CN115243169A - 一种传感装置 - Google Patents

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邓文俊
袁永帅
黄雨佳
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Abstract

本说明书实施例提供一种传感装置，包括：壳体，壳体内部具有容置腔；换能单元，包括用于拾取壳体振动而产生电信号的拾振结构，换能单元在容置腔内分隔形成位于拾振结构相反两侧的前腔和后腔，其中，前腔或后腔中至少一个腔体充有液体，液体与拾振结构接触；以及一个或多个管道结构，每个管道结构被配置为将容置腔与壳体的外部连通，液体至少部分地位于一个或多个管道结构中。本说明书中的液体和一个或多个管道结构，可以使传感装置具有一个或多个额外的谐振峰和谐振谷，该一个或多个额外的谐振峰与谐振谷对应的谐振频率与换能单元对应的谐振频率不同，使得传感装置可以适用于不同的应用场景，提高传感装置的适用性。

Description

一种传感装置
优先权信息
本申请要求于2021年04月23日提交的申请号为202110445739.3的中国申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本说明书涉及传感器领域，特别涉及一种传感装置。
背景技术
传感装置是接收外部振动信号，并通过换能单元将外部振动信号转换为电信号的装置。传感装置对振动的拾取效果往往取决于换能单元对振动信号的响应能力。虽然换能单元能够提供与其结构、材料等物理属性密切相关的固有谐振频率，但该固有谐振频率往往并没有处于理想的频率范围之内，因而限制了传感装置在不同应用场景中的应用。例如，在一些应用场景中，可能需要传感装置对某个或某些频率范围的振动信号提供更高的响应能力，或者对不同频率的振动信号提供不同的响应能力，但换能单元的固有谐振频率很难满足这些要求。
发明内容
本说明书实施例提供一种传感装置，包括：壳体，所述壳体内部具有容置腔；换能单元，包括用于拾取所述壳体振动而产生电信号的拾振结构，所述换能单元在所述容置腔内分隔形成位于所述拾振结构相反两侧的前腔和后腔，其中，所述前腔或所述后腔中至少一个腔体充有液体，所述液体与所述拾振结构接触；以及一个或多个管道结构，每个管道结构被配置为将所述容置腔与所述壳体的外部连通，所述液体至少部分地位于所述一个或多个管道结构中。
本说明书提供的传感装置具有如下有益效果：
(1)拾振结构响应于壳体的振动具有第一谐振频率，管道结构对应的流体区域内的液体和该管道结构所连通的壳体的外部具有额外的谐振峰和谐振谷，该谐振峰和谐振谷对应的谐振频率与第一谐振频率不同，使得传感装置可以在不同的频段均具有较好的频率响应，使传感装置可以适用于不同的应用场景，从而提供传感装置的适用性；(2)多个管道结构对应多个谐振系统，多个谐振系统可以为传感器额外提供多个额外的谐振峰和谐振谷，多个谐振峰和谐振谷对应的谐振频率中至少一个小于第一谐振频率，可以使得传感装置在较低频段的响应得到大幅提升；(3)通过设置不同的管道结构，可以使得多个谐振峰和谐振谷之间具有较大的差值，即Q值较大，这样，传感装置在采集振动信号时，对不同频率成分的振动信号会呈现出不同的灵敏度，所生成的电信号会表现为多个“子带”信号的融合，在后端电路或算法中仅采用低阶滤波器就可以截取到边界较陡峭的分子带信号。
附图说明
图1是根据本说明书一些实施例所示的示例性传感装置的示意图；
图2是根据本说明书一些实施例所示的示例性麦克风的结构示意图；
图3是根据本说明书一些实施例所示的换能单元的示例性等效振动模型的示意图；
图4是根据本说明书一些实施例所示的示例性传感装置的位移共振曲线的示意图；
图5是根据本说明书一些实施例所示的示例性传感装置的力学等效示意图；
图6是根据本说明书一些实施例所示的内部充满液体的传感装置的示意图；
图7是根据本说明书一些实施例所示的示例性传感装置的力学等效示意图；
图8是根据本说明书一些实施例所示的内部填充液体和气泡的传感装置的示意图；
图9是根据本说明书一些实施例所示的传感装置500或700的示例性频响曲线；
图10是根据本说明书一些实施例所示的传感装置500或700的示例性频响曲线；
图11是根据本说明书一些实施例所示的待填充液体的传感装置的示意图；
图12是根据本说明书一些实施例所示的示例性传填充液体的感装置的示意图；
图13是根据本申请的一些实施例的传感装置部分填充液体前后的频响曲线；
图14是根据本说明书一些实施例所示的小尺寸容置腔的传感装置内填充液体前后的频响曲线；
图15是根据本说明书一些实施例所示的大尺寸容置腔的传感装置内未填充液体及部分填充液体或容置腔内存在油膜的频响曲线；
图16是根据本说明书一些实施例所示的填充液体和气泡的传感装置的示意图；
图17是根据本说明书一些实施例所示的容置腔内填充液体中含有不同大小气泡的传感装置的频响曲线；
图18A、图18B、图18C以及图18D是根据本说明书一些实施例所示的填充液体中的气泡在不同位置的传感装置示意图；
图19是根据本说明书一些实施例所示的填充液体中的气泡在传感装置容置腔内不同位置的频响曲线；
图20是根据本说明书一些实施例所示的在传感装置中填充液体前后的频响曲线；
图21是根据本说明书一些实施例所示的示例性包含液滴的传感装置的示意图；
图22是根据本说明书一些实施例所示的示例性包含液滴的传感装置的示意图；
图23A是根据本说明书一些实施例所示的示例性包含液膜的传感装置的示意图；
图23B是根据本说明书一些实施例所示的示例性包含液膜的传感装置的示意图；
图24A是根据本说明书一些实施例所示的示例性包含液膜的传感装置的示意图；
图24B是根据本说明书一些实施例所示的示例性包含液膜的传感装置的示意图；
图25是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图；
图26A根据本说明书一些实施例所示的多个管道结构的示意图；
图26B根据本说明书一些实施例所示的多个管道结构的示意图；
图27是根据本说明书的一些实施例所述的传感装置的力学等效示意图；
图28是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的频响曲线；
图29A根据本说明书一些实施例所示的传感装置在谐振峰时的振动方向示意图；
图29B根据本说明书一些实施例所示的传感装置在谐振谷时的振动方向示意图；
图30是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图；
图31A是图25中A部分的结构示意图；
图31B是图25中A部分的结构示意图；
图32A是根据本说明书一些实施例所示的拾振结构的示意图；
图32B是根据本说明书一些实施例所示的拾振结构的示意图；
图33是根据本说明书一些实施例所示的拾振结构的示意图；
图34A是根据本说明书一些实施例所示的图33中B-B的截面图；
图34B是根据本说明书一些实施例所示的图33中B-B的截面图；
图34C是根据本说明书一些实施例所示的图33中B-B的截面图；
图34D是根据本说明书一些实施例所示的图33中B-B的截面图；
图35A是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图；
图35B是根据本说明书一些实施例所示的拾振结构的结构示意图；
图36A是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图；
图36B是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图；
图37是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图；
图38是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图；
图39是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的频响曲线；
图40是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图；
图41是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图；
图42是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图；
图43是根据本说明书一些实施例所示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申请实施例的技术方案，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申请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。
应当理解，本文使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。
本说明书实施例描述了一种传感装置。在一些实施例中，传感装置可以包括壳体，壳体内部具有容置腔。在一些实施例中，传感装置还可以包括换能单元，换能单元可以包括用于拾取壳体振动而产生电信号的拾振结构。换能单元可以接收壳体的振动并转换为电信号输出。在一些实施例中，换能单元可以在容置腔内分隔形成位于拾振结构相反两侧的前腔和后腔，前腔或后腔中至少一个腔体充有液体，液体与拾振结构接触。在一些实施例中，传感装置还可以包括一个或多个管道结构，每个管道结构可以被配置为将容置腔与壳体的外部连通，液体至少部分地位于一个或多个管道结构中。为方便理解，壳体和换能单元可以视为一个传感器，其中，拾振结构的振动具有第一谐振频率，即拾振结构的频响曲线在第一谐振频率具有第一谐振峰。每个管道结构对应的流体区域(包括管道结构腔体内部及靠近管道结构的流体区域，具体可参见图25及相关说明)内的液体和该管道结构所连通的壳体的外部(例如，壳体外部的空气)可以近似视为一个附加在传感器中的谐振系统，使得传感装置的频响曲线在具有第一谐振峰的基础上还具有额外的谐振峰和谐振谷。在一些实施例中，该谐振峰和谐振谷对应的谐振频率小于第一谐振频率，使得传感装置在频响曲线上出现第一个谐振峰之前的频段范围内的响应得到大幅提升。在一些实施例中，当管道结构可以包括多个管道结构时，多个管道结构对应多个谐振系统，多个谐振系统可以为传感器额外提供多个额外的谐振峰和谐振谷。在一些实施例中，多个谐振峰和谐振谷对应的谐振频率中至少一个小于第一谐振频率。在一些实施例中，管道结构对应的谐振系统可以应用于不同类型的传感器(例如，压电式传感器、电容式传感器、电动式传感器、电涡流式传感器、电感式传感器)中，从而使得传感器的频响曲线具有多个谐振峰和谐振谷，进而提高传感器在小于第一谐振频率的频段范围的频率响应。进一步地，通过设置不同的管道结构，可以使得多个谐振峰和谐振谷之间具有较大的差值，即Q值较大。这样，传感装置在采集振动信号时，对不同频率成分的振动信号会呈现出不同的灵敏度，所生成的电信号会表现为多个“子带”信号的融合。在后端电路或算法中仅采用低阶滤波器就可以截取到边界较陡峭的分子带信号。在一些实施例中，本说明书中所涉及的传感装置可以作为惯性传感器应用。在一些实施例中，传感装置可以应用于加速度计、能量采集器、陀螺仪等惯性传感器常用场景。在一些实施例中，传感装置还可以应用于骨传导的麦克风、扬声器、助听器等音频设备，以提升音频设备的灵敏度。在一些实施例中，传感装置也可以应用于具有音频功能的电子设备(例如，耳机、眼镜、智能头盔、音箱、平板电脑、手机等)。
图1是根据本说明书一些实施例所示的示例性传感装置的示意图。
传感装置100可以基于外部信号，例如力学信号(如压力、机械振动)、声信号(如声波)、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装置100的换能部件进一步转换为目标信号。在一些实施例中，目标信号可以是电信号、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。在一些实施例中，传感装置100可以是麦克风(例如，气传导麦克风或骨传导麦克风)、扬声器(例如，气传导扬声器或骨传导扬声器)、加速度计、压力传感器、水听器、能量收集器、陀螺仪等。气传导麦克风或气传导扬声器是指声波通过空气传导的麦克风或扬声器。骨传导麦克风或骨传导扬声器是指声波以机械振动的方式在固体(例如，骨骼)中传导的麦克风或扬声器。
示例性地，如图1所示，传感装置100可以包括壳体110、换能单元120和处理器130(例如，集成电路(integrated circuit，IC))。
壳体110可以为内部具有容置腔(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110可以用于容置换能单元120和/或处理器130。在一些实施例中，壳体110可以采用塑料封装、金属封装等一种或多种封装方式。在一些实施例中，壳体110的容置腔内可以装有气体、液体、固体等中的一种或多种。在一些实施例中，容置腔内也可以为真空结构。
换能单元120可以位于壳体110的容置腔或者至少部分悬空设置于壳体110的容置腔。换能单元120可以用于将外部信号转换为目标信号。以骨传导麦克风(也叫做振动传感装置)为例，外部信号为机械振动信号，目标信号为电信号。换能单元120可以包括拾振结构。所述拾振结构可以具有一定弹性。例如，拾振结构可以是振动杆(例如悬臂梁)、振膜(例如压电膜)、振动块等。拾振结构可以响应于机械振动信号，产生形变和/或位移。换能单元120可以将所述形变和/或位移转换为目标信号(例如，电信号)。在一些实施例中，换能单元120可以包括压电换能器、声学换能器、电磁换能器、电容换能器等。在一些实施例中，换能单元120可以通过引线140和处理器130电连接。
处理器130可以被配置处理数据和/或信号。在一些实施例中，处理器130可以包括双极型集成电路(如，逻辑门电路、发射极耦合逻辑电路等)、单极型集成电路(如场效应管型集成电路、n沟道场效应管集成电路等)等中的一种或多种。
在一些实施例中，处理器130可以位于壳体110的容置腔或者至少部分悬空设置于壳体110的容置腔。在一些实施例中，处理器130还可以位于壳体110的容置腔之外。例如，处理器130可以设置在壳体110外表面，其可以通过引线与换能单元120进行信号连接。在一些实施例中，处理器130可以处理目标信号。继续以骨传导麦克风为例，处理器130可以将目标信号转换为语音数据，或向云端和/或其他终端设备发送目标信号或与目标信号对应的语音数据。在一些实施例中，换能单元120与处理器130可以采用并列排布(如图1所示)、上下排布或内部集成等设置方式。
在一些实施例中，传感装置100还可以包括引线140。引线140可以用于将换能单元120和处理器130信号连接。例如，引线140可以传输目标信号或其他信号(如配置指令、采集指令等)。在一些实施例中，引线140可以不是必须的，其功能可以通过其他连接方式实现。例如，换能单元120与处理器130可以上下堆叠布置，换能单元120与处理器130可以通过两者的端口直接接触的设置方式进行传输数据，来替代引线140的功能。
图2是根据本说明书一些实施例所示的示例性麦克风的结构示意图。
如图2所示，麦克风200可以包括壳体210、换能单元220、处理器230和印制电路板(PCB)240。
PCB 240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。在一些实施例中，PCB 240可以是环氧玻纤布制成的FR-4等级的玻纤PCB基板。PCB 240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200的其他元器件。在一些实施例中，PCB 240也可以是柔性印制电路板(FPC)。在一些实施例中，换能单元220和处理器230分别通过换能单元固定胶250和处理器固定胶260固定连接于PCB 240上。在一些实施例中，换能单元固定胶250和/或处理器固定胶260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)。所述导电胶可以是导电胶水、导电胶膜、导电胶圈、导电胶带等。换能单元220和/或处理器230分别通过PCB 240上设置的电路与其他元器件电连接。换能单元220和处理器230之间可以通过导线270(例如金线、铜线、铝线等)直接连接。
壳体210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210罩设于PCB 240上方，对换能单元220、处理器230和PCB 240及其上设置的电路和其他元器件进行密封。壳体210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。在一些实施例中，壳体210所用的材料为黄铜。
换能单元220可以将外部振动信号转换为电信号。以骨传导麦克风为例，换能单元220可以包括基体结构、叠层结构(即拾振结构)和至少一个阻尼结构层。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210内，基体结构与壳体210内壁固定连接，叠层结构承载于基体结构。在一些实施例中，叠层结构的至少部分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，叠层结构的至少部分结构可以固定于基体结构的上表面或下表面，叠层结构的至少部分结构也可以固定于基体结构的侧壁。例如，叠层结构可以为悬臂梁(也被称为压电梁)，该悬臂梁可以为板状结构体，悬臂梁的一端与基体结构的上表面、下表面或基体结构的腔体所在的侧壁连接，悬臂梁的另一端不与基体结构连接或接触，使得悬臂梁的另一端悬空设置于基体结构的腔体。又例如，骨传导麦克风可以包括振膜层(也称为悬膜结构)，悬膜结构与基体结构固定连接，叠层结构设置于悬膜结构的上表面或下表面。再例如，叠层结构可以包括质量元件和一个或多个支撑臂，质量元件通过一个或多个支撑臂与基体结构固定连接，该支撑臂的一端与基体结构连接，支撑臂的另一端与质量元件连接，使得质量元件和支撑臂的部分区域悬空设置于基体结构腔体。需要知道的是，本申请中所说的“位于腔体”或“悬空设置于腔体”可以表示悬空设置于腔体的内部、下部或者上方。
在一些实施例中，叠层结构可以包括振动单元和信号转换单元(也可以称为声学换能单元)。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信号转换单元。信号转换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；信号转换单元基于振动单元的形变产生电信号。需要知道的是，这里对振动单元和信号转换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。在一些实施例中，振动单元可以不是必须的，其功能可以完全由信号转换单元实现。信号转换单元可以直接响应于基体结构的振动而产生电信号。例如，信号转换单元可以是压电悬臂梁。
在一些实施例中，振动单元和信号转换单元重叠形成叠层结构。信号转换单元可以位于振动单元的上层，信号转换单元也可以位于振动单元的下层。
在一些实施例中，信号转换单元可以包括至少两个电极层(例如，第一电极层和第二电极层)和压电层，压电层可以位于第一电极层和第二电极层之间。压电层是指受到外力作用时可以在其两端面产生电压的结构。在一些实施例中，压电层可以在振动单元的形变应力作用下产生电压，第一电极层和第二电极层可以对该电压(电信号)进行采集。
以骨导麦克风为例，振动单元可以包括至少一个弹性层。信号转换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，半导体材料可以包括二氧化硅、氮化硅、氮化镓、氧化锌、碳化硅等。在一些实施例中，第一弹性层和第二弹性层的材料可以相同或不同。
在一些实施例中，压电层可以是半导体的沉积工艺(例如磁控溅射、MOCVD)获得的压电聚合物薄膜。在一些实施例中，压电层的材料可以包括压电晶体材料和压电陶瓷材料。
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。
当骨传导麦克风的壳体210受到外力振动时(例如，人体说话时脸部的振动带动壳体210振动)，壳体210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210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，信号转换单元的压电层受到振动单元的形变应力产生电势差(电压)，信号转换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共振区振幅小、共振区振幅大的特点，通过增加阻尼结构层可以在较少降低非共振区域骨传导麦克风灵敏度的同时，降低共振区域的品质因子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210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210的一部分。
处理器230可以从换能单元220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。
图3是根据本说明书一些实施例所示的换能单元的示例性等效振动模型的示意图。
换能单元120可简化并等效为图3所示的质量-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。该系统的运动可用以下微分方程进行描述：
Figure BDA0003611245900000061
其中，M为系统质量，R为系统阻尼，K为系统弹性系数，F为驱动力幅值，x为系统位移，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 BDA0003611245900000062
传感装置100实际工作时，x对应换能单元120的振动-电信号转换模块的变形量，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 BDA0003611245900000063
Figure BDA0003611245900000064
其中，
Figure BDA0003611245900000065
为力学品质因素；
Figure BDA0003611245900000066
为静态位移振幅(或称ω＝0时的位移振幅)；ω0为系统谐振频率。
图4是根据本说明书一些实施例所示的示例性传感装置的位移共振曲线的示意图。具有不同参数(弹性系数、质量、阻尼)的换能单元构成的传感装置100，其归一化后位移共振曲线如图4所示。横轴对应外力(或振动)的频率与系统谐振频率的比值
Figure BDA0003611245900000067
纵轴对应公式(3)的A值。可以看到，对于不同的传感装置100，其换能单元120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 BDA0003611245900000068
为1处，系统发生共振，此时位移变化最大。Qm值越大的换能单元，A值越大，曲线越陡峭；而Qm值越小的换能单元，A值越小，曲线越平坦，因此可以通过调整换能单元120的品质因子Qm值(例如改变其结构)，调节Q值。
麦克风产生电压信号的原理为振动-电信号转换模块(即换能单元)与麦克风壳体产生相对位移(例如驻极体麦克风通过振膜变形，改变与基板之间距离形成电压信号；悬臂梁式骨传导麦克风通过悬臂振动器件变形，产生压电效应，从而形成电信号)，且位移越大，输出信号也越大。显然麦克风的振动-电信号转换模块完全符合如图4的位移共振曲线。
当减小
Figure BDA0003611245900000069
时，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100的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100的谐振频率在1500Hz-6000Hz之间。在一些实施例中，传感装置100的谐振频率在1500Hz-3000Hz之间。在一些实施例中，传感装置100的谐振频率在2000Hz-2500Hz之间。
图5是根据本说明书一些实施例所示的示例性传感装置的力学等效示意图。
在一些实施例中，传感装置500可以包括换能单元520和额外谐振系统530(也称为第一谐振系统530)。在一些实施例中，传感装置500可以视为在换能单元520的基础上加入第一谐振系统530。示例性地，在本实施例中，第一谐振系统530可以为弹簧(Km4)-质量(Mm4)-阻尼(Rm4)系统。第一谐振系统530可以耦合于壳体(图中未示出)和换能单元520之间。由于第一谐振系统530的作用，壳体接收到外部振动信号时，外部振动信号将分别通过与换能单元520连接的壳体区域以及与第一谐振系统530连接的壳体区域传递至换能单元520。因此，传感装置500的力学响应较传感装置100发生改变。相应的，传感装置500的电学、声学和/或热学响应较传感装置100发生改变。
在一些实施例中，第一谐振系统530可以由向壳体的容置腔内填充液体形成。例如，所述液体充满壳体内的容置腔，换能单元520被包裹在所述液体中。
图6是根据本说明书一些实施例所示的内部充满液体的传感装置的示意图。如图6所示，液体610可以选用具备安全性能(如不易燃不易爆)、稳定性能(如不易挥发、不发生高温变质等)的液体。例如，液体610可以包括油(例如硅油、甘油、蓖麻油、机油、润滑油、液压油(例如航空液压油)等)、水(包括纯水、其他无机物或有机物的水溶液等(例如盐水))、油水乳化液、或其他满足其性能要求的液体，或其中一种或多种的组合。
液体610的密度和运动粘度分别在一定密度范围和运动粘度范围内。在一些实施例中，密度范围和运动粘度范围可以由用户设定或基于传感装置500的性能(例如灵敏度、底噪水平、谐振峰峰值、谐振峰所在频率范围、峰谷值和/或品质因子Q等)确定。在一些实施例中，液体610可以选用硅油。硅油具有耐高温、不易挥发、粘度范围广等特点，密度约为0.94kg/m3，可选的运动粘度范围较广(例如，0.1-1000里斯托克斯(cst))。
液体610可以通过特定方式注入壳体510的容置腔。关于在壳体510的容置腔注入液体610的具体描述，可以参考本申请说明书其它部分，例如图11及其描述。
在一些实施例中，传感装置500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。第一谐振峰对应的谐振频率主要与换能单元520的属性(例如，形状、材料、结构等)有关。第二谐振峰为第一谐振系统530作用产生的谐振峰，其对应的谐振频率主要与第一谐振系统530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500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。
仅仅出于说明的目的，由于第一谐振系统530对应的第二谐振峰的存在，传感装置500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，使得其灵敏度有所提高。另外，由于第一谐振系统530作用于换能单元520，传感装置500的振动特性较没有第一谐振系统530时会有所改变。具体地，第一谐振系统530作用于换能单元520，可以影响传感装置500的质量、刚度和/或阻尼等，其效果相当于使得传感装置500的第一谐振峰的Q值相对于不连接第一谐振系统530的传感装置的Q值有所改变(例如，Q值减小)。关于传感装置500的频响曲线以及第一谐振峰、第二谐振峰的更多具体描述，可以参考本申请说明书其他地方，例如图9和图10及其描述。
在一些实施例中，第一谐振系统530可以减小换能单元520收到的外界冲击以保护换能单元520。例如，若第一谐振系统530为充满传感装置500容置腔的液体610，由于液体610具有粘滞作用，同时液体610的自身刚度相对器件材料小很多，可以提高传感装置500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)的可靠性。具体地，由于液体610的粘滞作用，可以吸收并消耗部分冲击能量，使得其中换能单元520受到的冲击载荷大大减小。
另外，传感装置100在加工过程中由于存在应力，特别是悬臂梁类器件，常出现器件变形情况，例如弯曲(沿长度、宽度)、扭转等。然而悬臂梁类结构是骨导麦克风、加速度等传感装置常用的结构。传感装置500由于壳体内充满液体610，可以利用的液体610的重力、表面张力、粘滞力等，矫正器件的变形，使得器件变形更小，输出更稳定，更加接近实际设计效果。
图7是根据本说明书一些实施例所示的示例性传感装置的力学等效示意图。如图7所示，传感装置700可以包括换能单元720和第二谐振系统740。在一些实施例中，传感装置700可以视为在换能单元720的基础上调整第一谐振系统530以形成第二谐振系统740。示例性地，在本实施例中，第二谐振系统740相比于第一谐振系统530新增加了弹簧(Km3)和阻尼(Rm3)。第二谐振系统740可以设置于壳体710和换能单元720之间。例如，如图7所示，第二谐振系统740的弹簧(Km3)-阻尼(Rm3)可以与第一谐振系统530的弹簧(Km4)-质量(Mm4)-阻尼(Rm4)串联，并间接作用于换能单元720。又例如，第二谐振系统740的弹簧(Km3)-阻尼(Rm3)可以与第一谐振系统530的弹簧(Km4)-质量(Mm4)-阻尼(Rm4)串联，并直接作用于换能单元720。由于第二谐振系统740的作用，壳体710接收到外部振动信号时，外部振动信号将分别通过与换能单元720连接的壳体区域以及与第二谐振系统740连接的壳体区域通过第二谐振系统740传递至换能单元720。因此，传感装置700的力学响应较传感装置500发生改变。相应的，传感装置700的电学、声学和/或热学响应较传感装置500发生改变。同时，由于第二谐振系统740新引入的弹簧(Km3)和阻尼(Rm3)，传感装置700的振动特性(例如，刚度-阻尼等)较传感装置500发生改变。
在一些实施例中，第二谐振系统740可以由向传感装置700的容置腔内填充不同的介质形成。例如，可以由向传感装置700的容置腔内填充部分液体，以在容置腔内形成液体和气泡(也可以称为气腔)共存的第二谐振系统740。此时，容置腔内的液体可以等效为上述弹簧(Km4)-质量(Mm4)-阻尼(Rm4)，气泡可以等效为上述弹簧(Km3)和阻尼(Rm3)。又例如，可以向传感装置700的容置腔内填充液体，传感装置700还可以包括将容置腔与壳体的外部连通的管道结构，液体至少部分地位于一个或多个管道结构中。此时，容置腔内的液体可以等效为上述弹簧(Km4)-质量(Mm4)-阻尼(Rm4)，管道结构对应的流体区域的液体和该管道结构对应的空气可以等效为上述弹簧(Km3)和阻尼(Rm3)。再例如，可以向传感装置700的容置腔内填充密度不同且互不相溶的液体以形成第二谐振系统740。在一些实施例中，向传感装置700的容置腔内填充的介质可以由用户设定或基于传感装置700的性能(例如灵敏度、底噪水平、谐振峰峰值、谐振峰所在频率范围、峰谷值和/或品质因子Q等)确定。
图8是根据本说明书一些实施例所示的内部填充液体和气泡的传感装置的示意图。如图8所示，在传感装置700中，壳体710的容置腔内填充液体810和气泡820。传感装置700中的液体810可以选用与传感装置500相同或不同种类的液体。例如，传感装置700和传感装置500中均使用运动粘度相同的硅油进行填充。又例如，传感装置700和传感装置500中分别使用不同种类的液体810或运动粘度不同的同种液体810(例如，运动粘度分别为0.65cst和200cst的硅油)进行填充。液体810和气泡820可以通过特定方式注入或形成于壳体710的容置腔。关于在壳体710的容置腔注入或形成液体810和气泡820的方式，具体可以参考本申请说明书其它地方的描述，例如图11及其描述。
在一些实施例中，传感装置700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三谐振峰和第四谐振峰。第三谐振峰为换能单元720对应的谐振峰，第四谐振峰为第二谐振系统740作用产生的谐振峰。
在一些实施例中，传感装置700的第三谐振频率(第三谐振峰对应的谐振频率)和第四谐振频率(第四谐振峰对应的谐振频率)之间可以满足不同的关系。示例性地，当第二谐振系统740由液体810和气泡820共同形成时，由于气泡820的可压缩幅度大(相比于纯液体810的情况)、刚度小，传感装置700可以具有位于低频或者中低频频段的谐振频率。例如，第四谐振频率为低频或中低频，第三谐振频率可以大于所述第四谐振频率，例如第三谐振频率为更高频段。又例如，第三谐振频率和第四谐振频率均为中低频。在本申请中，低频、中低频、中高频是指频率数值处于一定范围内的频率。例如，低频或中低频或中高频对应的频率范围为7000Hz以内、5000Hz以内、3000Hz以内、1000Hz以内、500Hz以内等。例如，更高频段对应的频率范围为2000Hz以上、5000Hz以上、8000Hz以上等。第三谐振频率相比第四谐振频率为更高的频率。可选地，两者谐振频率差值为100-6000Hz。当传感装置700在低频或者中低频范围内具有谐振频率时，其在低频的灵敏度相较于未设置有第二谐振系统740的传感装置会更高；当传感装置700进一步在高频或中高频具有谐振频率时，其频响曲线在两个谐振峰之间的范围内也更为平坦，更有利于实现对该频段内有效语音信号的获取。
另外，由于第二谐振系统740作用于换能单元720，因此，传感装置700的振动特性较没有第二谐振系统740时的传感装置会有所改变。示例性的，第二谐振系统740作用于换能单元720，可以影响传感装置700的刚度和/或阻尼等，其效果相当于使得传感装置700的第三谐振峰的Q值相对于不连接第二谐振系统740的传感装置有所改变(例如，Q值减小)。关于传感装置700的频响曲线以及第三谐振峰、第四谐振峰的更多具体描述，可以参考本申请说明书其他地方，例如图9和图10及其描述。
在一些实施例中，第二谐振系统740可以减小换能单元720受到的外界冲击以保护换能单元720。例如，若壳体710的容置腔内引入液体810和气泡820，传感装置700接收外界冲击载荷时的冲击可靠性会提高。由于液体810的粘滞作用和气体的可压缩幅度大，可以吸收并消耗部分冲击能量，使得其中换能单元720受到的冲击载荷大大减小。
另外，传感装置700在加工过程中由于存在应力，常出现器件变形情况。通过在腔室中注入液体810和气泡820，可以利用的液体810的重力、表面张力、粘滞力等，矫正器件的变形，使得传感装置700变形更小，输出更稳定，更加接近实际设计效果。
需要注意的是，以上对于传感装置700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、模块进行任意组合，或者构成子系统与其他模块连接。
图9是根据本说明书一些实施例所示的传感装置500或700的示例性频响曲线。
示例性地，如图9所示，虚线910表示未设置等效谐振系统的传感装置的频响曲线，实线920表示传感装置500或700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910包括谐振峰911。频响曲线920包括第一(或第三)谐振峰921和第二(或第四)谐振峰922。对于传感装置500，第一谐振峰921对应的频率为第一谐振频率，第二谐振峰922是由第一谐振系统530作用而形成的，对应的频率为第二谐振频率；对于传感装置700，第三谐振峰921对应的频率为第三谐振频率，第四谐振峰922是由第二谐振系统740作用而形成的，第四谐振峰922对应的频率为第四谐振频率。
需要说明的是，图中所示第二(或第四)谐振峰922在第一(或第三)谐振峰921左侧，即第二(或第四)谐振峰922对应的频率小于第一(或第三)谐振峰对应的频率。在一些实施例中，通过改变换能单元或第一(或第二)谐振系统中的力学参数，可以使得第二(或第四)谐振峰922对应的频率大于第一(或第三)谐振峰921对应的频率，即第二(或第四)谐振峰922在第一(或第三)谐振峰921右侧。例如，对于内部充满液体的传感装置500，其第二(或第四)谐振峰922可能在第一(或第三)谐振峰921的左侧或右侧，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)相关。例如，如果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911所对应的频率在100Hz-12000Hz范围内。在一些实施例中，谐振峰911所对应的频率在1000Hz-7000Hz范围内。在一些实施例中，谐振峰911所对应的频率在3000Hz-4000Hz范围内。
在一些实施例中，第一(或第三)谐振峰921所对应的频率在100Hz-12000Hz范围内。在一些实施例中，第一(或第三)谐振峰921所对应的频率在1500Hz-7000Hz范围内。在一些实施例中，第一(或第三)谐振峰921所对应的频率在3000Hz-4000Hz范围内。
在一些实施例中，第一(或第三)谐振峰921对应的谐振频率(第一谐振频率或第三谐振频率)与谐振峰911对应的谐振频率不同。例如，对于壳体110容置腔内充满液体的传感装置500，所述液体作为第一谐振系统530，由于液体不易压缩，导致系统自身刚度变大，则第一谐振峰921对应的第一频率较谐振峰911对应的谐振频率变大，即第一谐振峰921相对于谐振峰911右移。
在一些实施例中，第二(或第四)谐振峰922所对应的频率在50Hz-12000Hz范围内。在一些实施例中，第二(或第四)谐振峰922所对应的频率在1000Hz-3000Hz范围内。在一些实施例中，第二(或第四)谐振峰922所对应的频率在1500Hz-2000Hz范围内。
在一些实施例中，第四谐振频率低于第二谐振频率。对于壳体510容置腔内充满液体传感装置500，所述液体作为第一谐振系统530，相对而言，壳体710容置腔内包含液体和气泡的传感装置700中，液体和气泡分别作为第二谐振系统740，其组合的整体刚度较液体更低，因此第四谐振频率低于第二谐振频率。
在一些实施例中，可以通过调节换能单元的结构、材料以及第一(或第二)谐振系统中给一个或多个力学参数(例如，填充液体的种类、气泡大小等)，使得频响曲线920上的两个谐振峰921和922之间较为平坦，从而提高传感装置500或700的输出质量。在一些实施例中，谐振峰921和922之间的低谷与谐振峰921和922中较高峰的峰值的灵敏度差值不高于30dBV，所述灵敏度差值与所述较高峰的峰值的比值不超过0.2。在一些实施例中，谐振峰921和922之间的低谷与谐振峰921和322中较高峰的峰值的灵敏度差值不高于10dBV，所述灵敏度差值与所述较高峰的峰值的比值不超过0.1。在一些实施例中，谐振峰921和922之间的低谷与谐振峰921和922中较高峰的峰值的灵敏度差值不高于5dBV，所述灵敏度差值与所述较高峰的峰值的比值不超过0.05。
相应地，谐振峰921和922对应的谐振频率的差值(谐振峰921的频率以f0表示(其与谐振峰911接近)，谐振峰922的频率以f1表示，以频率差△f1表示谐振峰921和922对应的谐振频率的差值)在一定范围内，可以使得谐振峰921和922之间的频响曲线较为平坦。在一些实施例中，频率差△f1在200-3000Hz范围内，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1000-1500Hz范围内，频率差△f1与f0的比值在0.35-0.6范围内。
如图9所示，频响曲线920相比频响曲线910，频响曲线920在第二(或第四)谐振峰922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，△V1在10dBV-60dBV范围内。在一些实施例中，△V1在20dBV-40dBV范围内。在一些实施例中，△V1在30dBV-40dBV范围内。
第一谐振系统530或第二谐振系统740的存在会对传感装置500或700的与换能单元对应的谐振峰产生抑制作用，使得频响曲线920的第一(或第三)谐振峰921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920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，所述峰谷值与最高峰的峰值的比值不超过0.2。在一些实施例中，峰谷值不超过10dBV，峰谷值与最高峰的峰值的比值不超过0.1。在一些实施例中，峰谷值不超过5dBV，峰谷值与最高峰的峰值的比值不超过0.05。
对于传感装置700，在一些实施例中，第四谐振峰922对应的频率(即第四谐振频率)为中低频，第三谐振峰921对应的频率(即第三谐振频率)为中高频。在一些实施例中，频响曲线920在谐振频率f1以内的频率范围内的灵敏度最小值与第四谐振峰的峰值之间的差值不大于30dBV，其比值不大于0.2。在一些实施例中，频响曲线920在谐振频率f1以内的频率范围内的灵敏度最小值与第四谐振峰的峰值之间的差值不大于10dBV，其比值不大于0.1。
在一些实施例中，传感装置500或700的频响可以通过曲线920的相关参量，例如第一(或第三)谐振峰921的峰值、频率、第二(或第四)谐振峰922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，传感装置500或700的频响可以与填充的液体的属性和/或换能单元的参数相关。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。换能单元的参数可以包括，例如，换能单元(例如悬臂梁)的质量、尺寸、刚度等。在一些实施例中，传感装置500或700的频响还可以与壳体的内部结构(例如容置腔的形状)、尺寸、刚度等参数相关。
在一些实施例中，为获得传感装置500或700的理想的输出频响(例如，频响曲线920)，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，包括例如，填充的液体的属性和/或换能单元的参数)的范围。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500或700频响的影响。例如，在相同液体且均充满前提下，测试具有不同容置腔结构特征的传感装置的性能。又例如，在相同液体且均充满前提下，测试具有不同壳体刚度特征器件性能。又例如，在相同壳体大小，测试充满液体与填充液体和气泡的不同情况下的传感装置的性能。又例如，在气泡不覆盖换能单元(例如压电换能器)的前提下，测试具有不同大小气泡特征的传感装置的性能。又例如，在气泡覆盖换能单元(例如压电换能器)的前提下，测试具有不同大小气泡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500或700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500或700频响的影响。例如，当壳体高度变大时，容置腔体积变大，壳体质量变大、填充于其中的液体的体积也相应变大，因此可以以壳体高度、壳体质量、及液体体积(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，测试参数组对传感装置的性能的影响。又例如，液体粘度和密度可以作为参数对，测试该参数对(或其比值、乘积等)对传感装置500或700频响的影响。
在一些实施例中，可以通过模体测试的方式，确定各因素或多个因素对应的参数对或参数组对传感装置500或700频响的影响。
示例性地，对于填充不同粘度的液体的传感装置500，液体粘度越大，系统阻尼越大，传感装置500频响的Q值越小。对于填充液体和气泡的传感装置700，在一定的运动粘度范围内，填充液体的运动粘度越大，传感装置700的灵敏度提升越大。
在一些实施例中，液体的运动粘度可以为0.1-5000cst。在一些实施例中，液体的运动粘度可以为0.1-1000cst。在一些实施例中，液体的运动粘度可以为0.3-1000cst。在一些实施例中，液体的运动粘度可以为0.5-500cst。在一些实施例中，液体的运动粘度可以为0.5-200cst。在一些实施例中，液体的运动粘度可以为50-200cst。
示例性地，对于填满液体的传感装置500，以骨导麦克风或单轴加速度计为例，在一定范围内，悬臂梁长度变短，整体有效频带扩大。
在一些实施例中，悬臂梁厚度、宽度和长度可以分别为0.5um-3mm、50um-500mm、200um-1cm。在一些实施例中，悬臂梁厚度、宽度和长度可以分别为1um-100um、100um-10mm、400um-20mm。在一些实施例中，悬臂梁厚度、宽度和长度可以分别为2um-5um、200um-500um、800um-1000um。
示例性地，对于填充满液体的传感装置500，通过增加容置腔的大小，可提升传感装置在中频的灵敏度，降低液体对传感装置在中频的频响抑制效果，使得频响曲线更加平坦。
示例性地，对于填充满液体的具有不同容置腔高度的传感装置500，在一定范围内，容置腔高度越高，传感装置500的中低频输出灵敏度越高。
在一些实施例中，传感装置的容置腔的长、宽、高分别为1-30mm，1-30mm，以及0.5-30mm。在一些实施例中，传感装置的容置腔的长、宽、高分别为8-10mm，5-10mm，以及1-5mm。可选地，传感装置的容置腔具有更大尺寸。在一些实施例中，传感装置的容置腔的长、宽、高分别为10-200mm，10-100mm，以及10-100mm。在一些实施例中，传感装置的容置腔的长、宽、高分别为10-50mm，10-30mm，以及10-30mm。
示例性地，填充液体和气泡的传感装置700相比填充满液体的传感装置500，由于气体易压缩、刚性小，而液体不易压缩，可能出现过刚度、过阻尼，传感装置700的整体输出增益更高。例如，在一些实施例中，传感装置500具有的第二谐振峰可能由于过阻尼而“消失”，从而影响传感装置500在中低频处灵敏度。
示例性地，填充液体和气泡的传感装置700，当气泡不覆盖换能单元(例如，压电换能器)时，随着气泡体积增加，传感装置700的灵敏度随之增加。
在一些实施例中，气泡的体积与液体体积的比例可以为5％-90％。在一些实施例中，气泡的体积与液体体积的比例可以为30％-50％。
在一些实施例中，气泡可以位于传感装置700内不同位置。例如，气泡可以位于液体内部。又例如，气泡可以位于液体与壳体之间。在一些实施例中，换能单元720在容置腔内可以将容置腔分隔形成位于拾振结构相反两侧的前腔和后腔。在本说明书中，后腔是指换能单元的基体与拾振结构(例如悬臂梁)构成的封闭的或半封闭的空间。例如，以骨传导麦克风为例，以悬臂梁所在平面为分割平面，可以将容置腔分为前腔和后腔。对于填充液体和气泡的传感装置700，当气泡位于传感装置的前腔时，且不与换能单元(例如，拾振结构)接触，随着气泡的增加，灵敏度也逐渐增大。
在一些实施例中，填充液体和气泡的传感装置700，在前腔和后腔均设置一定大小的气泡时，可实现低频部分具有较大的增益，中频对传感装置700的谐振峰的Q值进行有效抑制，但是不压制对应传感装置700的谐振峰区域之外的其他区域的灵敏度，从而使得传感装置700的频响在低频到中频的范围内都比较平坦。
在一些实施例中，前腔和后腔内气泡的体积与液体体积的比例均可以为5％-95％。在一些实施例中，前腔和后腔气泡的体积与液体体积的比例均可以为30％-50％。
需要注意的是，以上对于传感装置500或700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，均在本申请的保护范围之内。
图10是根据本说明书一些实施例所示的传感装置500或700的示例性频响曲线。
如图10所示，虚线1010表示未设置等效谐振系统的传感装置的频响曲线，实线1020表示传感装置500或700的频响曲线。频响曲线1010包括谐振峰1011。在一些实施例中，未设置等效谐振系统的传感装置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，未设置等效谐振系统的传感装置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，未设置等效谐振系统的传感装置对应的谐振频率高于7000Hz。在一些实施例中，未设置等效谐振系统的传感装置对应的谐振频率高于10000Hz。在一些实施例中，未设置等效谐振系统的传感装置对应的谐振频率高于12000Hz。相应地，未设置等效谐振系统的传感装置此时可能具有较高的刚度，同时也给该传感装置带来较高的抗冲击强度和可靠性。
频响曲线1020包括第一(或第三)谐振峰(图中未示出)和第二(或第四)谐振峰1021。在一些实施例中，第一(或第三)谐振峰所对应的频率与频响曲线1010中对应的谐振频率接近或相同。在一些实施例中，频响曲线1020与图9中的频响曲线920相比，除第一(或第三)谐振峰右移外，大致相同。第二(或第四)谐振峰1021所对应的频率与图9中第二(或第四)谐振峰922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1020中的灵敏度最大值和最小值的差值应保持在一定范围内，以保证传感装置500或700频响的稳定。在一些实施例中，在所需频率范围内，灵敏度最大值和最小值的差值不高于40dBV，所述灵敏度差值与所述最大值的比值不超过0.3。在一些实施例中，在所需频率范围内，灵敏度最大值和最小值的差值不高于10dBV，所述灵敏度差值与所述最大值的比值不超过0.1。
在一些实施例中，第一(或第三)谐振峰和第二(或第四)谐振峰1021对应的谐振频率的差值(第一(或第三)谐振峰的频率以f0表示(与谐振峰1011接近)，第二(或第四)谐振峰1021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1000-8000Hz范围内，所述频率差△f2与f0的比值在0.2-0.8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。
频响曲线1020相比频响曲线1010，频响曲线1020在第二(或第四)谐振峰1021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20dBV-40dBV范围内。在一些实施例中，所述提升△V3在30dBV-40dBV范围内。
对于传感装置700，在一些实施例中，第四谐振峰1021对应的频率(即第四谐振频率)为中低频，第三谐振峰对应的频率(即第三谐振频率)为中高频。在一些实施例中，频响曲线1020在谐振频率f1以内的频率范围内的灵敏度最小值与第四谐振峰的峰值之间的差值不大于30dBV，其比值不大于0.2。在一些实施例中，频响曲线920在谐振频率f1以内的频率范围内的灵敏度最小值与第四谐振峰的峰值之间的差值不大于10dBV，其比值不大于0.1。
在一些实施例中，传感装置500或700的频响可以通过曲线1020的相关参量，例如初级谐振峰的峰值、频率、次级谐振峰1021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500或700的频响可以与填充的液体的属性和/或换能单元的参数相关。在一些实施例中，为获得传感装置500或700的理想的输出频响(例如，频响曲线1020)，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，包括所述填充的液体的属性和/或换能单元的参数)的范围，与图9中所述的方法相同或相近，此处不再赘述。
图11是根据本说明书一些实施例所示的待填充液体的传感装置的示意图。
如图11所示，传感装置1100包括壳体1110、换能单元1120、处理器1130和PCB1140。传感装置1100的壳体1110上表面可以设置至少一个通孔。通孔可以连通外界和传感装置1100的容置腔。通过至少一个通孔，可以将液体注入传感装置1100的容置腔。在一些实施例中，通孔可以包括液体注入孔1111和排气孔1112。通过液体注入孔1111，可以将液体注入传感装置1100的容置腔。同时，通过排气孔1112，容置腔的空气可以被排出，保证液体可以完全充容置腔，换能单元1120和处理器1130浸没在液体中，不存在气泡。可选地，通孔可以仅包括液体注入孔1111。在真空环境下，通过液体注入孔1111，将液体注入传感装置1100的容置腔，也可以使液体完全充满所述容置腔，换能单元1120和处理器1130浸没在液体中，不存在气泡。
在一些实施例中，当传感装置1100充满液体而不含气泡时，此时传感装置1100类似于传感装置500，由于液体具有粘滞作用，可以增加换能单元1120的阻尼，因此传感装置1100的谐振峰(也称第一谐振峰，即换能单元1120的固有谐振频率对应的峰)的Q值降低。另外，液体不易压缩，可能出现过刚度、过阻尼，此时由于加入液体而形成的额外谐振峰(即第二谐振峰)对应的频率较高，可能与传感装置1100的第一谐振峰较近，第一谐振峰和第二谐振峰可能存在至少部分叠加，因此频响曲线的平坦度较低。
在一些实施例中，调整传感装置1100中充满的液体粘度或密度(例如，通过选用不同密度和粘度的液体或增加特定制剂调节密度或粘度)，在一定范围内，可以调整传感装置1100中换能单元1120对应的谐振峰的Q值。例如，在一定范围内，液体运动粘度越大，Q值越小。在一些实施例中，所述液体的密度可以为0.6-2kg/m3。在一些实施例中，所述液体的密度可以为0.8-1.0kg/m3。在一些实施例中，所述液体的密度可以为0.93-0.95kg/m3。
在一些实施例中，液体的运动粘度可以为0.1-5000cst。在一些实施例中，液体的运动粘度可以为50-200cst。
在一些实施例中，填充于容置腔的液体可以包括气泡。气泡具有一定体积。例如，气泡占传感装置1100的容置腔体积的比值可以为，例如，5％～95％中任意数值。气泡的数量可以为1个、2个、3个、4个或更多，本申请说明书中不作具体限定。
气泡可以处于传感装置1100内不同位置。以骨传导麦克风为例，以悬臂梁所在平面为分割平面，可以将腔室分为前腔和后腔。在一些实施例中，气泡可以在前腔内。示例性的，气泡可以在前腔中远离悬臂梁的位置、靠近悬臂梁或附着在悬臂梁上。在一些实施例中，气泡可以在后腔内。在另一些实施例中，气泡可以同时存在于前后腔内。
气泡可以是未排出容置腔的空气形成的。例如，当填充液体的量小于容置腔体积时，容置腔内将留下气泡。在一些实施例中，气泡可以通过气囊包裹气体而形成。例如，气囊可以是薄膜状材料(例如聚酯薄膜、尼龙薄膜、塑料薄膜、复合薄膜等)自身或者与壳体或传感装置1100内部的部件形成的封闭囊体，所述封闭囊体中充有气体。气囊的大小和形状可以根据所需气泡的体积、容置腔体积和形状，和/或气囊所处的位置设定。在一些实施例中，气泡也可以通过在容置腔的内表面或者其内部的部件表面设置疏水材料形成。气泡附着于疏水材料表面。例如，容置腔的内表面部分区域或其内部部件部分表面可以设置超疏水涂层。超疏水涂层可以由含氟高分子，例如，聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、乙烯和四氟乙烯的共聚物、四氟乙烯和全氟烷氧基乙烯基醚共聚物等，或高分子熔体聚合物，例如聚烯烃、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯、不含氟的丙烯酸酯、熔融石蜡等经特定工艺制成等。气泡中的气体可以是空气、氧气、氮气、惰性气体等或其任意组合。在一些实施例中，由于气体在振动过程中，气体存在一定的弹性特性，因此，可以通过改变气泡中的气压来改变气泡(或气体)的等效刚度，从而改变第二谐振系统的性能。
传感装置1100填充液体和气泡后，此时传感装置1100可以类似于传感装置700。由于气泡易压缩、刚度小，因此液体和气泡的结合刚度较小，传感装置1100中液体和气泡构成的第二谐振系统的谐振峰(也称第四谐振峰)对应的谐振频率(也称第四谐振频率)较低，与传感装置1100的换能单元1120的固有谐振频率(也称第三谐振频率)之间的差值较大，可以有效控制传感装置1100的最终的输出性能，因此传感装置1100的整体灵敏度提升较大，频响曲线较为平坦，有效带宽(满足频响平坦条件)可以覆盖较大范围。在一些实施例中，通过调整传感装置1100中气泡体积与液体体积的占比，可以调整第四谐振峰的位置，使第三谐振峰与第四谐振峰处于一定频带范围内，以此可以优化传感装置1100的频响曲线，使之较为平坦。
在液体或液体和气泡填充至容置腔(例如，前腔)后，壳体1110上表面的通孔将被封堵。在一些实施例中，可以采用密封构件对通孔进行封堵。密封构件可以包括，例如塞子、螺钉、胶带等。在一些实施例中，通孔为圆形带螺纹的孔。密封构件可以通过螺纹连接的方式对所述至少一个通孔进行封堵。
图12是根据本说明书一些实施例所示的示例性传填充液体的感装置的示意图。
如图12所示，传感装置1200可以是填充液体的骨导麦克风，包括壳体1210、换能单元1220、处理器1230和PCB基板1240。壳体1210的容置腔中填充有液体1250。换能单元1220包括压电层1221。换能单元1220和处理器1230之间通过引线1260连接。在一些实施例中，传感装置1200的结构以及内部元器件与传感装置500相同或类似，此处不再赘述。传感装置1200的金属壳体上设置有至少一个通孔(图中未示出)。通过所述至少一个通孔，液体1250(例如，硅油)可以填充至传感装置1200内部的空腔。
在一些实施例中，壳体1210可以是金属、塑料、玻璃等。在一些实施例中，壳体1210可以是透明材料制成。透过所述透明壳体，可以观察传感装置1200的内部容置腔是否填充满液体，是否存在气泡等。
需要注意的是，以上对于传感装置1200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、模块进行任意组合，或者构成子系统与其他模块连接。例如，以液体或液体和气泡形式的第一谐振系统530或第二谐振系统740也可以加入到音频输出设备，例如扬声器中，以改善扬声器的频响。
图13是根据本申请的一些实施例的传感装置部分填充液体前后的频响曲线。
如图13所示，频响曲线1310表示填充液体(例如，运动粘度为0.65cst的硅油)的传感装置(例如，传感装置1200)的频响曲线。频响曲线1320表示将传感装置中的液体抽出后仅残留部分液体(例如，存在油膜)时该传感装置的频响曲线。在一些实施例中，传感装置中前腔充满液体，后腔部分填充液体。后腔填充液体的体积可以为前腔体积的1％～90％。
可以看出，填充液体(例如，前腔充满液体，后腔部分填充液体)时，相比于仅残留部分液体(例如，存在油膜)，传感装置的灵敏度在低频或中低频或中高频之前频段(例如，小于7000Hz、5000Hz、3000Hz、1000Hz或500Hz的频段内)较大幅度且稳定的提升。在一些实施例中，其灵敏度提升可以达10-50dBV。在一些实施例中，其灵敏度提升可以达10-30dBV。在一些实施例中，其灵敏度提升可以达20-30dBV。
填充液体后虽然传感装置的灵敏度有较大提升，但处于过阻尼或者过刚度状态，中频附近过度抑制，导致频响曲线快速下降，并且传感装置中换能单元的固有谐振频率处的峰被抑制。为了避免过阻尼导致的中频过度抑制，可以在壳体中保留一定体积的气泡。液体与气泡形成的第二谐振系统740相比于填满液体(例如，硅油)的第一谐振系统530会具有更小的刚度或阻尼，可以减轻对中频的抑制。
图14是根据本说明书一些实施例所示的小尺寸容置腔的传感装置内填充液体前后的频响曲线。
在所述传感装置(例如，传感装置1100)的容置腔内填充液体后形成传感装置(例如，传感装置1200)。在本实施例中，传感装置的容置腔为小尺寸容置腔。在一些实施例中，传感装置的容置腔的长、宽、高分别为0.5-10mm、0.5-10mm、以及0.3-10mm。在一些实施例中，传感装置的容置腔的长、宽、高分别为3-10mm、2-8mm、以及0.8-5mm。
示例性地，在本实施例中，传感装置的容置腔具有较小尺寸：3.76mm×2.95mm×0.8-0.85mm。如图14所示，曲线1410为容置腔中未填充液体的传感装置的频响曲线。曲线1420为容置腔中填充满液体(例如，运动粘度为0.65cst的硅油)形成的传感装置的频响曲线。曲线1430为仅后腔中部分填充液体时传感装置的频响曲线。曲线1440为传感装置中仅换能单元(例如悬臂梁)表面残留油膜的频响曲线。
结合曲线1410-1440可以看出，对于小尺寸的容置腔，完全充满液体(对应曲线1420)未获得传感装置的灵敏度增加。在小尺寸容置腔内充满液体时，液体的额外谐振频率很高，无法在换能单元的固有谐振频率(第一或第三谐振频率)之前形成共振，同时液体的引入也导致附加刚度、阻尼的增加，抑制换能单元的振动，使得传感装置输出减小。仅后腔残留部分液体(对应曲线1430)时，可以视为在传感装置的容置腔内引入较大气泡。由于气泡易压缩、刚度小，液体和气泡的结合刚度较小，传感装置中液体和气泡构成的第二谐振系统的谐振峰(也称第四谐振峰)对应的谐振频率(也称第四谐振频率)较低，与传感装置的换能单元的固有谐振频率(也称第三谐振频率)之间的差值较大，因此传感装置在较宽的频带范围内的灵敏度提升较大。
图15是根据本说明书一些实施例所示的大尺寸容置腔的传感装置内未填充液体及部分填充液体或容置腔内存在油膜的频响曲线。
在传感装置(例如，传感装置1100)的容置腔内填充液体后形成传感装置(例如，传感装置1200)。在本实施例中，传感装置的容置腔为大尺寸容置腔。在一些实施例中，传感装置的容置腔的长、宽、高分别为1-30mm、1-30mm、以及0.5-30mm。在一些实施例中，传感装置的容置腔的长、宽、高分别为8-10mm、5-10mm、以及1-5mm。可选地，传感装置的容置腔具有更大尺寸。在一些实施例中，传感装置的容置腔的长、宽、高分别为10-200mm、10-100mm、以及10-100mm。在在一些实施例中，传感装置的容置腔的长、宽、高分别为10-50mm、10-30mm、以及10-30mm。示例性地，在本实施例中，传感装置的容置腔具有较大尺寸：10mm×7mm×1-4mm。
如前所述，小尺寸容置腔内填充硅油的传感装置可能处于过阻尼或者过刚度状态，中频过度抑制，频响曲线快速下降，并且对应未填充液体的传感装置的谐振频率处的谐振峰被完全抑制。通过增加容置腔的大小，可提升传感装置在中频的输出，降低液体对传感装置在中频的频响抑制效果，使得传感装置的频响曲线更加平坦。
如图15所示，曲线1510和1520分别表示大尺寸容置腔内未填充液体以及部分填充液体(例如，运动粘度为0.65cst的硅油)或容置腔内存在油膜的频响曲线。
可以看出，当部分填充液体或容置腔内存在油膜时(对应曲线1520)，相比于未填充液体(对应曲线1510)，传感装置的频响灵敏度有一定提升。在一些实施例中，提升为10-40dBV。在一些实施例中，提升为10-20dBV。在一些实施例中，提升为15dBV左右。
图16是根据本说明书一些实施例所示的填充液体和气泡的传感装置的示意图。
由于气泡内部是气体(例如空气)，其与液体的刚度、质量、阻尼均有较大的差异，因而可以通过控制引入气泡的大小及位置，可对传感装置(例如，传感装置1200)的第二谐振系统740(即附加弹簧-质量-阻尼系统)进行调节，从而有效控制传感装置最终的输出性能，使得频响较为平坦(例如，峰谷波动小于5dBV，10dBV，15dBV等)，有效带宽(满足频响平坦条件)覆盖一定范围(例如，20Hz-8K Hz)，同时整体灵敏度获得一定幅度提升(例如，10-50dBV)。
在本实施例中，传感装置的容置腔为大尺寸容置腔。在一些实施例中，其容置腔尺寸可以为10mm×7mm×1-4mm。示例性地，传感装置的容置腔尺寸为10mm×7mm×1mm。
在一些实施例中，气泡可以具有不同的大小，气泡处于传感装置的容置腔内的位置也可以不同。如图16所示，所以气泡可以是小气泡(例如，气泡与容置腔体积比10％或者更小)、中型或大型气泡(例如，气泡与容置腔体积比10％～90％)等。气泡所处的位置可以为传感装置的容置腔的前腔(远离悬臂梁、贴近或者附着在悬臂梁上等)、后腔、或前腔和后腔均有。关于气泡不同位置的更多细节，可以参考本申请说明书其他地方的描述，例如图18A-18D及其描述。
仅仅作为示例，如图16所示，传感装置1610为容置腔内填充液体后，在角落中有一个小气泡，气泡体积约为液体体积2％-10％左右，换能单元(例如，悬臂梁)附近无任何气泡。传感装置1620为容置腔内填充液体后，气泡体积约为液体体积的10％-20％左右，没有覆盖换能单元区域，此时换能单元完全被硅油浸润。传感装置1630为容置腔内表示填充液体后，气泡体积约为液体体积20％-50％左右，没有覆盖换能单元区域，此时换能单元完全被硅油浸润。传感装置1640为容置腔内填充液体后，气泡体积约为液体体积50％-90％左右，覆盖换能单元区域，此时换能单元未完全被硅油浸润。
图17是根据本说明书一些实施例所示的容置腔内填充液体中含有不同大小气泡的传感装置的频响曲线。
在本实施例中，传感装置(例如传感装置1200)的容置腔为大尺寸容置腔。在一些实施例中，其容置腔尺寸可以为10mm×7mm×1-4mm。示例性地，传感装置的容置腔尺寸均为10mm×7mm×1mm。
如图17所示，曲线1710表示未填充硅油的传感装置(例如，传感装置1100)的频响曲线。曲线1720表示填充液体中含图16所示的小气泡的传感装置的频响曲线。曲线1730表示填充液体中含图16所示的中小型气泡的传感装置的频响曲线。曲线1740表示填充液体中含图16所示的中型气泡的传感装置的频响曲线。
结合曲线1710-1740可知，当气泡不覆盖换能单元(例如，压电换能器)时，随着气泡体积增加，传感装置的灵敏度随之增加。例如，含中小型气泡的传感装置(对应曲线1730)相比含小气泡的传感装置(对应曲线1720)，低频或中低频或中高频之前频段(例如，小于7000Hz、5000Hz、3000Hz、1000Hz或500Hz的频段内)灵敏度提升约为5-30dBV。在一些实施例中，在更低频段(例如，小于5000Hz以下，3000Hz以下，500Hz或200Hz的频段内)存在低频滚降现象。含中型气泡的传感装置(对应曲线1740)相比含中小型气泡的传感装置(对应曲线1730)，低频或中低频或中高频之前频段(例如，小于7000Hz、5000Hz、3000Hz、1000Hz或500Hz的频段内)灵敏度提升约为5-30dBV。
图18A-18D是根据本说明书一些实施例所示的填充液体中的气泡在不同位置的传感装置示意图。
如图18A，以传感装置为骨导麦克风1810为例，换能单元1812可以包括悬臂梁。以换能单元1812所在平面为分割平面，可以将骨导麦克风1810的容置腔分为前腔1813和后腔1814。在一些实施例中，基体1811与换能单元1812所在平面构成的空间可以形成后腔1814。在一些实施例中，基体1811与换能单元1812所在平面以及传感装置1810的部分壳体构成的空间可以形成后腔1814。前腔1813可以是骨导麦克风1810的容置腔中除后腔1814以外的空间。
图18A中前腔1813和后腔1814中填充液体1815。气泡1816位于前腔1813，且远离换能单元1812。气泡1816可以位于前腔1813中间位置或者角落。气泡1816可以是小气泡(例如，气泡与前腔体积比10％或者更小)、中型或大型气泡(例如，气泡与前腔体积比10％～90％)等。
图18B中骨导麦克风1820的结构与图18A相似。基体1821与换能单元1822构成后腔1824。骨导麦克风1820的容置腔中除后腔1824以外的空间为前腔1823。前腔1823和后腔1824中均填充液体1825。气泡1826位于前腔1823，且附着或贴近换能单元1822。气泡1826可以是小气泡(例如，气泡与前腔体积比10％或者更小)、中型或大型气泡(例如，气泡与前腔体积比10％～90％)等。
图18C中骨导麦克风1830的结构与图18A或图18B相似。基体1831与换能单元1832构成后腔1834。骨导麦克风1830的容置腔中除后腔1834以外的空间的为前腔1833。前腔1833和后腔1834中均填充液体1835。气泡1836位于后腔1834。气泡1836可以位于后腔1834中间位置或者角落。气泡1836可以是小气泡(例如，气泡与后腔体积比10％或者更小)、中型或大型气泡(例如，气泡与后腔体积比10％～90％)等。
图18D中骨导麦克风1840的结构与图18A、图18B或图18C相似。基体1841与换能单元1842构成后腔。此时骨导麦克风1840的容置腔中仅换能单元1842上附着有液体1843(例如油膜)。此时可以看成骨导麦克风1840的容置腔内气泡较大(例如，气泡与腔体体积比超过90％气泡)，而填充的液体很少。
需要注意的是，以上对于传感装置的描述，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，均在本申请的保护范围之内。例如，图18A至图18D中的换能单元也可以包括振膜(如图32A所示的压电膜32211A)。振膜所在平面可以将容置腔分隔为前腔和后腔。又例如，图18A至图18D中的换能单元还可以同时包括悬臂梁和振膜(如图35B所示的压电梁35211和第二膜结构35213)。
图19是根据本说明书一些实施例所示的填充液体中的气泡在传感装置容置腔内不同位置的频响曲线。
当传感装置的容置腔内填充的液体中含有不同大小的气泡，对应不同的弹簧(Km3、Km4)-质量(Mm4)-阻尼(Rm3、Rm4)系统，其输出性能也存在不同。
如图19所示，曲线1910表示容置腔内未填充液体的传感装置(例如，传感装置1100)的频响曲线。曲线1920表示前腔为液体(例如，硅油)和较大气泡且气泡远离换能单元而后腔为液体的传感装置的频响曲线。曲线1930表示前腔为空气而后腔为液体的传感装置的频响曲线。曲线1940表示前腔和后腔均填充液体而后腔存在气泡的传感装置的频响曲线。曲线1950表示仅换能单元附着液膜的传感装置的频响曲线。
结合曲线1910-1950可以看出，当有气泡引入时，无论气泡位于前腔、后腔、以及是否与换能单元接触，均能在低频或中低频或中高频之前频段(例如，小于7000Hz、5000Hz、3000Hz、1000Hz或500Hz的频段内)一定程度提升传感装置的灵敏度(例如，10-60dBV，10-40dBV，15-40dBV等)。提升的大小也与气泡的大小和/或位置有关。例如，结合曲线1920和1930可以看出，当气泡位于前腔时，且不与换能器件接触，随着气泡的增加，灵敏度也逐渐增大。
另外，除了传感装置灵敏度在低频、中频、中高频的增益外，不同的气泡与液体组合对于更高频率段的影响也不相同。例如，当后腔具有气泡时，可获得更高频率段抑制较小的效果。
图20是根据本说明书一些实施例所示的在传感装置中填充液体前后的频响曲线。
如图20所示，曲线2010和2020分别为未填充液体的传感装置(例如，传感装置1100)以及后腔存在气泡的填充液体的传感装置频响曲线。
结合曲线2010和2020可知，填充液体的传感装置在2000-20000Hz频段存在一个谐振峰。相对而言，填充液体并在后腔引入气泡(例如，小气泡(例如，气泡与后腔体积比10％或者更小)、中型或大型气泡(例如，气泡与后腔体积比10％～90％)等)的传感装置，低频或中低频或中高频之前频段(例如，小于7000Hz、5000Hz、3000Hz、1000Hz或500Hz的频段内)等)的增益约为10-40dBV。在一些实施例中，低频段增益为20-25dBV。气泡与液体组合构成的弹簧(Km3，4)-质量(Mm4)-阻尼(Rm3，4)系统在低频段形成了共振，使得传感装置在该段的增益提升较大。另外，因弹簧(Km3，4)-质量(Mm4)-阻尼(Rm3，4)系统附加的阻尼及刚度对传感装置的振动有抑制作用，对应的传感装置谐振频率处(此处为中频)谐振峰(例如，第一或第三谐振峰)的Q值得到明显降低。另外，通过调节气泡与液体的组合，可以调节器件的附加弹簧(Km3，4)-质量(Mm4)-阻尼(Rm3，4)的特性，使得传感装置的谐振频率(例如，第一或第三谐振频率)前移或后移。
在一些实施例中，在前腔和后腔均设置一定大小的气泡，可实现低频部分具有较大的增益，中频可以对传感装置中换能单元的谐振峰(第一或第三谐振峰)的Q值进行抑制，同时不压制谐振峰区域之外的其他区域的灵敏度。
图21是根据本说明书一些实施例所示的示例性包含液滴的传感装置的示意图。
如图21所示，以骨导麦克风为例，传感装置2100的结构类似于图18A-18C中的骨导麦克风1810-1830的结构。传感装置2100包括壳体2110、换能单元2120、液滴2130、基体2140。其中，壳体2110的容置腔设置有液滴2130。基体2140和换能单元2120构成后腔2111。传感装置2100的壳体2110内的容置腔中除后腔2111以外的空间的为前腔2112。液滴2130可以位于换能单元2120表面任意位置，使换能单元2120的至少一部分通过液滴2130与壳体2110连接。液滴2130可以等效为弹簧-质量-阻尼系统(例如，第一谐振系统530或第二谐振系统740)。液滴2130可以调节换能单元2120的振动特性，使其原始谐振频率(例如，第一或第三谐振频率)发生变化，同时Q值处于合适范围，而且由于存在新增的谐振峰(例如，第二或第四谐振峰)，使得传感装置2100具备较高的灵敏度。
示例性地，前腔2112中存在液滴2130。液滴2130在换能单元2120和壳体2110之间，其上下部分分别与换能单元2120和壳体2110连接。在一些实施例中，液滴2130的体积大小可以为前腔体积的1％～80％。在一些实施例中，液滴2130的体积大小可以为前腔体积的20％～30％。可选地，液滴2130也可以在后腔2111内。在一些实施例中，液滴2130的体积大小可以为后腔体积的5％～80％。在在一些实施例中，液滴2130的体积大小可以为后腔体积的20％～30％。
液滴2130可以通过直接在容置腔(例如，前腔或后腔)加入液滴的方法形成，也可以通过其他方式，例如，薄膜包裹等形成。
图22是根据本说明书一些实施例所示的示例性包含液滴的传感装置的示意图。
图22中传感装置2200的结构与图21相似。如图22所示，传感装置2200包括壳体2210、换能单元2220、液滴2230、基体2240。其中，壳体2210的容置腔设置有液滴2230。基体2240和换能单元2220构成后腔2211。传感装置2200的壳体2210内的容置腔中除后腔2211以外的空间的为前腔2212。液滴2230可以位于换能单元2220表面任意位置，使换能单元2220的至少一部分与壳体2210连接。在本实施例中，液滴2230中包括气泡2250。液滴2230中的气泡可以通过在液滴中加入气体或其他方式(例如，薄膜包裹等)形成。在一些实施例中，液滴2230由于气泡2250的存在，而形成空心液滴。在一些实施例中，该空心液滴的尺寸与位置与液滴2130相同或相近，此处不再赘述。液滴2230和气泡2250可以等效为弹簧-质量-阻尼系统(例如，第一谐振系统530或第二谐振系统740)。通过增加气泡2250，可以更大范围调节引入的弹簧-质量-阻尼系统的刚度和/或阻尼，使得新增谐振频率(例如，第二或第四谐振频率)以及器件Q值在更大范围内进行调节。
在一些实施例中，换能单元(例如悬臂梁、悬膜等)与传感装置的壳体之间存在间隙(例如，狭缝、槽、孔等)。在一些实施例中，传感装置的额外谐振系统(例如，第一谐振系统530或第二谐振系统740)可以设置于所述间隙处。额外谐振系统可以调节换能单元2220的原始的振动特性，使原始谐振频率(例如，第一或第三谐振频率)发生变化，同时Q值处于合适范围，也可以引入新的谐振系统，而且由于存在新增的谐振峰(例如，第二或第四谐振峰)，使得传感装置具备较高的灵敏度。
图23A是根据本说明书一些实施例所示的示例性包含液膜的传感装置的示意图。
图23A中传感装置2300的结构与图21和22相似。如图23A所示，传感装置2300包括壳体2310、换能单元2320、液膜2330、基体2340。其中，基体2340和换能单元2320构成后腔2311。传感装置2300的壳体2310内的容置腔中除后腔2311以外的空间的为前腔2312。换能单元2320与壳体2310之间存在间隙。液膜2330可以位于换能单元2320与壳体2310之间的间隙内，使换能单元2320的至少一部分与壳体2310连接。在一些实施例中，液膜2330的厚度可以小于、等于或大于换能单元2320的厚度。
图23B是根据本说明书一些实施例所示的示例性包含液膜的传感装置的示意图。
图23B中传感装置2350的结构与图21-22及图23A相似。如图23B所示，传感装置2350包括壳体2360、换能单元2370、液膜2380、基体2390。其中，基体2390和换能单元2370构成后腔2361。传感装置2350的壳体2360内的容置腔中除后腔2361以外的空间的为前腔2362。换能单元2370与壳体2360之间存在多处间隙。液膜2380可以位于换能单元2370自身的间隙以及换能单元2370与壳体2360之间的间隙内，使换能单元2370的各部分之间以及换能单元2370的至少一部分与壳体2360之间连接。在一些实施例中，液膜2380的厚度可以小于、等于或大于换能单元2370的厚度。
图24A是根据本说明书一些实施例所示的示例性包含液膜的传感装置的示意图。
图24A中传感装置2400的结构与图21-22及图23A-23B相似。如图24A所示，传感装置2400包括壳体2410、换能单元2420、液膜2430、基体2440。其中，基体2440和换能单元2420构成后腔2411。传感装置2400的壳体2410内的容置腔中除后腔2411以外的空间的为前腔2412。换能单元2420与壳体2410之间存在间隙。液膜2430可以位于换能单元2420与壳体2410之间的间隙内，使换能单元2420的至少一部分与壳体2410连接。进一步地，液膜2430还覆盖于换能单元2420的至少部分表面。在本实施例中，液膜2430还覆盖于换能单元2420的上表面，以此进一步改善传感装置2400的性能。
图24B是根据本说明书一些实施例所示的示例性包含液膜的传感装置的示意图。
图24B中传感装置2450的结构与图21-22、图23A-23B及图24A相似。如图24B所示，传感装置2450包括壳体2460、换能单元2470、液膜2480、基体2490。其中，基体2490和换能单元2470构成后腔2461。传感装置2400的壳体2410内的容置腔中除后腔2461以外的空间的为前腔2462。换能单元2470与壳体2460之间存在间隙。液膜2480可以位于换能单元2470与壳体2460之间的间隙内，使换能单元2470的至少一部分与壳体2460连接。进一步地，液膜2480还覆盖于换能单元2470的至少部分表面。在本实施例中，液膜2480还覆盖于换能单元2470的上表面和下表面，以此进一步改善传感装置2450的性能。
图25是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图。如图25所示，传感装置2500可以包括壳体2510和换能单元2520，其中，壳体2510内部具有容置腔，换能单元2520设置于容置腔内。换能单元2520可以包括拾振结构2521。拾振结构2521将容置腔分隔为位于拾振结构2521相反两侧的前腔2530和后腔2540。
传感装置2500可以基于外部信号，例如力学信号(如压力、机械振动)、声信号(如声波)产生形变和/或位移。所述形变和/或位移可以通过传感装置2500的换能单元2520进一步转换为目标信号。所述目标信号可以是电信号、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。在一些实施例中，传感装置2500可以是麦克风(例如，骨传导麦克风)、扬声器(例如，骨传导扬声器)、加速度计、压力传感器、水听器、能量收集器、陀螺仪等。骨传导麦克风或骨传导扬声器是指声波以机械振动的方式在固体(例如，骨骼)中传导的麦克风或扬声器。
壳体2510可以为具有容置腔(即中空部分)的立体结构。在一些实施例中，壳体2510可以为长方体、球体、多边体、棱台等规则形状或任意不规则形状的结构体。在一些实施例中，壳体2510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(例如金属基复合材料或非金属基复合材料)、环氧树脂、酚醛、陶瓷、聚酰亚胺、玻璃纤维(例如，FR4-玻璃纤维)等或其任意组合。在一些实施例中，柔性电路板(FPC板)可以作为壳体2510的一个侧面(例如，图25中壳体2510的底壁)，柔性电路板2510可以用于安装传感装置的电路和换能单元等元件，壳体2510的其他侧壁可以为上述列举的材料制成，在此不做进一步限定。
在一些实施例中，换能单元2520可以为压电式换能器。换能单元2520可以包括基体2522和拾振结构2521。拾振结构2521可以包括由基体2522支撑的悬臂梁(例如，压电悬臂梁或压电梁)、悬膜(例如，压电膜)等。
在一些实施例中，基体2522可以为具有开放式敞口的结构体，拾振结构2521位于基体2522的开放式敞口处并覆盖敞口，基体2522中背离拾振结构2521的一端与壳体2510连接，以将容置腔分隔为位于拾振结构2521相反两侧的前腔2530和后腔2540。在一些实施例中，基体2522可以采用半导体材料。半导体材料可以包括但不限于二氧化硅、氮化硅、氮化镓、氧化锌、碳化硅等。在一些实施例中，拾振结构2521可以与基体2522通过物理方式进行连接。本说明书中所述的“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，基体2522还可以为两端贯通的筒状结构，筒状结构的一端与壳体2510连接，另一端与拾振结构2521连接。关于拾振结构2521的具体结构可以参考图30-图36B及其描述。
在一些实施例中，前腔2530中充有液体，液体与拾振结构2521和基体2522接触。液体可以将壳体2510的振动传递给拾振结构2521。在一些实施例中，液体可以选用具备安全性能(如不易燃不易爆)、稳定性能(如不易挥发、不发生高温变质等)的液体。例如，所述液体可以包括油(例如硅油、甘油、蓖麻油、机油、润滑油、液压油(例如航空液压油)等)、水(包括纯水、其他无机物或有机物的水溶液等(例如盐水))、油水乳化液、或其他满足其性能要求的液体，或其中一种或多种的组合。
在一些实施例中，传感装置2500还可以包括一个或多个管道结构2550，每个管道结构2550将前腔2530与壳体2510的外部连通，至少部分液体位于管道结构2550中。在一些实施例中，管道结构2550可以为相对壳体2510独立的结构，管道结构2550可以贯穿壳体2510的侧壁设置，或者壳体2510的侧壁上设有安装孔，管道结构2550与壳体2510侧壁上的安装孔连接。在一些实施例中，管道结构2550可以为壳体2510的一部分，例如，壳体2510的侧壁向容置腔处延伸形成一个或多个具有通道的凸出部，该通道连通容置腔与壳体2510外部。在一些实施例中，管道结构2550的截面形状包括但不限于圆形、矩形、椭圆形、半圆形、多边形等规则形状或任意不规则形状。在一些实施例中，管道结构2550的顶端管道口可以与壳体2510侧壁齐平，或凸出于壳体2510侧壁设置。
传感装置2500的壳体2510受到外力产生振动，此时壳体2510带动基体2522振动，由于拾振结构2521与壳体2510或基体2522各自的属性不同，使得拾振结构2521与基体2522之间无法保持完全一致的移动，从而产生相对运动，进而使拾振结构2521产生形变或位移。在一些实施例中，拾振结构2521可以至少包括压电层，当拾振结构2521发生形变时，压电层受到形变应力产生电势差(电压)，实现振动信号到电信号的转换。处理器2523可以从拾振结构2521获取所述电信号并进行信号处理，这里的处理器2523与图1所示处理器类似。在一些实施例中，每个管道结构2550连通前腔2530与壳体2510的外部。所述壳体2510的外部可以是开放的空间(例如，与外部环境相通的空间)，也可以是由另一结构(例如，另一部分壳体)围成的封闭或半封闭空间。在一些实施例中，所述壳体2510的外部可以填充不同于前腔2530中液体的介质。例如，壳体2510的外部可以填充气体(例如，空气)，此时，每个管道结构2550的一端位于前腔2530内的液体中，另一端连通壳体2510外部气体。每个管道结构2550所连通的液体和气体可以形成一个谐振系统(其原理类似于前文所述的第一谐振系统或第二谐振系统)，该谐振系统可以通过前腔2530中的液体作用于换能单元2520，从而产生额外的谐振峰。具体地，壳体2510的振动传递至管道结构2550，管道结构2550对应的流体区域(可以包括管道结构2550腔体内部区域以及管道结构2550伸入液体的一端的附近，即图25所示的a曲线环绕的区域)的液体挤压该管道结构2550对应的气体(即，图25中所示的管道结构2550上方的气体)，从而产生振动并作用于换能单元2520，使得换能单元2520产生额外的谐振峰，该谐振峰对应的谐振频率小于拾振结构2521产生的第一谐振频率，使得传感装置2500在较低频段的响应得到大幅提升。
需要注意的是，以上对于传感装置2500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。例如，基体可以是不限于相对壳体独立的结构，在一些实施例中，基体还可以为壳体的一部分。又例如，液体可以不仅充于前腔中，在一些实施例中，前腔和后腔可以均充有液体。在一些实施例中，液体可以仅充于后腔中，管道结构相应设置于后腔。关于管道结构设于后腔的具体结构可以参考图30的描述。
为使传感装置能够具有多个谐振峰和多个谐振谷，传感装置2500可以包括多个管道结构，优选地，这些管道结构可以具有不同的形状或尺寸。
在一些实施例中，可以通过调整管道结构内部腔体体积以调整管道结构对应流体区域的液体质量，以调整谐振系统对应的谐振频率。在一些实施例中，可以将多个管道结构的腔体体积设置不同，相应地，管道结构对应的流体区域的液体质量不同，使得多个管道结构对应的谐振系统的谐振频率不同。影响腔体体积的因素包括但不限于管道结构的截面面积(决定截面面积的可以是管道结构截面的长度、宽度或半径)和管道结构的高度等。管道结构的截面面积是指垂直于其延伸方向的截面的面积。在一些实施例中，可以通过调整管道结构的截面面积和/或管道结构高度，来调整管道结构的腔体体积，进而控制管道结构内部腔体的液体质量。由于不同腔体体积的管道结构对应的谐振峰的谐振频率不同，多个管道结构(包含其流体区域的液体质量和液面上方的气体)对应的多个谐振系统可以为传感装置额外提供多个谐振峰，此外，在多个谐振峰之间，由于管道结构流体区域中的液体的振动方向发生改变，每个管道结构对应的谐振系统可以为传感装置额外提供一个谐振谷，即多个管道结构可以为传感装置额外提供多个谐振谷。也就是说，每个管道结构对应的谐振系统额外的一组谐振峰与谐振谷。关于谐振峰和谐振谷的具体内容可以参考图28、图29A和图29B及其相关描述。
在一些实施例中，多个管道结构可以设置在壳体的至少一个侧壁上。例如，多个管道结构可以设置在壳体的同一侧壁上。又例如，多个管道结构可以设置在壳体的不同侧壁上。在一些实施例中，多个管道结构可以在壳体侧壁上呈排、列、环形等规则分布或不规则分布。在一些实施例中，多个管道结构的截面形状可以均相同，也可以不均相同或均不相同。例如，多个管道结构的截面形状可以均为圆形。又例如，多个管道结构的截面形状可以包括矩形、多边形、圆形、半圆形、椭圆形中的任意一种或其任意组合。图26A根据本说明书一些实施例所示的多个管道结构的示意图。如图26A所示，多个管道结构2650A成一排分布，且多个管道结构截面形状均不相同，依次为矩形、六边形、椭圆形、三角形、五边形。图26B根据本说明书一些实施例所示的多个管道结构的示意图。如图26B所示，多个管道结构2650B成一排分布，且多个管道结构2650B的截面形状均为圆形。
图27是根据本说明书的一些实施例所述的传感装置的力学等效示意图。结合图25和图27，图27中的箭头a表示壳体的加速度方向，箭头V表示拾振结构的速度方向，图25中示出的壳体2510可以等效为质量Ms。拾振结构2520等效为弹簧阻尼质量系统Km-Rm-Mm，Mm表征拾振结构2520自身质量与液体附加于拾振结构2520上的附加质量的总和。拾振结构2520与壳体2510连接，液体等效为质量Ml，拾振结构2520与Ml之间的弹簧阻尼作用等效为Kl-Rl，壳体2510与Ml之间的弹簧阻尼作用等效为Klb-Rlb。管道结构2550对应的谐振系统可以等效为弹簧阻尼质量系统Kln-Rln-Mln，Kln-Rln由管道结构2550对应的气体与管道结构2550流体区域的液体提供，Mln表征管道结构2550对应流体区域的液体质量，管道结构2550与壳体2510连接，且管道结构2550与液体接触，管道结构2550与Ml之间的弹簧阻尼作用等效为Kl’n-Rl’n。多个管道结构2550分别对应的谐振系统可以等效为并联的多个Kln-Rln-Mln系统。这里的n可以为任意正整数(例如1、2……)。在一些实施例中，传感装置可以包括管道结构1、管道结构2……管道结构n。管道结构1可以等效为弹簧阻尼质量系统Kl1-Rl1-Ml1，Kl1-Rl1由管道结构1对应的气体(即位于管道结构1出口处的气体)与管道结构1流体区域的液体提供，Ml1表征管道结构1对应流体区域的液体质量，管道结构1对应的谐振系统与Ml之间的弹簧阻尼作用等效为Kl’1-Rl’1。管道结构2对应的谐振系统可以等效为弹簧阻尼质量系统Kl2-Rl2-Ml2，Kl2-Rl2由管道结构2对应的气体与管道结构2流体区域的液体提供，Ml2表征管道结构2对应流体区域的液体质量，管道结构2与Ml之间的弹簧阻尼作用等效为Kl’2-Rl’2。
弹簧阻尼质量系统Km-Rm-Mm及弹簧阻尼质量系统Kln-Rln-Mln分别具有不同的弹性、阻尼及质量，使得各弹簧阻尼质量系统可以具有不同的谐振峰，而传感装置包括具有不同的谐振峰的多个弹簧阻尼质量系统，使得传感装置的频响曲线可以具有多个谐振峰。图28是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的频响曲线。在图28中，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。曲线281为不具有液体和管道结构的传感装置的频响曲线，其谐振峰2811对应的谐振频率f0为第一谐振频率。曲线282为具有液体和管道结构的传感装置的频响曲线，管道结构对应的谐振系统等效的弹簧阻尼质量系统(例如，Kln-Rln-Mln)在谐振频率处产生谐振，从而使曲线282可以具有多个谐振峰(包括谐振峰2821)和多个谐振谷(包括谐振谷2822)。多个谐振峰对应的谐振频率分别为f01、f02……f0n，多个谐振谷对应的谐振频率分别为f0-1、f0-2……f0-n。这里的n与弹簧阻尼质量系统Kln-Rln-Mln的n对应。在一些实施例中，这里多个谐振峰对应的谐振频率之间的关系可以类似参照图9中曲线920中第一(或第三)谐振峰921和第二(或第四)谐振峰922对应的谐振频率之间的关系，在此不再赘述。继续参考图28，具有液体和管道结构的传感装置相较不具有液体和管道结构的传感装置的灵敏度得到大幅度提升，其提升幅度可以为△V4。在一些实施例中，△V4可以为10dBV-60dBV。优选地，△V4可以为20dBV-60dBV。进一步优选地，△V4可以为30dBV-50dBV。在一些实施例中，可以通过减小液体的粘度，使得管道结构提供的谐振峰的幅值较高，进而使传感装置在其谐振峰对应的谐振频率附近的频段范围的灵敏度得到提升。在一些实施例中，可以通过多个管道结构提供的多个谐振峰的幅值较高，从而使传感装置在一个较宽频段内均能保持较好的响应。
管道结构对应的流体区域的液体在振动过程中与拾振结构的振动方向相同或相反，使得具有谐振系统(例如，弹簧质量系统Kln-Rln-Mln)的传感装置的频响曲线具有谐振峰(例如，图28中的谐振峰2821)或谐振谷(例如，图28中的谐振谷2822)。关于谐振峰和谐振谷产生的具体原理可以参考图29A和图29B的具体描述。图29A根据本说明书一些实施例所示的传感装置在谐振峰时的振动方向示意图。如图29A所示，当传感装置处于谐振峰对应的谐振频率f0n时，管道结构2950A流体区域内的液体振动方向与拾振结构2921A的振动方向同向，液体振动位移与拾振结构2921A的振动位移叠加，增加变形量，从而使得传感装置在f0n处产生谐振峰。图29B根据本说明书一些实施例所示的传感装置在谐振谷时的振动方向示意图。如图29B所示，当传感装置处于谐振峰对应的谐振频率f0-n下，管道结构2950B流体区域内的液体振动方向与拾振结构2921B的振动方向反向，液体振动位移与拾振结构2921B的振动位移部分抵消，减小变形量，从而使得传感装置在f0-n处产生谐振谷。
在一些实施例中，通过对多谐振系统(例如，图27中的弹簧质量系统Kl1-Rl1-Ml1、弹簧质量系统Kl2-Rl2-Ml2、弹簧质量系统Kln-Rln-Mln等)中各谐振峰附近的振动信号进行声电转换，可以实现对振动信号进行子带分频。例如，考虑到多谐振峰的存在，在各谐振峰对应的谐振频率附近设置滤波器，即使是低阶滤波器，也可提取出较高质量的子带信号。如此，本说明书实施例提供的传感装置可以在低成本硬件电路(例如，滤波电路)或软件算法的前提下，通过自身结构来帮助实现对全频带信号进行子带分频处理，避免了高成本硬件电路设计复杂以及软件算法占用计算资源较高、带来信号失真、噪声引入的问题。
仅作为示例，上述图28示出的传感装置的频响曲线的测定方法可以包括：在测量电路中给传感装置提供测量电压，由电平记录仪绘制出传感装置的频响曲线。
图30是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图。如图30所示，传感装置3000可以包括壳体3010、换能单元3020和管道结构3050，其中，壳体3010内部具有容置腔，换能单元3020设置于容置腔内，拾振结构将容置腔分隔为位于拾振结构相反两侧的前腔3030和后腔3040，后腔3040内充有液体，液体与拾振结构3021接触，管道结构3050将后腔3040与壳体3010的外部连通，液体至少部分地位于管道结构3050中。图25所示的壳体3010、换能单元3020和管道结构3050与图25示出的壳体2510、换能单元2520及管道结构2050类似，在此不再赘述。
图31A是图25中A部分的结构示意图。如图31A所示，拾振结构2521可以包括压电层310A和电极层320A，电极层320A可以位于压电层310A的上表面和/或下表面。
在一些实施例中，电极层320A具有第一电极层321A和第二电极层322A，压电层310可以位于第一电极层321A和第二电极层322A之间。在一些实施例中，第二电极层320背离压电层310的一侧与基体2522连接。当拾振结构2521接收到振动信号时，拾振结构2521发生形变或位移，压电层310可以基于压电效应，在形变应力作用下产生电势差，电极层320(例如，第一电极层321A和第二电极层322A)可以采集该电势差并传递至处理器2523中，从而将外部振动信号转化为电信号。
在一些实施例中，压电层的材料可以包括压电晶体材料和压电陶瓷材料。压电晶体材料是指压电单晶体。
在一些实施例中，为了支撑电极层320A和压电层310A或向其传递位移，拾振结构还可以包括衬底层330A，衬底层330A可以位于第二电极层322A和基体2522之间。在一些实施例中，衬底层330A可以为一种或多种半导体材料制成的单层结构或多层复合结构。需要说明的是，图31A示出的拾振结构，仅为示例性，并不能把拾振结构限制在所举实施例范围之内。例如，拾振结构还可以包括其它结构层，或者具有多压电层。在一些实施例中，拾振结构还可以包括第一压电层和第二压电层，第一压电层和第二压电层之间具有电极层320。
图31B是图25中A部分的另一种结构示意图。如图31B所示，拾振结构2521可以包括由上至下依次设置的第一电极层321B、第一压电层311B、第二电极层322B、第二压电层312B和第三电极层323B，其中，第三电极层323B背离第二压电层312B的一侧与基体2522连接。
当拾振结构2521接收到振动信号时，压电层(例如，第一压电层311B、第二压电层312B)受到形变应力产生电势差(电压)，电极层(例如，第一电极层321B、第二电极层322B和第三电极层323B)可以采集该电势差并传递至处理器2522中，从而将外部振动信号转化为电信号。
在一些实施例中，拾振结构可以覆盖基体的敞口，以防止前腔中的液体进入后腔。在一些实施例中，拾振结构的一表面与基体远离壳体底壁的侧面连接，并覆盖基体的敞口，拾振结构背离基体的一表面与液体接触。在一些实施例中，拾振结构可以通过其周侧与基体的侧壁连接，这里拾振结构与基体的敞口形状、尺寸相适配。在一些实施例中，拾振结构的形状可以包括但不限于圆形、矩形、椭圆形、半圆形、多边形等规则形状或任意不规则形状。以下结合图32A和图32B对压电膜和基体进行示例性说明。图32A是根据本说明书一些实施例所示的拾振结构的示意图。如图32A所示，在一些实施例中，基体32212A可以为两端贯通或一端具有敞口的方筒结构，基体32212A敞口形状可以为圆形，压电膜32211A可以为与敞口形状相适配的圆形。图32B是根据本说明书一些实施例所示的拾振结构的示意图，如图32B所示，在一些实施例中，基体32212B可以形成为两端贯通或一端具有敞口的方筒结构，基体32212B敞口形状可以为圆形，压电膜32211B可以为与敞口形状相适配的方形。
需要理解的是，压电膜也可以不与敞口形状相适配，例如，压电膜形状可以是方形，基体敞口形状可以是三角形。
在一些实施例中，传感装置可以包括多个压电梁。在一些实施例中，多个压电梁可以为多个相同的压电梁，例如，多个压电梁的长度、厚度、材质等因素均相同。当多个压电梁的质心位于同一平面内，多个压电梁可以为传感装置提供较好的声学输出效果，表现为在输入相同激励信号时，传感装置可以输出更大的响应。在一些实施例中，多个压电梁可以为多个不同的压电梁，例如，多个压电梁的长度、厚度、材质等因素及其位置等中任意不同。多个不同的压电梁可以为传感装置提供不同的谐振峰，增强传感装置在任意特定频段(例如20Hz-1000Hz频率范围内)的响应。关于压电梁的更多说明可以参考本说明书其他地方的内容，例如，图33、图35A和图35B及其相关描述。
图33是根据本说明书一些实施例所示的拾振结构的示意图。如图33所示，在一些实施例中，拾振结构3321可以包括基体33212和四个压电梁33211，每个压电梁33211向基体33212的敞口的中心处延伸，四个压电梁33211沿敞口的几何中心对称分布，四个压电梁33211共同实现对基体33212敞口的覆盖。仅作为示例性说明，图33中基体的敞口为正方形，每个压电梁33211可以为相同尺寸的等腰直角三角形，每个压电梁33211的斜边与基体33212敞口处的侧壁连接，四个压电梁33211的直角边相互拼接后形成与形状敞口形状相同的正方形。
在一些实施例中，多个压电梁拼接后形成的形状包括但不限于圆形、矩形、椭圆形、半圆形、多边形等规则形状或任意不规则形状。在一些实施例中，每个压电梁的形状可以相同，也可以不相同，其形状包括但不限于扇形、三角形、矩形、半圆形、多边形等规则形状或任意不规则形状。在一些实施例中，拾振结构可以包括基体和两个压电梁，两个压电梁共同实现对基体敞口的覆盖。在一些实施例中，两个压电梁可以为相同尺寸的半圆形，压电梁的圆弧边与基体敞口处的侧壁连接，两个压电梁的直线边相互连接形成与敞口相适应的圆形。在一些实施例中，拾振结构可以包括基体和三个压电梁，三个压电梁共同实现对基体敞口的覆盖。在一些实施例中，三个压电梁可以为相同尺寸的扇形，压电梁的圆弧边与基体敞口处的侧壁连接，三个压电梁的直线边两两连接形成与敞口相适应的圆形。在一些实施例中，压电梁33211可以包括电极层和压电层，关于电极层和压电层的设置方式及更多内容可以参考图31A、图31B及相关内容。图33所示的基体33212与图25示出的基体2522类似，在此不再赘述。
为避免前腔和/或后腔液体通过压电梁33211之间的间隙流动，在一些实施例中，拾振结构还可以包括阻挡结构33213，阻挡结构33213填充或覆盖多个压电梁33211之间的间隙。例如，阻挡结构33213可以位于多个压电梁33211的上表面或下表面，以覆盖多个压电梁33211之间的间隙。又例如，阻挡结构33213可以位于相邻的两个压电梁33211之间的间隙处。再例如，阻挡结构33213的一部分可以填充于相邻的两个压电梁33211之间的间隙处，另一部分可以位于多个压电梁33211的上表面或下表面，以覆盖多个压电梁33211之间的间隙。考虑到阻挡结构33213会阻碍与其连接的压电梁的振动，在一些实施例中，为了尽可能减小这种影响，阻挡结构33213的材料可以选用杨氏模量较小，例如阻挡结构33213的样式模量应小于电极层或压电层的杨氏模量。在一些实施例中，阻挡结构33213的材料可以为半导体材料、非金属材料或柔性材料。示例性的非金属材料可以包括塑料(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(例如非金属基复合材料)等或其任意组合。示例性的柔性材料可以包括橡胶、乳胶、硅胶、海绵等或其任意组合。关于阻挡结构填充或覆盖多个压电梁之间的间隙的方式可以参考图34A-图34D相关内容。
图34A是根据本说明书一些实施例所示的图33中B-B的截面图。如图34A所示，阻挡结构34213A填充于相邻的两个压电梁34211A之间的间隙。在一些实施例中，阻挡结构34213A的周侧可以与间隙处对应的压电梁34211A连接。在一些实施例中，沿压电梁34211A的振动方向，阻挡结构34213A的端面可以与压电梁34211A表面齐平。在一些实施例中，沿压电梁34211A的振动方向，阻挡结构34213A的端面可以相对于压电梁34211A的表面凸出或凹陷。
图34B是根据本说明书一些实施例所示的图33中B-B的截面图。如图34B所示，阻挡结构34213B覆盖于相邻的两个压电梁34211B之间的间隙处，阻挡结构34213B位于压电梁34211B远离基体34212B的一侧。
图34C是根据本说明书一些实施例所示的图33中B-B的截面图。如图34C所示，阻挡结构34213C覆盖于相邻的两个压电梁34211C之间的间隙处，阻挡结构34213C位于压电梁34211C靠近基体34212C的一侧。
为进一步提高阻挡结构对压电梁间隙的填充密封，阻挡结构可以覆盖并填充相邻的两个压电梁之间的间隙。图34D是根据本说明书一些实施例所示的图33中B-B的截面图。如图34D所示，阻挡结构34213D包围压电梁34211D之间的间隙。
在一些实施例中，阻挡结构34213D包括第一结构部1、第二结构部2和第三结构部3，第一结构部1填充于相邻的两个压电梁34211D之间的间隙，第二部结构2和第三结构部3分别覆盖于相邻的两个压电梁34211D之间的间隙处，第二结构部2位于压电梁34211D远离基体34212D的一侧，第三结构部3位于压电梁34211D靠近基体34212D的一侧。在一些实施例中，第一结构部1的周侧可以与间隙处对应的压电梁34211D连接。在一些实施例中，沿压电梁34211D的振动方向，第一结构部1的端面可以与压电梁34211D表面齐平。在一些实施例中，沿压电梁34211D的振动方向，第一结构部1的端面可以相对于压电梁34211D的表面凹陷。在一些实施例中，阻挡结构34213D的第一结构部1、第二结构部2和第三结构部3可以是相互独立的结构，也可以是一个整体(例如一体成型)。
可选地，当压电梁之间的间隙足够小时，压电梁的表面会对液体产生足够的阻滞效果，使液体不会从间隙处通过。在一些实施例中，为使压电梁的表面对液体产生足够的阻滞效果，压电梁之间的间隙可以不大于20um。考虑到可能使用的液体密度较小，为避免密度较小的液体从压电梁之间的间隙通过，优选地，压电梁之间的间隙可以不大于15um。传感装置使用过程中容置腔内的液体可能收到外力冲击，而从间隙处通过，为尽可能避免这种情况发生，进一步优选地，压电梁之间的间隙可以不大于10um。
图35A是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图，图35B是根据本说明书一些实施例所示的拾振结构的结构示意图。图35A所示的传感装置3500与图25示出的传感装置2500的整体结构大致相同，其主要区别之处在于：拾振结构不同。如图35A及图35B所示，拾振结构3521可以包括压电梁35211和第二膜结构35213。基体3522为具有开放式敞口的结构体，压电梁35211设置于敞口处，第二膜结构35213覆盖基体3522的敞口。图35A所示的壳体3510和管道结构3550与图25中所示的壳体2510和管道结构2550等结构相类似，基体3522与图25示出的基体2522类似，在此不再赘述。
在一些实施例中，压电梁35211可以为具有长条形状的悬臂梁结构，压电梁35211的两端分别为固定端及自由端，固定端可以与基体的侧面连接，自由端可以悬空设于基体的敞口处。在一些实施例中，压电梁35211可以包括电极层和压电层，电极层和压电层均沿其长轴方向(图35A所示的e方向)布置，且沿其厚度方向(图35A所示的f方向)交叠。关于电极层和压电层的设置方式及更多内容可以参考图31A、图31B及相关内容。在一些实施例中，压电梁35211的极化方向与应力方向垂直，这里压电梁35211受到基体传递的振动信号时，压电梁35211在振动过程中受到的应力的方向为其长轴方向，压电梁35211整体发生形变，极化方向垂直其长轴方向，压电层受到形变应力后其上表面和下表面产生电势差(电压)，位于压电层两侧的电极层(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。单个压电梁可以视为一个信号采集单元，其可以具有独特的谐振峰。在一些实施例中，可以通过调整压电梁35211的结构参数(例如压电梁的体积、质量、宽度及压电层、电极层的厚度等)，以调整压电梁35211的谐振峰对应的谐振频率。
为提升传感装置在一个较宽频段内的灵敏度，可以设置多个压电梁35211，多个压电梁35211可以振动产生不同频率的谐振峰。每个压电梁35211可以作为单独的信号采集单元输出子电信号。在一些实施例中，各个子电信号可以直接进行电学串、并联或者串并联组合的形式输出给处理器(例如，图25示出的处理器2523)。在一些实施例中，各个子电信号可以单独传输给处理器，由处理器将各个子电信号单独进行信号处理(包括但不限于调整幅值、相位等)，再进行相应的信号融合。关于对各个压电梁的子电信号的处理方式的更多描述可以在，例如，名称为“MICROPHONE AND ELECTRONIC DEVICE HAVING THE SAME”，申请号为PCT/CN2020/103201的PCT申请中找到，其内容在此引入作为参考。在一些实施例中，基体的敞口可以为矩形，压电梁35211的固定端可以与敞口的任一侧壁连接，压电梁35211的自由端可以悬空设置于敞口内，且压电梁35211的固定端在敞口侧壁上间隔开设置。在一些实施例中，多个压电梁35211的固定端可以设置于敞口的同一侧壁上。在一些实施例中，敞口的同一侧壁上的多个压电梁35211依次间隔分布。在一些实施例中，在敞口的同一侧壁上呈间隔分布的多个压电梁35211在同一平面上且近似平行。在一些实施例中，多个压电梁35211可以分设于敞口的相对侧壁上。在一些实施例中，分设于敞口的相对侧壁上的多个压电梁35211的自由端在敞口内间隔分布。在一些实施例中，分设于敞口的相对侧壁上的多个压电梁35211在同一平面上且近似平行。在一些实施例中，多个压电梁可以分设于敞口的四个侧壁上，例如，分设于敞口四个侧壁上的压电梁35211的自由端均向其相对的敞口侧壁延伸。
在一些实施例中，敞口可以为环形，多个压电梁的固定端可以间隔分布于敞口的环形内壁上，压电梁的固定端与环形内壁可以近似垂直，压电梁35211的固定端向敞口的中心处延伸并悬空于敞口内，使得多个压电梁在同一平面内呈环形分布。在一些实施例中，敞口还可以为多边形结构(例如，三角形、五边形、六边形等)时，在同一平面内，多个压电梁的固定端可以沿敞口的至少一个侧壁间隔分布。在一些实施例中，可以通过设置具有不同谐振频率的多个不同的压电梁(例如，具有不同结构参数的压电梁)，从而使得拾振结构对壳体的振动信号产生具有多个谐振峰的频率响应。由于压电梁对在其谐振频率附近的振动敏感，可以认为压电梁对振动信号具有频率选择特性，也就是说，压电梁会主要将振动信号中在其谐振频率附近的子带振动信号转化为电信号。
在一些实施例中，通过设置成不同的结构参数，可以使得不同的压电梁具有不同的谐振频率，从而在每个谐振频率附近分别形成子带。在一些实施例中，通过将多个压电梁的结构参数调整为不同，可以使得在人声频率范围(例如，20Hz-16000Hz)内形成至少5个子带。在一些实施例中，通过将多个压电梁的结构参数调整为不同，可以使得在人声频率范围(例如，20Hz-16000Hz)内形成5个至11个子带。在一些实施例中，通过将多个压电梁的结构参数调整为不同，可以在人声频率范围(例如，20Hz-16000Hz)内形成6个至24个子带。需要注意的是，关于压电梁、子带数量、各子带分别对应的谐振频率的频率范围不限于上述的描述，其可以根据传声器的应用场景、传感装置的尺寸等具体情况进行适应性调整，在此不做进一步限定。
在一些实施例中，各个压电梁谐振峰处的输出远大于其它频率范围内的输出，通过分别提取各个压电梁产生的信号，便可以实现对全频声音信号进行子带分频。在一些实施例中，对每个子带可以分别进行后续处理(例如，去噪、调幅等)，再将各个分别处理的子带信号进行融合后，可以得到信噪比高、且更加平坦的传感装置的频响曲线。在一些实施例中，各个压电梁的电信号可以以电学串联或者并联或者串、并联组合的形式输出给处理器，也可以将各个压电梁的电信号单独输出给处理器，由处理器将各个压电梁35211的电信号进行单独处理，从而实现频段融合。通过在传感装置中设置多个压电梁，利用压电梁(例如，压电梁35211)具有不同谐振频率的特性，可以实现对振动信号的滤波和频带分解，避免了传感装置中采用滤波电路的复杂性和以及软件算法占用计算资源较高、带来信号失真、噪声引入的问题，进而降低了传感装置的复杂度和生产成本。
在一些实施例中，可以通过设置不同压电梁，增加不同频率范围的谐振峰，提升传感装置在多个谐振峰附近的灵敏度，进而提升传感装置在较宽频段内的灵敏度。
在一些实施例中，第二膜结构35213的一表面可以与基体3522远离壳体底壁的侧面连接，并覆盖基体3522的敞口，第二膜结构352113背离基体的一表面与液体接触。在一些实施例中，第二膜结构35213可以通过其周侧可以与基体3522敞口对应的侧壁连接，这里第二膜结构35213与基体3522的敞口形状、尺寸相适配。在一些实施例中，第二膜结构35213形状可以包括但不限于圆形、矩形、椭圆形、半圆形、多边形等规则形状或任意不规则形状。通过设置第二膜结构35213，可以有效防止液体通过压电梁之间或者压电梁和基体之间的缝隙流入另一个腔体，从而有效提高传感装置的可靠性。
在一些实施例中，第二膜结构35213可以与多个压电梁35211连接。在一些实施例中，第二膜结构35213可以与压电梁35211的周侧连接。在一些实施例中，第二膜结构35213可以与压电梁35211靠近基体3522的侧面连接。在一些实施例中，第二膜结构35213可以与压电梁35211远离基体3522的侧面连接。考虑到第二膜结构35213会阻碍与其连接的压电梁的振动，在一些实施例中，为了尽可能减小这种影响，第二膜结构35213的材料可以选用杨氏模量较小，例如阻挡结构33213的样式模量应小于电极层或压电层的杨氏模量。在一些实施例中，第二膜结构35213的材料可以包括但不限于半导体材料、金属材料、金属合金、有机材料等中的一种或多种。在一些实施例中，半导体材料可以包括但不限于硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅等。在一些实施例中，金属材料可以包括但不限于铜、铝、铬、钛、金等。在一些实施例中，金属合金可以包括但不限于铜铝合金、铜金合金、钛合金、铝合金等。在一些实施例中，有机材料可以包括但不限于聚酰亚胺、派瑞林、PDMS、硅凝胶、硅胶等。
图36A是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图。图36A所示的传感装置3600A与图25示出的传感装置2500的整体结构大致相同，其主要区别之处在于：换能单元不同。而图36A所示的壳体3610A和管道结构3650A与图25中所示的壳体2510和管道结构2550等结构相类似，在此不做赘述。如图36A所示，传感装置3600A可以包括壳体3610A和换能单元，壳体3610A内部具有容置腔，换能单元设置于容置腔内，拾振结构将容置腔分隔为位于拾振结构相反两侧的前腔3630A和后腔3640A。其中，换能单元包括电容式换能器3623A，电容式换能器3623A包括带孔背极板36231A和振膜36232A。
在一些实施例中，换能单元还可以包括基体36212A，这里的基体36212A与图25示出的基体2522类似，在此不再赘述。电容式换能器3623A可以覆盖基体36212A的敞口设置。带孔背极板36231A与振膜36232A近似平行设置。在一些实施例中，带孔背极板36231A与振膜36232A之间设置垫圈36233A，将二者间隔开设置。振膜36232A可以覆盖基体36212A的敞口设置。在一些实施例中，振膜36232A靠近基体36212A的侧面可以与基体36212A远离壳体3610A底壁的侧面连接。带孔背极板36231A设置于基体36212A的敞口内，带孔背极板36231A的周侧可以与敞口内壁连接。在一些实施例中，当靠近振膜36232A的腔体充有液体时，液体与振膜36232A接触。液体无法流入振膜36232A和带孔背极板36231A之间。当电容式换能器3623A接收到振动信号时，振膜36232A振动使得其与带孔背极板36231A的距离发生变化，由此产生电信号。在一些实施例中，振膜36232A的材料和带孔背极板36231A的材料可以为导电材料(例如，铜、铝、石墨等)。在一些实施例中，振膜36232A可以为不导电的高分子弹性膜，在高分子弹性膜的至少一侧镀有导电层(例如，铝膜层)，带孔背极板36231A的材料可以为导电材料。示例性的，高分子弹性膜的材料可以包括但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、乙烯基聚合物(PVC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乙烯(PE)中的一种或多种。
为了降低传感装置的频响曲线上多个谐振峰和谐振谷的Q值，在图36A的基础上提出图36B所示的传感装置的结构。图36B是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图。图36B所示的传感装置3600B与图36A示出的传感装置2500的整体结构大致相同，其主要区别之处在于：电容式换能器的安装方式不同。而图36B所示的壳体3610B、前腔3630B、后腔3640B、管道结构3650B、基体36212B、带孔背极板36231B、振膜36232B和垫圈36233B与图36A中所示的壳体3610A、前腔3630A、后腔3640A、管道结构3650A、基体36212A、带孔背极板36231A、振膜36232A和垫圈36233A等结构相类似，在此不做赘述。如图36B所示，靠近带孔背极板36231B的腔体充有液体，液体与带孔背极板36231B接触，并且能够通过所带孔背极板36231B上的孔渗入带孔背极板36231B与振膜36232B之间，由此可以增加电容式换能器3623B的整体阻尼，从而实现对传感装置的阻尼调节，从而达到平滑频响曲线的目的。此外，液体的流入后在振膜36232B与背极板36231B之间形成介质层。通过对液体种类的选择，可以实现对静电式结构的介电常数等参数的调节，提高电容式换能器产生电信号的效率。在一些实施例中，可以将带孔背极板36231B上的孔隙调小，使孔对液体产生约束效应。这样，带孔背极板36231B和振膜36232B之间可以不完全被液体填充，仍然存在部分空气域，由此实现对电容式换能器的谐振频率(例如，第一谐振频率f0)的调节。
图37是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图。图37所示的传感装置3700与图25示出的传感装置2500的整体结构大致相同。而图37所示的换能单元和管道结构3750与图25中所示的换能单元和管道结构2550等结构相类似，在此不做赘述。如图37所示，传感装置3700可以包括壳体3710、换能单元和管道结构3750，管道结构3750位于壳体3710沿重力方向上的顶部，换能单元设置于容置腔内，拾振结构3721将容置腔分隔为位于拾振结构3721相反两侧的前腔3730和后腔3740，前腔3730充有液体。
在一些实施例中，管道结构3750内液体和气体交界处不存在约束结构。此时，由于液体自身的粘滞作用，液体与管道结构外侧的气体之间形成刚度极低的气液界面，液体对换能单元的整体附加刚度较小，因而实现较大的输出。此外，气液界面使得该管道结构对应的谐振系统具有较小的刚度，从而为换能单元提供谐振频率较小的谐振峰，提高传感装置的低频响应。
图38是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图。图38所示的传感装置3800与图25示出的传感装置2500的整体结构大致相同，二者的区别之处在于，图38所示的传感装置3800还包括第一膜结构3860。而图38所示的换能单元和管道结构3850与图25中所示的换能单元和管道结构2550等结构相类似，在此不做赘述。如图38所示，传感装置3800可以包括壳体3810、换能单元和管道结构3850，换能单元设置于容置腔内，拾振结构3821将容置腔分隔为位于拾振结构3821相反两侧的前腔3830和后腔3840，前腔充有液体。
第一膜结构3860位于管道结构3850中的液体和壳体外部的气体之间。在一些实施例中，第一膜结构3860设置于管道结构3850内，第一膜结构3860通过其周侧与管道结构3850内壁连接。具体地，第一膜结构3860用于隔离液体和气体，并对管道结构3850内的液体形成约束，以更好地防止液体溢出管道结构。此外，第一膜结构3860提供的刚度可以调整液体和气体形成的谐振系统的谐振频率，改善传感装置3800的频率响应。在一些实施例中，可以通过设计第一膜结构3860的结构与材料，从而实现对传感装置2500引入液体与气腔构成的额外谐振系统的谐振位置以及换能单元谐振位置的调节，从而实现约束液体边界下的高灵敏度传感装置。在一些实施例中，第一膜结构3860可以选用具备柔韧性(如屈服极限高、不发生高温变质等)、柔软性(如硬度低、易形变等)的膜状结构。示例性的，第一膜结构3860可以选用聚酰亚胺薄膜(PolyimideFilm，PI膜)、聚二甲基硅氧烷薄膜(Polydimethylsiloxane，PDMS膜)、聚氨酯(polyurethane，PU)、聚醚醚酮(poly(ether-ether-ketone)，PEEK)、半导体柔性膜、硅粘结胶、硅胶膜、硅凝胶、阻尼胶(例如，丙烯酸阻尼胶)等中的一种或多种。在一些实施例中，第一膜结构3860的厚度范围可以为0.05mm-0.15mm。
通过对管道结构中的液体形成不同程度的约束，可以实现对传感装置的频响曲线的调整。图39是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的频响曲线。如图39所示，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。曲线391为不具有液体和管道结构的传感装置的频响曲线，曲线392为具有液体和管道结构且管道结构对液体无约束(即管道结构中的液体与气体之间形成气液界面)的传感装置的频响曲线，曲线393为具有液体和管道结构且管道结构对液体有较小约束(即管道结构内具有位于液体和气体之间的第一膜结构3860)的传感装置的频响曲线。曲线392及曲线393均相对于曲线391有较大的输出提升，可知具有液体和管道结构的传感装置相较不具有液体和管道结构的传感装置的灵敏度能够得到大幅度提升。而曲线392的谐振峰和谐振谷的位置与曲线393有所不同，可知通过改变管道结构内液体和气体交界处约束程度，可以有效改变该管道结构对应的谐振系对应的谐振峰和谐振谷的位置。在一些实施例中，传感装置包括多个管道结构。为了更好地调节每个管道结构能够提供的谐振峰的位置，可以在部分管道结构上设置隔开液体和气体的第一膜结构3860，部分管道结构内让液体和气体形成气液界面。
图40是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图。图40所示的传感装置与图25示出的传感装置的整体结构大致相同，其主要区别在于：还包括第一气体腔4060。而图40所示的换能单元和管道结构与图25中所示的换能单元和管道结构等结构相类似，在此不做赘述。如图40所示，在管道结构外侧，由另一壳体4050围成第一气体腔4060。前腔4030充有液体，第一气体腔4060靠近前腔4030且远离后腔4040设置，且第一气体腔4060与前腔4030连通。在一些可替代的实施例中，第一气体腔4060可以一并由壳体4010形成，也就是说壳体4010和壳体4050可以是一体成型的壳体结构。此时，本说明书其它地方所描述的“壳体的外部”可以理解为相对于构成本说明书中所描述的前腔或后腔的壳体结构的外部。例如，当壳体4010和壳体4050一体成型时，第一气体腔4060可以视为壳体4010的外部，此时，管道结构将壳体4010形成的容置腔与壳体4010的外部，即第一气体腔4060连通。
在一些实施例中，第一气体腔4060内的气体与前腔4030的液体之间可以形成气液界面。在一些实施例中，第一气体腔4060内的气体与前腔4030的液体之间可以具有用于隔离气体与液体之间的膜结构。在一些实施例中，通过增加与液体连通的气体腔，可以减小气体的可压缩程度，以此提高每个管道结构所对应谐振系统的等效刚度。在这种情况下，相比于未设置第一气体腔4060，每个管道结构可以提供频率更高的谐振峰。
在一些实施例中，当后腔充有液体时，第一气体腔也可以与后腔连通。此时，第一气体腔内的气体与后腔的液体之间可以设置或不设置用于隔离气体与液体之间的膜结构。
图41是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图。图41所示的传感装置与图25示出的传感装置的整体结构大致相同，其主要区别在于：还包括第二气体腔4160。而图41所示的换能单元和管道结构与图25中所示的换能单元和管道结构等结构相类似，在此不做赘述。如图41所示，在壳体4110背离管道结构的一侧，由另一壳体4120围成第二气体腔4160，前腔4130充有液体，第二气体腔4160靠近后腔4140且远离前腔4130设置，且第二气体腔4160与后腔4140连通。第二气体腔4160与后腔4140连通，可以增大传感装置后腔的体积，从而降低拾振结构的等效刚度，使第一谐振频率向低频方向移动，从而提高传感装置的在较低频段的频率响应。在一些实施例中，第二气体腔4160可以为任意形状，例如立方体等。在一些可替代的实施例中，第二气体腔4160可以一并由壳体4110形成，也就是说壳体4110和壳体4120可以是一体成型的壳体结构。
图42是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图。图42所示的传感装置与图25示出的传感装置的整体结构大致相同，其主要区别在于：壳体上还设置有气孔。而图42所示的换能单元和管道结构与图25中所示的换能单元和管道结构等结构相类似，在此不做赘述。如图42所示，前腔4230充有液体，气孔4241设置在后腔4240对应的壳体4210位置，气孔4241将后腔4240与外界连通。
在一些实施例中，前腔4230充有液体，后腔4240对应的壳体4210位置设置有一个或多个气孔4241。气孔4241将后腔4240与外部连通，可以视为增大传感装置后腔的体积，从而降低拾振结构的等效刚度，使第一谐振频率向低频方向移动，从而提高传感装置的在较低频段的频率响应。在一些实施例中，气孔4241可以为任意形状，例如圆形、方形或三角形等。
图43是根据本说明书一些实施例所示的传感装置的结构示意图。图43所示的传感装置与图42示出的传感装置的整体结构大致相同，其主要区别在于：气孔上覆盖有第三膜结构。而图43所示的换能单元和管道结构与图25中所示的换能单元和管道结构等结构相类似，在此不做赘述。如图43所示前腔4330充有液体，气孔设置在后腔4340对应的壳体4310位置，气孔上覆盖有第三膜结构4342。
在一些实施例中，第三膜结构4342可以隔离后腔4340内的气体与外部气体。在一些实施例中，第三膜结构4342靠近壳体4310的侧面与壳体4310连接。在一些实施例中，第三膜结构4342的周侧与气孔孔壁连接。在一些实施例中，第三膜结构4342的周侧与后腔4340内壁连接。在一些实施例中，第三膜结构4342形状可以包括但不限于圆形、矩形、椭圆形、半圆形、多边形等规则形状或任意不规则形状。在一些实施例中，第三膜结构4342的材料可以包括但不限于半导体材料、金属材料、金属合金、有机材料等中的一种或多种。相比于图42的结构，第三膜结构4342对后腔4340的气体形成刚度较大的约束，从而提高了拾振结构的等效刚度，使第一谐振频率向高频方向移动，从而提高传感装置的在更高频段的频率响应。在一些实施例中，第三膜结构4342的周侧与气孔孔壁连接时，第三膜结构4342的形状可以与气孔形状相适应。
需要注意的是，以上对于传感装置的描述，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。例如，第一气体腔与充有液体的腔体可以通过连接通道连通。又例如，第三膜结构可以是平面膜结构，也可以是立体膜结构(例如气囊)。
需要说明的是，不同实施例可能产生的有益效果不同，在不同的实施例里，可能产生的有益效果可以是以上任意一种或几种的组合，也可以是其他任何可能获得的有益效果。
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 (10)

1.一种传感装置，包括：
壳体，所述壳体内部具有容置腔；
换能单元，包括用于拾取所述壳体振动而产生电信号的拾振结构，所述换能单元在所述容置腔内分隔形成位于所述拾振结构相反两侧的前腔和后腔，其中，所述前腔或所述后腔中至少一个腔体充有液体，所述液体与所述拾振结构接触；以及
一个或多个管道结构，每个管道结构被配置为将所述容置腔与所述壳体的外部连通，所述液体至少部分地位于所述一个或多个管道结构中。
2.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述一个或多个管道结构对应的谐振系统使所述传感装置产生至少一个谐振峰和谐振谷，所述拾振结构具有第一谐振频率，至少一个所述一个或多个管道结构对应的谐振系统的谐振频率小于所述第一谐振频率。
3.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述一个或多个管道结构包括多个管道结构，所述多个管道结构的腔体体积不同。
4.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述一个或多个管道结构中的液体与所述壳体的外部的气体之间形成气液界面。
5.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，包括第一膜结构，所述第一膜结构位于所述一个或多个管道结构中的液体和所述壳体外部的气体之间。
6.根据权利要求1-5任一项所述的传感装置，其特征在于，所述拾振结构包括压电膜，所述换能单元还包括基体，所述基体为具有开放式敞口的结构体，所述压电膜覆盖所述基体的敞口，所述基体中背离所述压电膜的一端与所述壳体连接。
7.根据权利要求1-5任一项所述的传感装置，其特征在于，所述拾振结构包括多个压电梁，所述换能单元还包括基体，所述基体为具有开放式敞口的结构体，每个压电梁分别与所述基体连接，并向所述敞口的中心处延伸。
8.根据权利要求7所述的传感装置，其特征在于，包括阻挡结构，所述阻挡结构填充或覆盖所述多个压电梁之间的间隙。
9.根据权利要求1-5任一项所述的传感装置，其特征在于，所述换能单元还包括基体，所述基体为具有开放式敞口的结构体；所述拾振结构包括：多个压电梁，所述多个压电梁间隔分布于所述敞口处，所述多个压电梁振动产生不同频率的谐振峰；以及第二膜结构，所述第二膜结构覆盖所述基体的敞口，所述基体中背离所述第二膜结构的一端与所述壳体连接。
10.根据权利要求1-5任一项所述的传感装置，其特征在于，所述换能单元包括电容式换能器，所述电容式换能器至少包括带孔背极板和振膜。
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