CN115243150A - 一种传感装置 - Google Patents

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Abstract

本说明书公开一种传感装置。该传感装置包括壳体，被配置为基于声音信号产生振动，传感结构，用于将声压信号转化为电信号具有第一谐振频率；和谐振系统，谐振系统包括拾振单元，拾振单元包括弹性振动膜与质量块，弹性振动膜与传感结构连接，质量块中高分子材料的质量超过80％；其中，谐振系统为传感装置具有第二谐振频率，第二谐振频率低于第一谐振频率。本说明书提供的传感装置通过加入了谐振系统，使其在特定频段内相较于传感结构具有较高的灵敏度，达到稳定输出增益的目的，同时含有高分子材料的质量块可以对外界冲击载荷进行吸收，有效减小弹性振动膜与壳体或其他部件连接处的应力集中，提高传感装置的稳定性。

Description

一种传感装置
优先权信息
本申请要求2021年4月23日提交的中国申请号202110445739.3的优先权，全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及电子装置，尤其涉及一种传感装置。
背景技术
振动传感器(例如，麦克风)接收外部的振动信号，在振动传感器的谐振频率附近，由于谐振作用，振动信号会产生较大的振幅。因此，振动传感器对外部振动的响应会表现为频响曲线在谐振频率附近产生谐振峰，在谐振频率附近，其灵敏度较高。然而，对于部分传感器(例如，气导麦克风)，其谐振频率较大(例如，超过10000Hz)，而当外部声音信号的频率在传感器的非谐振频率时，传感器的灵敏度较低。用户对于声音的敏感区域相对传感器在较低频率范围内，此时在该较低频率范围内，该较低频率范围远小于传感器的谐振频率，因此对于人耳敏感频段的声音，传感器拾取的声音信号较小，灵敏度过低。另外，振动传感器中的质量块通过弹性膜与振动传感结构的部件进行固定，质量块和弹性膜能够响应于外部振动信号产生振动，质量块通常为金属等硬质材料制成，其与弹性膜的硬度、刚度、杨氏模量等参数相差过大，使得弹性膜与其他部件的连接处容易发生损坏。
因此，希望提供一种能够调节器件在较宽频率范围内的灵敏度，同时具有稳定输出增益、高抗冲击可靠性的传感装置。
发明内容
本说明书实施例提供一种传感装置。该传感装置包括壳体，被配置为基于声音信号转换为振动，传感结构，用于将声音信号转化为电信号，所述传感结构具有第一谐振频率；和谐振系统，所述谐振系统包括拾振单元，所述拾振单元包括弹性振动膜与质量块，所述弹性振动膜与所述壳体连接，所述质量块中高分子材料的质量超过80％；所述弹性振动膜和所述传感结构形成第一声学腔体，当所述传感装置的壳体产生振动时，所述弹性振动膜和所述质量块响应于所述传感装置的壳体振动而产生振动，所述弹性振动膜的振动引起所述第一声学腔体的声压变化，所述传感结构基于所述声学腔体的声压变化将所述外部声音信号转换为电信号；所述谐振系统具有第二谐振频率，所述第二谐振频率低于所述第一谐振频率。
相对于现有技术，本说明书提供的传感装置的有益效果在于：(1)传感装置在传感结构的基础上加入了谐振系统，谐振系统提供了第二谐振频率，解决了传感结构(例如，气导麦克风)谐振频率较高，在较低频段(例如中低频段)灵敏度较低的问题，使得传感装置在特定频段(例如，第二谐振频率附近)内相较于传感结构也能具有较高的灵敏度，达到稳定输出增益的目的；(2)高分子材料质量块的弹性特质可以对外界冲击载荷进行吸收，有效减小弹性振动膜与壳体或其他部件连接处的应力集中，以减少传感装置因外界冲击而损坏的可能性。
附图说明
本申请将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：
图1A是根据本说明书一些实施例提供的示例性传感结构的示意图；
图1B是根据本说明书一些实施例提供的示例性麦克风的结构图；
图1C是根据本说明书一些实施例提供的骨导麦克风的传感元件的示例性结构示意图；
图2A是根据本说明书一些实施例提供的示例性传感装置的力学等效示意图；
图2B是根据本说明书一些实施例提供的内部充满液体的传感装置的示意图；
图3是根据本说明书一些实施例提供的拾振单元的等效振动模型的示意图；
图4是根据本说明书一些实施例提供的具有不同参数的拾振单元归一化后位移共振曲线的示意图；
图5A是根据本说明书一些实施例提供的传感装置的示例性频响曲线；
图5B是根据本说明书一些实施例提供的另一传感装置的示例性频响曲线；
图6是根据本说明书一些实施例提供的传感装置的结构示意图；
图7是根据本说明书一些实施例提供的弹性振动膜为多层复合膜结构的传感装置的结构示意图；
图8是根据本说明书一些实施例提供的传感装置的结构示意图；
图9是根据本说明书一些实施例提供的质量块为环形的传感装置的截面图；
图10是根据本说明书一些实施例提供的质量块为矩形筒状的传感装置的截面图；
图11是根据本说明书一些实施例提供的传感装置的截面示意图；
图12是根据本说明书一些实施例提供的传感装置的截面示意图；
图13是根据本说明书一些实施例提供的传感装置的截面示意图；
图14是根据本说明书一些实施例提供的传感装置的结构示意图；
图15是根据本说明书一些实施例提供的弹性振动膜包括第一孔部的传感装置的结构示意图；
图16是图15所示的传感装置的截面示意图；
图17是根据本说明书一些实施例提供的传感装置的截面示意图；
图18是根据本说明书一些实施例提供的包括多个谐振系统的传感装置的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本说明书实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本说明书应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
本说明书实施例中提供一种传感装置。在一些实施例中，所述传感装置包括传感结构和与传感结构耦合的谐振系统。其中，传感结构可以用于将外界信号(例如，声音信号、振动信号、压力信号)转化为目标信号(例如，电信号)。所述传感结构可以具有第一谐振频率，该第一谐振频率与传感结构本身的属性(例如，形状、材料、结构等)有关。谐振系统具有第二谐振频率，其中，第二谐振频率可以低于第一谐振频率。在一些实施例中，所述传感结构可以与一个拾振单元连接，该拾振单元可以包括弹性振动膜与质量块，拾振单元会影响所述传感结构对外界信号的响应，形成谐振系统。在其他实施例中，传感结构可以封装在包含液体的腔体(例如，由传感装置壳体围成的腔体)内，该液体和腔体内预留的气体(如果有的话)会影响所述传感结构对外界信号的响应，形成谐振系统。
在一些实施例中，通过调整传感结构和/或谐振系统本身的属性，例如，调节形成谐振系统的液体粘度、材料或者调节拾振单元的结构、材料等，可以对第二谐振频率和第一谐振频率之间的关系进行调节，使得第二谐振频率低于第一谐振频率，从而提高传感装置在较低频段的灵敏度。在一些实施例中，为了提高传感装置在不同频段范围的灵敏度，可以通过调整传感结构和/或谐振系统本身的属性，使得第二谐振频率与第一谐振频率的差值在200Hz～15000Hz的范围内，进而使传感装置的灵敏度相较于传感结构的灵敏度在所需频段内具有较为显著的提升。
本说明书实施例中的传感装置在传感结构的基础上加入了谐振系统，谐振系统提供了第二谐振频率，当外界信号的频率在第二谐振频率附近时，传感装置也能够具有较高的灵敏度，解决了传感结构(例如，气导麦克风)自身的第一谐振频率较高，其仅在第一谐振频率处灵敏度较高，而其他频率范围内(例如，中低频段)灵敏度较低的问题，使得传感装置在特定频段(例如，第二谐振频率附近)内相较于传感结构也能具有较高的灵敏度，达到稳定输出增益的目的。
在一些实施例中，谐振系统可以包括拾振单元，该拾振单元被配置为响应于传感装置的壳体振动而产生振动，拾振单元包括弹性振动膜与质量块，弹性振动膜通过其周侧与传感装置的壳体连接。在一些实施例中，质量块中高分子材料的质量超过80％。高分子材料质量块的弹性特质可以对外界冲击载荷进行吸收，进而有效减小弹性振动膜与传感结构的壳体连接处的应力集中，以减少传感装置因外界冲击而损坏的可能性。在一些实施例中，质量块和弹性振动膜可以由同一种高分子材料制成。在一些实施例中，质量块和弹性振动膜中高分子材料的质量可以超过80％。这里由高分子材料制成的质量块的力学参数与弹性振动膜的力学参数(例如，杨氏模量、刚度等)相同或接近时，质量块和弹性振动膜对于振动信号的频率响应相近，可以进一步减小弹性振膜与壳体的连接处在振动过程中的应力集中问题。
下面将结合附图对本说明书实施例提供的传感装置以及传感装置中的一个或多个组件(例如，传感结构、谐振系统)进行详细说明。
图1A是根据本说明书一些实施例提供的示例性传感结构的示意图。传感结构100可以用于将声音信号转化为电信号，并具有第一谐振频率。具体地，传感结构100可以基于声音信号产生机械振动信号，机械振动信号可以通过传感结构100的换能部件(例如，传感元件120)进一步转化为电信号。在一些实施例中，传感结构100还可以基于除声音信号以外的外部信号，例如力学信号(如压力、机械振动)、电信号、光信号、热信号等，产生形变和/或位移。所述形变和/或位移可以通过传感结构100的换能部件进一步转换为目标信号。在一些实施例中，目标信号可以包括但不限于电信号、力学信号(如机械振动)、声信号(如声波)、电信号、光信号、热信号等中的一种或多种。在一些实施例中，传感结构100可以是麦克风(例如，气传导麦克风或骨传导麦克风)、加速度计、压力传感结构、水听器、能量收集器、陀螺仪等。气传导麦克风是指声波通过空气传导的麦克风。骨传导麦克风是指声波以机械振动的方式在固体(例如，骨骼)中传导的麦克风。在一些实施例中，传感结构100也可以是骨导和气导相结合的麦克风。关于骨导和气导相结合的麦克风可以参考本身请说明书图6及其相关描述。
在一些实施例中，传感结构100可以包括壳体110和传感元件120，其中，传感元件120 容纳于壳体110内部。壳体110可以为内部具有腔体(即中空部分)的规则或不规则的立体结构，例如，可以是中空的框架结构体，包括但不限于矩形框、圆形框、正多边形框等规则形状，以及任何不规则形状。在一些实施例中，传感元件120可以位于壳体110的腔体或者至少部分悬空设置于壳体110的腔体。传感元件120用于将外部信号转换为目标信号。以骨传导麦克风(也叫作振动传感器)为例，所述外部信号为机械振动信号。在一些实施例中，传感元件120可以包括振动单元和换能单元。所述振动单元具有一定弹性。例如，振动单元可以是振动杆(例如悬臂梁)、振膜、振动块等。所述振动单元响应于所述机械振动信号，产生形变和/或位移。换能单元可以将所述形变和 /或位移转换为目标信号(例如，电信号)。换能单元可以包括压电换能器、电容式换能器等。
图1B是根据本说明书一些实施例提供的示例性麦克风的结构图。
如图1B所示，麦克风140可以包括印制电路板(PCB)141、壳体142，传感元件143和处理器144。在一些实施例中，PCB 141可以是酚醛PCB纸基板、复合PCB基板、玻纤PCB基板、金属PCB基板、积层法多层板PCB基板等中的一种或多种。在一些实施例中，PCB 141可以是环氧玻纤布制成的FR～4等级的玻纤PCB基板。PCB 141上可以设置(例如，通过激光刻蚀、化学刻蚀等方式)电路及麦克风140的其他元器件。在一些实施例中，PCB 141也可以是柔性印制电路板 (FPC)。在一些实施例中，传感元件143和处理器144分别通过传感元件固定胶145和处理器固定胶146固定连接于PCB 141上。在一些实施例中，传感元件固定胶145和/或处理器固定胶146可以为导电胶(例如，导电银胶、铜粉导电胶、镍碳导电胶、银铜导电胶等)。在一些实施例中，导电胶可以是导电胶水、导电胶膜、导电胶圈、导电胶带等中的一种或多种。传感元件143和/或处理器144分别通过PCB 141上设置的电路与其他元器件电连接。传感元件143和处理器144之间可以通过导线147(例如金线、铜线、铝线等)直接连接。
壳体142可以为内部具有腔体(即中空部分)的规则或不规则的立体结构，例如，可以是中空的框架结构体，包括但不限于矩形框、圆形框、正多边形框等规则形状，以及任何不规则形状。壳体142罩设于PCB 141上方，对传感元件143，处理器144，和PCB 141及其上设置的电路和其他元器件进行密封。壳体142可以采用金属(例如，不锈钢、铜等)、塑料(例如，聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)及丙烯腈─丁二烯─苯乙烯共聚合物(ABS)等)、复合材料(如金属基复合材料或非金属基复合材料)等。例如，在一些实施例中，壳体142所用的材料为黄铜。
传感元件143可以将外部振动信号转换为电信号。以骨传导麦克风为例，传感元件143可以包括基体结构、叠层结构和阻尼结构层。在一些实施例中，叠层结构的部分结构或全部结构与基体结构通过物理方式进行连接。本申请所述的“连接”可以理解为同一结构上不同部位之间的连接，或者在分别制备不同部件或结构后，将各独立部件或结构通过焊接、铆接、卡接、螺栓连接、胶黏剂粘合等方式固定连接，或者在制备过程中，通过物理沉积(例如，物理气相沉积)或者化学沉积 (例如，化学气相沉积)的方式将第一部件或结构沉积在第二部件或结构上。在一些实施例中，叠层结构的部分结构或全部结构可以固定于基体结构的上表面或下表面，叠层结构的部分结构也可以固定于基体结构的侧壁。
在一些实施例中，叠层结构可以包括振动单元和声学换能单元。振动单元是指叠层结构中受到外力容易发生形变的部分，振动单元可以用于将外力导致的形变传递至声学换能单元。声学换能单元是指叠层结构中将振动单元的形变转换为电信号的部分。具体地，基体结构可以基于外部振动信号产生振动，振动单元响应于基体结构的振动发生形变；声学换能单元基于振动单元的形变产生电信号。需要知道的是，这里对振动单元和声学换能单元的描述只是出于方便介绍叠层结构工作原理的目的，并不限制叠层结构的实际组成和结构。事实上，振动单元可以不是必须的，其功能完全可以由声学换能单元实现。例如，对声学换能单元的结构做一定改变后可以由声学换能单元直接响应于基体结构的振动而产生电信号。阻尼结构层可以是指具有阻尼特性的结构体。在一些实施例中，阻尼结构层可以是膜状结构或板状结构。进一步地，阻尼结构层的至少一侧可以与基体结构连接。在一些实施例中，阻尼结构层可以位于叠层结构的上表面和/或下表面或叠层结构的多层层状结构之间。例如，叠层结构为悬臂梁时，阻尼结构层可以位于悬臂梁的上表面和/或下表面。又例如，叠层结构为支撑臂和质量元件时，质量元件相对于支撑臂向下凸出时，阻尼结构层可以位于质量元件的下表面和/或支撑臂的上表面。在一些实施例中，对于宏观尺寸的叠层结构和基体结构，可以直接将阻尼结构层粘接在基体结构或叠层结构处。在一些实施例中，对于微机电系统(MEMS)器件，可利用半导体工艺，例如，蒸镀、旋涂、微装配等方式，将阻尼结构层与叠层结构和基体结构连接。在一些实施例中，阻尼结构层的形状可以是圆形、椭圆形、三角形、四边形、六边形、八边形等规则或不规则形状。在一些实施例中，可以通过选择阻尼结构层的材料、尺寸、厚度等提高骨传导麦克风的电信号的输出效果。
在一些实施例中，基体结构和叠层结构可以位于骨传导麦克风的壳体142内，基体结构与壳体142内壁固定连接，叠层结构承载于基体结构。关于叠层结构的具体结构，可以参考本申请说明书其他的描述，如图1C及其描述。
当骨传导麦克风的壳体142受到外力振动时(例如，人体说话时脸部的振动带动壳体142 振动)，壳体142振动带动基体结构振动，由于叠层结构与壳体结构(或基体结构)各自的属性不同，使得叠层结构与壳体142之间无法保持完全一致的移动，从而产生相对运动，进而使叠层结构的振动单元产生形变。进一步地，当振动单元发生形变时，声学换能单元的压电层受到振动单元的形变应力产生电势差(电压)，声学换能单元中分别位于压电层上表面和下表面的至少两个电极层 (例如，第一电极层和第二电极层)可以采集该电势差从而将外部振动信号转化为电信号。
阻尼结构层的阻尼在不同应力(形变)状态下不同，例如，在高应力或大振幅时呈现较大的阻尼。因而可以利用叠层结构在非谐振区振幅小、谐振区振幅大的特点，通过增加阻尼结构层可以在保证不降低非谐振区域骨传导传声器灵敏度的同时，降低谐振区域的品质因子Q值，使得骨传导麦克风的频响在整个频率段均较为平坦。所述骨传导麦克风可以应用于耳机(例如，骨传导耳机或空气传导耳机)、眼镜、虚拟现实设备、头盔等，骨传导麦克风可以放置于人体头部(例如，面部)、脖子、耳朵附近以及头顶等位置，骨传导麦克风可以拾取人说话时骨骼的振动信号，并转换为电信号，实现声音的采集。需要注意的是，基体结构不限于相对骨传导麦克风的壳体142独立的结构，在一些实施例中，基体结构还可以为骨传导麦克风壳体142的一部分。
以气导麦克风为例，气导麦克风可以包括动圈式麦克风、电容式麦克风等。动圈式麦克风的传感元件143可以包括振膜、线圈以及磁体。磁体用于产生磁场。当存在气导声音时，振膜可以产生振动，振膜振动可以带动线圈在所述磁场中运动，切割磁感线，从而产生电信号，实现声音的采集。电容式麦克风的传感元件143可以包括振膜、背板以及电源。所述振膜和背板平行放置且距离较近，分别构成电容器的两极。电源为电容器的两极提供电压。当存在气导声音时，所述振膜可以产生振动，从而改变电容器两极的距离，以此改变电容器的电容。电压维持不变的情况下，电容器内的电量发生变化，从而产生电信号，实现声音的采集。
处理器144可以从传感元件230获取所述电信号并进行信号处理。在一些实施例中，所述信号处理可以包括调频处理、调幅处理、滤波处理、降噪处理等。处理器144可以包括微控制器、微处理器、专用集成电路(ASIC)、专用指令集处理器(ASIP)、中央处理器(CPU)、物理运算处理器(PPU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、高级精简指令集计算机 (ARM)、可编程逻辑器件(PLD)，或其他类型的处理电路或处理器。
图1C是根据本说明书一些实施例提供的骨导麦克风的传感元件的示例性结构示意图。
在本实施例中，传感元件143包括基体181和悬臂梁182。基体181的下方固定连接于PCB 141，悬臂梁182的一端固定于基体181，另一端悬空设置于壳体142的腔体中。悬臂梁182可以包括前述叠层结构。所述叠层结构包括振动单元和声学换能单元。振动单元可以包括弹性层。声学换能单元可以包括由上至下依次设置的第一电极层、压电层和第二电极层，弹性层位于第一电极层或第二电极层的表面，弹性层可以在振动过程中发生形变，压电层基于弹性层的形变产生电信号，第一电极层和第二电极层可以对该电信号进行采集。仅作为示例性说明，振动单元可以包括由上至下依次设置的第一弹性层和第二弹性层。第一弹性层和第二弹性层可以为采用半导体材料制成的板状结构。
在一些实施例中，悬臂梁182还可以包括其他结构层，例如，种子层、阻尼层等，本说明书不作具体限定。仅仅作为示例，如图1C所示，悬臂梁182可以从上到下依次由弹性层1431、上电极1432、功能层1433、底电极1434、以及种子层1435组成。在一些实施例中，种子层1435的材料与功能层1433的材料可一致。在一些实施例中，用于支撑所述悬臂梁182的基体181可采用 Si等半导体材料。
图2A是根据本说明书一些实施例提供的示例性传感装置的力学等效示意图。如图2A所示，传感装置100可以包括传感结构100和谐振系统210。在一些实施例中，传感装置200可以视为在传感结构100的基础上加入谐振系统210。示例性地，在本实施例中，谐振系统210可以为弹簧(Km4)-质量(Mm4)-阻尼(Rm4)系统。以图1A所示的传感结构100为例，谐振系统210可以耦合于传感结构100的壳体110和传感元件120之间。由于谐振系统210的作用，壳体110接收到外部振动信号时，所述外部振动信号将分别通过与传感元件120连接的壳体区域以及与谐振系统210连接的壳体区域传递至传感元件220。因此，传感装置200的力学响应较传感结构100发生改变。相应的，传感装置200的电学、声学和/或热学响应较传感结构100发生改变。
在一些实施例中，谐振系统210可以由连接于传感元件120且具有一定质量的弹性结构 (例如，弹性杆、弹性片、弹性振动膜、弹性块、弹性网状支架、弹性连接结构(例如，轻质弹簧) 与质量元件(例如，质量块)的复合结构等形成。在一些实施例中，谐振系统210可以包括一根或多根弹性杆。弹性杆的两端分别固定连接于壳体110和传感元件120。在一些实施例中，谐振系统 210可以是至少一组弹性连接结构(例如，轻质弹簧、轻质弹性杆、弹性振动膜等)与质量元件的组合。例如，弹性连接结构可以包括弹性振动膜，弹性振动膜的两端连接于壳体110，质量块固定连接或者放置于弹性振动膜上。关于由弹性振动膜和质量块组合形成谐振系统210的更多描述，可以在本说明书其他地方(例如，图6及其相关描述)找到。在一些实施例中，谐振系统210也可以是与传感元件120一体化制造成型。例如，弹性杆形式的谐振系统210可以与传感元件120通过注塑的方式、或者物理生长的方式一体化制造成型。
在一些实施例中，本说明书实施例提供的传感装置中的谐振系统可以等效为振动模型。图 3是根据本说明书一些实施例提供的谐振系统的等效振动模型的示意图。如图3所示，谐振系统(例如，图2A中所示的谐振系统210)可简化等效为质量～弹簧～阻尼系统。质量～弹簧～阻尼系统在激振力F作用下做受迫振动，其振动规律符合质量～弹簧～阻尼系统的规律。对于谐振系统，其中，本说明书实施例中的弹性振动膜(例如，图6所示的弹性振动膜621)为谐振系统210提供弹簧和阻尼作用，本说明书实施例中的质量块(例如，图6所示的质量块622)提供质量。
该谐振系统的运动可用以下微分方程进行描述：
Figure BDA0003206703470000051
其中，M为谐振系统质量，R为谐振系统阻尼，K为谐振系统弹性系数，F为驱动力幅值，x为谐振系统位移，ω为外力圆频率。求解上述方程稳态位移可得：
x＝xacos(ωt-θ)， (2)
其中，
Figure BDA0003206703470000052
结合图1A、图2A和图3，传感装置200实际工作时，x对应传感结构100中的传感元件120的振动～电信号转换部分的变形量，x的大小最终对应电信号输出的大小。位移振幅比值(归一化) 为：
Figure BDA0003206703470000053
其中，
Figure BDA0003206703470000054
为力学品质因素；
Figure BDA0003206703470000055
为静态位移振幅(或称ω＝0时的位移振幅)。
具有不同参数(弹性系数、质量、阻尼)的谐振系统构成的传感装置200，其归一化后位移共振曲线如图4所示。其中，横轴对应外力(或振动)的频率与系统谐振频率的比值
Figure BDA0003206703470000061
纵轴对应公式(3)的A值。可以看到，对于不同的传感装置200，其谐振系统不同，具备不同的力学品质因素Qm值，对应图中不同的曲线，其位移A不同。在外力(或振动)的频率与系统谐振频率的比值
Figure BDA0003206703470000062
为1处，系统发生共振，此时位移变化最大。Qm值越大的谐振系统，A值越大，曲线越陡峭；而Qm值越小的谐振系统，A值越小，曲线越平坦，因此可以通过调整谐振系统的品质因子Qm值 (例如改变其结构)，调节Q值。
传感结构产生电压信号的原理为振动～电信号转换器件(例如，传感元件120)与传感装置壳体(例如，壳体110)产生相对位移(例如驻极体传声器通过振膜变形，改变与基板之间距离形成电压信号；悬臂梁式骨传导传感结构通过悬臂振动器件变形，产生逆压电效应，从而形成电信号)，且位移越大，输出信号也越大。显然传感结构的振动～电信号转换模块完全符合如图4的位移共振曲线。
在一些实施例中，谐振系统还可以包括弹性支撑部件，弹性振动膜与弹性支撑部可以共同作为等效弹簧，整体弹性系数K值更低，可以起到放大形变的作用，从而使传感装置200的灵敏度更高。在本实施例中，在具体的振动形态上，当质量块在惯性作用下上下运动时，在拉动弹性振动膜弯曲形变的同时，也会拉动弹性支撑部件在纵向和横向两个方向发生变形，从而放大质量块的位移量。
基于上述方程，谐振系统210的谐振频率(即第二谐振频率)为：
Figure BDA0003206703470000063
其中，ω0为系统谐振频率。
传感装置的谐振频率与谐振系统210的谐振频率之间的关系为：
f＝ω0/(2*pi) (5)
其中，f为传感装置的谐振频率。
结合上述公式(4)和(5)，当减小
Figure BDA0003206703470000064
时，谐振系统的谐振频率降低。当改变谐振频率时，谐振频率之前信号的灵敏度提高，但在谐振频率之后，有一段频率信号的灵敏度下降。在通过调整传感装置200的谐振频率(例如，调整谐振系统210提供的第二谐振频率)来调整灵敏度时，需兼顾频率范围。在一些实施例中，传感装置200的谐振频率在1500Hz～6000Hz之间。在一些实施例中，传感装置200的谐振频率在1500Hz～3000Hz之间。在一些实施例中，传感装置200的谐振频率在2000Hz～2500Hz之间。
在一些实施例中，传感装置200的频响曲线包括至少两个谐振峰。所述至少两个谐振峰包括第一谐振峰和第二谐振峰。第一谐振峰为传感结构100对应的谐振峰，其对应的谐振频率主要与传感元件120的属性(例如，形状、材料、结构等)有关。第二谐振峰为传感结构100的附加系统 (对于传感装置200，附加系统为谐振系统210)作用产生的谐振峰，其对应的谐振频率主要与附加系统的一个或多个力学参数(例如，谐振系统等效的弹簧(Km4)、质量(Mm4)、阻尼(Rm4)等)有关。为了使传感装置200能够适用于不同的场景，第一谐振峰对应的谐振频率(也叫作第一谐振频率) 和第二谐振峰对应的谐振频率(也叫作第二谐振频率)之间可以满足不同的关系。例如，第二谐振频率可以小于、等于或大于第一谐振频率。在一些实施例中，为了提高传感装置200在较低频段的灵敏度，第二谐振频率可以小于第一谐振频率。例如，第一谐振频率与第二谐振频率的差值可以在 200Hz-15000Hz的范围内。又例如，第一谐振频率与第二谐振频率的差值可以在500Hz-8000Hz的范围内。再例如，第一谐振频率与第二谐振频率的差值可以在1000Hz-5000Hz的范围内。
仅仅出于说明的目的，由于谐振系统210对应的第二谐振峰的存在，传感装置200的频响曲线，尤其是在语音信息较为丰富的中低频段，会有所提升，使得其灵敏度较传感结构100会有所提高。另外，由于谐振系统210作用于传感元件120，传感结构100的振动特性较没有谐振系统210 时会有所改变。具体地，谐振系统210作用于传感元件120，可以影响传感结构100的质量、刚度和/或阻尼等，其效果相当于使得传感装置200的第一谐振峰的Q值相对于不连接第一谐振系统210 的传感结构100的Q值有所改变(例如，Q值减小)。下面将结合图5A以及图5B对传感装置200 的频响曲线以及第一谐振峰、第二谐振峰进行更为具体的介绍。
图5A是根据本说明书一些实施例提供的传感装置200的示例性频响曲线。如图5A所示，虚线表示的频响曲线510为传感结构100的频响曲线，实线表示的频响曲线520为传感装置200的频响曲线。横坐标表示频率，单位为赫兹Hz，纵坐标表示灵敏度，单位为伏特分贝dBV。频响曲线510包括谐振峰511，谐振峰511对应传感结构100的谐振频率。频响曲线520包括第一谐振峰521 和第二谐振峰522。对于传感装置200，第一谐振峰521对应的频率为第一谐振频率，第二谐振峰 522是由谐振系统210作用而形成的，对应的频率为第二谐振频率。
需要说明的是，图中所示第二谐振峰522在第一谐振峰521左侧，即第二谐振峰522对应的频率小于第一谐振峰对应的频率。在一些实施例中，还可以通过改变传感结构100或谐振系统210 中力学参数，使得第二谐振峰522对应的频率(即第一谐振频率)大于第一谐振峰521对应的频率 (即第二谐振频率)，即第二谐振峰522在第一谐振峰521右侧。在一些实施例中，当谐振系统210 包括由弹性振动膜与质量块组合而成的拾振单元时，第二谐振峰522可以在第一谐振峰521的左侧，即第二谐振频率低于第一谐振频率。例如，在一些实施例中，第二谐振频率与第一谐振频率的差值在200Hz～15000Hz之间。又例如，在一些实施例中，第二谐振频率与第一谐振频率的差值在 1000Hz～8000Hz之间。再例如，在一些实施例中，第二谐振频率与第一谐振频率的差值在 2000Hz～6000Hz之间。在一些实施例中，第二谐振峰522的位置与弹性振动膜(例如，图6所示的弹性振动膜621)和/或质量块(例如，图6所示的质量块622)的力学参数相关。例如，质量块的质量越大，第二谐振频率就越小，第二谐振峰522会往低频偏移，或者弹性振动膜的弹性越好，第二谐振频率就越大，第二谐振峰522会往高频偏移。在一些实施例中，对于内部填充液体作为谐振系统的传感装置200，其第二谐振峰522在第一谐振峰521的左侧，其位置可以与填充的液体的属性(例如，密度、运动粘度、体积等)以及弹性振动膜属性相关。随着液体的密度变小或运动粘度变大，其谐振峰会往高频偏移。
在一些实施例中，谐振峰511所对应的频率在100Hz～18000Hz范围内。在一些实施例中，谐振峰511所对应的频率在100Hz～10000Hz范围内。在一些实施例中，谐振峰511所对应的频率在500Hz～10000Hz范围内。在一些实施例中，谐振峰511所对应的频率在1000Hz～7000Hz范围内。在一些实施例中，谐振峰511所对应的频率在1500Hz～5000Hz范围内。在一些实施例中，谐振峰511所对应的频率在2000Hz～5000Hz范围内。在一些实施例中，谐振峰511所对应的频率在 2000Hz～4000Hz范围内。在一些实施例中，谐振峰511所对应的频率在3000Hz～4000Hz范围内。
在一些实施例中，第一谐振峰521对应的频率(即第一谐振频率)与谐振峰511对应的谐振频率可以相同。例如，谐振系统包括弹性振动膜和质量块组合形成的拾振单元时，谐振系统对传感结构100自身的刚度、质量、阻尼几乎没有影响，所以传感装置200中的传感结构100的第一谐振频率相对于传感结构100自身的谐振频率(即谐振峰511对应的谐振频率)没有发生变化。
在一些实施例中，第一谐振峰521所对应的频率在100Hz～18000Hz范围内。在一些实施例中，第一谐振峰521所对应的频率在500Hz～10000Hz范围内。在一些实施例中，第一谐振峰521 所对应的频率在1000Hz～10000Hz范围内。在一些实施例中，第一谐振峰521所对应的频率在1500 Hz～7000Hz范围内。在一些实施例中，第一谐振峰521所对应的频率在1500Hz～5000Hz范围内。在一些实施例中，第一谐振峰521所对应的频率在2000Hz～5000Hz范围内。在一些实施例中，第一谐振峰521所对应的频率在2000Hz～4000Hz范围内。在一些实施例中，第一谐振峰521所对应的频率在3000Hz～4000Hz范围内。
在一些实施例中，第一谐振峰521对应的谐振频率(第一谐振频率)与谐振峰511对应的谐振频率不同。例如，对于图2B所示的壳体110腔体内填充满液体的传感装置200，所述液体作为谐振系统210，由于液体不可压缩，导致系统自身刚度变大，则第一谐振峰521对应的第一频率较谐振峰511对应的谐振频率变大，即第一谐振峰521相对于谐振峰511右移。
在一些实施例中，第二谐振峰522所对应的频率在50Hz～15000Hz范围内。在一些实施例中，第二谐振峰522所对应的频率在50Hz～10000Hz范围内。在一些实施例中，第二谐振峰522所对应的频率在50Hz～6000Hz范围内。在一些实施例中，第二谐振峰522所对应的频率在100Hz～5000 Hz范围内。在一些实施例中，第二谐振峰522所对应的频率在500Hz～5000Hz范围内。在一些实施例中，第二(谐振峰522所对应的频率在1000Hz～5000Hz范围内。在一些实施例中，第二谐振峰522所对应的频率在1000Hz～5000Hz范围内。在一些实施例中，第二谐振峰522所对应的频率在1000Hz～2000Hz范围内。在一些实施例中，第二谐振峰522所对应的频率在1500Hz～2000Hz 范围内。在一些实施例中，可以通过调节传感结构的结构、材料以及谐振系统中给一个或多个力学参数(例如，图6所示的质量块622的质量、弹性振动膜621的刚度、第一声学腔体630的尺寸等)，使得频响曲线520上的两个谐振峰521和522之间较为平坦，从而提高传感装置200的输出质量。在一些实施例中，第一谐振频率对应的第一谐振峰521和第二谐振频率对应的第二谐振峰522 之间的低谷与二者中较高谐振峰的峰值的灵敏度差值不高于50dBV。在一些实施例中，第一谐振频率对应的第一谐振峰521和第二谐振频率对应的第二谐振峰522之间的低谷与二者中较高谐振峰的峰值的灵敏度差值不高于20dBV。在一些实施例中，第一谐振频率对应的第一谐振峰521和第二谐振频率对应的第二谐振峰522之间的低谷与二者中较高谐振峰的峰值的灵敏度差值不高于15dBV。在一些实施例中，第一谐振频率对应的第一谐振峰521和第二谐振频率对应的第二谐振峰522之间的低谷与二者中较高谐振峰的峰值的灵敏度差值不高于10dBV。在一些实施例中，第一谐振频率对应的第一谐振峰521和第二谐振频率对应的第二谐振峰522之间的低谷与二者中较高谐振峰的峰值的灵敏度差值不高于8dBV。在一些实施例中，第一谐振频率对应的第一谐振峰521和第二谐振频率对应的第二谐振峰522之间的低谷与二者中较高谐振峰的峰值的灵敏度差值不高于5dBV。
相应地，第一谐振峰521和第二谐振峰522对应的谐振频率的差值(第一谐振峰521对应的第一谐振频率以f0表示(与谐振峰511接近)，第二谐振峰522的第二谐振频率以f1表示，以频率差△f1表示第一谐振峰521和第二谐振峰522对应的谐振频率的差值，即第一谐振频率f0和第二谐振频率f1的差值)在一定范围内，可以使得谐振峰521和522之间的频响曲线较为平坦。在一些实施例中，频率差△f1在200Hz～15000Hz范围内，所述频率差△f1与f0的比值在0.03～8范围内。在一些实施例中，频率差△f1在200Hz～12000Hz范围内，所述频率差△f1与f0的比值在0.3～6范围内。在一些实施例中，频率差△f1在200Hz～8000Hz范围内，所述频率差△f1与f0的比值在0.3～3 范围内。在一些实施例中，频率差△f1在200～3000Hz范围内，所述频率差△f1与f0的比值在0.2～0.7 范围内。在一些实施例中，频率差△f1在200～2000Hz范围内，所述频率差△f1与f0的比值在0.2～0.65 范围内。在一些实施例中，频率差△f1在500～2000Hz范围内，所述频率差△f1与f0的比值在0.25～0.65 范围内。在一些实施例中，频率差△f1在500～1500Hz范围内，所述频率差△f1与f0的比值在0.25～0.6 范围内。在一些实施例中，频率差△f1在800～1500Hz范围内，所述频率差△f1与f0的比值在0.3～0.6 范围内。在一些实施例中，频率差△f1在1000～1500Hz范围内，所述频率差△f1与f0的比值在0.35～0.6 范围内。
继续参见图5A所示，频响曲线520相比频响曲线510，频响曲线520在第二谐振峰522对应的谐振频率f1以内的频率范围内灵敏度的提升(即差值，以△V1表示)较高且较稳定。在一些实施例中，所述提升△V1在10dBV～60dBV范围内。在一些实施例中，所述提升△V1在10dBV～50dBV 范围内。在一些实施例中，所述提升△V1在15dBV～50dBV范围内。在一些实施例中，所述提升△ V1在15dBV～40dBV范围内。在一些实施例中，所述提升△V1在20dBV～40dBV范围内。在一些实施例中，所述提升△V1在25dBV～40dBV范围内。在一些实施例中，所述提升△V1在 30dBV～40dBV范围内。
在一些实施例中，谐振系统210的存在会对传感装置200中传感结构100对应的谐振峰产生抑制作用，使得频响曲线520的第一谐振峰521处Q值相对较低，在所需频段内(例如，中低频) 频响曲线更加平坦化，整体频响曲线520的最高峰的峰值与最低谷的谷值之间差值(又称峰谷值，以△V2表示)在一定范围内。在一些实施例中，所述峰谷值不超过30dBV。在一些实施例中，所述峰谷值不超过20dBV。在一些实施例中，所述峰谷值不超过10dBV。在一些实施例中，所述峰谷值不超过8dBV。在一些实施例中，所述峰谷值不超过5dBV。
在一些实施例中，传感装置200的频响可以通过曲线520的相关参量，例如第一谐振峰521 的峰值、频率、第二谐振峰522的峰值、频率、Q值、△f1、△V1、△V2、△f1与f0的比值、峰谷值与最高峰的峰值的比值、通过拟合频响曲线确定的方程的一阶系数、二阶系数、三阶系数等中的一个或多个描述。在一些实施例中，当谐振系统210包括谐振单元211时，传感装置200的频响可以与质量块和弹性振动膜的力学参数相关(例如，质量、阻尼、刚度等)。在一些实施例中，当谐振系统210由液体形成时，例如图2B所示的传感装置200的频响可以与填充的液体的属性和/或传感结构100的参数相关。液体的属性可以包括，例如，液体密度、液体运动粘度、液体体积、是否有气泡、气泡体积、气泡位置、气泡数量等。传感结构100的参数可以包括，例如，壳体110的内部结构、尺寸、刚度，传感结构100的质量，和/或传感元件120(例如悬臂梁)的尺寸、刚度等。
图5B是根据本说明书一些实施例提供的另一种传感装置的示例性频响曲线。如图5B所示，虚线表示的频响曲线560为传感结构100的频响曲线，实线表示的频响曲线570为传感装置200 的频响曲线。频响曲线560包括谐振峰561，谐振峰561对应传感结构100的谐振频率。在一些实施例中，传感结构100对应较高的谐振频率不在所需的频率段(例如，100～5000Hz，500～7000Hz 等)。在一些实施例中，传感结构100对应的谐振频率可以在较高的频率段。例如，在一些实施例中，传感结构100对应的谐振频率高于7000Hz。在一些实施例中，传感结构100对应的谐振频率高于10000Hz。在一些实施例中，传感结构100对应的谐振频率高于12000Hz。在一些实施例中，传感结构100对应的谐振频率高于15000Hz。相应地，由于传感装置200具有额外的谐振系统，传感装置200可以具有较高的刚度，使得传感装置200具有较高的抗冲击强度和可靠性。
频响曲线570包括第一谐振峰(图中未示出)和第二谐振峰572。在一些实施例中，第一谐振峰所对应的频率与频响曲线560中传感结构100对应的谐振频率接近或相同。在一些实施例中，频响曲线570与图5A中的频响曲线520，除第一谐振峰右移外，大致相同。第二谐振峰572所对应的频率与图5A中第二谐振峰522对应的频率范围相同或相近。
在一些实施例中，在所需频率范围内(例如，2000Hz以内、3000Hz以内、5000Hz以内等)，频响曲线570中的灵敏度最大值和最小值的差值应保持在一定范围，以保证传感装置200的稳定。在一些实施例中，在所需频率范围(例如，第二谐振频率范围)内，第二谐振频率以内的频率范围内的灵敏度最小值与所述第二谐振频率对应的第二谐振峰572的峰值的灵敏度之间的差值不高于40dBV。在一些实施例中，在所需频率范围内(例如，第二谐振频率范围)内，第二谐振频率以内的频率范围内的灵敏度最小值与所述第二谐振频率对应的第二谐振峰572的峰值的灵敏度之间的差值不高于30dBV。在一些实施例中，在所需频率范围内(例如，第二谐振频率范围)内，第二谐振频率以内的频率范围内的灵敏度最小值与所述第二谐振频率对应的第二谐振峰572的峰值的灵敏度之间的差值不高于20dBV。在一些实施例中，在所需频率范围内(例如，第二谐振频率范围) 内，第二谐振频率以内的频率范围内的灵敏度最小值与所述第二谐振频率对应的第二谐振峰572的峰值的灵敏度之间的差值不高于10dBV。
在一些实施例中，第一谐振峰和第二谐振峰572对应的谐振频率的差值(第一谐振峰的频率以f0表示(与谐振峰561接近)，第二谐振峰572的频率以f1表示，以频率差△f2表示两个谐振峰对应的谐振频率的差值)在一定范围内。在一些实施例中，频率差△f2在200～15000Hz范围内，所述频率差△f2与f0的比值在0.03～8范围内。在一些实施例中，频率差△f1在200Hz～12000Hz 范围内，所述频率差△f1与f0的比值在0.3～6范围内。在一些实施例中，频率差△f1在200Hz～8000Hz 范围内，所述频率差△f1与f0的比值在0.3～3范围内。在一些实施例中，频率差△f2在1000～6000 Hz范围内，所述频率差△f2与f0的比值在0.2～0.65范围内。在一些实施例中，频率差△f2在2000～6000Hz范围内，所述频率差△f2与f0的比值在0.3～0.65范围内。在一些实施例中，频率差△f2在3000～5000Hz范围内，所述频率差△f2与f0的比值在0.3～0.5范围内。在一些实施例中，频率差△f2在3000～4000Hz范围内，所述频率差△f2与f0的比值在0.3～0.4范围内。
进一步地，频响曲线570相比频响曲线560，频响曲线570在第二谐振峰572对应的谐振频率f1以内的频率范围内的灵敏度的提升(即差值，以△V3表示)较高且较稳定。在一些实施例中，所述提升△V3在10dBV～60dBV范围内。在一些实施例中，所述提升△V3在10dBV～50dBV范围内。在一些实施例中，所述提升△V3在15dBV～50dBV范围内。在一些实施例中，所述提升△V3 在15dBV～40dBV范围内。在一些实施例中，所述提升△V3在20dBV～40dBV范围内。在一些实施例中，所述提升△V3在25dBV～40dBV范围内。在一些实施例中，所述提升△V3在30dBV～40dBV 范围内。
在一些实施例中，传感装置200的频响可以通过曲线570的相关参量，例如初级谐振峰的峰值、频率、次级谐振峰572的峰值、频率、Q值、△f2、△V3、△f2与f0的比值、所需频率范围内最大灵敏度与最小灵敏度的比值、通过拟合频响曲线确定的方程的一阶系数、二阶系数、三阶系数等中的一个或多个描述。在一些实施例中，传感装置200的频响可以与填充的液体的属性和/或传感结构100的参数相关。在一些实施例中，为获得传感装置200的理想的输出频响(例如，频响曲线570)，可以通过计算机模拟、模体实验等方式确定以上列举的影响频响的各参数(又称频响影响因素，包括拾振单元211和/或传感结构100的参数)的范围，与图5A中所述的方法相同或相近，此处不再赘述。
在一些实施例中，当谐振系统210由液体形成时，例如在多个弹性振动膜之间填充液体作为谐振系统210(如图2B所示)时，传感装置200的频响可以与填充的液体的属性和/或传感结构 100以及弹性振动膜的参数相关。在一些实施例中，液体的属性可以包括但不限于液体密度、液体运动粘度、液体体积、是否有气泡、气泡体积、气泡位置、气泡数量等中的一种或多种。在一些实施例中，传感结构100的参数可以包括但不限于壳体110的内部结构、尺寸、刚度，传感结构100 的质量，和/或传感元件120(例如悬膜)的尺寸、刚度等。在一些实施例中，弹性振动膜的参数可以包括但不限于尺寸、杨氏模量、刚度、阻尼、伸长率、硬度等。
在一些实施例中，为获得理想的传感装置200的输出频响(例如，频响曲线520)，可以通过计算机模拟、模体实验等方式确定以上列举的影响频响的各参数(又称频响影响因素，包括谐振系统(例如，图6所示的拾振单元620)和/或传感结构100)的参数范围。在一些实施例中，可以基于仿真模拟，通过控制变量的方式，逐个确定各因素分别对传感装置200的影响。例如，在弹性振动膜不变的情况下，测试不同质量的质量块所对应的传感装置的性能。又例如，在相同液体且均充满前提下，测试具有不同腔体结构特征的传感装置的性能。
在一些实施例中，部分因素与其他因素对传感装置200频响的影响存在关联，因此可以以相应的参数对或者参数组的方式，确定参数对或参数组对传感装置200频响的影响。例如，对于图 6所示的谐振系统，改变质量块622的形状时，质量块622的质量发生变化、体积发生变化、与弹性振动膜621的接触面积也会发生变化，因此可以以质量块的形状、质量、体积、与弹性振动膜621 的接触面积(或其中任意两参数比值、或至少两参数的乘积等)作为参数组，测试具有不同参数对对参数组特征的传感装置的性能。
示例性地，对于包括不同质量的质量块的传感装置200，质量块的质量越大，传感装置200 频响的Q值越小。
需要注意的是，以上对于传感装置200的频响曲线的描述，仅为示例性描述，并不能把本说明书限制在所举实施例范围之内。可以理解，对于本领域的技术人员来说，在了解该系统的原理后，可能在不背离这一原理的情况下，对其结构、组成进行任意调整。诸如此类的变形，均在本说明书的保护范围之内。
在一些实施例中，谐振系统210可以减小传感元件受到的外界冲击以保护传感元件。例如，谐振系统210包括弹性结构(例如，弹性振动膜)，弹性结构的弹性能够对外界冲击载荷进行吸收，减少传感装置因外界冲击而损坏的可能性。又例如，谐振系统210还可以包括质量块，其中质量块中高分子材料的质量超过80％。高分子材料质量块的弹性特质也能够对外界冲击载荷进行吸收，进而有效减小弹性振动膜与传感结构100的壳体110连接处的应力集中，以减少传感装置因外界冲击而损坏的可能性。再例如，若谐振系统210为充满传感结构100腔体的液体，由于液体具有粘滞作用，同时液体的自身刚度相对器件材料小很多，当传感装置200接收外界冲击载荷时(例如骨导麦克风要求可以抗击10000g加速度的冲击而不会损坏)的冲击可靠性。具体地，由于液体的粘滞作用，可以吸收并消耗部分冲击能量，使得其中传感元件120受到的冲击载荷大大减小。
需要说明的是，上述实施例中的传感装置200可以看作是在传感结构100的基础上加入了谐振系统210，而谐振系统210耦合于传感结构100的壳体110和传感元件120之间，这里传感结构100的壳体110可以被看作为传感装置200的壳体。在一些其它实施例中，用于容纳谐振系统210 的壳体还可以是与传感结构100的壳体110相独立的壳体结构，该壳体结构与传感结构100的壳体 110连接，且二者的空腔相连通。
下文将以由弹性结构(例如，弹性振动膜和质量块组合的结构)形成的谐振系统作为示例对传感装置600进行详细说明。
图6是根据本说明书一些实施例提供的传感装置的结构示意图。如图6所示，传感装置600 可以包括传感结构610和谐振系统。在一些实施例中，传感结构610可以包括壳体611、印刷电路板(PCB)612、处理器613和传感元件614。壳体611可以为内部具有腔体(即中空部分)的规则或不规则的立体结构，例如，可以是中空的框架结构体，包括但不限于矩形框、圆形框、正多边形框等规则形状，以及任何不规则形状。在一些实施例中，传感元件614和处理器613分别连接于PCB 612的上表面，PCB 612位于壳体611内部的空腔中，壳体611对传感元件614、处理器613、PCB 612及其上设置的电路和其他元器件进行密封，PCB 612将壳体611内部的空腔分隔为呈上下设置的两个腔室。关于壳体611、PCB 612、处理器613以及传感元件614的具体内容可以参考本说明书图1B中关于印制电路板(PCB)141、壳体142、传感元件143和处理器144的描述，在此不做赘述。
谐振系统位于PCB 612下表面对应的腔室中，在一些实施例中，谐振系统可以包括拾振单元620，拾振单元620可以响应于壳体611振动而产生振动，使得传感装置600在特定频段(例如，人声频段范围)内形成小于传感结构对应的第一谐振频率的第二谐振频率，从而提高传感结构装置 600在特定频段范围的灵敏度。在一些实施例中，拾振单元620可以包括弹性振动膜621和质量块 622。弹性振动膜621可以通过其周侧与壳体611连接，例如，弹性振动膜621可以通过胶接、卡接等方式与壳体220的内壁连接。质量块622设置在弹性振动膜621上。具体地，质量块622可以设置在弹性振动膜621的上表面或下表面上。弹性振动膜621的上表面可以是指弹性振动膜621朝向 PCB 612的一面，弹性振动膜621的下表面可以是指弹性振动膜621背离PCB 612的一面。在一些实施例中，质量块622的数量可以为多个，多个质量块622可以同时位于弹性振动膜621的上表面或下表面质量块622。在一些实施例中，多个质量块622中的部分可以设置于弹性振动膜621的上表面，另一部分质量块622可以位于弹性振动膜621的下表面。在一些实施中，质量块622还可以嵌于弹性振动膜621中。
在一些实施例中，弹性振动膜621和传感结构610之间可以形成第一声学腔体230。具体地，弹性振动膜621的上表面、PCB 612和壳体611可以形成第一声学腔体630，弹性振动膜621 的下表面和壳体611可以形成第二声学腔体640。当传感装置600的壳体(例如，传感结构610的壳体611)响应于外部声音信号产生振动时，由于拾振单元620(弹性振动膜621和质量块622)与壳体611的自身特性不同，拾振单元620的弹性振动膜621和质量块622会相对于壳体611而运动，弹性振动膜621和质量块622在相对于壳体611的振动过程中会引起第一声学腔体630内的声压发生变化，传感结构610便可以基于第一声学腔体内630内的声压变化将外部声音信号转换为电信号。具体而言，弹性振动膜621和质量块622的振动会引起第一声学腔体630内的空气振动，空气振动可以通过PCB 612上设置的一个或多个进声孔6121作用于传感元件614，传感元件614可以将空气振动转换为电信号或基于第一声学腔体630内的声压变化生成电信号，再通过处理器613 对电信号进行信号处理。在本说明书的实施例中，通过在传感结构610的基础上引入谐振系统，谐振系统提供的第二谐振频率可以使得传感装置600在不同于传感结构610的第一谐振频率的其他频段(例如，第二谐振频率附近)内，产生新谐振峰(例如，第二谐振峰)，从而使得传感装置600相较于传感结构能够在更宽的频段范围内具有较高的灵敏度。在一些实施例中，可以通过调节谐振系统的力学参数(例如，刚度、质量、阻尼等)来调节第二谐振频率，从而可以对传感装置600的灵敏度进行调节。需要注意的是，本说明书实施例中将传感装置的灵敏度与传感结构610的灵敏度进行对比可以理解为传感结构610在引入谐振系统之后和未引入谐振系统之前的灵敏度对比。
在本实施例中，弹性振动膜621可以为谐振系统提供刚度与阻尼，质量块622可以为谐振系统提供质量与阻尼。弹性振动膜621和质量块622的组合可以等效于一个弹簧-质量-阻尼系统(例如，图2A中所示的弹簧(Km4)-质量(Mm4)-阻尼(Rm4)系统或图3中所示的质量-弹簧-阻尼系统)，从而构成谐振系统。因此，可以通过调整弹性振动膜621和/或质量块622的结构、材料等，来调节谐振系统的刚度、质量与阻尼，从而可以调节谐振系统提供的第二谐振频率，进而可以使传感装置在所需频段(例如，第二谐振频率附近)内产生新的谐振峰，提高灵敏度。使得对于外界信号中频率不在传感结构610的第一谐振频率附近的部分，传感装置600也能具有较高的灵敏度。
进一步地，传感装置600的灵敏度可以与弹性振动膜621的刚度、质量块622质量以及弹性振动膜621与传感结构610之间的腔体(即第一声学腔体630)的空间体积相关。在一些实施例中，弹性振动膜621的刚度越小、质量块622质量越大或第一声学腔体630空间体积越小，传感装置的灵敏度就越高。
在一些实施例中，可以通过调节调整质量块622的力学参数(例如，材料、尺寸、形状等)，以使传感装置600获得较为理想的频率响应，从而能够调节传感装置600的谐振频率、灵敏度以及保证传感装置600的可靠性。在一些实施例中，质量块622可以是长方体、圆柱体、球体、椭圆体等三角形等规则或不规则的形状。
在一些实施例中，质量块622可以由聚氨酯(Poly urethane,PU)、聚酰胺(Polyamide,PA) (俗称尼龙)、聚四氟乙烯(Poly tetra fluoro ethylene,PTFE)、酚醛塑料(Phenol～Formaldehyde,PF) 等高分子材料制成。高分子材料质量块622的弹性特质可以对外界冲击载荷进行吸收，进而有效减小弹性振动膜与传感结构的壳体连接处的应力集中，以进一步减少传感装置因外界冲击而损坏的可能性。为了提高传感装置的稳定性，在一些实施例中，质量块622中高分子材料的质量可以超过40％。在一些实施例中，质量块622中高分子材料的质量可以超过60％。在一些实施例中，质量块622中高分子材料的质量可以超过80％。在一些实施例中，质量块622中高分子材料的质量可以超过90％。
在一些实施例中，质量块622由高分子材料制成。
在一些实施例中，可以通过调整弹性振动膜621的力学参数(例如，杨氏模量、拉伸强度、伸长率以及硬度shore A)来调整弹性振动膜621的刚度，以使传感装置600获得较为理想的频率响应，从而能够调节传感装置600的谐振频率和灵敏度。在一些实施例中，为了使传感装置600的灵敏度相对于传感结构610有较好的提升，可以使谐振系统所提供的第二谐振频率低于传感结构610 具有的第一谐振频率。例如，第二谐振频率比第一谐振频率低1000Hz～10000Hz，可使传感装置 600相较于传感结构610提升3dB～30dB的灵敏度。
在一些实施例中，弹性振动膜621可以由柔性高分子材料制成，其中，柔性高分子材料可以包括但不限于聚酰亚胺(Polyimide,PI)、聚对二甲苯(Parylene)、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,Pdms)、水凝胶等。在一些实施例中，弹性振动膜621还可以由无机刚性材料制成，其中，无机刚性材料可以包括但不限于硅(Si)、二氧化硅(SiO2)等半导体材料或者铜、铝、钢、金等金属材料。在一些实施例中，在一些实施例中，弹性振动膜621可以有高分子材料和其他材料(例如，无机刚性材料)制成。在一些实施例中，弹性振动膜621中高分子材料的质量可以超过40％。在一些实施例中，弹性振动膜621中高分子材料的质量可以超过60％。在一些实施例中，弹性振动膜621中高分子材料的质量可以超过80％。
在一些实施例中，可以通过调整弹性振动膜621的杨氏模量参数，提高传感装置600在特定频段范围(例如，人声频段范围)内的灵敏度。在一些实施例中，弹性振动膜621的杨氏模量越大，刚度就越大，传感装置600的灵敏度就越高。在一些实施例中，弹性振动膜621的杨氏模量可以为1MPa～10GPa。在一些实施例中，弹性振动膜621的杨氏模量可以为100MPa～8GPa。在一些实施例中，弹性振动膜621的杨氏模量可以为1GPa～8GPa。在一些实施例中，弹性振动膜621 的杨氏模量可以为2GPa～5GPa。需要注意的是，上述的特定频段范围可以是指小于10000Hz的频段范围。例如，特定频段范围可以为20Hz-9000Hz。又例如，特定频段范围可以为500Hz-6000 Hz。再例如，特定频段范围可以为500Hz-2000Hz。特定频段范围可以根据传感装置600在不同的应用场景进行适应调整。例如，传感装置600应用于拾取用户说话时的声亚信号时，特定频段范围可以为人声频段范围。又例如，传感装置600应用于外部环境的声音信号时，特定频段范围可以为20Hz- 10000Hz。
在一些实施例中，可以通过调整弹性振动膜621的拉伸强度，提高传感装置600在特定频段范围(例如，人声频段范围)内的灵敏度。其中，弹性振动膜621的拉伸强度可以是弹性振动膜 621在出现缩颈现象(即产生集中变形)时所能承受的最大拉应力。在一些实施例中，弹性振动膜 621的拉伸强度越大，传感装置600在特定频段范围(例如，人声频段范围)内的灵敏度就越高。除此之外，弹性振动膜621的拉伸强度越大，谐振系统以及整个传感装置的稳定性就越好。在一些实施例中，弹性振动膜621的拉伸强度可以为0.5MPa～100MPa。在一些实施例中，弹性振动膜621 的拉伸强度可以为5MPa～90MPa。在一些实施例中，弹性振动膜621的拉伸强度可以为10MPa～ 80MPa。在一些实施例中，弹性振动膜621的拉伸强度可以为20MPa～70MPa。弹性振动膜621的拉伸强度可以为30MPa～60MPa。
在一些实施例中，可以通过调整弹性振动膜621的伸长率，提高传感装置在特定频段范围 (例如，人声频段范围)内的灵敏度。其中，弹性振动膜621的伸长率是指弹性振动膜621在拉伸过程中的最大伸长长度与原始伸长长度的比值。在一些实施例中，弹性振动膜621的伸长率越大，传感装置600在特定频段范围(例如，人声频段范围)的灵敏度就越高，稳定性也越好。在一些实施例中，弹性振动膜621的伸长率可以为10％～600％。在一些实施例中，弹性振动膜621的伸长率可以为20％～500％。在一些实施例中，弹性振动膜621的伸长率可以为50％～400％。在一些实施例中，弹性振动膜621的伸长率可以为80％～200％。
在一些实施例中，可以通过调整弹性振动膜621的硬度，提高传感装置在特定频段范围(例如，人声频段范围)内的灵敏度。其中，弹性振动膜621的硬度可以是指弹性振动膜621的邵氏硬度(即硬度Shore A)。在一些实施例中，弹性振动膜621的硬度越小，传感装置的灵敏度就越高。在一些实施例中，弹性振动膜621的硬度Shore A小于200。在一些实施例中，弹性振动膜621的硬度Shore A小于150。在一些实施例中，弹性振动膜621的硬度ShoreA小于100。在一些实施例中，弹性振动膜621的硬度Shore A小于60。在一些实施例中，弹性振动膜621的硬度Shore A小于30。在一些实施例中，弹性振动膜621的硬度Shore A小于10。
在一些实施例中，质量块622的材料和弹性振动膜621的材料可以相同。例如，质量块622 和弹性振动膜621可以采用同一种高分子材料制成。在一些实施例中，当质量块622和弹性振动膜 621由同一种材料制成时，质量块622和弹性振动膜621可以采用一体成型的方式(例如，3D打印、注塑)制造。当质量块622和弹性振动膜621的材质由相同的高分子材料时，高分子材料制成的质量块622的力学参数与高分子材料制成的弹性振动膜621的力学参数(例如，杨氏模量、刚度等)相同或相近，质量块622和弹性振动膜621对于振动信号的频率响应相近，可以进一步减小弹性振膜与壳体的连接处在振动过程中的应力集中问题。
在一些实施例中，质量块622的材料和弹性振动膜621的材料可以不同。例如，质量块622 和弹性振动膜621中可以分别由不同种类的高分子材料或金属制成，或者质量块622和弹性振动膜 621中的一种由高分子材料制成，而另一种由金属制成。在一些实施例中，当质量块622和弹性振动膜621由不同材料制成时，质量块622可以通过胶接、卡接或者焊接等方式与弹性振动膜621连接。
在一些实施例中，质量块622的厚度可以在一定范围内。在一些实施例中，质量块622的厚度为1μm～5000μm。在一些实施例中，质量块622的厚度为1μm～3000μm。在一些实施例中，质量块622的厚度为1μm～1000μm。在一些实施例中，质量块622的厚度为1μm～500μm。在一些实施例中，质量块622的厚度为1μm～200μm。在一些实施例中，质量块622的厚度为1μm～50μm。在一些实施例中，质量块622的厚度对传感装置200的频响曲线的谐振峰(例如第二谐振峰)和灵敏度有较大影响。同等面积下质量块622越厚，其总质量越大，第二谐振频率就越小，传感装置400 的谐振峰(例如第二谐振峰)前移，灵敏度上升。
在一些实施例中，质量块622的面积在一定范围内。在一些实施例中，质量块622的面积为0.1mm2～100mm2。在一些实施例中，质量块622的面积为0.1mm2～50mm2。在一些实施例中，质量块622的面积为0.1mm2～10mm2。在一些实施例中，质量块622的面积为0.1mm2～6mm2。在一些实施例中，质量块622的面积为0.1mm2～3mm2。在一些实施例中，质量块622的面积为0.1 mm2～1mm2。在一些实施例中，质量块622的面积对传感装置600的频响曲线的谐振峰(例如第二谐振峰)和灵敏度有较大影响。
在一些实施例中，为了便于调节弹性振动膜的力学参数，实现对谐振系统的刚度调整，从而使传感装置的频响曲线具有较好的频率响应，改善传感装置的谐振频率和灵敏度，弹性振动膜还可以是多层复合膜结构。在一些实施例中，弹性振动膜可以包括多层膜结构。例如，多层复合膜结构中的两层膜结构的刚度不同。又例如，多层复合膜结构中的三层膜结构的刚度不同。
图7是根据本说明书一些实施例提供的弹性振动膜为多层复合膜结构的传感装置的结构示意图。其中，传感装置700的结构与图6所示的传感装置600的结构大致相同，区别之处在于弹性振动膜的不同。图7所示的壳体711、PCB 712、处理器713、传感元件714、进声孔7121、质量块 722、第一声学腔体730和第二声学腔体740等结构分别与图6所示的壳体611、PCB 612、处理器 613、传感元件714、进声孔6121、质量块622、第一声学腔体630和第二声学腔体640等结构相类似，在此不再赘述。
进一步地，如图7所示，弹性振动膜721为多层复合振动膜，其包括第一弹性振动膜7211 和第二弹性振动膜7212。在一些实施例中，第一弹性振动膜7211和第二弹性振动膜7212可以采用相同或不同材料制成。例如，在一些实施例中，第一弹性振动膜7211和第二弹性振动膜7212可以采用同一种材料(例如，聚酰亚胺)制成。又例如，在一些实施例中，第一弹性振动膜7211和第二弹性振动膜7212中的一个可以采用高分子材料制成，另一个可以由另一种高分子材料或金属材料制成。在一些实施例中，第一弹性振动膜7211和第二弹性振动膜7212的刚度不同，例如，第一弹性振动膜7211的刚度可以大于或小于第二弹性振动膜7212的刚度。在本实施例中，以第一弹性振动膜7211的刚度大于第二弹性振动膜7212为例，第二弹性振动膜7212可以为谐振系统提供所需的阻尼，而第一弹性振动膜7211刚度较高，则可以保证弹性振动膜621具有较高的强度，从而保证谐振系统甚至整个传感装置700的可靠性。
需要注意的是，图7以及相关描述中关于弹性振动膜中的膜结构的层数仅用于示例性描述，并不能把本说明书限制在所举实施例范围之内。在一些实施例中，本实施例中的弹性振动膜也可以包括两层以上的膜结构，例如膜结构的数量可以为三层、四层、五层或者更多。仅作为示例性说明，弹性振动膜可以包括由上至下依次连接的第一弹性振动膜、第二弹性振动膜和第三弹性振动膜，其中第一弹性振动膜的材料、力学参数、尺寸可以和第三弹性振动膜的材料、力学参数、尺寸相同，第二弹性振动膜的材料、力学参数、尺寸可以和第一弹性振动膜或第三弹性振动膜的材料、力学参数、尺寸不同。例如，第一弹性振动膜或第三弹性振动膜的刚度大于第二弹性振动膜的刚度。在一些实施例中，可以通过调整第一弹性振动膜、第二弹性振动膜和/或第三弹性振动膜的材料、力学参数、尺寸等调节弹性振动膜的力学参数，从而保证传感装置700的稳定性。
通过将弹性振动膜721设置为多层弹性振动膜，便于实现弹性振动膜721的刚度调节，例如，可以通过增加或减少弹性振动膜(例如，第一弹性振动膜7211和/或第二弹性振动膜7212)的数量，来实现对谐振系统的刚度和阻尼调节从而可以调节第二谐振频率，进而可以使传感装置在所需频段(例如，第二谐振频率附近)内产生新的谐振峰，提高传感装置在特定频段范围的灵敏度。在一些实施例中，多层复合膜结构中的相邻两层膜结构(例如，第一弹性振动膜7211和第二弹性振动膜7212)可以通过胶接的方式以形成弹性振动膜721。
在一些实施例中，可以通过调整弹性振动膜721中的弹性振动膜(第一弹性振动膜7211和 /或第二弹性振动膜7212)的力学参数(例如，材料、杨氏模量、拉伸强度、伸长率以及硬度shore A)来调整弹性振动膜721的刚度，以使传感装置700获得较为理想的频率响应，从而能够调节传感装置700的谐振频率和灵敏度。在一些实施例中，为了使传感装置700的灵敏度相对于传感结构 710有较好的提升，可以使谐振系统所提供的第二谐振频率低于传感结构710具有的第一谐振频率。例如，第二谐振频率比第一谐振频率低1000Hz～10000Hz，可以使传感装置700相较于传感结构 710提升3dB～30dB的灵敏度。
在一些实施例中，弹性振动膜721中一层弹性振动膜可以柔性高分子材料制成，其中，柔性高分子材料可以包括但不限于聚酰亚胺(Polyimide,PI)、聚对二甲苯(Parylene)、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,Pdms)、水凝胶等，而另外一层弹性振动膜可以由无机刚性材料制成，其中，无机刚性材料可以包括但不限于硅(Si)、二氧化硅(SiO2)等半导体材料或者铜、铝、钢、金等金属材料。
在一些实施例中，可以通过调整弹性振动膜721中的弹性振动膜的拉伸强度，使得弹性振动膜721的整体拉伸强度在一定范围内，来提高传感装置700在特定频段范围内的灵敏度。在一些实施例中，可以通过调整弹性振动膜721的第一弹性振动膜7211和/或第二弹性振动膜7212的材料、厚度或尺寸，使得弹性振动膜721整体的拉伸强度为0.5MPa～100MPa。在一些实施例中，可以通过调整弹性振动膜721的第一弹性振动膜7211和/或第二弹性振动膜7212的材料或尺寸，使得弹性振动膜721整体的拉伸强度为5MPa～90MPa。在一些实施例中，可以通过调整弹性振动膜721 的第一弹性振动膜7211和/或第二弹性振动膜7212的材料或尺寸，使得弹性振动膜721整体的拉伸强度为10MPa～80MPa。在一些实施例中，可以通过调整弹性振动膜721的第一弹性振动膜7211 和/或第二弹性振动膜7212的材料或尺寸，使得弹性振动膜721整体的拉伸强度为20MPa～70MPa。在一些实施例中，可以通过调整弹性振动膜721的第一弹性振动膜7211和/或第二弹性振动膜7212 的材料、厚度或尺寸，使得弹性振动膜721整体的拉伸强度为30MPa～60MPa。
在一些实施例中，可以通过调整弹性振动膜721中的弹性振动膜的伸长率，使得弹性振动膜721的整体伸长率在一定范围内，来提高传感装置700在特定频段范围内的灵敏度。在一些实施例中，弹性振动膜721中的弹性振动膜的伸长率越大，传感装置700的灵敏度就越高，稳定性也越好。在一些实施例中，弹性振动膜721整体的伸长率可以为10％～600％。在一些实施例中，弹性振动膜721整体的伸长率可以为20％～500％。在一些实施例中，弹性振动膜721整体的伸长率可以为 50％～400％。在一些实施例中，弹性振动膜721整体的伸长率可以为80％～200％。
在一些实施例中，可以通过调整弹性振动膜721中的弹性振动膜的硬度，使得弹性振动膜 721的整体硬度在一定范围内，来提高传感装置700在特定频段范围内的灵敏度。在一些实施例中，弹性振动膜721中的弹性振动膜的硬度越小，传感装置700的灵敏度就越高。在一些实施例中，弹性振动膜721的整体硬度Shore A小于200。在一些实施例中，弹性振动膜721的整体硬度Shore A 小于150。在一些实施例中，弹性振动膜721的整体硬度Shore A小于100。在一些实施例中，弹性振动膜721的整体硬度Shore A小于60。在一些实施例中，弹性振动膜721的整体硬度Shore A小于30。在一些实施例中，弹性振动膜721的整体硬度Shore A小于10。
在一些实施例中，也可以通过调整质量块722的力学参数(例如，材料、尺寸、形状等) 来调节传感装置700的灵敏度。关于如何调整质量块722的力学参数来实现对传感装置700的灵敏度调节可以参考图6中关于调整质量块622的力学参数来实现对传感装置600的灵敏度调节的相关描述。
在一些实施例中，在弹性振动膜的参数(例如，杨氏模量、拉伸强度、硬度、伸长率等) 以及质量块的体积或质量一定时，通过提高弹性振动膜的弹性形变的效率可以增大传感装置输出的电信号，从而提高传感装置的声电转换效果。在一些实施例中，可以减小质量块与弹性振动膜接触的面积来提高弹性振动膜的弹性形变的效率，进而增大传感装置输出的电信号。
图8是根据本说明书一些实施例提供的传感装置的结构示意图。其中，传感装置800的结构与图6所示的传感装置600的结构、图7所示的传感装置700大致相同，其中的区别之处在于质量块的不同。其中，图8所示的壳体811、PCB 812、处理器813、传感元件814、进声孔8121、弹性振动膜821、第一声学腔体830和第二声学腔体840等结构分别与图6所示的壳体611、PCB 612、处理器613、传感元件714、进声孔6121、弹性振动膜621、第一声学腔体630和第二声学腔体640 等结构相类似，另外，弹性振动膜821的结构也可以与图7所示的传感装置700中的弹性振动膜721 的结构相类似，在此不再赘述。
如图8所示，质量块822可以为椭圆球体，其与弹性振动膜821的接触面积小于其在弹性振动膜821的投影面积，这样可以保证质量块822在同等体积或质量下，质量块822与弹性振动膜具有较小的接触面积，当传感装置的壳体220振动带动质量块822振动时，弹性振动膜821与质量块822的接触区域的可以近似视为不发生变形，通过减小弹性振动膜821与质量块822的接触区域可以增大弹性振动膜821不与质量块822接触的区域面积，从而增大弹性振动膜821在振动过程发生变形的区域面积(也就是弹性振动膜821不与质量块822接触的区域面积)，从而可以增大第一声学腔体830内被压缩的空气量，使得传感结构810的传感元件814可以输出更大的电信号，进而提高传感装置800的声电转换效果。在一些实施例中，质量块822还可以为梯形体，其中，梯形体的面积较小的一面与弹性振动膜821连接，这样也能实现质量块822与弹性振动膜接触的面积小于质量块822在弹性振动膜821的投影面积。在一些实施例中，质量块822还可以是拱形结构，当质量块822为拱形结构时，拱形结构的两个拱脚与弹性振动膜822的上表面或下表面连接，其中两个拱脚与弹性振动膜821的接触面积小于拱腰在弹性振动膜821上的投影面积，即拱形结构的质量块 822与弹性振动膜821的接触面积小于其在弹性振动膜821上的投影面积。需要说明的是，在本实施例中，任何能够满足质量块822与弹性振动膜接触的面积小于质量块822在弹性振动膜821的投影面积的规则或不规则形状或结构，均属于本说明书实施例变化范围内，本说明书不再一一列举。
在一些实施例中，质量块可以为实心结构体。例如，质量块822可以为实心圆柱体、实心长方体、实心椭圆球体、实心三角形体等规则或不规则的结构体。在一些实施例中，为了保证质量块822在质量不变时，减小质量块822与弹性振动膜821的接触面积，提高传感装置在特定频段范围的灵敏度，质量块还可以为局部掏空的结构体。例如，如图9所示，质量块922为环形柱体。又例如，如图10所示，质量块1022为矩形筒状的结构体。
在一些实施例中，质量块可以包括多个相互分离的子质量块，且多个子质量块位于弹性振动膜的不同区域。在一些实施例中，质量块可以包括两个或以上相互分离的子质量块，例如，3个、 4个、5个等。在一些实施例中，多个相互分离的子质量块的质量、尺寸、形状、材料等可以相同或不同。在一些实施例中，多个相互分离的子质量块可以在弹性振动膜上等间距分布、不等间距分布、对称分布或非对称分布。在一些实施例中，多个相互分离的子质量块可以设置在弹性振动膜的上表面和/或下表面上。通过在弹性振动膜的中部区域设置多个相互分离的子质量块，不仅可以增加弹性振动膜在壳体带动振动下的变形区域的面积，提高弹性振动膜的变形效率，以提高传感装置的灵敏度，而且还可以提高谐振系统以及传感装置的可靠性。在一些实施例中，还可以通过调整多个质量块的质量、尺寸、形状、材料等参数，使得多个子质量块具有不同的频率响应，从而进一步提高传感装置在不同频段范围内的灵敏度。
图11是根据本说明书一些实施例提供的传感装置的截面示意图。如图11所示，质量块 1122可以包括两个在尺寸上呈一定比值的矩形筒状的子质量块1122a、1122b。在一些实施例中，子质量块1122a和子质量块1122b的厚度(即筒壁厚度)相同。在一些实施例中，子质量块1122a的长度和宽度分别与子质量块1122b的长度和宽度比值相同。在一些实施例中，子质量块1122a与子质量块1122b的长度和/或宽度比值在0.1～0.8的范围内。在一些实施例中，子质量块1122a与子质量块1122b的长度和/或宽度比值在0.2～0.6的范围内。在一些实施例中，子质量块1122a与子质量块b的长度和/或宽度比值在0.25～0.5的范围内。在一些实施例中，两个矩形筒状的子质量块1122a、 1122b均位于弹性振动膜1121的中部区域，且几何中心均与弹性振动膜1121的几何中心重合。在一些实施例中，矩形筒状的子质量块1122a和子质量块1122b的几何中心也可以不重合。
需要注意的是，子质量块的数量不限于图11所述的两个，还可以为三个、四个或者更多。另外，子质量块的形状也不限于图11所示的矩形筒状，还可以为其它形状的结构体。例如，在一些实施例中，质量块1122可以包括两个内径不同的环形子质量块，两个环形子质量块均位于弹性振动膜1121的中部区域，且圆心均与弹性振动膜1121的几何中心重合。又例如，质量块1122可以包括两个不同形状的子质量块(比如，环形子质量块和长方形子质量块)，尺寸较大的子质量块围绕尺寸较小的子质量块。另外，多个子质量块可以位于弹性振动膜1121的不同表面上，例如，一部分位于弹性振动膜1121的上表面，另一部分位于弹性振动膜1121的下表面。
图12是根据本说明书一些实施例提供的传感装置的截面示意图。如图12所示，质量块 1222可以包括四个子质量块1222c、1222d、1222e、1222f，子质量块1222c、1222d、1222e、1222f 在弹性振动膜1221的中部区域呈矩阵分布。其中，子质量块1222c、1222d、1222e、1222f可以具有矩形、圆形、椭圆形等任何规则或不规则形状。在一些实施例中，子质量块1222c、1222d、1222e、 1222f的形状、尺寸、材料等可以相同或不同。
图13是根据本说明书一些实施例提供的传感装置的截面示意图。如图13所示，质量块 1322可以包括四个子质量块1322g、1322h、1322i、1222j，子质量块1322g、1322h、1322i、1322j 在弹性振动膜1321的中部区域上呈环形等间距分布，并且环形圆心与弹性振动膜1321的几何中心重合。
需要注意的是，图11～13所示的子质量块的数量、形状以及分布方式等仅用于示例性描述，并不旨在限制本说明书。例如，图11中的矩形筒状的子质量块以及图13中的子质量块的数量可以在两个以上(例如，3个、4个、5个)等。又例如，图12中的子质量块的数量可以是6个呈2x3的矩阵分布，或是8个呈4x4的矩阵分布等。
需要注意的是，图9-13分别所示的传感装置900、1000、1100、1200、1300与图6-8所示的传感装置600、700或800在结构上大致相同，传感装置900、1000、1100、1200、1300与传感装置600、700或800的区别在于质量块不同。关于图9-13分别所示的壳体911、1011、1111、1211、 1311以及弹性振动膜921、1021、1121、1221、1321的描述可以参考图6-8中关于壳体和弹性振动膜的相关描述。
示例性地，图14是根据本说明书一些实施例提供的传感装置的结构示意图。图14所示的传感装置1400与图6-13分别所示的传感装置600、700、800、900、1000、1100、1200、1300在结构上可以大致相同，二者的区别之处在于弹性振动膜的面积不同。因此，关于图14所示的壳体1411、 PCB 1412、处理器1413、传感元件1414、进声孔14121、质量块1422以及第一声学腔体1430和第二声学腔体1440等的描述可以参考图6-13中关于壳体、PCB、处理器、传感元件、进声孔、质量块以及第一声学腔体和第二声学腔体等的相关描述，在此不再赘述。
图14所示的传感装置1400的弹性振动膜1421的面积小于PCB的面积，弹性振动膜位于进声孔相对的位置。相应地，弹性振动膜与壳体1410连接的部分与弹性振动膜的尺寸相适应。通过这样设置，可以使得弹性振动膜1421在水平方向上的面积减小，即第一声学腔体1430在水平方向上的面积也减小，第一声学腔体1430的空间体积所缩小，从而可以提高传感装置1400在特定频段范围的灵敏度。
图15是根据本说明书一些实施例提供的弹性振动膜包括第一孔部的传感装置的结构示意图。图15所示的传感装置1500与图6所示的传感装置600的结构上可以大致相同，二者的区别之处在于图15所示的弹性振动膜1521上设置有第一孔部15211。图15所示的壳体1511、PCB 1512、处理器1513、传感元件1514、进声孔15121、质量块1522、第一声学腔体1530和第二声学腔体1540 等结构分别与图6中壳体611、PCB612、处理器613、传感元件614、进声孔6121、质量块622、第一声学腔体630和第二声学腔体640等结构相类似，在此不再赘述。
在一些实施例中，如图15所示，弹性振动膜1521上可以包括一个或多个第一孔部15211，第一孔部15211可以连通第一声学腔体1530和第二声学腔体1540，以调节第一声学腔体1530和第二声学腔体1540内的气压，平衡两个腔体内的气压差，防止传感装置1500损坏，同时也可以增大谐振系统的阻尼，降低传感装置1500的品质因子Q值，使得传感装置1500的频响曲线更加平坦。其中，第二声学腔体1540可以是指不同于第一声学腔体1530，弹性振动膜1521和壳体1511之间形成的腔体。
图16是图15所示的传感装置的截面示意图。在一些实施例中，如图16所示，第一孔部 15211可以位于弹性振动膜1521未被质量块1522覆盖的区域。在一些实施例中，弹性振动膜1521 上的第一孔部21111的数量可以根据实际所需的阻尼进行设置，例如，第一孔部15211的数量可以是4个、8个、16个等。在一些实施例中，多个第一孔部15211可以在弹性振动膜1521未被质量块 1522覆盖的区域呈矩形等间距分布或环形等间距分布。
在一些实施例中，质量块可以包括一个或多个第二孔部，第二孔部与第一孔部连通，以调节第一声学腔体和第二声学腔体内的气压，同时也可以调节谐振系统的阻尼，使得传感装置的频响曲线更加平坦。
图17是根据本说明书一些实施例提供的传感装置的截面示意图。图17所示的传感装置 1700与图15或图16所示的传感装置1500在结构上大致相同，区别在于图17所示的传感装置1700 的质量块1722上设置有第二孔部17221。关于图17所示的壳体1711以及弹性振动膜1721的描述可以参考图15或图16(或者图6-14)中关于壳体和弹性振动膜的相关描述。
在一些实施例中，如图17所示，质量块1722上设有多个第二孔部17221，在弹性振动膜 621设有多个第一孔部17211，其中，多个第一孔部17211中的部分设于弹性振动膜1721被质量块 1722覆盖的区域，并且在位置上与第二孔部17221对应，位于弹性振动膜1721被质量块1722覆盖的区域的第一孔部17211能够与对应的第二孔部17221连通，以保证第一声学腔体1730和第二声学腔体1740能够连通。除此之外，另一部分第一孔部17211设于弹性振动膜1721未被质量块1722 覆盖的区域，也能实现第一声学腔体1730和第二声学腔体1740的连通。
在一些实施例中，第一孔部(例如，图15所示的第一孔部15211或图17所示的第一孔部 17211)或第二孔部17221的孔径为0.01μm～40μm。在一些实施例中，第一孔部或第二孔部17221 的孔径为0.03μm～30μm。在一些实施例中，第一孔部或第二孔部17221的孔径为0.05μm～20μm。
在一些实施例中，可以不在弹性振动膜设置第一孔部，或者在质量块上设置第二孔部，而是通过采用含有微孔的薄膜材料来制造弹性振动膜。在本实施例中，弹性振动膜其自带的微孔能够起到气体导通的作用，也能实现声学腔体内的气压调节以及谐振系统的阻尼调节。
在本实施例中，弹性振动膜可以采用聚四氟乙烯(Poly tetra fluoro ethylene,PTFE)、尼龙 (Nylon)、聚醚砜(Poly ether sulphone,PES)、聚偏氟乙烯(Poly vinylidene fluoride,PVDF)、聚丙烯(Poly propylene,PP)等材料制成的微孔薄膜。优选地，弹性振动膜可以采用PTFE微孔薄膜。在一些实施例中微孔薄膜的微孔孔径为0.01μm～10μm。在一些实施例中，微孔薄膜的微孔孔径为 0.05μm～10μm。在一些实施例中，微孔薄膜的微孔孔径为0.1μm～10μm。弹性振动膜采用微孔薄膜可以无需在弹性振动膜或者质量块上进行打孔，简化了制造工艺，节约了成本。
在一些实施例中，弹性振动膜还可以包括一个弹性层或多个(图中未示出)，弹性层可以位于弹性振动膜未被质量块覆盖的区域。弹性层可以覆盖弹性振动膜上至少部分第一孔部或微孔，一方面可以调节第一孔部微孔的孔隙率，另一方面还可以调节弹性振膜的刚度，从而调节传感装置 200的灵敏度和可靠性。在一些实施例中，弹性层的材料可以是硅胶、硅凝胶等。在一些实施例中，弹性层的厚度可以为0.1μm～500μm。在一些实施例中，弹性层的厚度可以为0.5μm～300μm。在一些实施例中，弹性层的厚度可以为1μm～100μm。在一些实施例中，弹性层的厚度可以为50μm～100 μm。
在一些实施例中，可以在传感装置中不同于第一声学腔体(例如，图6-8所示的第一声学腔体630、730、830等)的第二声学腔体(例如，图6-8所示的第二声学腔体640、740、840等) 内设置具有流动性的填充物。以图6所示的传感装置600为例，第二声学腔体240可以为弹性振动膜621和/或质量块622与传感结构的壳体611之间形成的腔体。通过在第二声学腔体640内设置具有流对性的填充物，可以调节传感装置600的品质因子Q值和灵敏度，并且当传感装置600受到冲击时，流动性的填充物还能对冲击载荷进行吸收，避免传感装置600被损坏。在一些实施例中，填充物的运动粘度越大，传感装置600的灵敏度越高。在一些实施例中，填充物的运动粘度为20000 cst内。在一些实施例中，填充物的运动粘度为10000cst内。在一些实施例中，填充物的运动粘度为5000cst内。在一些实施例中，填充物的运动粘度为500cst内。在一些实施例中，填充物的运动粘度为50cst内。在一些实施例中，第二声学腔体640内的具有流动性的填充物可以包括液体、气体、凝胶等柔性材料。优选地，第二声学腔体640内的具有流动性的填充物的材料为油、芦荟胶、硅凝胶、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)等。在一些实施例中，具有流动性的填充物可以在第二声学腔体640内完全填充或不完全填充(例如，存在气泡)。
在一些实施例中，传感装置可以包括多个谐振系统，多个谐振系统可以实现传感装置多模态振动，提高传感装置在更宽频率范围的灵敏度。
图18是根据本说明书一些实施例提供的包括多个谐振系统传感装置的结构示意图。如图 18所示，传感装置1900包括传感结构1910、第一谐振系统和第二谐振系统。在一些实施例中，第一谐振系统包括第一拾振单元1920和第二拾振单元1930，其中，第一拾振单元1920可以包括第一弹性振动膜1921和第一质量块1922，第二谐振系统1930可以包括第二弹性振动膜1931和第二质量块1932。在一些实施例中，传感结构1910可以包括壳体1911、印刷电路板(PCB)1912、处理器1913和传感元件1914。关于壳体1911、PCB 1912、处理器1913以及传感元件1914的具体内容可以参考本说明书图1B中关于印制电路板(PCB)141、壳体142、传感元件143和处理器144的描述或者图6中关于壳体611、PCB 611、传感元件614和处理器613的相关描述，在此不做赘述。除此之外，本实施例中第一弹性振动膜1921、第二弹性振动膜1931、第一质量块1922、第二质量块1932与本说明书其他实施例弹性振动膜、质量块类似(例如，具有相同的材料、结构、形状、尺寸、刚度和阻尼等力学参数等)，因此，本实施例中第一弹性振动膜1921、第二弹性振动膜1931、第一质量块1922、第二质量块1932的更多内容可以参考本说明书其他地方，例如图6-18中关于弹性振动膜和质量块的相关描述。
进一步地，第一弹性振动膜1921通过其周侧与壳体1911连接，第二弹性振动膜1931通过其周侧与壳体1911连接，第一弹性振动膜1921与第二弹性振动膜1931由上至下依次设置。在本实施例中，第一谐振系统可以提供第三谐振频率，第二谐振系统可以提供第四谐振频率。当传感装置1900的壳体1911因外部信号产生振动时，会同时带动第一谐振系统和第二谐振系统进行振动，以分别引起第一弹性振动膜1921与第二弹性振动膜1931之间形成的腔体(即第三声学腔体1940)、第一弹性振动膜1921与传感结构1910之间形成的腔体(即第四声学腔体1950)以及第二弹性振动膜1931与壳体1911之间形成的腔体(即第五声学腔体1960)内的空气振动，引起第三声学腔体 1940、第四声学腔体1950以及第五声学腔体1960内的声压发生变化。在一些实施例中，第一弹性振动膜1921和第二弹性振动膜1931可以为微孔薄膜或具有孔部(例如，图15-17所示的第一孔部 15211或17211)的膜结构，使得第三声学腔体1940、第四声学腔体1950以及第五声学腔体1960 内声压变化可以通过孔部传递至传感元件1914处。第一拾振单元1920和第二拾振单元1930具有不同的频率响应，通过设置两个或者更多的谐振系统可以实现传感装置1900的多模态振动，提高传感装置在更宽频率范围的灵敏度。
在一些实施例中，通过调整第一谐振系统和第二谐振系统的部件(例如，第一弹性振动膜 1921、第二弹性振动膜1931、第一质量块1922和第二质量块1932)的力学参数(例如，质量、材料、形状、尺寸、刚度、阻尼等)，以使第一谐振系统的第三谐振频率和第二谐振系统的第四谐振频率不同。在一些实施例中，第三谐振频率和第四谐振频率的差值可以小于2000Hz。在一些实施例中，第三谐振频率和第四谐振频率的差值小于1000Hz。在一些实施例中，第三谐振频率和第四谐振频率的差值小于800Hz。在一些实施例中，第三谐振频率和第四谐振频率的差值小于500Hz。
需要说明的是，图18中的谐振系统的数量仅用于示例性描述，并不对其构成限制。在一些实施例中，传感装置中的谐振系统数量可以在两个以上，例如，传感装置还可以包括第三谐振系统、第四谐振系统等。其中，当传感装置包括多个谐振系统时，各谐振系统中的弹性振动膜可以为具有孔部的膜结构或是微孔薄膜，以便于能够对各个腔体内的声压变化传递至传感元件中，多个谐振系统具有不同的频率响应，通过设置两个或者更多的谐振系统可以实现传感装置的多模态振动，提高传感装置在更宽频率范围的灵敏度。
通过设置传感装置包括多个谐振系统，可以使传感装置的频响曲线在多个频段内(例如，第三谐振频率附近或第四谐振频率附近)产生新的谐振峰，从而提高传感装置在特定频段范围的灵敏度，并且可以扩大传感装置高灵敏对应的频率范围。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

Claims (15)

1.一种传感装置，其特征在于，包括
壳体，被配置为基于声音信号转换为振动；
传感结构，用于将所述声音信号转化为电信号，所述传感结构具有第一谐振频率；和
谐振系统，所述谐振系统包括拾振单元，所述拾振单元包括弹性振动膜与质量块，所述弹性振动膜与所述壳体连接，所述质量块中高分子材料的质量超过80％；
所述弹性振动膜和所述传感结构形成第一声学腔体，当所述壳体振动时，所述弹性振动膜和所述质量块响应于所述壳体振动而产生振动，所述弹性振动膜的振动引起所述第一声学腔体的声压变化，所述传感结构基于所述声学腔体的声压变化转换为电信号；所述谐振系统具有第二谐振频率，所述第二谐振频率低于所述第一谐振频率。
2.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述弹性振动膜中高分子材料的质量超过80％。
3.根据权利要求2所述的传感装置，其特征在于，所述弹性振动膜与所述质量块的材质相同。
4.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述弹性振动膜的杨氏模量为1MPa～10GPa。
5.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述弹性振动膜的拉伸强度为0.5MPa～100MPa。
6.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述弹性振动膜的伸长率为10％-600％。
7.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述弹性振动膜的硬度shore A小于200。
8.根据权利要求4-7任一项所述的传感装置，其特征在于，所述弹性振动膜为多层复合膜结构。
9.根据权利要求8所述的传感装置，其特征在于，所述多层复合膜结构中的两层膜结构的刚度不同。
10.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述质量块与所述弹性振动膜接触的面积小于所述质量块在所述弹性振动膜上的投影面积。
11.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述质量块包括多个相互分离的子质量块，所述多个子质量块分布在所述弹性振动膜的不同区域。
12.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述弹性振动膜将所述壳体内部的腔体分隔为所述第一声学腔体和第二声学腔体，所述弹性振动膜上包括至第一孔部，所述第一孔部连通所述第一声学腔体和所述第二声学腔体。
13.根据权利要求12所述的传感装置，其特征在于，所述第一孔部位于所述弹性振动膜中未被所述质量块覆盖的区域。
14.根据权利要求12所述的传感装置，其特征在于，所述质量块上包括第二孔部，所述第二孔部与所述第一孔部连通。
15.根据权利要求14所述的传感装置，其特征在于，所述第一孔部或所述第二孔部的孔径为0.01μm～40μm。
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