc＝1/2πfc可知，电容的电容值越大，容抗越小，反之，电容值越小，容抗越大，而电容的容抗不同时，输入电压与输出电压的幅度及相位差也就不同。当可变电容器20接收传感信号导致电容值发生变化时，经过可变电容器20的交流信号也会随之发生改变，也即交流信号经过可变电容器20变成混合信号。如此，将信号源10输出的交流信号与可变电容器20输出的混合信号进行对比，即可获得交流信号的变化量，而这个变化量与电容值的变化量有关，而电容值的变化量又与传感信号有关。如此只需要通过将交流信号与混合信号进行比对，根据比较结果获取交流信号的变化量，并对交流信号的变化量进行处理后，即可将可变电容器20接收的传感信号转换为对应的电信号，实现电容式传感器的效果。

本发明通过设置信号源10及可变电容器20，使得可变电容器20接收外部输入的传感信号及信号源10输出的交流信号，并将交流信号及传感信号转换为混合信号后输出，从而使得用户可以利用混合信号将可变电容器20接收的传感信号转换为对应的电信号，实现了基于耦合原理的信号传感。与传统的预置偏压式电容传感器相比，本发明创造性地将电容式传感器的预置偏压取消，改为使用易于起振且几乎不会引起电容器两极间吸引的交流信号，实现了基于耦合原理的信号传感，解决了原预置偏压式的电容传感器功耗高和容易产生非线性失真的问题。同时，本发明能够基于现有电容式传感器的生产工艺来实现，并能够进一步简化生产工艺，无需重新投入，大大降低了生产成本，提高了生产的效率。

参照图1与图2，在一实施例中，所述耦合电容式传感器还包括：

信号处理装置30，所述信号处理装置30的输入端与所述可变电容器20的输出端连接，所述信号处理装置30用于对所述混合信号进行解调，并输出解调信号。

在本实施例中，信号处理装置30可以选用FPGA控制芯片来实现，即信号处理装置30可以采用数字信号处理的方式对混合信号进行解调。FPGA控制芯片内置的数模转换器将混合信号转换为数字信号后，与预先存储的预设信号进行比对，并输出比对的结果，也即输出解调信号。其中，预设信号的来源可以是FPGA控制芯片利用寄存器预先存储的，也可以是由信号源10输出交流信号，FPGA控制芯片将交流信号通过模数转换获得的。使用FPGA控制芯片以数字信号处理的方式对混合信号进行解调，能够提升耦合电容式传感器的响应速度，降低耦合电容式传感器的结构复杂程度，并能够进一步简化生产工艺，提高了耦合电容式传感器的适用性。

参照图1与图2，在一实施例中，所述耦合电容式传感器还包括：

信号处理装置30，所述信号处理装置30分别与所述可变电容器20及信号源10连接，所述信号处理装置30用于将所述交流信号与混合信号进行对比、解调处理，并输出解调信号。

进一步地，所述信号处理装置30包括：

信号对比模块31，所述信号对比模块31分别与所述信号源10及可变电容器20连接，所述信号对比模块31用于将所述交流信号与混合信号进行对比，并输出对比结果信号；

解调器32，所述解调器32的输入端与所述信号对比模块31的输出端连接，所述解调器32用于对所述对比结果信号进行解调处理，并输出解调信号。

在本实施例中，信号对比模块31可以采用比较器、差分电路等来实现，解调器32可以选用低通滤波器来实现。信号对比模块31将混合信号与交流信号进行比对，也即对混合信号与交流信号进行作差，从而得到并输出对比结果信号。对比结果信号也就是交流信号的变化量，而这个变化量与电容值的变化量有关，而电容值的变化量又与传感信号有关。因此，可以利用解调器32并根据可变电容器20的特性，将对比结果信号转换成与传感信号强相关的解调信号并输出。由于信号对比模块31与可变电容器20所接收的交流信号相同，并利用相同的交流信号作为参考信号与混合信号进行比对，因此，信号对比模块31能够准确地获取与传感信号有关的变化量，再通过解调器32获取与传感信号强相关的解调信号，提高了耦合电容式传感器的准确性和实用性。

参照图1与图2，在一实施例中，所述信号对比模块31为比较器。

在本实施例中，信号对比模块可以选用比较器，比较器能够对两个或者多个数据项进行比较。比较器的两路输入为模拟信号，输出则为数字信号，因此，将混合信号与交流信号输入到比较器后，比较器能够对混合信号与交流信号进行作差，并将作差结果转换为数字信号后输出。选用比较器作为信号对比模块，能够提升信号处理的响应速度，同时还能提高信号处理的稳定性。

本发明还提出一种麦克风，该麦克风包括上述的耦合电容式传感器，该耦合电容式传感器的具体结构参照上述实施例，由于本麦克风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。

本发明还提出一种电子设备，该电子设备包括上述的耦合电容式传感器，或者包括上述的麦克风，该耦合电容式传感器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。

本发明还提出一种耦合电容式传感器的信号处理方法，参照图3，在一实施例中，包括如下步骤：

步骤S100、接收外部输入的传感信号；

在本实施例中，耦合电容式传感器内可以设置有用于接收外部传感信号的可变电容器20，例如变极距型电容器、变面积型电容器和变介质型电容器等。变极距型电容器可以由感压薄膜及基板电极组成，根据电容值公式C＝εA/δ，其中ε为电容两级简介质的介电常数，A为电容两极相互遮盖的面积大小，δ为电容两极之间的距离，当电容的介电常数与面积大小一定时，电容两级之间的距离越小，电容值就越大，反之，距离越大，电容值就越小。如此，当变极距型的可变电容器20接收到外部的传感信号，例如声音、压力、振动等传感信号时，感压薄膜会产生位移，引起感压薄膜与基板电极之间的距离发生变化，从而改变了感压薄膜与基板电极之间的电容值。

步骤S200、将所述传感信号与一交流信号混合后输出混合信号；

在本实施例中，耦合电容式传感器内可以设置有用于产生并输出交流信号的信号源10，例如信号发生器等，从而使得可变电容器20将接收的传感信号与交流信号混合并输出混合信号。具体而言，当信号源10输出的交流信号频率一定时，根据容抗公式Xc＝1/2πfc可知，电容器的电容值越大时，容抗越小，反之，电容值越小，容抗也就越大，而电容的容抗不同时，输入电压与输出电压之间的相位差也就不同。如此，当可变电容器20接收传感信号导致其电容值发生变化时，经过可变电容器20的交流信号也会随之发生改变，也即交流信号经过可变电容器20变成混合信号。

步骤S300、对所述混合信号进行解调，并输出解调信号。

在本实施例中，耦合电容式传感器内可以设置有用于对混合信号进行解调的信号处理装置30，信号处理装置30可以选用带通滤波器、低通滤波器、包络检波器等组成。信号处理装置30可以采用非相干解调的方式，例如鉴频法、分路滤波包络检波法、过零点检测法等，以对可变电容器20输出的混合信号进行非相干解调，从而从混合信号中恢复出与传感信号强相关的数字基带信号。相对于相干解调方式，非相干解调方法不需要相干载波，所使用的电路更为简单，且更加容易实现，能够进一步地降低生产成本，降低电容式传感器的设备复杂程度。

通过上述方法，创造性地将电容式传感器的预置偏压取消，改为使用易于起振且几乎不会引起电容器两极间吸引的交流信号，实现了基于耦合原理的信号传感，解决了原预置偏压式的电容传感器功耗高和容易产生非线性失真的问题。同时，本发明能够基于现有电容式传感器的生产工艺来实现，并能够进一步简化生产工艺，无需重新投入，大大降低了生产成本，提高了生产的效率。

参照图4，在一实施例中，所述对所述混合信号进行解调，并输出解调信号的步骤包括：

步骤S310、将混合信号与交流信号进行对比，得到对比结果信号；

步骤S320、对对比结果信号进行解调，得到解调信号。

在本实施例中，耦合电容式传感器内可以设置有用于对混合信号进行解调的信号对比模块31及解调器32，从而将混合信号准确地转换为解调信号。具体而言，信号对比模块31可以采用比较器来实现，将混合信号与交流信号进行比对，也即将混合信号与交流信号进行作差，从而得到并输出对比结果信号。对比结果信号也就是交流信号的变化量，而这个变化量与电容值的变化量有关，而电容值的变化量又与传感信号有关。因此，可以利用解调器32并根据可变电容器20的特性，将对比结果信号转换成与传感信号强相关的解调信号并输出。

通过上述方法，利用相同的交流信号作为参考信号与混合信号进行比对，使得信号对比模块31能够准确地获取与传感信号有关的变化量，再通过解调器32解调获得与传感信号强相关的解调信号，提高了耦合电容式传感器的准确性和实用性。

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 (9)

1.一种耦合电容式传感器，其特征在于，包括：

信号源，所述信号源用于产生并输出交流信号；

可变电容器，所述可变电容器的输入端与所述信号源的输出端连接，所述可变电容器用于接收所述交流信号及外部输入的传感信号，并将所述交流信号及传感信号转换为混合信号后输出。

2.如权利要求1所述的耦合电容式传感器，其特征在于，所述耦合电容式传感器还包括：

信号处理装置，所述信号处理装置的输入端与所述可变电容器的输出端连接，所述信号处理装置用于对所述混合信号进行解调，并输出解调信号。

3.如权利要求1所述的耦合电容式传感器，其特征在于，所述耦合电容式传感器还包括：

信号处理装置，所述信号处理装置分别与所述可变电容器及信号源连接，所述信号处理装置用于将所述交流信号与混合信号进行对比、解调处理，并输出解调信号。

4.如权利要求3所述的耦合电容式传感器，其特征在于，所述信号处理装置包括：

信号对比模块，所述信号对比模块分别与所述信号源及可变电容器连接，所述信号对比模块用于将所述交流信号与混合信号进行对比，并输出对比结果信号；

解调器，所述解调器的输入端与所述信号对比模块的输出端连接，所述解调器用于对所述对比结果信号进行解调处理，并输出解调信号。

5.如权利要求4所述的耦合电容式传感器，其特征在于，所述信号对比模块为比较器。

6.一种麦克风，其特征在于，包括如权利要求1-4任意一项所述的耦合电容式传感器。

7.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-4任意一项所述的耦合电容式传感器；或者，包括如权利要求5所述的麦克风。

8.一种耦合电容式传感器的信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收外部输入的传感信号；

将所述传感信号与一交流信号混合后输出混合信号；

对所述混合信号进行解调，并输出解调信号。

9.如权利要求8所述的耦合电容式传感器的信号处理方法，其特征在于，所述对所述混合信号进行解调，并输出解调信号的步骤包括：

将混合信号与交流信号进行对比，得到对比结果信号；

对对比结果信号进行解调，得到解调信号。

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