CN116547992A - 一种传感装置 - Google Patents

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袁永帅
黄雨佳
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Abstract

一种传感装置(2500)，该传感装置(2500)包括:壳体(2510)和换能单元(2520)，壳体(2510)内部具有容置腔，换能单元(2520)包括用于拾取壳体(2510)振动而产生电信号的拾振结构(2521)，换能单元(2520)在容置腔内将容置腔分隔形成位于拾振结构(2521)相反两侧的前腔(2501)和后腔(2502)。其中，前腔(2501)和后腔(2502)中至少一个腔体内充有液体(2540)，液体(2540)与拾振结构(2521)接触，液体(2540)与壳体(2510)之间存在气腔。

Description

一种传感装置
交叉引用
本说明书要求于2021年4月23日提交的申请号为202110445739.3的中国专利申请的优先权，其内容通过引用被包含于此。
技术领域
本说明书涉及电子装置，特别涉及一种传感装置。
背景技术
对于传感装置(例如麦克风)，当外部振动信号的频率接近其固有谐振频率时，会产生较大的振幅，从而输出较大的电信号。因此，传感装置对外部振动的响应会表现为在谐振频率附近灵敏度较高，而在其他频率(例如，中低频)下的灵敏度较低，导致传感装置的输出增益不平坦。
因此，希望提供一种在更宽频率范围内输出增益平坦且灵敏度较高的传感装置。
发明内容
本说明书实施例之一提供一种传感装置，该传感装置包括：壳体和换能单元，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将容置腔分隔形成位于拾振结构相反两侧的前腔和后腔。其中，前腔和后腔中至少一个腔体内充有液体，液体与拾振结构接触，液体与壳体之间存在气腔。
在一些实施例中，液体与气腔之间可以形成气液界面。
在一些实施例中，液体与气腔之间设置有第一柔性膜。
在一些实施例中，第一柔性膜上设置有质量块。
在一些实施例中，换能单元可以包括压电换能器，压电换能器至少可以包括压电膜或压电梁。
在一些实施例中，压电换能器可以包括多个压电梁，多个压电梁中相邻两个压电梁之间形成间隙，间隙所在位置设有填充部件。
在一些实施例中，填充部件若设置在压电梁的间隙、上表面或下表面中的至少一个位置，并且填充部件的刚度小于多个压电梁的刚度。
在一些实施例中，压电换能器可以包括多个压电梁，多个压电梁中相邻两个压电梁之间的缝隙不大于20μm。
在一些实施例中，拾振结构可以包括多个压电梁和振动膜，振动膜覆盖在多个压电梁的表面以防止液体穿过换能单元。
在一些实施例中，多个压电梁可以振动产生不同频率的谐振峰。
在一些实施例中，换能单元包括电容换能器，电容换能器至少包括带孔背极板和振膜。
在一些实施例中，液体能够通过带孔背极板上的孔渗入带孔背极板与振动电极膜之间。
在一些实施例中，带孔背极板和振动电极膜之间存在空气域。
在一些实施例中，壳体还可以具有气体腔，前腔和后腔中的一个腔体内充有液体，气体腔与前腔和后腔中未充有液体的另一个腔体连通。
在一些实施例中，气体腔中设置有多孔介质材料或超材料。
在一些实施例中，前腔和后腔中的一个腔体内充有液体，与前腔和后腔中未充有液体的另一个腔体对应的壳体位置可以设置有气孔。
在一些实施例中，气孔上覆盖有第二柔性膜。
在一些实施例中，液体在拾振结构的振动方向上的投影面积与拾振结构在振动方向上的投影面积之间的比值可以在1-30范围内。
在一些实施例中，在拾振结构的振动方向上，液体在前腔和后腔中至少一个腔体内的填充尺寸与换能单元在振动方向上的尺寸之间的比值可以不小于0.5。
本说明书实施例之一提供一种麦克风，该麦克风可以包括上述的传感装置。
本申请的一部分附加特性可以在以下描述中进行说明。通过对以下描述和相应附图的研究或者对实施例的生产或操作的了解，本申请的一部分附加特性对于本领域技术人员是明显的。本申请的特征可以通过实践或使用下面讨论的详细示例中所述的方法、工具和组合的各个方面来实现和实现。
附图说明
本说明书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是根据本说明书的一些实施例提供的示例性传感装置的示意图；
图2是根据本说明书的一些实施例提供的示例性麦克风的结构示意图；
图3是根据本说明书的一些实施例提供的换能单元的示例性等效振动模型的示意图；
图4是根据本说明书的一些实施例提供的示例性传感装置的位移共振曲线的示意图；
图5是根据本说明书的一些实施例提供的示例性传感装置的力学等效示意图；
图6是根据本说明书的一些实施例提供的内部充满液体的传感装置的示意图；
图7是根据本说明书的一些实施例提供的示例性传感装置的力学等效示意图；
图8是根据本说明书的一些实施例提供的内部填充液体和气泡的传感装置的示意图；
图9是根据本说明书的一些实施例提供的传感装置的示例性频响曲线；
图10是根据本说明书的一些实施例提供的传感装置的示例性频响曲线；
图11是根据本说明书的一些实施例提供的待填充液体的传感装置的示意图；
图12是根据本说明书的一些实施例提供的示例性传填充液体的感装置的示意图；
图13是根据本说明书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是根据本说明书的一些实施例提供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是根据本说明书的一些实施例提供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是根据本说明书的一些实施例提供的填充液体和气泡的传感装置的示意图；
图17是根据本说明书的一些实施例提供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-18D是根据本说明书的一些实施例提供的填充液体中的气泡在不同位置的传感装置示意图；
图19是根据本说明书的一些实施例提供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是根据本说明书的一些实施例提供的在传感装置中填充液体前后的频响曲线；
图21是根据本说明书的一些实施例提供的示例性包含液滴的传感装置的示意图；
图22是根据本说明书的一些实施例提供的示例性包含液滴的传感装置的示意图；
图23A-23B是根据本说明书的一些实施例提供的示例性包含液膜的传感装置的示意图；
图24A-24B是根据本说明书的一些实施例提供的示例性包含液膜的传感装置的示意图；
图25A是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的力学结构示意图；
图25B-25D是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的结构示意图；
图26是根据本说明书一些实施例所示的示例性的换能单元的俯视结构示意图；
图27A-图27D是图26中换能单元的AA截面示意图；
图28A是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的结构示意图；
图28B是图28A中换能单元的俯视图；
图29A-29C是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的频响曲线；
图30A-30B是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的结构示意图；
图31是根据本说明书一些实施例所示的示例性的包含电容换能器的传感装置的频响曲线；
图32是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的结构示意图；
图33是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的结构示意图；
图34是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的结构示意图；
图35A是根据本说明书一些实施例所示的示例性的包含气体腔的传感装置的频响曲线；
图35B是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的频响曲线；
图36是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的俯视结构示意图；
图37是根据本说明书一些实施例所示的示例性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示例性的设置有液体的传感装置的频响曲线；
图39是根据本说明书一些实施例所示的示例性的设置有液体的传感装置的频响曲线；
图40是根据本说明书的一些实施例提供的气导麦克风的示例性结构示意图；
图41是根据本说明书的一些实施例提供的传感装置的示意图；
图42是根据本说明书的一些实施例提供的气导麦克风填充液体前后的频响曲线；
图43是根据本说明书的一些实施例提供的传感装置的示意图；
图44是根据本说明书的一些实施例提供的填充不同运动粘度液体的传感装置的频响曲线；
图45是根据本说明书的一些实施例提供的传感装置的示例性示意图
图46是根据本说明书的一些实施例的填充不同粘度液体的传感装置的频响曲线；
图47是根据本说明书的一些实施例提供的示例性感应设备的示意图；
图48是根据本说明书的一些实施例的示例性陀螺仪的示意图；
图49是根据本说明书的一些实施例的示例性测试传感装置灵敏度的示意图。
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说明书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。
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。
如本说明书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。
在本说明书的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等术语应做广义理解。例如，术语“连接”可以指固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本说明书中的具体含义。
本说明书实施例中提供一种传感装置。该传感装置可以将外界信号(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)。该传感装置可以包括壳体和换能单元。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。前腔和后腔中至少一个腔体内充有液体，所述液体与拾振结构接触。
在一些实施例中，拾振结构可以具有谐振频率(如，第一谐振频率)，该谐振频率与拾振结构本身的属性(例如，形状、材料、结构等)有关。在一些实施例中，充有液体的前腔和/或后腔内可以存在气腔。气腔可以随着液体振动而改变体积。前腔和/或后腔中的液体和/或气腔共同作用可以影响传感装置对外界信号的响应，其可以形成一个额外谐振系统，为传感装置提供一个额外谐振频率(如，第二谐振频率)，从而使传感装置的频率响应曲线(可以简称频响曲线)更为平坦。在一些实施例中，气腔可以存在于液体内部(例如，以气泡的形式)。在一些实施例中，为了便于制备传感装置，提高传感装置的稳定性，气腔可以位于液体与壳体之间。进一步地，液体与气腔之间可以设置第一柔性膜。
在一些实施例中，当前腔和后腔中只有一个腔体内充有液体时，可以通过调节未充有液体的另一个腔体内的气体的等效刚度，从而调节传感装置的谐振频率(例如，第一谐振频率)。例如，可以在与未充有液体的另一个腔体对应的壳体位置上设置气孔，来减小该腔体中气体的等效刚度，从而使拾振结构的谐振频率(即，第一谐振频率)和/或额外谐振系统的额外谐振峰向向低频方向移动。又例如，可通过改变未充有液体的另一个腔体中气体的气压来改变气体的等效刚度，从而调整第一谐振峰和/或额外谐振峰的位置。再如，可通过改变未充有液体的另一个腔体的腔体大小，从而调整第一谐振峰和/或额外谐振峰的位置。
如此，通过调整拾振结构和/或额外谐振系统的参数(例如气腔尺寸、液体质量、液体粘度等)，可以改变第一谐振频率和第二谐振频率之间的关系，从而达到例如，提高传感装置在更宽频率范围(尤其是中低频范围)内的灵敏度，可靠性或使传感装置的输出增益在所需频段(例如，中低频)更加平坦的目的。
图1是根据本说明书的一些实施例提供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和处理电路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/或处理电路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，容置腔内也可以包括真空结构。
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、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和处理电路130电连接。
处理电路130可以用于处理数据和/或信号。在一些实施例中，处理电路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，处理电路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，处理电路130还可以位于壳体110的容置腔之外。例如，处理电路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，处理电路130可以处理目标信号。继续以骨传导麦克风为例，处理电路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与处理电路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和处理电路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与处理电路130可以上下堆叠布置，换能单元120与处理电路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是根据本说明书的一些实施例提供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、处理电路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和处理电路230分别通过换能单元固定胶250和处理电路固定胶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/或处理电路固定胶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/或处理电路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和处理电路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、处理电路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物理连接。本申请所述的“物理连接”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，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。压电晶体是指压电单晶体。在一些实施例中，压电晶体材料可以包括水晶、闪锌矿、方硼石、电气石、红锌矿、GaAs、钛酸钡及其衍生结构晶体、KH2PO4、NaKC4H4O6·4H2O(罗息盐)等，或其任意组合。压电陶瓷材料是指由不同材料粉粒之间的固相反应和烧结而获得的微细晶粒无规则集合而成的压电多晶体。在一些实施例中，压电陶瓷材料可以包括钛酸钡(BT)、锆钛酸铅(PZT)、铌酸铅钡锂(PBLN)、改性钛酸铅(PT)、氮化铝(AIN)、氧化锌(ZnO)等，或其任意组合。在一些实施例中，压电层材料还可以为压电聚合物材料，例如，聚偏氟乙烯(PVDF)等。在一些实施例中，第一电极层和第二电极层为导电材质结构。示例性的导电材质可以包括金属、合金材料、金属氧化物材料、石墨烯等，或其任意组合。在一些实施例中，金属与合金材料可以包括镍、铁、铅、铂、钛、铜、钼、锌，或其任意组合。在一些实施例中，合金材料可以包括铜锌合金、铜锡合金、铜镍硅合金、铜铬合金、铜银合金等，或其任意组合。在一些实施例中，金属氧化物材料可以包括RuO2、MnO2、PbO2、NiO等，或其任意组合。
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。
处理电路230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。
图3是根据本说明书的一些实施例提供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：
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＝x acos(ωt-θ)， (2)
其中，
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：
其中， 为力学品质因素； 为静态位移振幅(或称ω＝0时的位移振幅)；ω 0为系统谐振频率。
图4是根据本说明书的一些实施例提供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 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Q m值，对应图中不同的曲线，其位移振幅比值A不同。在外力(或振动)的频率与系统谐振频率的比值 为1处，系统发生共振，此时位移变化最大。Q m值越大的换能单元，A值越大，曲线越陡峭；而Q m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Q m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 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是根据本说明书的一些实施例提供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是根据本说明书的一些实施例提供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、共振峰峰值、共振峰(也可以称为谐振峰)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/m 3，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共振峰。所述至少两个共振峰包括第一共振峰和第二共振峰。第一共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。第二共振峰为第一谐振系统530作用产生的共振峰，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，第一共振峰对应的谐振频率(也叫作第一谐振频率)和第二共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对应的第二共振峰的存在，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的第一共振峰的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共振峰、第二共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是根据本说明书的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腔(在本说明书中，气腔也可以称为气泡)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、共振峰峰值、共振峰所在频率范围、峰谷值和/或品质因子Q等)确定。
图8是根据本说明书的一些实施例提供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共振峰。所述至少两个共振峰包括第三共振峰和第四共振峰。第三共振峰为换能单元720对应的共振峰，第四共振峰为第二谐振系统740作用产生的共振峰。
在一些实施例中，传感装置700的第三谐振频率(第三共振峰对应的谐振频率)和第四谐振频率(第四共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的第三共振峰的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共振峰、第四共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是根据本说明书的一些实施例提供的传感装置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包括共振峰911。频响曲线920包括第一(或第三)共振峰921和第二(或第四)共振峰922。对于传感装置500，第一共振峰921对应的频率为第一谐振频率，第二共振峰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，第三共振峰921对应的频率为第三谐振频率，第四共振峰922是由第二谐振系统740作用而形成的，第四共振峰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)共振峰922在第一(或第三)共振峰921左侧，即第二(或第四)共振峰922对应的频率小于第一(或第三)共振峰对应的频率。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)共振峰922对应的频率大于第一(或第三)共振峰921对应的频率，即第二(或第四)共振峰922在第一(或第三)共振峰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)共振峰922可能在第一(或第三)共振峰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，共振峰911所对应的频率在100Hz-12000Hz范围内。在一些实施例中，共振峰911所对应的频率在100Hz-10000Hz范围内。在一些实施例中，共振峰911所对应的频率在500Hz-10000Hz范围内。在一些实施例中，共振峰911所对应的频率在1000Hz-7000Hz范围内。在一些实施例中，共振峰911所对应的频率在1500Hz-5000Hz范围内。在一些实施例中，共振峰911所对应的频率在2000Hz-5000Hz范围内。在一些实施例中，共振峰911所对应的频率在2000Hz-4000Hz范围内。在一些实施例中，共振峰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)共振峰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)共振峰921所对应的频率在500Hz-10000Hz范围内。在一些实施例中，第一(或第三)共振峰921所对应的频率在1000Hz-10000Hz范围内。在一些实施例中，第一(或第三)共振峰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)共振峰921所对应的频率在1500Hz-5000Hz范围内。在一些实施例中，第一(或第三)共振峰921所对应的频率在2000Hz-5000Hz范围内。在一些实施例中，第一(或第三)共振峰921所对应的频率在2000Hz-4000Hz范围内。在一些实施例中，第一(或第三)共振峰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)共振峰921对应的谐振频率(第一谐振频率或第三谐振频率)与共振峰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，则第一共振峰921对应的第一频率较共振峰911对应的谐振频率变大，即第一共振峰921相对于共振峰911右移。
在一些实施例中，第二(或第四)共振峰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)共振峰922所对应的频率在50Hz-10000Hz范围内。在一些实施例中，第二(或第四)共振峰922所对应的频率在50Hz-6000Hz范围内。在一些实施例中，第二(或第四)共振峰922所对应的频率在100Hz-5000Hz范围内。在一些实施例中，第二(或第四)共振峰922所对应的频率在500Hz-5000Hz范围内。在一些实施例中，第二(或第四)共振峰922所对应的频率在1000Hz-5000Hz范围内。在一些实施例中，第二(或第四)共振峰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)共振峰922所对应的频率在1000Hz-2000Hz范围内。在一些实施例中，第二(或第四)共振峰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上的两个共振峰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，共振峰921和922之间的低谷与共振峰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，共振峰921和922之间的低谷与共振峰921和922中较高峰的峰值的灵敏度差值不高于20dBV，所述灵敏度差值与所述较高峰的峰值的比值不超过0.15。在一些实施例中，共振峰921和922之间的低谷与共振峰921和322中较高峰的峰值的灵敏度差值不高于15dBV，所述灵敏度差值与所述较高峰的峰值的比值不超过0.12。在一些实施例中，共振峰921 和922之间的低谷与共振峰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，共振峰921和922之间的低谷与共振峰921和322中较高峰的峰值的灵敏度差值不高于8dBV，所述灵敏度差值与所述较高峰的峰值的比值不超过0.08。在一些实施例中，共振峰921和922之间的低谷与共振峰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，共振峰921和922对应的谐振频率的差值(共振峰921的频率以f 0表示(其与共振峰911接近)，共振峰922的频率以f 1表示，以频率差△f 1表示共振峰921和922对应的谐振频率的差值)在一定范围内，可以使得共振峰921和922之间的频响曲线较为平坦。在一些实施例中，频率差△f 1在200-3000Hz范围内，频率差△f 1与f 0的比值在0.2-0.7范围内。在一些实施例中，频率差△f 1在200-2000Hz范围内，频率差△f 1与f 0的比值在0.2-0.65范围内。在一些实施例中，频率差△f 1在500-2000Hz范围内，频率差△f 1与f 0的比值在0.25-0.65范围内。在一些实施例中，频率差△f 1在500-1500Hz范围内，频率差△f 1与f 0的比值在0.25-0.6范围内。在一些实施例中，频率差△f 1在800-1500Hz范围内，频率差△f 1与f 0的比值在0.3-0.6范围内。在一些实施例中，频率差△f 1在1000-1500Hz范围内，频率差△f 1与f 0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)共振峰922对应的谐振频率f 1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10dBV-50dBV范围内。在一些实施例中，△V1在15dBV-50dBV范围内。在一些实施例中，△V1在15dBV-40dBV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25dBV-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)共振峰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20dBV，峰谷值与最高峰的峰值的比值不超过0.15。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8dBV，峰谷值与最高峰的峰值的比值不超过0.08。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，第四共振峰922对应的频率(即第四谐振频率)为中低频，第三共振峰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f 1以内的频率范围内的灵敏度最小值与第四共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f 1以内的频率范围内的灵敏度最小值与第四共振峰的峰值之间的差值不大于20dBV，其比值不小于0.15。在一些实施例中，频响曲线920在谐振频率f 1以内的频率范围内的灵敏度最小值与第四共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)共振峰921的峰值、频率、第二(或第四)共振峰922的峰值、频率、Q值、△f 1、△V1、△V2、△f 1与f 0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0.5um-1mm、50um-100mm、200um-200mm。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-20um、200um-2mm、800um-4mm。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2-30mm，2-30mm，以及1-30mm。在一些实施例中，传感装置的容置腔的长、宽、高分别为5-10mm，5-10mm，以及1-10mm。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10-100mm，10-50mm，以及10-50mm。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具有的第二共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10％-80％。在一些实施例中，气泡的体积与液体体积的比例可以为20％-60％。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的共振峰的Q值进行有效抑制，但是不压制对应传感装置700的共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10％-80％。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20％-60％。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是根据本说明书的一些实施例提供的传感装置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包括共振峰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)共振峰(图中未示出)和第二(或第四)共振峰1021。在一些实施例中，第一(或第三)共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)共振峰右移外，大致相同。第二(或第四)共振峰1021所对应的频率与图9中第二(或第四)共振峰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30dBV，所述灵敏度差值与所述最大值的比值不超过0.25。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20dBV，所述灵敏度差值与所述最大值的比值不超过0.15。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)共振峰和第二(或第四)共振峰1021对应的谐振频率的差值(第一(或第三)共振峰的频率以f 0表示(与共振峰1011接近)，第二(或第四)共振峰1021的频率以f 1表示，以频率差△f 2表示两个共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△f 2在1000-8000Hz范围内，所述频率差△f 2与f 0的比值在0.2-0.8范围内。在一些实施例中，频率差△f 2在1000-6000Hz范围内，所述频率差△f 2与f 0的比值在0.2-0.65范围内。在一些实施例中，频率差△f 2在2000-6000Hz范围内，所述频率差△f 2与f 0的比值在0.3-0.65范围内。在一些实施例中，频率差△f 2在3000-5000Hz范围内，所述频率差△f 2与f 0的比值在0.3-0.5范围内。在一些实施例中，频率差△f 2在3000-4000Hz范围内，所述频率差△f 2与f 0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)共振峰1021对应的谐振频率f 1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。
对于传感装置700，在一些实施例中，第四共振峰1021对应的频率(即第四谐振频率)为中低频，第三共振峰对应的频率(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f 1以内的频率范围内的灵敏度最小值与第四共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f 1以内的频率范围内的灵敏度最小值与第四共振峰的峰值之间的差值不大于20dBV，其比值不小于0.15。在一些实施例中，频响曲线920在谐振频率f 1以内的频率范围内的灵敏度最小值与第四共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，例如初级共振峰的峰值、频率、次级共振峰1021的峰值、频率、Q值、△f 2、△V3、△f 2与f 0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是根据本说明书的一些实施例提供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、处理电路1130和PCB 1140。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和处理电路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和处理电路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的共振峰(也称第一共振峰，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共振峰(即第二共振峰)对应的频率较高，可能与传感装置1100的第一共振峰较近，第一共振峰和第二共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对应的共振峰的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/m 3。在一些实施例中，所述液体的密度可以为0.6-1.4kg/m 3。在一些实施例中，所述液体的密度可以为0.7-1.1kg/m 3。在一些实施例中，所述液体的密度可以为0.8-1.0kg/m 3。在一些实施例中，所述液体的密度可以为0.85-0.95kg/m 3。在一些实施例中，所述液体的密度可以为0.9-0.95kg/m 3。在一些实施例中，所述液体的密度可以为0.93-0.95kg/m 3。
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0.1-1000cst。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0.3-200cst。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。在一些实施例中，为了增加传感装置的稳定性，气泡可以位于壳体1110与液体之间。更多关于气泡位于壳体与液体之间的描述可以参见图25A-25D等及其描述。
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，由于气腔内填充气体后存在一定的弹性特性，该弹性特征与气腔内的气压有关，因此，可以通过改变气泡中的气压来改变气腔的等效刚度，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共振峰(也称第四共振峰)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，可以调整第四共振峰的位置，使第三共振峰与第四共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是根据本说明书的一些实施例提供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、处理电路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和处理电路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(图中未示处)。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是根据本说明书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是根据本说明书的一些实施例提供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2-10mm、2-10mm、以及0.5-10mm。在一些实施例中，传感装置的容置腔的长、宽、高分别为2-10mm、2-10mm、以及0.5-5mm。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，频响曲线1410为容置腔中未填充液体的传感装置的频响曲线。频响曲线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。频响曲线1430为仅后腔中部分填充液体时传感装置的频响曲线。频响曲线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。
结合频响曲线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共振峰(也称第四共振峰)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是根据本说明书的一些实施例提供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2-30mm、2-30mm、以及1-30mm。在一些实施例中，传感装置的容置腔的长、宽、高分别为5-10mm、5-10mm、以及1-10mm。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10-100mm、10-50mm、以及10-50mm。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共振峰被完全抑制。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，频响曲线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10-30dBV。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是根据本说明书的一些实施例提供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是根据本说明书的一些实施例提供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。
结合频响曲线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是根据本说明书的一些实施例提供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。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。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压电梁和振膜(如图28B所示的换能单元2520)。
图19是根据本说明书的一些实施例提供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。
结合频响曲线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，结合频响曲线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是根据本说明书的一些实施例提供的在传感装置中填充液体前后的频响曲线。
如图20所示，频响曲线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。
结合频响曲线2010和2020可知，填充液体的传感装置在2000-20000Hz频段存在一个共振峰。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)共振峰(例如，第一或第三共振峰)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共振峰(第一或第三共振峰)的Q值进行抑制，同时不压制共振峰区域之外的其他区域的灵敏度。
图21是根据本说明书的一些实施例提供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5％～50％。在一些实施例中，液滴2130的体积大小可以为前腔体积的10％～40％。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％。在一些实施例中，液滴2130的体积大小可以为后腔体积的5％～50％。在一些实施例中，液滴2130的体积大小可以为后腔体积的10％～40％。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是根据本说明书的一些实施例提供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是根据本说明书的一些实施例提供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是根据本说明书的一些实施例提供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是根据本说明书的一些实施例提供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是根据本说明书的一些实施例提供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25A是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的力学结构示意图。在一些实施例中，传感装置2500可以视为在换能单元2520的基础上加入额外谐振系统。示例性地，在本实施例中，壳体2510可以等效为质量(Ms)。换能单元2520可以等效为一个弹簧(Km’)-质量(Mm)-阻尼(Rm’)系统。质量(Mm)可以由换能单元2520自身的质量以及换能单元2520上液体2540的等效附加质量提供。弹簧(Km’)-阻尼(Rm’)可以由后腔2502的等效弹簧阻尼(即等效弹簧(Ka)-阻尼(Ra))、换能单元2520自身的弹簧阻尼、液体2540附加弹簧阻尼共同决定。
通过设计液体2540与气腔2503，可以形成一个新的弹簧(Kp’)-质量(Ml)-阻尼(Rp’)系统，也即额外谐振系统。质量(Ml)主要由液体2540提供。弹簧(Kp’)-阻尼(Rp’)可以由前腔2501中气体的刚度和阻尼、液体2540与气腔2503之间的界面(例如，气液界面2550、或第一柔性膜2555)的刚度和阻尼、以及液体2540自身的刚度和阻尼共同决定。
液体2540与换能单元2520接触，可以等效为液体2540与换能单元2520之间由液体2540形成的等效弹簧(Kl)与阻尼(Rl)连接。液体2540可以接收壳体2510的振动。液体2540与壳体2510之间由液体2540形成的等效弹簧(Kl1)-阻尼(Rl1)连接。
当壳体2510接收外部信号(即，外界激励)时，可以通过弹簧(Km’)-阻尼(Rm’)、弹簧(Kp)-阻尼(Rp)、弹簧(Ka)-阻尼(Ra)、以及弹簧(Kl 1)-阻尼(Rl 1)将信号传递至传感装置2500的液体2540、换能单元2520以及后腔2502中的气体。例如，如图25A所示，传感装置2500可以在激振加速度a的作用下做受迫振动，通过弹簧(Km’)-阻尼(Rm’)、弹簧(Kp)-阻尼(Rp)、弹簧(Ka)-阻尼(Ra)、以及弹簧(Kl 1)-阻尼(Rl 1)等将作用力传递至换能单元2520使其产生速度V。
在本申请实施例中，当传感装置2500接收到外界激励时，除换能单元2520在惯性作用下发生响应之外，液体2540和气腔2503提供的额外谐振系统也会由于惯性作用产生相应的响应作用于换能单元2520上，使得传感装置2500的频响曲线上产生一个额外的谐振峰，相较于其他未设置液体2540和气腔2503的传感装置，传感装置2500的输出可以大幅度增加。更多关于引入额外谐振系统的效果的描述可以参见本申请其他地方，例如图9和10及其描述。
图25B-25D是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的结构示意图。如图25B所示，传感装置2500包括壳体2510、换能单元2520和处理电路2530。
壳体2510内部具有容置腔。容置腔可以用于容纳换能单元2520和/或处理电路2530。壳体2510可以用于传递外部信号(如力学信号、声信号等)，以使换能单元2520感应外部信号，从而生成目标信号。示例性的，在传感装置2500为骨传导麦克风时，壳体2510可以根据外部声音，将与声音对应的振动传输给换能单元2520。关于壳体的更多具体描述，可以参考本申请说明书其他地方，例如图1、图2及其描述。
换能单元2520可以用于将外部信号转换为目标信号，如将振动信号转换为电信号。在一些实施例中，换能单元2520可以包括拾振结构2521和基体结构2522。基体结构2522与壳体2510内壁固定连接，拾振结构2521承载于基体结构2522。拾振结构2521可以用于拾取振动而产生目标信号(例如，电信号)。例如，拾振结构2521可以拾取与其接触的基体结构2522传递的壳体2510的振动。再例如，当容置腔中充有液体时，拾振结构2521可以拾取与其接触的液体(例如，液体2540)传输的振动。基体结构2522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。在一些实施例中，拾振结构2521可以覆盖筒状结构的一侧开口。如此设置，可以使换能单元2520将容置腔分隔形成位于拾振结构2521相反两侧的前腔2501和后腔2502。例如，如图25B所示，拾振结构2521、基体结构2522和部分壳体构成后腔2502。传感装置2500的壳体2510内的容置腔中除后腔2502以外的空间的为前腔2501。在一些实施例中，换能单元2520可以只包括拾振结构2521。拾振结构2521直接将容置腔分隔形成位于拾振结构2521相反两侧的前腔和后腔。例如，拾振结构2521可以为压电膜，压电膜的边缘可以直接与壳体2510连接，从而与壳体2510配合形成前腔和后腔。又例如，拾振结构2521可以为压电梁和振动膜，压电梁的一端可以直接与壳体2510连接，振动膜可以覆盖在压电梁表面，而使容置腔分隔形成前腔和后腔。
在一些实施例中，前腔2501和后腔2502中至少一个腔体内充有液体2540。液体2540与拾振结构2521接触。通过将液体2540设置为与拾振结构2521接触，使得传感装置2500在受到激励时，拾振结构2521不仅可以拾取壳体2510的振动，还可以拾取液体2540传递的振动，从而使得传感装置2500的频响曲线上除产生与拾振结构2521固有谐振频率对应的谐振峰(即第一谐振峰)之外，还会额外产生一个谐振峰(即第二谐振峰)，从而使得传感装置2500的输出灵敏度大幅度增加。例如，可以在前腔2501和后腔2502中充满液体，从而为换能单元2520提供额外谐振系统(例如第一谐振系统530)，额外谐振系统可以为换能单元2520提供额外的谐振峰，从而提升传感装置2500的灵敏度。
在一些实施例中，液体2540可以设置在前腔2501(如图25B所示的传感装置2500)中，也可以设置在后腔2502中，也可以同时设置在前腔2501和后腔2502(如图18A所示的传感装置1810)中。为便于描述，在以下将以前腔充有液体的传感装置作为示例进行说明，其并不限制本申请的范围。例如，液体2540可以设置在后腔2502。进一步地，后腔可以设置有柔性膜，液体2540可以设置在柔性膜与换能单元2520形成的空间中。
在一些实施例中，前腔2501中可以设置有气腔2503(也称为气泡)。气腔2503内充有气体(例如，空气)。液体2540和气腔2503可以构成第二谐振系统740，从而提升传感装置2500的传感灵敏度(如图7-10所示)。
在一些实施例中，为了提高传感装置2500的稳定性，气腔2503可以设置在液体2540与拾振结构2521的振动方向上对应的壳体2510之间。此时，由于液体2540的粘滞作用(或气体密度小于液体密度)，气腔2503的位置不易改变，从而提升传感装置2500的稳定性，同时便于制备传感装置。
在一些实施例中，如图25B所示，液体2540与气腔2503之间可以形成气液界面2550。换句话说，液体2540上表面不存在任何约束结构。在液体2540与气体交界面可以形成刚度极低的气液界面2550。刚度极低的气液界面2550对换能单元2520(或拾振结构2521)整体附加刚度较小，因而可实现较大的输出。在这种情况下，传感装置2500可以应用于振动较小，且无需频繁移动的应用场景。
在一些实施例中，如图25C所示，液体2540与气腔2503之间可以设置有第一柔性膜2555。第一柔性膜2555为可形变的膜状结构。第一柔性膜2555可以对液体2540的边界进行约束，保证在振动过程中液体2540为可控的状态，进一步保证传感装置2500性能的稳定性与传感装置2500的可靠性。在这种情况下，传感装置2500可以应用于激励较大、使用环境较为复杂、需要频繁移动的使用情景。
在一些实施例中，可以通过设计第一柔性膜2555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2520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，第一柔性膜2555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，第一柔性膜2555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，第一柔性膜2555的厚度范围可以为0.05mm-0.15mm。
在一些实施例中，如图25D所示，为了进一步实现对液体2540产生的谐振峰的有效调节，可在第一柔性膜2555上增加质量块2560。示例性的，对于额外谐振系统(即弹簧(Kp)-质量(Ml)-阻尼(Rp)系统)，若增加质量块2560的质量，则可以增加质量(Ml)，从而降低传感装置2500的额外谐振峰对应的频率(即，额外谐振频率)(例如，如图29C所示)；若减小质量块2560的质量，则可以减小质量(Ml)，从而提高传感装置2500的额外谐振峰对应的额外谐振频率。
在一些实施例中，质量块2560可以选用金属材料(如铁、铜、铝等)、半导体材料(如硅、石墨等)、有机材料(如橡胶、塑料等)等材料中的一种或多种。在一些实施例中，第一柔性膜2555与质量块2560可由相同材料制备。在这种情况下，第一柔性膜2555与质量块2560可采用一体成型方式，或采用半导体的局部刻蚀工艺制备。在一些实施例中，第一柔性膜2555与质量块2560可由不同材料制备。第一柔性膜2555与质量块2560可采用粘接、键合、沉积等宏观或者半导体工艺制备。
在一些实施例中，换能单元2520可以包括压电换能器。拾振结构2521可以包括压电膜或压电梁等。例如，压电膜为具有压电效应的膜状组件，压电膜的边缘可以固定在的基体结构2522上以构成换能单元2520。又例如，压电梁的一端可以固定在基体结构2522上以构成换能单元2520。在一些实施例中，压电膜或压电梁可以包括至少两个电极层(例如，第一电极层和第二电极层)和至少一个压电层，压电层可以位于第一电极层和第二电极层之间。关于压电层和电极层的更多描述可以参见图2及其描述。在一些实施例中，压电膜或压电梁可以为压电双晶结构。例如，压电层可以包括由上至下依次设置的第一电极层、第一压电层、第二电极层、第二压电层和第三电极层。
在一些实施例中，压电膜或压电梁还可以包括衬底层，衬底层可以设置在电极层与基体结构2522之间，其用于支撑压电层和电极层。在一些实施例中，可以在衬底层上通过涂覆、浇筑等工艺制备电极层和压电层。在一些实施例中，衬底层可以采用硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅等一种或多种材料。在一些实施例中，衬底层可以为单层或多层复合结构。
在一些实施例中，压电膜可以为圆形、矩形、椭圆形、半圆形、多边形等规则形状任意不规则形状。基体结构2522可以为具有对应形状的筒体结构。
在一些实施例中，在换能单元2520尺寸不变且驱动力相同的情况下，为了进一步提高传感装置2500的输出性能(例如，使拾振结构5221产生更大的输出位移)，可以将压电膜结构拆分为多个悬臂梁式结构。换句话说，拾振结构2521可以包括多个压电梁2523。多个压电梁2523(例如，2个、3个、4个压电梁2523)可以设置在同一平面上，使得拾振结构2521呈各种形状(例如，正方形、圆形等)。如此设置，相较于一个整体的压电膜，多个压电梁2523可以独立感应外部信号，其可以作为一个整体输出目标信号，从而多个压电梁2523组成的整体可以在相同的外部激励下产生更大的位移，使得拾振结构2521可以输出更大的电信号，提高传感装置2500的灵敏度。
图26是根据本说明书一些实施例所示的示例性的换能单元的俯视结构示意图。图27A-图27D是图26中换能单元的AA截面示意图。示例性的，如图26所示，多个压电梁2523可以设置在同一平面上使得拾振结构2521呈正方形。多个压电梁2523中相邻两个压电梁之间形成间隙，在一些实施例中，多个压电梁2523中相邻两个压电梁之间的缝隙不大于20μm。
在一些实施例中，为了保证液体2540不沿压电梁2523间的间隙流入另一个腔室(例如，从前腔2501流入后腔2502)，提高传感装置2500的稳定性，压电梁2523间的间隙所在位置可以设有填充部件2570。在一些实施例中，填充部件2570可以设置在压电梁2523的间隙(如图27A所示)、上表面(如图27B所示)或下表面(如图27C所示)等中的至少一个位置。例如，如图27D所示，填充部件2570可以同时设置在压电梁2523的间隙、上表面和下表面。
在一些实施例中，多个压电梁2523可以振动产生相同频率的谐振峰。多个压电梁2523可以作为一个整体输出电信号。为了不影响各个压电梁2523的振动，填充部件2570的刚度可以小于多个压电梁2523的刚度。在一些实施例中，填充部件2570可以采用半导体金属材料、非金属材料等材料中的一种或多种。示例性地，填充部件2570可以采用柔性材料，如橡胶、塑料、硅胶等。
图28A是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的结构示意图。图28B是图28A中换能单元的俯视图。
在一些实施例中，如图28A所示，拾振结构2521可以包括多个压电梁2523和振动膜2524。振动膜2524可以覆盖在多个压电梁2523的表面(例如，上表面或下表面)以防止液体2540穿过换能单元2520进入到另一个腔室。振动膜2524可以接收液体2540和/或壳体2510的振动，并将振动传递给各个压电梁2523。在一些实施例中，振动膜2524可以采用与第一柔性膜2555相同或不同的材料。例如，振动膜2524可以采用半导体金属材料、非金属材料等材料中的一种或多种。又例如，振动膜2524可以采用有机材料，如橡胶、塑料、硅胶等。
在一些实施例中，如图28B所示，为了提高传感装置2500结构的稳定性，多个压电梁2523可以平铺分布设置在同一平面上，且相邻的两个压电梁2523可以设置在基体结构2522的相对两侧，使得多个压电梁2523呈交错分布。
在一些实施例中，多个压电梁2523可以振动产生不同频率的谐振峰。每个压电梁2523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电路2530。在一些实施例中，各个子电信号可以单独传输给处理电路2530，由处理电路2530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，拾振结构2521可以不包括振动膜2524。此时，为了阻止液体2540从一个腔室流入另一个腔室，多个压电梁2523中相邻两个压电梁之间、以及压电梁2523与基体结构2522之间的缝隙宽度不大于20μm。
图29A是根据本说明书一些实施例所示的示例性传感装置的频响曲线。如图29A所示，曲线2910表示前腔未填充液体2540时传感装置的频响曲线。曲线2920表示前腔填充液体2540且液体2540与气腔2503中的气体之间存在气液界面时传感装置(例如，如图25B所示传感装置)的频响曲线。从图29A可知，对于未填充液体2540时的传感装置，其频响曲线2910在较高频率具有与其换能单元自身结构相关的固有谐振峰O。通过填充液体2540(对应曲线2920)，使得传感装置在较低的频段(例如，200Hz-1500Hz)产生一个额外谐振峰P(由于阻尼作用而不明显)，极大的提升传感装置在中低频段的输出，例如，在1g激励下，相比于未填充液体2540的传感装置(对应曲线2910)，灵敏度提升约50dBV。
图29B是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的频响曲线。如图29B所示，曲线2930表示液体2540与气腔2503之间存在第一柔性膜2555的情况下，填充液体2540时传感装置(例如，如图25C所示的传感装置)的频响曲线。从图29B可知，通过填充液体2540和使用第一柔性膜2555(对应曲线2930)，使得传感装置在较低的频段(例如，200Hz-2000Hz)产生一个额外谐振峰Q，极大的提升传感装置在中低频段的输出，例如，在1g激励下，相比于未填充液体2540和使用第一柔性膜2555时的传感装置(对应曲线2910)，灵敏度提升约41dBV。
进一步的，通过第一柔性膜2555的设计可实现对设计液体产生的谐振峰的有效调节。例如，相较于填充有液体2540但未设置第一柔性膜2555的传感装置(对应曲线2920)，固有谐振峰(未示出)和额外谐振峰Q均向高频移动。在一些实施例中，额外谐振峰Q与额外谐振峰P之间的差值范围可以在10Hz-1000Hz。
图29C是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的频响曲线。如图29C所示，曲线2940表示设置有液体2540、第一柔性膜2555、以及质量块2560的传感装置(例如，如图25D所示的传感装置)的频响曲线。从图29C可知，相较于只设置液体2540和第一柔性膜2555(对应曲线2930)，通过进一步增加质量块2560(对应曲线2940)，可以使得传感装置的输出进一步提升，例如，在1g激励下，提升约10dBV。此外，由于增加了质量块2560，额外谐振系统的质量增加，导致额外谐振系统的额外谐振峰向低频移动。
图30A和图30B是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的结构示意图。在一些实施例中，如图30A所示，拾振结构2521可以包括静电换能器(例如，电容换能器)。电容换能器至少包括带孔背极板2525和振动电极膜2526。振动电极膜2526和带孔背极板2525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。当存在外部振动信号时，振动电极膜2526可以基于外部振动信号产生振动，而带孔背极板2525固定，从而改变电容器两极的距离，因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。
在一些实施例中，如图30A所示，液体2540可以设置在靠近振动电极膜2526的一侧。振动电极膜2526可以接收液体2540和壳体2510传递的振动。通过振动电极膜2526可以改变振动电极膜2526与带孔背极板2525之间的距离，从而改变振动电极膜2526与带孔背极板2525组成的电容的信号，进而输出至处理电路2530进行处理。
在一些实施例中，如图30B所示，为了使得传感装置2500的频响更加平直，具有较小的Q值，液体2540可以设置在靠近带孔背极板2525的一侧。在这种情况下，液体2540能够通过带孔背极板2525上的孔渗入带孔背极板2525与振动电极膜2526之间，通过孔、振动电极膜2526与带孔背极板2525之间的狭缝结构可增加整体阻尼，从而实现对传感装置2500的阻尼调节。
在一些实施例中，带孔背极板2525和振动电极膜2526之间的液体中存在空气域。空气域可以以气泡的形式存在于带孔背极板2525和振动电极膜2526之间的狭缝。由于带孔背极板2525的存在， 空气域可以被约束在振动电极膜2526与带孔背极板2525之间的狭缝结构之间。空气域与液体2540可以形成额外的谐振系统，为换能单元2520提供额外的谐振峰。通过调节狭缝中空气域和/或液体域的大小，可以实现对电容换能器的频响的调节。进一步的，液体2540位于振动电极膜2526与带孔背极板2525之间形成介质层，通过对液体2540的材料进行设置，可以实现对电容换能器的介电常数等参数的调节，从而调节电容换能器的灵敏度。例如，可以通过填充具有更大介电常数的液体2540来增大电容换能器的灵敏度。
图31是根据本说明书一些实施例所示的示例性的包含电容换能器的传感装置的频响曲线。如图31所示，曲线3010表示未设置液体2540的包含电容换能器的传感装置的频响曲线。曲线3020表示在靠近带孔背极板2525一侧腔体中设计有液体2540的传感装置(例如，如图30B所示的传感装置)的频响曲线。
从图31可知，通过填充液体2540(对应曲线3020)，使得传感装置2500在较低的频段产生一个额外谐振峰M，极大的提升传感装置2500的输出，例如，在1g激励下，提升约46dBV。进一步的，通过将在靠近带孔背极板2525一侧腔体中设计液体2540，实现阻尼效果，从而使得传感装置2500的频响曲线较为平坦。
图32是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的结构示意图。在一些实施例中，由于与换能单元2520接触的空腔(例如，后腔2502)中的气体与换能单元2520(或拾振结构2521)之间存在相互作用(如图25A所示弹簧(Ka)-阻尼(Ra))，空腔中气体的等效刚度可以影响拾振结构2521和/或额外谐振系统的振动性能，因此可以通过改变空腔中的气体的等效刚度来改变拾振结构2521和/或额外谐振系统的谐振频率，从而调节传感装置2500的输出性能。
在一些实施例中，可以通过改变空腔体积来改变空腔中气体的等效刚度。在一些实施例中，如图32所示，前腔2501内充有液体2540时，可以在与后腔2502对应的壳体2510位置设置气孔2515，使得后腔2502与外界环境连通(相当于将后腔2502增大到无限大)，从而减小后腔2502中气体的等效刚度，进而可将额外谐振系统的额外谐振峰设计在较低的频段(例如，200Hz-1500Hz)，从而获得较高的响应输出。在一些实施例中，图32所示的传感装置2500可以应用于对传感装置屏蔽空气噪声无要求的应用场景。
图33是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的结构示意图。在一些实施例中，如图33所示，可以通过设置额外的气体腔2504与未充液体2540的后腔2502连通以增大空腔的体积，使得空腔(后腔2502和气体腔2504)中气体的等效刚度减小，进而可将额外谐振系统的额外谐振峰设计在较低的频段，从而获得较高的响应输出，并具有较高的灵敏度。具体地，壳体2510还可以具有气体腔2504。前腔2501和后腔2502中的一个腔体内充有液体2540，气体腔2504与前腔2501和后腔2502中未充有液体2540的另一个腔体连通。例如，如图33所示，当前腔2501充有液体2540时，气体腔2504可以与后腔2502连通。在一些实施例中，气体腔2504与后腔2502可以统称为后腔。相对于图32所示的传感装置，图33所示的传感装置的后腔的尺寸减小，从而增大气体的等效刚度，使得拾振结构2521的固有谐振峰和额外谐振系统的额外谐振峰均向高频移动(如图35A所示)。在一些实施例中，图33所示的传感装置2500可以应用于对传感装置屏蔽空气噪声有要求，对传感装置尺寸不敏感，且要求较高的灵敏度的应用场景。
在一些实施例中，气体腔2504的边缘可以与壳体2510平齐。换句话说，气体腔2504可以去除，只包括后腔2502(如图25B-图25D所示)。此时，相对于图33所示的传感装置，由于后腔尺寸减小，后腔中气体的等效刚度增大，使得拾振结构2521和/或额外谐振系统的谐振峰继续向高频移动(如图35B所示)。在一些实施例中，图25B-图25D所示的传感装置2500可以应用于对传感装置屏蔽空气噪声有要求，对传感装置尺寸敏感，且待获取的信号频率较高的应用场景。
在一些实施例中，由于气体腔2504与后腔2502中气压可以影响其内部气体的等效刚度，因此可以通过调节气体腔2504与后腔2502中气压来调节传感装置2500的输出性能。例如，可以降低气体腔2504与后腔2502中气压，来降低气体的等效刚度，从而使拾振结构2521和/或额外谐振系统的谐振峰向低频移动。在一些实施例中，可以通过在气体腔2504和/或后腔2502中设置多孔介质材料、超材料等，从而获得虚拟腔体增大的效果，实现气体的等效刚度降低，从而使拾振结构2521和/或额外谐振系统的谐振峰向低频移动。示例性多孔介质材料可以包括金属铝泡沫多孔材料、陶瓷多孔材料、炭泡沫多孔材料等。示例性的超材料可以包括“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”、“金属水”等。
图34是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的结构示意图。在一些实施例中，如图34所示，可以通过在气孔2515上覆盖第二柔性膜2580来改变后腔2502中气体的等效刚度，从而调节传感装置的输出性能。例如，相较于未设置气孔2515的传感装置(如图25B所示的传感装置2500)，通过在气孔2515上覆盖有第二柔性膜2580，可以减小气体与换能单元2520之间的作用，从而减小气体的等效刚度，使拾振结构2521和/或额外谐振系统的谐振峰向低频移动。又例如，相较于仅 设置有气孔的传感装置(如图32所示的传感装置)，通过在气孔2515上覆盖有第二柔性膜2580，可以增加气体的等效刚度，使拾振结构2521和/或额外谐振系统的谐振峰向高频移动。在一些实施例中，第二柔性膜2580可以与第一柔性膜2555相同或不同。
图35A是根据本说明书一些实施例所示的示例性的包含气体腔的传感装置的频响曲线。如图35A所示，曲线3510表示设置有气孔2515的传感装置(例如，如图32所示的传感装置)的频响曲线。曲线3520表示设置有气体腔2504的传感装置(例如，如图33所示的传感装置)的频响曲线。从图35A可知，对于设置有气孔2515的传感装置，后腔2502与外界环境连通，其频响曲线3510在较高频率具有与其换能单元自身结构(如，压电膜等)相关的固有谐振峰O’，在较低的频段具有与液体2540相关的额外谐振峰R。通过设置气体腔2504(对应曲线3520)，相当于减小后腔体积，从而增大后腔中气体的等效刚度，进而使传感装置的固有谐振峰(未示出)以及额外谐振系统的额外谐振峰S向高频移动。
图35B是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的频响曲线。如图35B所示，曲线3530表示气体腔2504的边缘与壳体2510平齐时传感装置(例如，如图25B所示的传感装置)的频响曲线。
对比图35A和图35B，当气体腔2504的边缘与壳体2510平齐时，相对于曲线3520，相当于继续减小后腔体积，从而继续增大气体的等效刚度，使得拾振结构2521的固有谐振峰和额外谐振系统的额外谐振峰继续向高频移动，例如，额外谐振峰T对应的频率大于额外谐振峰S对应的频率。
图36是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的俯视结构示意图。图37是根据本说明书一些实施例所示的示例性的传感装置的结构示意图。在一些实施例中，由于液体2540的质量会影响额外谐振系统(即，弹簧(Kp’)-质量(Ml)-阻尼(Rp’)系统)中的相关数值，进而影响传感装置2500的输出(例如，传感装置2500的固有频率、输出灵敏度等)(如图38或图39所示)，因此可以通过调节液体2540的质量调节额外谐振系统的参数，从而调节换能单元2520的输出，实现对传感装置2500的额外谐振频率和输出灵敏度的调节。
在一些实施例中，液体2540可以不填充满前腔2501。液体2540可以填充在支撑结构(如图37中的支撑结构2590)与壳体2510和/或支撑板板(如图37中的支撑板2595))构成的腔体中。在一些实施例中，可以通过调节液体2540在拾振结构2521的振动方向上的投影面积与拾振结构2521在振动方向上的投影面积的比值来调节传感装置2500中液体2540的质量。例如，在拾振结构2521投影面积不变的情况下，当比值较小时，由于壳体2510的内壁靠近拾振结构2521上方的液体2540，对其约束作用较大，液体2540的流动受阻，此时有效质量大；当比值较大时，由于壳体2510的内壁远离拾振结构2521上方的液体2540，对其约束作用较小，液体2540的流动阻力较小，此时有效质量小。因此，比值在一定范围内，随比值增加，液体2540的有效质量减小。进一步的，超过该范围，随比值增加，液体2540的有效质量基本不变。在本申请中，液体的有效质量可以指沿拾振结构2521的振动方向作用于拾振结构2521，成为其弹簧质量阻尼系统中质量的一部分的等效质量。
仅作为示例，如图36所示，Sq表示液体2540在拾振结构2521的振动方向上的投影面积，即虚线方框的面积，Sm表示拾振结构2521在其振动方向上的投影面积，即虚线圆框的面积，则两者之间的比值α可以表示为：
在一些实施例中，为了使得额外谐振系统提供的额外谐振频率位于200Hz-2000Hz的范围内，液体2540在拾振结构2521的振动方向上的投影面积Sq与拾振结构2521在振动方向上的投影面积Sm之间的比值在1-30范围内。进一步的，为了使得额外谐振系统提供的额外谐振位于200Hz-1500Hz的范围内，液体2540在拾振结构2521的振动方向上的投影面积Sq与拾振结构2521在振动方向上的投影面积Sm之间的比值可以在1-20范围内。更进一步的，为了使得额外谐振系统提供的额外谐振位于200Hz-1000Hz的范围内，液体2540在拾振结构2521的振动方向上的投影面积Sq与拾振结构2521在振动方向上的投影面积Sm之间的比值可以在1-15范围内。
在一些实施例中，比值α可以与传感装置的封装工艺难度相关。例如，当传感装置为MEMS传感装置时，基于MEMS传感装置的长宽2.7mm×1.8mm封装工艺，当拾振结构2521的尺寸为0.9mm×0.9mm时，比值α可以为6，使得换能单元2520(或传感装置2500)具有较小的尺寸，同时具较高的灵敏度与较大的带宽。在一些实施例中，基于MEMS传感装置封装工艺极限，比值α可以在1-7范围内。
在一些实施例中，可以通过调节腔体(例如，前腔2501或后腔2502)内液体2540在拾振结构2521的振动方向上的填充尺寸与换能单元2520在振动方向上的尺寸之间的比值，来调节传感装置2500中液体2540的质量。例如，在换能单元2520的尺寸不变的情况下，比值越大，液体2540在腔体中填充尺寸越大，液体2540的质量也就越大；反之，比值越小，液体2540在腔体中填充尺寸越小，液体2540的质量也就越小。
仅作为示例，如图37所示，h 1表示换能单元2520在其振动方向上的尺寸，h 2表示液体2540在前腔2501内的在振动方向上的填充尺寸，则两者之间的比值γ可以表示为：
在一些实施例中，由于比值γ的增加会使得整个传感装置的高度尺寸增加，因此在考虑液体2540质量的同时，需要结合传感装置性能与传感装置尺寸联合考虑。在一些实施例中，比值γ不小于0.5。例如，比值γ可以大于或等于0.5。进一步的，比值γ可以在1-15范围内。进一步的，比值γ可以在1-10范围内。更进一步的，比值γ可以在1-7.5范围内。
图38是根据本说明书一些实施例所示的示例性的设置有液体2540的传感装置的频响曲线。如图38所示，曲线3810表示液体2540在拾振结构2521的振动方向上的投影面积Sq与拾振结构2521在振动方向上的投影面积Sm的比值等于1(即α＝1)时传感装置的频响曲线。曲线3820表示比值α＝1.2时传感装置的频响曲线。曲线3830表示比值α＝2时传感装置的频响曲线。曲线3840表示比值α＝9时传感装置的频响曲线。
从图38可知，对于设置有液体2540的传感装置，在一定范围内(例如，在比值α不大于2的情况下)，随着α的值不断增加，由于液体2540的有效质量减小，传感装置2500的谐振峰(例如，虚线圈X中的谐振峰)对应的频率(即谐振频率)逐渐增大，且传感装置2500的灵敏度基本不变。因此，可以通过调节α获得一个较宽频带且灵敏度较高的传感装置。当超过某范围(例如，α大于2)时，随着比值α的进一步增加，液体2540的有效质量基本不变，传感装置2500的谐振频率基本保持不变，传感装置2500输出的电信号也基本一致。
综上，通过调节比值α(如，比值α在1-30范围)，可以使得传感装置2500具有较宽频带(即平坦的频响范围)以及高灵敏度。
图39是根据本说明书一些实施例所示的示例性的设置有液体2540的传感装置的频响曲线。如图39所示，曲线3910表示液体2540在前腔2501内的填充尺寸与拾振结构2521在振动方向上的尺寸的比值为1.25(γ＝1.25)时传感装置的频响曲线。曲线3920表示比值γ＝2.5时传感装置的频响曲线。曲线3930表示比值γ＝3.75时传感装置的频响曲线。
从图39可知，对于设置有液体2540的传感装置，随着比值γ不断增加，传感装置2500的谐振峰(例如，虚线圈Y中的谐振峰)对应的频率(即谐振频率)逐渐减小，传感装置2500的灵敏度逐渐增大。因此，通过调节比值γ(例如，比值γ不小于0.5)，使得传感装置2500具有较高灵敏度，且具有合适的尺寸。
图40是根据本说明书的一些实施例提供的气导麦克风的示例性结构示意图。
气导麦克风4000与骨导麦克风的区别在于气导麦克风4000响应于气导声音而产生输出信号。在一些实施例中，气导麦克风的振膜可以将前后腔体隔开，而骨导麦克风的前后腔体可以连通或不连通。如图40所示，气导麦克风4000包括壳体4010、换能单元4020、处理电路4030和PCB 4040。示例性地，气导麦克风4000为压电麦克风。换能单元4020可以包括振膜和压电换能器(图中未示出)。当气导声音信号进入进声孔4050和后腔4002，振膜可以产生振动，压电换能器响应于振膜的声压产生电信号。所述电信号可以经导线传输至处理电路4030或经PCB 4040上的电路传输至其他元器件。
图41是根据本说明书的一些实施例提供的传感装置4100的示意图。
如图41所示，传感装置4100为在气导麦克风4000中填充液体而形成。在一些是实施例中，传感装置4100在进声孔4050处填充液体4080。进声孔4050的尺寸较小，直径可以在0.01mm-5mm范围内。例如，进声孔4050的直径为0.3mm，0.5mm，0.75mm，0.8mm，0.95mm，1.1mm，1.2mm，1.5mm，2mm，3mm，5mm等。液体4080填充至进声孔4050时，液体4080与振膜在后腔4002和进声孔4050中存在未排出的空气，形成气泡4003。此时传感装置4000的振膜一侧腔体(即后腔4002)同时存在液体4080和气泡4003，而在振膜的另一侧腔体为空腔(无液体填充)。
图42是根据本说明书的一些实施例提供的气导麦克风填充液体前后的频响曲线。
如图42所示，频响曲线4210-4230分别为未进行液体填充的气导麦克风(例如，气导麦克风4000)，填充第一液体(例如，运动粘度为0.65cst的液体)的传感装置(例如，传感装置4100)，填充第二液体(例如，运动粘度为50cst的液体)的传感装置的频响曲线。
结合频响曲线4210-4230可知，气导麦克风在部分填充液体后，形成具有第二谐振系统740的传感装置，整体的灵敏度有较大提升(例如，15-50dBV)。同时填充粘度不同的液体，例如，填充运动粘度为50cst的传感装置与填充运动粘度为0.65cst的传感装置，其共振峰(例如，第一或第三共振峰)处的灵敏度与共振峰前平坦区的灵敏度的差值分别约为5-15dBV和15-40dBV，相比可知，填充运动粘度更大的液体对于降低传感装置的Q值有更好的效果。
在一些实施例中，压电式气导麦克风中填充的液体的运动粘度范围在0.1-500cst。在一些实施例中，压电式气导麦克风中填充的液体的运动粘度范围在0.5-200cst。在一些实施例中，压电式气导麦 克风中填充的液体的运动粘度范围在10-200cst。
图43是根据本说明书的一些实施例提供的传感装置4300的示意图。
如图43所示，传感装置4300为填充液体的气导麦克风。示例性地，传感装置4300可以为电容式麦克风，其换能单元可以包括振膜4321(例如，振动电极膜)和背板4325(例如，带孔背极板)。振膜4321和背板4325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。当存在外部振动信号时，振膜4321可以基于外部振动信号产生振动，而背板4325固定，从而改变电容器两极的距离，因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。传感装置4300的其他结构与部件与传感装置4100相同或相似，此处不再赘述。
类似于传感装置4100，传感装置4300的进声孔处填充了液体4380。液体4380填充至进声孔时，在后腔和进声孔中，液体4380与振膜之间存在未排出的空气，形成气泡4303。此时传感装置4300的振膜一侧同时存在液体4380和气泡4303，而在振膜的另一侧为空腔(无液体填充)。
图44是根据本说明书的一些实施例提供的填充不同运动粘度液体的传感装置的频响曲线。
频响曲线4410和4420分别为传感装置(例如，传感装置4300)对应的未填充液体的气导麦克风的频响曲线以及填充液体(例如，运动粘度为0.65cst的硅油)的频响曲线。
结合频响曲线4410和4420可知，进声孔填充液体的传感装置4300较未填充液体的气导麦克风的整体灵敏度提升为10-50dBV。在一些实施例中，整体灵敏度提升为15-40dBV。在一些实施例中，整体灵敏度提升为20-35dBV。
在一些实施例中，填充液体的运动粘度为200cst以内。在一些实施例中，填充液体的运动粘度为100cst以内。在一些实施例中，填充液体的运动粘度为80cst以内。在一些实施例中，填充液体的运动粘度为50cst以内。
图45是根据本说明书的一些实施例提供的传感装置4500的示例性示意图。
传感装置4500为填充液体的气导麦克风，其进声孔以及后腔的直径在毫米量级，可以填充液体的体积较小。根据图44所示，填充液体的可选的运动粘度范围较小，例如，50cst以内。在一些实施例中，进声孔外部可以增加管柱，以获得更大的腔体(后腔，进声孔，以及管柱共同构成的腔体)，用以填充液体4520。示例性地，如图45所示，传感装置4500为电容式麦克风，其进气孔外部设置有管柱4511。管柱4511固定连接于PCB 4540。管柱4511的直径大于或等于进声孔的直径。管柱的高度可以根据填充液体后形成的传感装置4500的频响或填充液体的运动粘度设置。例如，在一定范围内(例如2mm以内，3mm以内等)，随着管柱高度的增加，可选的填充液体的运动粘度范围扩大。所述管柱的高度可以0.1-50mm范围内的任意数值。所述管柱的高度可以为，例如，0.1mm，0.3mm，0.5mm，0.8mm，1mm，1.2mm，1.5mm，2mm，2.2mm，5mm，10mm等，或任意其他管柱高度。
图46是根据本说明书的一些实施例的填充不同粘度液体的传感装置的频响曲线。
频响曲线4610-4640分别为传感装置(例如，传感装置4500)对应的填充液体前的气导麦克风的频响曲线以及填充不同运动粘度(分别为5cst，350cst，1000cst)的液体的频响曲线。
结合频响曲线4610-4640可知，填充液体后，传感装置4500的整体灵敏度提升约为10-50dBV。在一些实施例中，整体灵敏度提升可以为15-40dBV。在一些实施例中，整体灵敏度提升可以为20-35dBV。传感装置4500与不增加管柱的传感装置(例如，传感装置4300)对灵敏度的提升相当。通过增加管柱4511，随着液体运动粘度的增加，传感装置4500的灵敏度在一定范围内(例如，200-6000Hz，200-5000Hz，500-3000Hz等)逐步降低。在一定液体粘度范围内，传感装置4500的灵敏度提升较为稳定。填充液体的运动粘度范围可以大于图44中的可选的运动粘度范围。在一些实施例中，填充液体的运动粘度可以为500cst以内。在一些实施例中，填充液体的运动粘度可以为350cst以内。在一些实施例中，填充液体的运动粘度可以为100cst以内。
图47是根据本说明书的一些实施例提供的示例性感应设备的示意图。
在一些实施例中，感应设备4700可以包括多个传感装置(例如，传感装置1200、1810、2500、4100、4300)。所述多个传感装置中的至少部分传感装置为包括第一谐振系统530的传感装置或包括第二谐振系统740的传感装置。示例性地，至少部分传感装置为填充液体的传感装置(例如，传感装置2500，4100，4300，4500)。在一些实施例中，所述至少部分填充液体的传感装置中的一个或多个传感装置(例如，传感装置2500，4100，4300，4500)中含有气泡(在本说明书中，气泡也可以称为气腔)。在一些实施例中，所述多个传感装置可以是相同类型。例如，所述多个传感装置可以均为气导麦克风、骨导麦克风、能量收集器、陀螺仪等。在另一些实施例中，所述多个传感装置中的至少一个可以是不同类型。例如，所述多个传感装置分别包括气导麦克风和骨导麦克风。示例性地，如图47所示，感应设备4700包括骨导麦克风4710-4750。骨导麦克风4710-4750分别设置于人体的不同位置(例如，耳朵周围不同位置)，用于拾取相对人体不同位置的声音，并基于不同位置的声音，确定特定位置(例如，耳廓内)的声音的声学特征。在一些实施例中，骨导麦克风4710-4750均为填充液体的传感装置。其中， 骨导麦克风4710-4730的填充液体中可以包含气泡；骨导麦克风4740和4750中可以充满液体，不含有气泡。在一些实施例中，骨导麦克风4710-4730和骨导麦克风4740和4750分别用于输出不同频率的信号。根据图11-图39描述可知，填充液体中有气泡的传感装置，中低频响应较好，可用于中低频电信号的输出；填充液体中无气泡的传感装置，可用于高频电信号的输出。因此，骨导麦克风4710-4730可用于输出中低频电信号；而骨导麦克风4740和4750可用于输出高频电信号。
需要注意的是，以上对于感应设备4700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的范围之内。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。
在一些实施例中，感应设备4700可以包括含第一谐振系统530的第一传感装置(例如，充满液体的传感装置1200)和至少一个只含换能单元的传感装置。第一传感装置输出中低频信号；只含换能单元的传感装置输出中高频信号。
在一些实施例中，感应设备4700可以包括含第一谐振系统530的第一传感装置(例如，充满液体的传感装置1200)和含第二谐振系统740的第二传感装置(例如，填充液体和气泡的传感装置2500)。所述第一传感装置输出中低频信号；第二传感装置输出中高频信号。
在一些实施例中，感应设备4700包括第一传感装置和含第一谐振系统530或第二谐振系统740的第三传感装置(例如，图25A-37所述的传感装置2500)。所述第一传感装置输出中低频信号；所述第三传感装置输出中高频信号。
在一些实施例中，感应设备4700包括第一传感装置和含第二谐振系统740的第四传感装置(例如，图40-45所述的传感装置4100、4300或4500)。所述第一传感装置输出中低频信号；所述第四传感装置输出中高频信号。
在一些实施例中，感应设备4700包括第二传感装置和至少一个只含换能单元的传感装置。第二传感装置输出中低频信号；至少一个只含换能单元的传感装置输出中高频信号。
在一些实施例中，感应设备4700包括两组第二传感装置。所述两组第二传感装置分别输出中低频信号和中高频信号。
在一些实施例中，感应设备4700包括第二传感装置和第三传感装置。所述第二传感装置输出中低频信号；所述第三传感装置输出中高频信号。
在一些实施例中，感应设备4700包括含第二传感装置和第四传感装置。所述第二传感装置输出中低频信号；所述第四传感装置输出中高频信号。
在一些实施例中，感应设备4700包括第三传感装置和至少一个只含换能单元的传感装置。第三传感装置输出中低频信号；至少一个只含换能单元的传感装置输出中高频信号。
在一些实施例中，感应设备4700包括第三传感装置和第一传感装置。所述第三传感装置输出中低频信号；所述第一传感装置输出中高频信号。
在一些实施例中，感应设备4700包括第三传感装置和第二传感装置。所述第三传感装置输出中低频信号；所述第二传感装置输出中高频信号。
在一些实施例中，感应设备4700包括第三传感装置和第四传感装置。所述第三传感装置输出中低频信号；所述第四传感装置输出中高频信号。
在一些实施例中，感应设备4700包括第四传感装置和至少一个只含换能单元的传感装置。第四传感装置输出中低频信号；至少一个只含换能单元的传感装置输出中高频信号。
在一些实施例中，感应设备4700包括第四传感装置和第一传感装置。所述第四传感装置输出中低频信号；所述第一传感装置输出中高频信号。
在一些实施例中，感应设备4700包括第四传感装置和第二传感装置。所述第四传感装置输出中低频信号；所述第二传感装置输出中高频信号。
在一些实施例中，感应设备4700包括第四传感装置和第三传感装置。所述第四传感装置输出中低频信号；所述第三传感装置输出中高频信号。
图48是根据本说明书的一些实施例的示例性陀螺仪的示意图。
如图48所示，陀螺仪4800包括壳体4810和在壳体4810内振动的转子4820。当陀螺仪4800静止或轻微晃动时，转子4820在水平方向4830上振动。在一些实施例中，转子4820在水平方向4830上的振动由电磁力驱动。当陀螺仪4800旋转时，产生科里奥利力，驱动转子4820在垂直方向4840上振动。转子4820在垂直方向上4840的振动则会使感应器(图中未示出)产生与旋转角速度成正比的电势差，从而将转动转换为电信号。
在本实施例中，陀螺仪4800还包括第一谐振系统530或第二谐振系统740。示例性地，陀螺仪4800的壳体4810内中空部分填充有液体。所述液体中可以含有气泡或不含有气泡。通过第一谐振系统530或第二谐振系统740，陀螺仪的输出频率响应可以得到改善。通过调整陀螺仪4800及内部元器 件的器件参数(例如，转子4820的质量、体积，壳体4810的尺寸、质量、刚度等)和/或第一谐振系统530或第二谐振系统740的力学参数(例如，填充液体或液体和气泡组合的参数(例如，液体粘度，气泡的数量、体积、位置等))，可获得陀螺仪4800的理想的频率响应。
图49是根据本说明书的一些实施例的示例性测试传感装置灵敏度的示意图。如图49所示，在测量传感装置的灵敏度时，可以将传感装置用适配的夹具固定于振动台面上，声频信号发生器可以向振动台发出振动信号，振动信号经测量放大器放大后使振动台振动，校正激励加速度为3.16m/s 2或1g(即9.8m/s 2)，通过电压表测量其开路电压。测量结果可以根据式(7)计算：
其中，K表示被测传感装置的灵敏度，量纲为V·s 2/m；E表示被测传感装置的开路输出电压，量纲为V；a表示被测传感装置的激励加速度，量纲为m/s 2。在一些实施例中，灵敏度可以根据公式(8)计算：
其中，灵敏度K的量纲为dBV。
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，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确，说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。
同时，本说明书使用了特定词语来描述本说明书的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本说明书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，本说明书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，除非权利要求中明确说明，本说明书所述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，并非用于限定本说明书流程和方法的顺序。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说明书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，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。
同理，应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，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说明书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”表明所述数字允许有±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。尽管本说明书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。
针对本说明书引用的每个专利、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说明书作为参考。与本说明书内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本说明书权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本说明书中的)也除外。需要说明的是，如果本说明书附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本说明书所述内容有不一致或冲突的地方，以本说明书的描述、定义和/或术语的使用为准。
最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。

Claims (20)

  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将所述容置腔分隔形成位于所述拾振结构相反两侧的前腔和后腔，其中，所述前腔和所述后腔中至少一个腔体内充有液体，所述液体与所述拾振结构接触，所述液体与所述壳体之间存在气腔。
  2. 根据权利要求1所述的传感装置，其中，所述液体与所述气腔之间形成气液界面。
  3. 根据权利要求1所述的传感装置，其中，所述液体与所述气腔之间设置有第一柔性膜。
  4. 根据权利要求3所述的传感装置，其中，所述第一柔性膜上设置有质量块。
  5. 根据权利要求1至4中任一项所述的传感装置，其中，所述换能单元包括压电换能器，所述压电换能器至少包括压电膜或压电梁。
  6. 根据权利要求5所述的传感装置，其中，所述压电换能器包括多个压电梁，所述多个压电梁中相邻两个压电梁之间形成间隙，所述间隙所在位置设有填充部件。
  7. 根据权利要求6所述的传感装置，其中，所述填充部件设置在所述压电梁的间隙、上表面或下表面中的至少一个位置，并且所述填充部件的刚度小于所述多个压电梁的刚度。
  8. 根据权利要求5所述的传感装置，其中，所述压电换能器包括多个压电梁，所述多个压电梁中相邻两个压电梁之间的缝隙不大于20μm。
  9. 根据权利要求1至4中任一项所述的传感装置，其中，所述拾振结构包括多个压电梁和振动膜，所述振动膜覆盖在所述多个压电梁的表面以防止所述液体穿过所述换能单元。
  10. 根据权利要求9所述的传感装置，其中，所述多个压电梁振动产生不同频率的谐振峰。
  11. 根据权利要求1至4中任一项所述的传感装置，其中，所述换能单元包括电容换能器，所述电容换能器至少包括带孔背极板和振动电极膜。
  12. 根据权利要求11所述的传感装置，其中，所述液体能够通过所述带孔背极板上的孔渗入所述带孔背极板与所述振动电极膜之间。
  13. 根据权利要求12所述的传感装置，其中，所述带孔背极板和所述振动电极膜之间存在空气域。
  14. 根据权利要求1至13中任一项所述的传感装置，其中，所述壳体还具有气体腔，所述前腔和所述后腔中的一个腔体内充有所述液体，所述气体腔与所述前腔和所述后腔中未充有所述液体的另一个腔体连通。
  15. 根据权利要求14所述的传感装置，其中，所述气体腔中设置有多孔介质材料或超材料。
  16. 根据权利要求1至13中任一项所述的传感装置，其中，所述前腔和所述后腔中的一个腔体内充有所述液体，与所述前腔和所述后腔中未充有所述液体的另一个腔体对应的壳体位置设置有气孔。
  17. 根据权利要求16所述的传感装置，其中，所述气孔上覆盖有第二柔性膜。
  18. 根据权利要求1至17中任一项所述的传感装置，其中，所述液体在所述拾振结构的振动方向上的投影面积与所述拾振结构在所述振动方向上的投影面积之间的比值在1-30范围内。
  19. 根据权利要求1至17中任一项所述的传感装置，其中，在所述拾振结构的振动方向上，所述液体在所述前腔和所述后腔中至少一个腔体内的填充尺寸与所述换能单元在所述振动方向上的尺寸之间的比值不小于0.5。
  20. 一种麦克风，包括如权利要求1至18中任一项所述的传感装置。
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