CN115243178A - 一种振动传感器 - Google Patents

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袁永帅
周文兵
黄雨佳
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Abstract

本申请公开了一种振动传感器，所述振动传感器包括：振动单元、壳体和声学换能器，所述声学换能器与所述壳体物理连接，所述振动单元设于所述壳体内；所述振动单元包括质量块、弹性膜和支撑架，所述质量块与所述支撑架分别与所述弹性膜的两侧物理连接，所述支撑架与所述声学换能器物理连接；所述支撑架、所述弹性膜和所述声学换能器形成声学腔，所述声学腔与所述声学换能器声学连通。

Description

一种振动传感器
交叉引用
本申请要求2021年4月23日递交的中国申请202110445739.3的优先权，其所有内容通过引用的方式包含于此。
技术领域
本申请涉及声学领域，特别涉及一种振动传感器。
背景技术
振动传感器是一种将振动信号转换为电信号的能量转换器件。振动传感器的灵敏度会影响到其传递声音的质量，而目前的振动传感器受限于加工难度，普遍器件性能不理想，灵敏度不高。因此希望提供一种具有更高的灵敏度的振动传感器。
发明内容
本申请实施例提供一种振动传感器，所述振动传感器包括：振动单元、壳体和声学换能器，所述声学换能器与所述壳体物理连接，所述振动单元设于所述壳体内；所述振动单元包括质量块、弹性膜和支撑架，所述质量块与所述支撑架分别与所述弹性膜的两侧物理连接，所述支撑架与所述声学换能器物理连接；所述支撑架、所述弹性膜和所述声学换能器形成声学腔，所述声学腔与所述声学换能器声学连通。
在一些实施例中，所述质量块沿垂直于所述质量块的厚度方向的截面面积大于所述声学腔沿垂直于所述声学腔的高度方向的截面面积，所述弹性膜沿垂直于所述弹性膜的厚度方向的截面面积大于所述声学腔沿垂直于所述声学腔的高度方向的截面面积；所述壳体被配置为基于外部振动信号产生振动；所述质量块被配置为响应于所述壳体的振动而使得所述弹性膜与所述支撑架相接触的区域发生压缩形变，且所述弹性膜能够振动而使得所述声学腔的体积发生改变；所述声学换能器基于所述声学腔的体积的改变产生电信号。
在一些实施例中，所述支撑架包括环形结构。
在一些实施例中，所述质量块沿垂直于所述质量块的厚度方向的截面面积大于或等于所述环形结构的外环沿垂直于所述声学腔的高度方向的截面面积，所述弹性膜沿垂直于所述弹性膜的厚度方向的截面面积大于或等于所述环形结构的外环沿垂直于所述声学腔的高度方向的截面面积。
在一些实施例中，所述质量块沿垂直于所述质量块的厚度方向的截面面积等于所述弹性膜沿垂直于所述弹性膜的厚度方向的截面面积。
在一些实施例中，所述支撑架为刚性材料。
在一些实施例中，所述支撑架为金属材料或塑料材料。
在一些实施例中，所述支撑架还包括底板，所述环形结构位于所述底板上，所述环形结构与所述底板一体成型，所述底板上具有通孔；所述声学换能器上设有进声孔，所述通孔与所述进声孔相连通。
在一些实施例中，所述支撑架的厚度为1um～1000um；和/或，所述环形结构的内径和外径的差值为1um～300um。
在一些实施例中，所述支撑架的厚度为10um～200um；和/或，所述环形结构的内径和外径的差值为10um～100um。
在一些实施例中，所述弹性膜的厚度为10um～1000um。
在一些实施例中，所述弹性膜的厚度为100um～300um。
在一些实施例中，所述弹性膜包括泡棉、硅胶和硅橡胶中的至少一种。
在一些实施例中，所述质量块的厚度为10um～1000um。
在一些实施例中，所述质量块的厚度为100um～300um。
在一些实施例中，所述振动单元还包括另一弹性膜和另一支撑架，所述另一弹性膜与所述质量块的背离所述弹性膜的一侧物理连接，所述另一支撑架与所述另一弹性膜的背离所述质量块的一侧物理连接，所述另一支撑架与所述壳体物理连接。
在一些实施例中，所述另一弹性膜和所述弹性膜相对于所述质量块呈对称设置。
在一些实施例中，所述振动传感器还包括密封结构，所述密封结构用于封堵所述弹性膜与所述支撑架之间的缝隙，和/或用于封堵所述支撑架与所述声学换能器之间的缝隙。
在一些实施例中，所述密封结构包括硅凝胶材料、硅橡胶材料和硅酮胶材料中的至少一种。
在一些实施例中，所述密封结构的邵氏硬度小于或等于40HA；和/或，所述密封结构的杨氏模量小于或等于10MPa。
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1是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的示意图；
图2是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的结构示意图；
图3是根据本申请一些实施例所示的弹性薄膜和支撑架的连接示意图；
图4是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的频率响应曲线图；
图5是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的结构示意图；
图6是根据本申请图5所示的振动传感器的支撑架的结构示意图；
图7是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的结构示意图；
图8是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的结构示意图；
图9是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的振动示意图；
图10是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的结构示意图；
图11是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的结构示意图；以及
图12根据本申请一些实施例所示的不同振动传感器的频率响应曲线图对比图。
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“模组”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。
本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
本申请实施例中提供了一种振动传感器。该振动传感器的振动单元可以包括质量块、弹性膜和支撑架，质量块与支撑架可以分别与弹性膜的两侧物理连接，支撑架可以与声学换能器物理连接，支撑架、弹性膜和声学换能器形成声学腔。质量块沿垂直于质量块的厚度方向的截面面积以及弹性膜沿垂直于弹性膜的厚度方向的截面面积可以均大于声学腔沿垂直于声学腔的高度方向的截面面积，可以大于声学腔沿垂直于声学腔的高度方向的截面面积。通过这样的设置，质量块响应于壳体的振动会使得弹性膜与支撑架相接触的区域发生压缩形变，从而进行振动的拾取和传递，这样的振动拾取和传递方式可以提升振动传感器的灵敏度。另外，支撑架采用刚性材料，便于加工，能够获得更精确地限制声学腔的高度，也有效提高了振动传感器的灵敏度，还能够使得振动单元的加工工艺得到简化，加工效率提高。
图1是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的示意图。如图1所示，振动传感器100可以包括振动单元110、声学换能器120和壳体130。在一些实施例中，振动单元110、声学换能器120和壳体130之间可以通过物理方式连接，例如，焊接、卡接、胶接或一体成型等或其任意组合。
在一些实施例中，振动传感器100可以应用于麦克风(例如，气传导麦克风或骨传导麦克风)。当作为麦克风使用时，振动传感器100可以接收用户说话时产生的骨骼、皮肤等组织的振动信号或空气的振动信号，并将该振动信号转换为包含声音信息的电信号。在一些实施例中，振动传感器100可以应用于耳机(例如，空气传导耳机和骨传导耳机)、助听器、辅听器、眼镜、头盔、增强现实(AR)设备、虚拟现实(VR)设备等或其任意组合。
壳体130可以是内部中空的结构，振动单元110可以位于壳体内，壳体130可以与声学换能器120物理连接。在一些实施例中，壳体130被配置为基于外部振动信号产生振动，并能够将该振动传递给振动单元110。在一些实施例中，壳体130的形状可以为长方体、圆柱体、圆台等规则或不规则形状的立体结构。在一些实施例中，壳体130的材料可以包括金属(例如，铜、不锈钢等)、合金、塑料等或其任意组合。在一些实施例中，壳体130可以具有一定的厚度以保证足够的强度，从而更好的保护设置在壳体内的振动传感器100的部件(例如，振动单元110)。
振动单元110可以被配置为接收、传递和转换振动信号。在一些实施例中，至少部分振动单元110与声学换能器120可以形成声学腔。声学腔可以与声学换能器120声学连通。声学连通可以是能够传递声压、声波或振动信号的连通方式。振动传感器100工作时，振动单元110可以响应于壳体130的振动而振动，并将该振动通过声学腔传递给声学换能器120。
声学换能器120被配置为接收振动信号并将接收的振动信号转换为电信号。在一些实施例中，声学换能器120可以基于声学腔体积的变化产生电信号。
关于振动传感器100的详细描述可以参考图2-12的详细描述。
应当注意的是，上述有关振动传感器100及其部件的描述仅仅是为了示例和说明，而不限定本说明书的适用范围。对于本领域技术人员来说，在本说明书的指导下可以对振动传感器100进行各种修正和改变。在一些实施例中，振动传感器100还可以包括其他部件，例如，电源、引线等，以为声学换能器120提供电能、输出电信号等。这些修正和改变仍在本申请的范围之内。
图2是根据本申请一些实施例所示的振动传感器200的结构示意图。如图2所示，振动传感器200可以包括壳体210、振动单元220和声学换能器260。在一些实施例中，壳体210可以与声学换能器260连接以围合成中空结构。壳体210和声学换能器260之间的连接方式可以为物理连接。在一些实施例中，振动单元220可以位于该围合的中空结构内。壳体210被配置为基于外部振动信号产生振动，振动单元220能够拾取、转化并传递振动(例如，将振动转换为声学腔内空气的压缩)，以使得声学换能器260产生电信号。
在一些实施例中，振动单元220可以包括质量块221、弹性膜222和支撑架223。质量块221与支撑架223分别与弹性膜222的两侧物理连接。例如，质量块221和支撑架223可以分别与弹性膜222的上表面和下表面连接。支撑架223与声学换能器260物理连接，例如，支撑架223可以是上端与弹性膜222的下表面相连，而其下端与声学换能器260相连。支撑架223、弹性膜222和声学换能器260可以形成声学腔224。例如，如图2所示，声学腔224可以由弹性膜222、声学换能器260以及包括环形结构的支撑架223形成。再例如，如图5所示，声学腔224可以由弹性膜222、声学换能器260以及包括环形结构和底板的支撑架223形成。声学腔224与声学换能器260声学连通。例如，声学换能器260上可以设有进声孔261，进声孔261可以是指声学换能器260上用于接收声学腔体积变化信号的孔，声学腔224可以与声学换能器260上设置的进声孔261相连通。声学腔224与声学换能器260的声学连通可以使得声学换能器260感应声学腔224的体积的改变，并基于声学腔224的体积的改变产生电信号。通过这样的设置，壳体210基于外部振动信号产生振动，质量块221被配置为响应于壳体210的振动而致使弹性膜222改变声学腔224的体积，声学换能器260基于声学腔224的体积的改变产生电信号。质量块221、弹性膜222和支撑架共同构成质量-弹簧-阻尼系统，这样的振动单元220可以有效提高振动传感器的灵敏度。
在一些实施例中，质量块221沿垂直于质量块221的厚度方向(如图2中箭头的方向)的截面面积大于声学腔224沿垂直于声学腔224的高度方向(如图2中箭头的方向)的截面面积。在一些实施例中，弹性膜222沿垂直于弹性膜222的厚度方向的截面面积大于声学腔224沿垂直于声学腔224的高度方向的截面面积。质量块221被配置为响应于壳体210的振动而使得弹性膜222与支撑架223相接触的区域发生压缩形变，且弹性膜222能够振动而使得声学腔224的体积发生改变。声学换能器260基于声学腔224的体积的改变产生电信号。
需要说明的是，当声学腔224沿垂直于声学腔224的高度方向的截面面积随着高度不同而出现变化时，本说明书中所述的声学腔224沿垂直于声学腔224的高度方向的截面面积可以是指，声学腔224的靠近弹性膜222的一侧的沿垂直于声学腔224的高度方向的截面的面积。
在另一些实施例中，质量块沿垂直于质量块的厚度方向的截面面积小于声学腔沿垂直于声学腔的高度方向的截面面积，具体请参见图11及其相关说明。
图3是根据本申请一些实施例所示的弹性膜和支撑架的连接示意图。如图2和图3所示，当质量块221振动时，只有弹性膜222与支撑架223接触的区域250发生压缩形变，弹性膜222与支撑架223的接触部分等效于弹簧，这样的结构能够增加振动传感器200的灵敏度(具体请参见图10、图11和图12的相关说明)。
振动传感器200可以将振动信号转换为电信号。仅作为示例，外部振动信号可以包括人说话时的振动信号、皮肤随人体运动或随靠近皮肤的其他设备(例如扬声器)工作等原因产生的振动信号、与振动传感器200接触的物体产生的振动信号等，或其任意组合。振动传感器200工作时，外部振动信号可以通过壳体210传递到振动单元220，响应于壳体210的振动，振动单元220的质量块221在弹性膜222的带动下发生振动。质量块221和弹性膜222的振动可以引起声学腔224的体积变化，声学换能器260可以基于声学腔240的体积变化将振动信号转换为电信号。进一步地，声学换能器260产生的电信号可以传递到外部电子设备。例如，声学换能器260可以与外部电子设备的内部元件(例如，处理器)有线连接(例如，电连接)或无线连接。声学换能器260产生的电信号可以通过有线或无线的方式传递到外部电子设备。在一些实施例中，外部电子设备可以包括移动设备、可穿戴设备、虚拟现实设备、增强现实设备等，或其任意组合。在一些实施例中，移动设备可以包括智能手机、平板电脑、个人数字助理(PDA)、游戏设备、导航设备等，或其任何组合。在一些实施例中，可穿戴设备可以包括智能手环、耳机、助听器、智能头盔、智能手表、智能服装、智能背包、智能配件等，或其任意组合。在一些实施例中，虚拟现实设备和/或增强现实设备可以包括虚拟现实头盔、虚拟现实眼镜、虚拟现实补丁、增强现实头盔、增强现实眼镜、增强现实补丁等或其任何组合。例如，虚拟现实设备和/或增强现实设备可以包括Google Glass、Oculus Rift、Hololens、Gear VR等。
在一些实施例中，如图2所示，声学腔224可以与声学换能器260的进声孔261直接连通，以形成声学腔和声学换能器的声学连接。在另一些实施例中，如图5和图6所示，可以通过在支撑架223上设置的通孔使得声学腔224与声学换能器260的进声孔261连通，以形成声学腔224和声学换能器260的声学连接。
在一些实施例中，支撑架223上的通孔的截面积可以与声学换能器260的进声孔261的截面积不同。在一些实施例中，支撑架223上的通孔的截面形状可以与声学换能器260的进声孔261的截面形状不同。在一些实施例中，支撑架223上的通孔可以与声学换能器260的进声孔261的截面积不同而截面形状相同。例如通孔的截面积可以小于进声孔261的截面积，通孔的截面形状和进声孔的截面形状都是圆形。在一些实施例中，支撑架223上的通孔与声学换能器260的进声孔261可以对齐设置。例如，通孔的中心轴线与进声孔261的中心轴线可以完全重合。在一些实施例中，支撑架223上的通孔与声学换能器260的进声孔261可以不对齐设置。例如，通孔的中心轴线与进声孔261的中心轴线之间可以间隔一定的距离。应当注意，如图2所示的单个进声孔261的描述仅用于说明，并不意在限制本发明的范围。应当理解，振动传感器200可以包括一个以上的进声孔261。例如，振动传感器200可以包括布置成阵列的多个进声孔261。
在一些实施例中，质量块221与弹性膜222的物理连接方式、支撑架223与弹性膜222的物理连接方式以及支撑架223与声学换能器260的物理连接方式可以包括焊接、胶接等或其任意组合。
在一些实施例中，弹性膜222沿垂直于弹性膜222的厚度方向的截面形状可以为矩形、圆形、六边形或不规则形状等，在一些实施例中，质量块221沿垂直于质量块221的厚度方向的截面形状可以为矩形、圆形、六边形或不规则形状等。在一些实施例中，弹性膜222沿垂直于弹性膜222的厚度方向的截面形状与质量块221沿垂直于质量块221的厚度方向的截面形状可以相同。在另一些实施例中，在一些实施例中，弹性膜222沿垂直于弹性膜222的厚度方向的截面形状与质量块221沿垂直于质量块221的厚度方向的截面形状可以不同。
在一些实施例中，弹性膜222可以为具有一定黏性的材料，分别粘接质量块221和支撑架223。在一些实施例中，弹性膜222可以为具有良好弹性(即易发生弹性形变)的材料，使得振动单元220可以响应于壳体210的振动而振动。仅作为示例，弹性膜222的材料可以包括泡棉、聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、硅胶等或其任意组合。
在一些实施例中，弹性膜222的厚度a可以是弹性膜222的下表面与其上表面之间的距离。在一些实施例中，弹性膜222的厚度a可以大于第一厚度阈值(例如，10um)。在一些实施例中，弹性膜222的厚度a可以小于第二厚度阈值(例如，1000um)。例如，弹性膜222的厚度a可以为10um～1000um。又例如，弹性膜222的厚度a可以为20um～900um。又例如，弹性膜222的厚度a可以为30um～800um。又例如，弹性膜222的厚度a可以为40um～700um。又例如，弹性膜222的厚度a可以为50um～600um。又例如，弹性膜222的厚度a可以为60um～500um。又例如，弹性膜222的厚度a可以为70um～400um。又例如。又例如，弹性膜222的厚度a可以为100um～300um。
在一些实施例中，质量块221的材料可以为密度大于一定密度阈值(例如，8g/cm3)的材料。例如，质量块221的材料可以为金属、合金等。仅作为示例，质量块221的材料可以包括铅、铜、银、锡、不锈钢等或其任意组合。由于质量块221的材料的密度越高，尺寸则越小，因此用密度大于一定密度阈值的材料制作质量块221，可以在一定程度上降低振动传感器200的尺寸。在一些实施例中，质量块221的材料密度为8g/cm3～100g/cm3。优选地，质量块221的材料密度为8g/cm3～70g/cm3。更优选地，质量块221的材料密度为8g/cm3～50g/cm3。更优选地，质量块221的材料密度为8g/cm3～30g/cm3。在一些实施例中，质量块221和弹性膜222可以是由不同种材料所组成，再通过物理连接(例如，胶接)等方式连接在一起。在一些实施例中，质量块221和弹性膜222也可以是由同种材料组成，通过一体成型方式制成。
质量块221的厚度b可以是质量块221的下表面与其上表面之间的距离。在一些实施例中，质量块221的厚度b可以大于第三厚度b阈值(例如，10um)。在一些实施例中，质量块221的厚度b可以小于第四厚度b阈值(例如，1000um)。例如，质量块221的厚度b可以为10um-1000um。又例如，质量块221的厚度b可以为20um-900um。又例如，质量块221的厚度b可以为30um-800um。又例如，质量块221的厚度b可以为40um-700um。又例如，质量块221的厚度b可以为50um-600um。又例如，质量块221的厚度b可以为60um-500um。又例如，质量块221的厚度b可以为70um-400um。又例如，质量块221的厚度b可以为100um-300um。
在一些实施例中，支撑架223可以为刚性材料(例如，金属、塑料等)，以支撑弹性膜222和质量块221。通过将支撑架223设置为刚性材料，刚性的支撑架223与弹性膜222和质量块221配合而改变声学腔的体积，刚性的支撑架223便于加工，可以加工出厚度更小的的支撑架223，从而更加便于精确地限制声学腔224的高度(如可以使得声学腔224的高度更小)，从而提高振动传感器220的灵敏度。仅作为示例，支撑架223的材料可以包括铜、不锈钢、合金、塑料等或其任意组合。
支撑架223的厚度c可以是支撑架223的下表面与其上表面之间的距离。在一些实施例中，支撑架223的厚度c可以大于第五厚度c阈值(例如，1um)。在一些实施例中，支撑架223的厚度c可以小于第六厚度c阈值(例如，1000um)。例如，支撑架223的厚度c可以为1um～1000um。再例如，支撑架223的厚度c可以为2um～900um。再例如，支撑架223的厚度c可以为3um～800um。再例如，支撑架223的厚度c可以为4um～700um。再例如，支撑架223的厚度c可以为5um～600um。再例如，支撑架223的厚度c可以为6um～500um。再例如，支撑架223的厚度c可以为7um～400um。再例如，支撑架223的厚度c可以为8um～300um。再例如，支撑架223的厚度c可以为10um～200um。
在一些实施例中，声学腔224的高度可以等于支撑架223的厚度。在另一些实施例中，声学腔224的高度可以小于支撑架223的厚度。
在一些实施例中，支撑架223可以包括环形结构。支撑架223包括环形结构可以是支撑架223本身为环形结构(如图2所示)，也可以是支撑架223包括环形结构和底板(具体请参见图5和图6及其相关说明)，还可以是支撑架223包括环状结构和其他结构。当支撑架223包括环状结构时，声学腔224可以位于环形结构的中空部分，弹性膜222可以设于环形结构的上方，并封闭环形结构的中空部分，以形成声学腔224。
可以理解地，环形结构可以包括圆环形结构、三角环形结构、矩形环形结构、六边形环形结构以及不规则环形结构等。在本申请中，环形结构可以包括内边缘以及环绕在内边缘外的外边缘。环形的内边缘和外边缘的形状可以一样。例如，环形结构的内边缘和外边缘可以均为圆形，此时的环形结构即为圆环形结构；又例如，环形结构的内边缘和外边缘可以均为六边形，此时的环形结构即为六边形环形。环形结构的内边缘和外边沿的形状可以不同。例如，环形结构的内边缘可以为圆形，环形结构的外边缘可以为矩形。
质量块221沿垂直于质量块221的厚度方向的截面面积大于声学腔224沿垂直于声学腔224的高度方向的截面面积，可以理解为质量块221可以将声学腔224的上端开口(如图2所示出)完全覆盖。弹性膜222沿垂直于弹性膜222的厚度方向的截面面积可以大于声学腔224沿垂直于声学腔224的高度方向的截面面积，可以理解为质量块221与弹性膜222可以将声学腔224的上端开口(如图2所示出)完全覆盖。通过质量块221沿垂直于质量块221的厚度方向的截面面积、质量块221沿垂直于质量块221的厚度方向的截面面积以及弹性膜222沿垂直于弹性膜222的厚度方向的截面面积的设计，可以使得振动单元220发生变形的区域为弹性膜222与支撑架223相接触的区域。
在一些实施例中，质量块221的外边缘以及弹性膜222的外边缘可以均位于支撑架223上。仅作为示例，当支撑架223包括环形结构时，质量块221的外边缘以及弹性膜222的外边缘可以均位于环形结构的上表面，或质量块221的外边缘以及弹性膜222的外边缘可以与环形结构的外环平齐。在一些实施例中，质量块221的外边缘以及弹性膜222的外边缘可以均位于支撑架223的外侧。例如，当支撑架223包括环形结构时，质量块221的外边缘以及弹性膜222的外边缘可以均位于环形结构的外环的外侧。
在一些实施例中，当支撑架223为环形结构时，质量块221沿垂直于质量块221的厚度方向的截面面积可以大于环形结构的外环沿垂直于声学腔224的高度方向的截面面积，弹性膜222沿垂直于弹性膜222的厚度方向的截面面积可以大于环形结构的外环沿垂直于声学腔224的高度方向的截面面积。在一些实施例中，质量块221沿垂直于质量块221的厚度方向的截面面积可以等于环形结构的外环沿垂直于声学腔224的高度方向的截面面积，弹性膜222沿垂直于弹性膜222的厚度方向的截面面积可以等于环形结构的外环沿垂直于声学腔224的高度方向的截面面积。
在一些实施例中，环形结构的内径和外径的差值可以大于第一差值阈值(例如，1um)。在一些实施例中，环形结构的内径和外径的差值可以小于第二差值阈值(例如，300um)。例如，环形结构的内径和外径的差值可以为1um～300um。又例如，环形结构的内径和外径的差值可以为5um～200um。又例如，环形结构的内径和外径的差值可以为10um～100um。通过限定环形结构的内径和外径的差值，可以限定弹性膜222与支撑架223相接触的区域的面积，因此，通过将环形结构的内径和外径的差值设置在上述范围内，可以提高振动传感器的灵敏度。
质量块221沿垂直于质量块221的厚度方向的截面面积与环形结构的外环沿垂直于声学腔224的高度方向的截面面积的大小关系，以及弹性膜222沿垂直于弹性膜222的厚度方向的截面面积与环形结构的外环沿垂直于声学腔224的高度方向的截面面积的大小关系，可以改变弹性膜222与支撑架223相接触的区域的大小，从而改变发生压缩形变的区域的面积。该区域的面积大小可以影响振动单元220的等效刚度，从而影响振动单元220的谐振频率。通过调节发生压缩形变的区域的面积大小，可以调节振动单元220的等效刚度，从而调节振动单元220的谐振频率，以改善振动传感器200的灵敏度。
在一些实施例中，为了便于加工，质量块221沿垂直于质量块221的厚度方向的截面面积可以基本等于弹性膜222沿垂直于弹性膜222的厚度方向的截面面积。通过这样的设置，质量块221和弹性膜222可以在加工过程中共同进行切割，从而提高生产效率。
图4是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的频率响应曲线图。如图4所示，其示出了图2所示的振动传感器的频率响应曲线，其横坐标为振动频率(单位Hz)，纵坐标为振动传感器的灵敏度(单位dB)。如图4所示，在振动频率为400Hz-1000Hz的范围内，所述振动传感器200的灵敏度约在-16dB～-13dB。振动传感器200与其他结构的振动传感器相比，振动传感器200在相同的频率范围内的灵敏度较高。
图5是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的结构示意图，图6是根据图5所示的支撑架的结构示意图。如图5所示，振动传感器500可以包括壳体510、振动单元520和声学换能器560。振动单元520可以包括质量块521、弹性膜522和支撑架523。弹性膜522、支撑架523和声学换能器560可以形成声学腔524。图5中上述各部件的设置方式、尺寸、形状等可以与图2所示的振动传感器200的对应部件类似。如图5和图6所示，振动传感器500支撑架523包括环形结构523-1和底板523-2，环形结构523-1位于底板523-2上。底板上523-2具有通孔523-3，通孔523-3用于与进声孔相连通，以使得声学腔524能够与声学换能器560声学连通。在一些实施例中，环形结构523-1与底板523-2可以是一体成型结构，环形结构523-1和底板523-2可以通过冲压成型的方式进行制造。
图7是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的结构示意图，如图7所示，振动传感器700可以包括壳体710、振动单元720和声学换能器760。振动单元720可以包括质量块721、弹性膜722、支撑架723和声学腔724。图7中上述各部件的设置方式、尺寸、形状等可以与图5所示的振动传感器500的对应部件类似。如图7所示，振动传感器700还包括密封结构730。密封结构730可以用于封堵弹性膜722与支撑架723之间的缝隙，密封结构730也可以用于封堵支撑架723与声学换能器760之间的缝隙。密封结构730可以有效防止声学腔724漏气，从而有效提高振动传感器的灵敏度。在一些实施例中，密封结构730可以环绕设置在支撑架723外。在图7所示的实施例中，振动传感器700的振动单元720包括底板723-2和环形结构723-1的支撑架723，密封结构730可以环绕设置在环形结构723-1外。可以理解地，密封结构也可以应用在图2中所示的本身为环状结构的支撑架上。
在一些实施例中，密封结构730包括硅凝胶材料、硅橡胶材料和硅酮胶材料中的一种或其任意组合。在一些实施例中，密封结构730的邵氏硬度小于或等于预设硬度阈值。例如，密封结构730的邵氏硬度小于或等于40HA。再例如，密封结构730的邵氏硬度小于或等于25HA。在一些实施例中，密封结构730的杨氏模量可以小于或等于预设模量值。例如，密封结构730的杨氏模量可以小于或等于10MPa。再例如，密封结构730的杨氏模量可以小于或等于1MPa。通过对密封结构730的邵氏硬度和/或杨氏模量进行设置，可以保证密封结构730的密封效果。
图8是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的结构示意图，如图8所示，振动传感器800可以包括壳体810、振动单元820和声学换能器860。振动单元820可以包括质量块821、弹性膜822和支撑架823。弹性膜822、支撑架823和声学换能器860能够形成声学腔824。图8中上述各部件的设置方式、尺寸、形状等可以与图2所示的振动传感器200的对应部件类似。振动单元820还可以包括另一弹性膜825和另一支撑架826，另一弹性膜825与质量块821的背离弹性膜822的一侧物理连接，另一支撑架826与另一弹性膜825的背离质量块821的一侧物理连接。也就是说，另一支撑架826和质量块821可以分别物理连接于另一弹性膜825的两侧。另一支撑架826与壳体810物理连接。通过另一支撑架826和另一弹性膜825的设置，可以降低振动传感器800的横向灵敏度，提高振动传感器800的纵向灵敏度，从而提高灵敏度的方向选择性。另一弹性膜825与图2中所示的弹性膜222的材料和设置方式类似，另一支撑架826与图2所示的支撑架223的材料类似。支撑架823和另一支撑架826的结构可以相同，也可以不同。例如，支撑架823和另一支撑架826均可以本身为环形结构。又例如，支撑架823可以包括底板和环形结构，而另一支撑架826可以本身为环形结构。
在一些实施例中，另一弹性膜825沿垂直于另一弹性膜825厚度方向的截面面积与弹性膜822沿垂直于弹性膜822厚度方向的截面面积可以完全相同。在一些实施例中，另一弹性膜825沿垂直于另一弹性膜825厚度方向的截面形状与弹性膜822沿垂直于弹性膜822厚度方向的截面形状可以相同，而上述截面面积可以略有不同。
在一些实施例中，另一弹性膜825和弹性膜822相对于质量块821呈对称设置。对称设置可以理解为弹性膜822和另一弹性膜825的位置分别位于质量块821的两侧，且弹性膜822的厚度和另一弹性膜825的厚度相同，且弹性膜822的沿垂直于弹性膜822厚度方向的截面面积与另一弹性膜825的沿垂直于另一弹性膜825厚度方向的截面的面积相同。如图8所示，另一弹性膜825和弹性膜822可以分别固定于质量块的上下表面。
图9是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的结构示意图。如图9所示，振动传感器900可以包括振动单元920、壳体910和声学换能器960，声学换能器960与壳体910物理连接，振动单元920可以设于壳体910内；振动单元可以包括质量块921、弹性支撑件922和声学腔923，弹性支撑件922两端分别与质量块921和声学换能器960物理连接。在一些实施例中，弹性支撑件922可以为具有一定弹性的材料。例如，包括聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷等高分子弹性材料。声学腔923可以由质量块921、弹性支撑件922和声学换能器960形成。声学腔923与声学换能器960声学连通，例如，声学腔923与声学换能器960的进声孔相连通。壳体910被配置为基于外部振动信号产生振动。质量块921被配置为响应于壳体910的振动而使得弹性支撑件922与质量块921接触的区域发生压缩形变，且质量块921能够振动而使得声学腔923的体积发生改变，声学换能器960基于声学腔923的体积的改变产生电信号。由于弹性支撑件922为弹性材料制成，其加工难度可能较大。
与图9所示的振动传感器900相比，图2所示的振动传感器200将图9所示的振动传感器900的弹性支撑件922替换为支撑架223加弹性膜222的结构。支撑架223可以由刚性材料制成，支撑架223和弹性膜222的加工难度低于弹性支撑件922的加工难度，从而使得支撑架223的尺寸加工精度更高。在一些实施例中，支撑架223的厚度可以比弹性支撑件922的厚度更小，从而使得振动传感器200的声学腔224的尺寸更小，从而使得振动传感器200的灵敏度更高。以环状的支撑架223和环状的弹性支撑件922为例，由于支撑架223的加工难度较低，支撑架223的沿垂直于其的厚度方向的截面面积可以比弹性支撑件922沿垂直于其厚度方向的截面面积制造得更小，这使得产生压缩形变的面积更小，以使得振动传感器200的振动元件220的等效刚度更小，更小的等效刚度意味着更小的谐振频率，从而使得振动传感器200的灵敏度更高。压缩形变的面积与等效刚度之间的关系的具体说明，请见下文：
弹性区域的总体等效刚度k为k＝(E×S)/h，其中E表示杨氏模量，S表示形变区域面积，h表示弹性膜222的厚度。因此，形变区域面积的减小可以使得等效刚度减小，从而使得谐振频率减小，以达到提高灵敏度的效果。
以图2中所示的振动传感器200的灵敏度计算方法为例，振动传感器200的灵敏度可以正比于声学腔224的气压变化与声学腔224的初始气压的比值，或者正比于声学腔224的体积变化与声学腔224的初始体积的比值。例如，振动传感器200的灵敏度s可以表示为：
Figure BDA0003206273520000131
其中，Δp为声学腔224的气压变化，p0为声学腔224的初始气压，ΔV为声学腔224体积变化，V0为声学腔224的初始体积。在一些实施例中，声学换能器260可以包括至少一个进声孔，声学腔224的初始体积V0包括至少一个进声孔的体积。
图10是本申请一些实施例所示的振动传感器200的振动示意图，如图10所示，质量块221的厚度方向、弹性膜222的厚度方向、支撑架223的厚度方向以及声学腔224的高度方向可以与振动方向基本平行。由于质量块221沿垂直于质量块221的厚度方向(平行于质量块221的振动方向)的截面面积和弹性膜222沿垂直于弹性膜222的厚度方向(平行于质量块的振动方向)的截面面积均大于声学腔224沿垂直于声学腔224的高度方向(平行于质量块的振动方向)的截面面积，质量块221沿其振动方向上下振动引起声学腔224的体积发生变化。由于质量块221引起的声学腔224的体积变化的形状可以近似为筒形(或长方体形)，则声学腔224的体积变化ΔV可以表示为：
ΔV≈ΔhA0(2)，
其中，Δh为质量块的振动幅度，A0为声学腔224在垂直于质量块的振动方向的截面面积。
进一步，根据公式(1)和(2)，振动传感器200的灵敏度s可以表示为：
Figure BDA0003206273520000141
其中，Δp为声学腔224的气压变化，p0为声学腔224的初始气压，V0为声学腔224的初始体积。在一些实施例中，声学换能器260可以包括至少一个进声孔261，声学腔224的初始体积V0包括至少一个进声孔261的体积。
从公式(3)可以看出，振动传感器200的灵敏度可以正比于质量块221的振动幅度Δh和声学腔224在垂直于质量块221的振动方向的截面面积A0的乘积与声学腔224的初始体积V0的比值。在谐振频率一定的情况下，由于振动传感器221的灵敏度反比于声学腔224的初始体积，减小声学腔224的高度可以提高振动传感器200的灵敏度。
在一些实施例中，可以通过对振动传感器200的结构参数的设计使振动传感器200的灵敏度s大于预设灵敏度阈值。例如，可以通过设计振动传感器200的结构参数设计振动传感器200的谐振频率，从而影响质量块221的振动幅度Δh，以使振动传感器200的灵敏度达到需求。在一些实施例中，可以通过设置声学腔224的初始体积V0和/或声学腔224在垂直于质量块221的振动方向的截面面积A0使振动传感器200的灵敏度s大于预设灵敏度阈值。该预设灵敏度阈值可以由设计人员根据实际需要调整。
图11是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的结构示意图。如图11所示，振动传感器1100可以包括壳体1110、振动单元1120和声学换能器1160。振动单元1120可以设于壳体1110内。振动单元1120可以包括质量块1121、弹性膜1122和弹性支撑件1123。质量块1121与弹性支撑件1123分别与弹性膜1122的两侧物理连接，例如，质量块1121和弹性支撑件1123可以分别与弹性膜1122的上表面和下表面连接。弹性支撑件1123与声学换能器1160物理连接。声学腔1124由弹性支撑件、弹性膜和声学换能器形成。声学腔1124与声学换能器1160声学连通，例如，声学腔1124与声学换能器1160的进声孔相连通，以使得声学换能器1160感应声学腔1124的体积的改变，并基于声学腔1124的体积的改变产生电信号。
如图11所示，质量块通过弹性膜1122设置在声学腔1124上方，且质量块1121沿垂直于质量块的厚度方向的截面面积小于声学腔1124沿垂直于声学腔的高度方向的截面面积。仅作为示例，质量块1121沿垂直于质量块1121的厚度方向的截面面积小于或等于声学腔1124沿垂直于声学腔1124的高度方向的截面面积的2/3。又例如，质量块1121沿垂直于质量块1121的厚度方向的截面面积小于或等于声学腔1124沿垂直于声学腔1124的高度方向的截面面积的1/3。
图11所示的振动传感器1100和图2所示的振动传感器200的区别之一在于振动传感器1100的质量块1121沿垂直于质量块1121的厚度方向的截面面积与振动传感器200的质量块221沿垂直于质量块221的厚度方向的截面面积不同，以及振动传感器1100的弹性支撑件1123和振动传感器200的支撑架223与的材质不同。则在质量块振动时，弹性膜的变形情况不同(请参见图10和图11进行对比)。
如图11所示，由于质量块1121在垂直于其振动方向的截面面积小于声学腔1124在垂直于质量块1121的振动方向的截面面积，质量块1121沿其振动方向上下振动会带动弹性薄膜1122形变，从而引起声学腔1124体积发生变化。由于弹性薄膜1122形变引起的声学腔1124体积的变化的形状可以近似为棱台，则声学腔1124体积变化ΔV可以表示为：
Figure BDA0003206273520000151
其中，Δh为质量块1121的振动幅度，A1为质量块1121在垂直于其振动方向的截面面积，
A0为声学腔1124在垂直于质量块1121的振动方向的截面面积。
进一步，根据公式(1)和(2)，振动传感器1100的灵敏度s可以表示为：
Figure BDA0003206273520000152
从公式(3)和(5)可以看出，在声学腔(例如，声学腔224、声学腔1124)的初始体积V0、垂直于质量块(例如，质量块221、质量块1121)的振动方向的截面面积A0以及该质量块的振动幅度Δh一定的前提下，当该质量块在垂直于其振动方向的截面面积A1小于声学腔在垂直于该质量块的振动方向的截面面积A0时，在相同谐振频率下(即Δh相同)，
Figure BDA0003206273520000153
即图2所示振动传感器200的灵敏度大于图11所示振动传感器1100的灵敏度。
综上，由于在质量块(例如，质量块221、质量块1121)同等振幅下，声学腔(例如，声学腔224、声学腔1124)的体积变化比ΔV/V0更大，因此可以通过设置质量块在垂直于其振动方向的截面面积大于等于声学腔在垂直于该质量块的振动方向的截面面积，从而提高振动传感器的灵敏度。
图12是根据本申请一些实施例所示的振动传感器的频率响应曲线图。如图12所示，实线为本申请一些实施例所示的振动传感器200的频率响应曲线，虚线为振动传感器1100的频率响应曲线图。在谐振频率相等时，本申请振动传感器200的灵敏度高于振动传感器1100的灵敏度。
在一些实施例中，在频率小于1000Hz的范围内，本申请的振动传感器200灵敏度大于或等于-40dB。优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于-38dB。更优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于-36dB。更优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于-34dB。更优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于-32dB。更优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于-30dB。更优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于-28dB。更优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于-27dB。更优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于-26dB。更优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于-24dB。更优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于-22dB。更优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于-20dB。更优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于-18dB。更优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于-16dB。更优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于-14dB。更优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于12dB。更优选地，在频率小于1000Hz的范围内，振动传感器200灵敏度大于或等于-10dB。
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。
同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
此外，本领域技术人员可以理解，本申请的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本申请的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。
此外，除非权利要求中明确说明，本申请处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的处理设备或移动设备上安装所描述的系统。
同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
针对本申请引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本申请作为参考。与本申请内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本申请权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本申请中的)也除外。需要说明的是，如果本申请附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本申请所述内容有不一致或冲突的地方，以本申请的描述、定义和/或术语的使用为准。
最后，应当理解的是，本申请中所述实施例仅用以说明本申请实施例的原则。其他的变形也可能属于本申请的范围。因此，作为示例而非限制，本申请实施例的替代配置可视为与本申请的教导一致。相应地，本申请的实施例不仅限于本申请明确介绍和描述的实施例。

Claims (10)

1.一种振动传感器，其特征在于，所述振动传感器包括：振动单元、壳体和声学换能器，所述声学换能器与所述壳体物理连接，所述振动单元设于所述壳体内；
所述振动单元包括质量块、弹性膜和支撑架，所述质量块与所述支撑架分别与所述弹性膜的两侧物理连接，所述支撑架与所述声学换能器物理连接；所述支撑架、所述弹性膜和所述声学换能器形成声学腔，且所述声学腔与所述声学换能器声学连通。
2.如权利要求1所述的振动传感器，其特征在于，所述质量块沿垂直于所述质量块的厚度方向的截面面积大于所述声学腔沿垂直于所述声学腔的高度方向的截面面积，所述弹性膜沿垂直于所述弹性膜的厚度方向的截面面积大于所述声学腔沿垂直于所述声学腔的高度方向的截面面积；
所述壳体被配置为基于外部振动信号产生振动；所述质量块被配置为响应于所述壳体的振动而使得所述弹性膜与所述支撑架相接触的区域发生压缩形变，且所述弹性膜能够振动而使得所述声学腔的体积发生改变；所述声学换能器基于所述声学腔的体积的改变产生电信号。
3.如权利要求2所述的振动传感器，其特征在于，所述支撑架包括环形结构。
4.如权利要求3所述的振动传感器，其特征在于，所述质量块沿垂直于所述质量块的厚度方向的截面面积大于或等于所述环形结构的外环沿垂直于所述声学腔的高度方向的截面面积，所述弹性膜沿垂直于所述弹性膜的厚度方向的截面面积大于或等于所述环形结构的外环沿垂直于所述声学腔的高度方向的截面面积。
5.如权利要求4所述的振动传感器，其特征在于，所述质量块沿垂直于所述质量块的厚度方向的截面面积等于所述弹性膜沿垂直于所述弹性膜的厚度方向的截面面积。
6.如权利要求1所述的振动传感器，其特征在于，所述支撑架为刚性材料。
7.如权利要3所述的振动传感器，其特征在于，所述支撑架还包括底板，所述环形结构位于所述底板上，所述环形结构与所述底板一体成型，所述底板上具有通孔；所述声学换能器上设有进声孔；所述通孔与所述进声孔相连通。
8.如权利要求3所述的振动传感器，其特征在于，所述支撑架的厚度为1um～1000um；和/或，所述环形结构的内径和外径的差值为1um～300um。
9.如权利要求1所述的振动传感器，其特征在于，所述弹性膜的厚度为10um～1000um；和/或，所述质量块的厚度为10um～1000um。
10.如权利要求1所述的振动传感器，其特征在于，所述振动单元还包括另一弹性膜和另一支撑架，所述另一弹性膜与所述质量块的背离所述弹性膜的一侧物理连接，所述另一支撑架与所述另一弹性膜的背离所述质量块的一侧物理连接，所述另一支撑架与所述壳体物理连接。
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