KR20240051919A - 소형 진동 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동 센서에 관한 것이고, 그 진동 센서는 제1 표면 및 제2 표면을 포함하는 캐리어 기판; 서스펜션 부재 및 그에 고정된 이동가능 질량체 ― 이동가능 질량체 및/또는 서스펜션 부재의 적어도 일부는 진동 센서가 외부 진동들에 노출될 때 진동하도록 적응됨 ―; 이동가능 질량체 및/또는 서스펜션 부재의 적어도 일부의 진동들을 검출하기 위한 판독 배열; 및 적어도 판독 배열로부터의 전기 신호를 프로세싱하기 위한 신호 프로세서를 포함하고, 이동가능 질량체는 캐리어 기판에 의해 정의되는 평면 상에 제1 투영 영역을 형성하고, 신호 프로세서는 캐리어 기판에 의해 정의되는 평면 상에 제2 투영 영역을 형성하고, 제1 투영 영역과 제2 투영 영역은 캐리어 기판에 의해 정의되는 평면에서 적어도 부분적으로 공간적으로 중첩된다. 본 발명은 추가로 이러한 진동 센서를 포함하는 청취 디바이스 및 청취 디바이스에서의 음성 인식을 위한 진동 센서의 용도에 관한 것이다.

Description

소형 진동 센서

본 발명은 제1 표면 및 제2 표면을 포함하는 캐리어 기판, 서스펜션 부재 및 그에 고정된 이동가능 질량체를 포함하는 진동 센서에 관한 것이고, 여기서, 이동가능 질량체 및/또는 서스펜션 부재의 적어도 일부는 진동 센서가 외부 진동들에 노출될 때 진동하도록 적응된다. 진동 센서는 이동가능 질량체 및/또는 서스펜션 부재의 적어도 일부의 진동들을 검출하기 위한 판독 배열 및 적어도 판독 배열로부터의 전기 신호를 프로세싱하기 위한 신호 프로세서를 더 포함한다. 이동가능 질량체는 캐리어 기판 상에 제1 투영 영역을 형성하고, 신호 프로세서는 캐리어 기판 상에 제2 투영 영역을 형성한다.

진동 센서들은 이용가능한 공간이 매우 제한되는 디바이스들에서 사용된다. 따라서, 엄격한 공간 관련 요구들을 준수하기 위해 상이한 요소들이 최적의 방식으로 패키지 내에 피팅될 필요가 있다. 동시에, 진동 센서들은 ― 예컨대, 진동 센서가 청취 디바이스에 통합되어 청취 디바이스의 사용자의 두개골에서 음성 유도 진동들을 검출하도록 의도되는 경우, 요구되는 감도를 제공하기 위해 특정 크기 및 형상의 이동가능 질량체를 필요로 한다.

종래 기술의 센서의 예는, 예컨대, US 2020/136586 A1에서 제안된다. US 2020/136586 A1에서 제안되는 센서는 다른 요소들 중에서도 압전 요소/공진기 및 온도 감응 구성요소를 포함한다. 온도 감응 구성요소는 측정된 온도들을 전기 신호들로 변환한다. 압전 요소/공진기와 온도 감응 구성요소가 적층 배열로, 즉, 기판의 대향 측들에 배열되지만, US 2020/136586 A1에서 제안되는 센서는, 예컨대, 온도 감응 구성요소로부터의 신호들을 프로세싱하기 위한 신호 프로세서가 없다는 점에서 불리하다. US 2020/136586 A1에서 제안되는 센서에 신호 프로세서를 추가하는 것은 센서의 풋프린트를 증가시킬 것이다.

본 발명의 실시예들의 목적은 작은 풋프린트를 갖는 소형 진동 센서를 제공하는 것으로 볼 수 있다.

본 발명의 실시예들의 추가의 목적은 진동 센서의 감도 및 그에 따른 성능을 손상시키지 않으면서 감소된 표면적을 갖는 소형 진동 센서를 제공하는 것으로 볼 수 있다.

위에서 언급된 목적들은 제1 양태에서 진동 센서를 제공함으로써 충족되고, 그 진동 센서는,

a) 제1 표면 및 제2 표면을 포함하는 캐리어 기판;

b) 서스펜션 부재 및 그에 고정된 이동가능 질량체 ― 이동가능 질량체 및/또는 서스펜션 부재의 적어도 일부는 진동 센서가 외부 진동들에 노출될 때 진동하도록 적응됨 ―;

c) 이동가능 질량체 및/또는 서스펜션 부재의 적어도 일부의 진동들을 검출하기 위한 판독 배열; 및

d) 적어도 판독 배열로부터의 전기 신호를 프로세싱하기 위한 신호 프로세서

를 포함한다.

여기서, 이동가능 질량체는 캐리어 기판에 의해 정의되는 평면 상에 제1 투영 영역을 형성하고, 신호 프로세서는 캐리어 기판에 의해 정의되는 평면 상에 제2 투영 영역을 형성하고, 제1 투영 영역과 제2 투영 영역은 캐리어 기판에 의해 정의되는 평면에서 적어도 부분적으로 공간적으로 중첩된다.

본 발명의 진동 센서는 캐리어 기판에 의해 정의되는 평면에서 적어도 부분적으로 공간적으로 중첩되는 제1 및 제2 투영 영역들을 갖는 이동가능 질량체 및 신호 프로세서의 상대적 배열로 인해 유리하다. 아래에서 더 상세히 논의될 바와 같이, 제1 및 제2 투영 영역들이 적어도 부분적으로 공간적으로 중첩되는 것은 진동 센서의 전체 크기를 감소시킨다.

본 맥락에서, 투영 영역이라는 용어는 캐리어 기판에 의해 정의되는 평면 상으로의 이동가능 질량체 및 신호 프로세서의 외측 윤곽들의 기하학적 투영으로서 이해되어야 한다. 다시 말하면, 투영 영역들은 이동가능 질량체 및 신호 프로세서에 의해 캐리어 기판에 의해 정의되는 평면 상에 드리워진 음영들로서 이해되어야 한다. 이동가능 질량체 및 신호 프로세서가 투영되는 평면은 캐리어 기판의 제1 표면 또는 제2 표면과 일치할 수 있거나 또는 캐리어 기판의 제1 표면 또는 제2 표면과 평행한 가상 평면과 같은 캐리어 기판과 연관된 가상 평면일 수 있다.

이동가능 질량체와 신호 프로세서는 바람직하게는 캐리어 기판의 대향 측들에 배열된다. 본 맥락에서, 대향이라는 용어는 이동가능 질량체가 캐리어 기판의 하나의 측에 배열되는 반면, 신호 프로세서는 캐리어 기판의 다른 측에 배열되는 것을 의미한다. 이러한 배열로 인해, 캐리어 기판은 이동가능 질량체와 신호 프로세서 사이에 배열된다. 캐리어 기판의 대향 측들에, 즉, 적층 배열로 이동가능 질량체 및 신호 프로세서를 배열하는 것은 이동가능 질량체의 하나 이상의 표면적과 같은 치수들이 최대화될 수 있다는 점에서 유리하다.

본 발명의 진동 센서는 바람직하게는 보청기, 히어러블(hearable), 헤드셋, 이어버드(earbud) 또는 유사한 디바이스와 같은 청취 디바이스들에 통합되는 데 적합하다. 따라서, 진동 센서의 전체 치수들은 진동 센서의 성능을 손상시키지 않으면서 가능한 한 작게 유지되어야 한다. 진동 센서의 역할들은 두개골에서 골 전도를 통해 음성 유도 진동들을 검출하는 것과 같이 다수일 수 있다. 두개골에서의 이러한 음성 유도 진동들의 검출은 바람직하게는 사용자 자신의 음성이 그 이외의 음향적으로 시끄러운 환경에서 분리 또는 인식되는 음성 인식과 관련하여 사용된다.

바람직하게는, 캐리어 기판은 제1 및 제2 대향 표면들을 포함하는 제1 인쇄 회로 보드(PCB)를 포함한다. 제1 PCB의 제1 표면은 바람직하게는 이동가능 질량체가 있는 측과 동일한 제1 PCB의 측에 있는 반면, 제1 PCB의 제2 표면은 바람직하게는 신호 프로세서가 있는 측과 동일한 제1 PCB의 측에 있다. 제1 및 제2 표면들은 바람직하게는 제1 PCB를 통해 제공되는 하나 이상의 비아에 의해 전기적으로 연결된 전기 전도성 패턴들을 포함한다. 바람직하게는, 신호 프로세서는 플립 칩 본드들을 통해 제1 PCB의 제2 표면에 고정된다. 더욱이, 신호 프로세서는 바람직하게는 제1 PCB의 제2 표면 상의 전기 전도성 패턴에 전기적으로 연결된다.

바람직하게는, 진동 센서는 제1 PCB의 제2 표면에 고정된 스페이서를 더 포함하고, 여기서, 스페이서는 제1 PCB의 제2 표면에 전기적으로 연결된 하나 이상의 비아를 포함한다. 스페이서에서의 하나 이상의 비아는 스페이서에 걸쳐 하나 이상의 전기적 연결을 제공한다. 더욱이, 스페이서는 바람직하게는 오목부(indentation)를 더 포함하고, 그 오목부 내에 신호 프로세서가 적어도 부분적으로 배열된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 신호 프로세서는 스페이서에 형성된 오목부 또는 보이드(void)에 적어도 부분적으로 배열된다. 신호 프로세서의 이러한 배열은 공간 절약 배열을 제공하고 진동 센서의 구현을 더 소형화한다는 점에서 유리하다. 스페이서에서의 오목부 또는 보이드는 스페이서에서의 관통 개구 또는 통로로서 구현될 수 있다.

신호 프로세서가 내부에 배열된 스페이서에서의 오목부는 충전 재료로 적어도 부분적으로 충전될 수 있고, 전기 전도성 차폐 층이 신호 프로세서에 대해 전기적 차폐를 제공하기 위해 스페이서에서의 충전된 오목부를 덮도록 제공될 수 있다. 바람직하게는, 전기 전도성 차폐 층은 접지에 전기적으로 연결된다. 신호 프로세서 주위의 충전 재료의 존재는 충전 재료에 매립되는 신호 프로세서를 구조적으로 지지하여 센서의 강건성을 개선한다는 점에서 유리하다.

진동 센서는 바람직하게는 대향하는 제1 표면과 제2 표면을 포함하는 제2 PCB를 더 포함하고, 여기서, 스페이서의 하나 이상의 비아는 제2 PCB의 제1 표면에 전기적으로 연결되고, 진동 센서를 외부 전자 디바이스들에 연결하기 위해 제2 PCB의 제2 표면 상에 하나 이상의 접촉 패드가 제공된다. 본 맥락에서, 외부 전자 디바이스들은 전력 공급부들 및 추가적인 신호 프로세서들, 이를테면, 증폭기들, 필터들 등을 포함할 수 있다.

진동 센서의 일 실시예에서, 판독 배열은 바람직하게는 공기 갭에 의해 분리된 제1 커패시터 전극과 제2 커패시터 전극에 의해 형성된 커패시터를 포함한다. 이 실시예의 진동 센서는 저잡음 레벨 및 고감도를 제공한다는 점에서 유리하다. 저잡음 레벨 및 고감도는 제1 커패시터 전극과 제2 커패시터 전극 사이의 얇은 공기 갭(5 내지 15 μm) 및 비교적 큰 이동가능 질량체(> 1 mg)의 통합으로 인해 제공된다. 더욱이, 본 발명의 진동 센서는 리플로우 가능하기 때문에 유리하다.

공간을 절약하기 위해, 서스펜션 부재의 적어도 일부는 바람직하게는 전기 전도성이다. 더욱이, 서스펜션 부재의 적어도 전기 전도성 부분은 바람직하게는 제1 커패시터 전극을 형성한다. 제2 커패시터 전극은 바람직하게는 캐리어 기판의 제1 표면 상에 제공된다. 따라서, 공기 갭은 제1 커패시터 전극을 형성하는 전기 전도성 서스펜션 부재와 바람직하게는 제1 PCB의 제1 표면 상에 제공되는 제2 커패시터 전극 사이에 형성된다.

공기를 공기 갭으로 인도하고/하거나 공기 갭으로부터 인도하기 위해 바람직하게는 하나 이상의 공기 통기 채널이 제1 및/또는 제2 커패시터 전극들에 제공된다. 따라서, 하나 이상의 공기 통기 채널은 바람직하게는 공기 갭이 감소될 때 공기가 공기 갭에서 가압되는 것을 방지해야 하고, 공기 갭이 증가될 때 공기가 공기 갭으로 안내될 수 있는 것을 보장해야 한다. 이는 그러면 제1 커패시터 전극과 제2 커패시터 전극 사이의 스퀴즈 필름 댐핑(squeeze film damping) 효과들이 상당히 감소된다는 점에서 유리하다. 본 맥락에서, 스퀴즈 필름 댐핑이라는 용어는 제1 및 제2 커패시터 전극들 사이의 공기 갭에 포획된 공기에 의해 유발되는 점성 댐핑으로서 이해되어야 한다. 본 발명의 진동 센서에서, 공기 갭은 전형적으로 5 내지 15 μm의 범위에 있다.

바람직하게는, 제1 커패시터 전극은 접지에 전기적으로 연결되고, 제2 커패시터 전극은 신호 프로세서에 의해 전기적으로 바이어싱된다. 따라서, 신호 프로세서는 판독 배열로부터의 전기 신호를 프로세싱하는 것에 추가하여 실질적으로 일정한 전하를 제2 커패시터 전극에 제공하도록 적응된다. 전극 바이어싱과 신호 프로세싱 둘 모두가 단일 집적 회로에서 조합된다는 사실은 공간을 절약한다는 점에서 유리하다.

다른 실시예에서, 판독 배열은 바람직하게는 하나 이상의 압전 층 및 개개의 압전 층들 상에 배열된 하나 이상의 전극을 포함한다. 이 실시예에서, 서스펜션 부재는 바람직하게는 정적 단부 및 이동가능 단부를 포함하는 캔틸레버 빔을 형성한다. 외부 진동들에 응답하기 위해, 이동가능 질량체는 바람직하게는 캔틸레버 빔의 이동가능 단부에서 또는 그 근처에서 캔틸레버 빔에 고정되는 반면, 하나 이상의 압전 층은 바람직하게는 하나 이상의 압전 층이 가상 힌지 라인과 교차하는 방식으로 캔틸레버 빔에 고정된다.

본 맥락에서, 가상 힌지 라인이라는 용어는 외부 진동들로 인해 이동가능 질량체가 변위될 때 캔틸레버 빔이 효과적으로 구부러지는 캔틸레버 빔의 정적 단부와 이동가능 단부 사이의 라인을 정의한다.

바람직하게는, 진동 센서는 전자기 간섭을 억제하기 위한 차폐 배열을 더 포함하고, 여기서, 차폐 배열은 유전체 층에 의해 분리된 하나 이상의 신호 전극과 접지 전극을 포함하고, 여기서, 하나 이상의 신호 전극, 접지 전극 및 유전체 층은 제1 PCB에 매립된다. 이러한 차폐 배열은 인입 전자기 방사선으로부터 신호 프로세서로의/로부터의 신호를 차폐한다는 점에서 유리하다. 차폐 배열은 제1 PCB에 매립되고 그에 따라 진동 센서의 전체 치수들을 증가시키지 않는다는 점에서 더욱 유리하다.

제2 양태에서, 본 발명은 제1 양태에 따른 진동 센서를 포함하는 청취 디바이스에 관한 것이고, 여기서, 청취 디바이스는 보청기, 히어러블, 헤드셋, 이어버드 또는 유사한 디바이스를 포함한다.

제3 양태에서, 본 발명은 제1 양태에 따른 진동 센서의 용도에 관한 것이고, 여기서, 진동 센서는 청취 디바이스의 사용자의 두개골에서 음성 유도 진동들을 검출하기 위해 사용되고, 여기서, 검출된 음성 유도 진동들은 사용자 자신의 음성의 음성 인식을 위해 사용된다.

일반적으로, 본 발명의 다양한 양태들은 본 발명의 범위 내에서 가능한 임의의 방식으로 조합 및 커플링될 수 있다. 본 발명의 이러한 및 다른 양태들, 피처들 및/또는 이점들은 이하에서 설명되는 실시예들로부터 명백해지고 그들을 참조하여 상세히 설명될 것이다.

본 발명은 이제 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 용량성 판독 배열을 갖는 진동 센서의 실시예의 단면도를 도시한다.
도 2는 캐리어 기판에 의해 정의되는 평면 상의 이동가능 질량체와 신호 프로세서의 공간적으로 중첩된 투영들을 예시한다.
도 3은 압전 판독 배열을 갖는 진동 센서의 다른 실시예의 단면도를 도시한다.
도 4는 진동 센서의 신호 프로세서의 확대 단면도를 도시한다.
도 5는 진동 센서의 신호 프로세서에 대한 차폐 배열의 확대 단면도를 도시한다.
도 6은 진동 센서의 제2 PCB(최하부 PCB)의 확대 단면도를 도시한다.
도 7은 전자기 차폐를 제공하기 위한 추가적인 비아들이 내부에 배열된 스페이서의 저면도를 도시한다.
도 8은 전자기 간섭을 억제하기 위한 매립된 차폐 배열의 확대 단면도를 도시한다.

일반적으로, 본 발명은 소형 진동 센서에 관한 것이고, 여기서, 특히, 이동가능 질량체 및 신호 프로세서는 (이동가능 질량체 및 신호 프로세서의) 개개의 투영들이 진동 센서의 캐리어 기판에 의해 정의되는 평면에서 적어도 부분적으로 공간적으로 중첩되는 적층 배열로 배열된다.

이미 다루어진 바와 같이, 진동 센서는 보청기, 히어러블, 헤드셋, 이어버드 또는 유사한 디바이스와 같은 청취 디바이스들에 통합되도록 적응된다. 청취 디바이스들에서 이용가능한 제한된 공간으로 인해, 진동 센서의 전체 치수들은 진동 센서의 성능을 손상시키지 않으면서 가능한 한 작게 유지되어야 한다. 이전에 다루어진 바와 같이, 진동 센서의 역할들은 두개골에서 골 전도를 통해 음성 유도 진동들을 검출하는 것과 같이 다수일 수 있다. 두개골에서의 이러한 음성 유도 진동들의 검출은 바람직하게는 사용자 자신의 음성이 그 이외의 음향적으로 시끄러운 환경에서 분리 또는 인식되는 음성 인식과 관련하여 사용된다.

골 전도를 통해 음성 유도 진동 신호들을 검출하기 위해, 진동 센서의 대역폭은 전형적으로 6 kHz 초과이다. 이에 추가하여, 진동 센서의 공진 주파수는 전형적으로 대역폭의 상한에 근접한데, 예컨대, 4 kHz 초과이고, 공진 피크는 전형적으로 1 kHz에서의 감도에 비해 10 dB 더 작다. 이러한 접근법에서, Q는 전형적으로 3 미만일 것이다. 더욱이, 진동 센서의 잡음 플로어는 낮아야 하는데, 즉, 공진 주파수에서의 1/3 옥타브 대역에서 < -98 dB re. 1 g이어야 한다. 이러한 요건들을 만족시키기 위해, 이동가능 질량체의 질량은 1 mg 초과와 같이 비교적 높을 필요가 있다. 이동가능 질량체는 전형적으로 100 내지 200 μm의 범위의 두께를 갖기 때문에, 이동가능 질량체의 크고 대향하고 그에 따라 투영된 표면적들은 최대 2.5 mm²일 수 있다. 제조 측면에서, 이동가능 질량체는 강철, 탄탈럼 또는 텅스텐을 포함하는 다양한 재료들로 제조될 수 있다.

이제 도 1을 참조하면, 진동 센서의 실시예의 단면도가 도시된다. 도 1에서 보이는 바와 같이, 이동가능 질량체(17)와 신호 프로세서(7)는 그들 개개의 음영들, 즉, 그들의 투영 영역들이 제1 PCB(1) 상에서 적어도 부분적으로 공간적으로 중첩되는 적층 배열로 배열된다. 이동가능 질량체(17)와 신호 프로세서(7)의 공간적 중첩이 도 2에 예시되고, 여기서, 도 2a는 다른 요소들 중에서도 이동가능 질량체(17) 및 신호 프로세서(7)를 포함하는 진동 센서의 단면도를 도시한다. 도 2a에서의 수평 라인(1')은 캐리어 기판(1)(도 1 참조)에 의해 정의되는 가상 평면을 예시한다. 이미 논의된 바와 같이, 가상 평면은 캐리어 기판의 제1 표면 또는 제2 표면과 일치할 수 있거나 또는 캐리어 기판의 제1 표면 또는 제2 표면과 평행한 가상 평면일 수 있다. 도 2b에서 보이는 바와 같이, 이동가능 질량체(17)는 이 가상 평면(1') 상에 투영 영역(17')을 형성하고, 신호 프로세서(7)는 동일한 가상 평면(1') 상에 투영 영역(7')을 형성한다. 도 2b로부터 빗금 영역에 의해 표시된 바와 같이 투영 영역들(7', 17')이 공간적으로 중첩된다는 것이 명확하다. 일반적으로, 도 1에 도시된 실시예는 진동 센서가 외부 진동들에 노출될 때 제1 커패시터 전극(11)과 제2 커패시터 전극(10) 사이의 거리 및 그에 따른 커패시턴스가 변화되도록 적응되는 용량성 검출 방식에 의존한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 제1 커패시터 전극(11)은 접지에 전기적으로 연결되는 반면, 제2 커패시터 전극(10)은 신호 프로세서(7)에 의해 전기적으로 바이어싱된다. 더욱이, 신호 프로세서(7)는 제1 커패시터 전극(11)과 제2 커패시터 전극(10) 사이의 커패시턴스 변화들에 의해 유발되는 전압 변화들을 프로세싱하도록 적응된다. 신호 프로세서(7)는 제1 PCB(1)에서의 비아(5) 및 플립 칩 본딩(8)을 통해 제2 커패시터 전극(10)에 전기적으로 연결된다. 제1 PCB(1)는 추가적인 비아(4)를 포함한다.

도 1에서 보이는 바와 같이, 제1 커패시터 전극(11)과 제2 커패시터 전극(10)은 스페이서(12')에 의해 정의되는 공기 갭(16)에 의해 분리된다. 이미 언급된 바와 같이, 이 공기 갭(16)의 크기, 즉, 제1 커패시터 전극(11)과 제2 커패시터 전극(10) 사이의 거리는 제1 커패시터 전극(11)이 그에 고정된 이동가능 질량체(17)에 대한 서스펜션 부재로서 또한 작용하기 때문에 진동 센서가 외부 진동들에 노출될 때 변화되도록 적응된다. 공기 갭은 전형적으로 5 내지 15 μm의 범위에 있다.

주변부를 형성하는 림(12)이 제2 커패시터 전극(10) 주위 또는 외부에 제공된다. 바람직하게는, 림(12)은 제2 커패시터 전극(10)과 동일한 층의 일부를 형성하고, 그에 따라, 제2 커패시터 전극(10)과 림(12)은 정확히 동일한 두께를 갖는다. 스페이서(12')는 림(12)의 최상부 상에 배열된다. 바람직하게는, 림(12)과 스페이서(12') 둘 모두는 전기 전도성이다. 더욱이, 림(12) 및 스페이서(12')는 바람직하게는 제1 PCB(1)에서의 비아(4) 및 제1 PCB(1)에 고정된 스페이서(2)에서의 비아(3)를 통해 접지에 전기적으로 연결된다.

서스펜션 부재/제1 커패시터 전극(11)의 탄력 특성들은 서스펜션 부재/제1 커패시터 전극(11)에 고정되거나 또는 그의 일부를 형성하는 탄성 부재(13)에 의해 제공된다. 공동(18)을 정의하는 하우징(19)이 이동가능 질량체(17) 및 서스펜션 부재/제1 커패시터 전극(11) 위에 제공된다.

도 1에 또한 도시된 바와 같이, 진동 센서는 오목부 또는 보이드(6)를 포함하는 스페이서(2)를 더 포함하고, 그 오목부 또는 보이드(6)에 신호 프로세서(7)가 배열된다. 스페이서(2)는 제1 PCB(1)를 스페이서(2)의 최하부 표면들 상에 배열된 하나 이상의 접촉 패드들과 전기적으로 연결하기 위한 하나 이상의 비아(3, 9)를 포함한다. 하나 이상의 접촉 패드는 외부 전자 디바이스들에 대한 진동 센서의 용이한 연결을 용이하게 한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제2 PCB(27)가 스페이서(2)에 고정될 수 있다. 제2 PCB(27)는 외부 전자 디바이스들에 대한 진동 센서의 용이한 연결을 용이하게 하는 하나 이상의 접촉 패드(28, 29)를 포함한다. 제1 PCB(1), 스페이서(2) 및 제2 PCB(27)에 의해 형성되는 공동(6)은 충전 재료로 충전될 수 있고, 그에 따라, 이 충전 재료에 신호 프로세서(7)가 매립된다. 신호 프로세서(7)는 임의의 디지털 코딩 방식을 적용하여 아날로그 또는 디지털 도메인에서 동작할 수 있다. 신호 컨디셔닝 측면에서, 신호 프로세서(7)는 증폭, 버퍼링, 필터링, 디지털화 등을 위해 구성될 수 있다.

이제 도 1 및 용량성 검출 방식으로 돌아가면, 제1 커패시터 전극(11)의 전기적 활성 부분은 이동가능 질량체(17)에 고정된 중앙 전극 부분(11')이다. 제2 커패시터 전극(10)은 제1 커패시터 전극 부분(11')과 제2 커패시터 전극(10) 사이의 스퀴즈 필름 댐핑 효과들을 감소시키기 위해 공기 통기 채널들(14, 15)에 의해 외측 림(12)으로부터 분리된다. 따라서, 제1 커패시터 전극(11)의 전기적 활성 부분과 제2 커패시터 전극(10) 사이의 거리가 감소될 때, 공기가 공기 통기 채널들(14, 15)을 통해 탈출하는 것이 허용되고, 그에 의해, 스퀴즈 필름 댐핑 효과들이 감소된다.

이제 도 3으로 넘어가면, 진동 센서의 다른 실시예의 단면도가 도시된다. 도 3에서 보이는 바와 같이, 이동가능 질량체(17)와 신호 프로세서(7)는 여전히 그들 개개의 투영 영역들이 제1 PCB(1) 상에서 적어도 부분적으로 공간적으로 중첩되는 적층 배열로 배열된다.

도 3에서 보이는 바와 같이, 이동가능 질량체(17)가 서스펜션 부재(20)에 고정된다. 서스펜션 부재(20)는 받침대(12')에 있는 정적 단부 및 이동가능 질량체(17)가 고정된 이동가능 단부를 갖는 캔틸레버 빔의 형태를 갖는다. 이동가능 질량체(17) 및 적어도 캔틸레버 빔(20)의 이동가능 단부는 진동 센서가 외부 진동들에 노출될 때 변위하도록 적응된다. 하우징(19)은 캔틸레버 빔(20) 및 그에 고정된 이동가능 질량체(17)를 보호한다.

일반적으로, 도 3에 도시된 실시예는 진동 센서가 외부 진동들에 노출될 때 이동가능 질량체(17)의 변위들을 검출하기 위한 압전 검출 방식에 의존한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 전극(21)이 상부에 배열된 압전 층(22)은 압전 층이 가상 힌지 라인(도시되지 않음)과 교차하도록 캔틸레버 빔(20) 상에 배열된다. 개개의 전극들이 상부에 배열된 복수의 압전 층들이 또한 단일 압전 층 대신에 임의로 적용될 수 있다는 점에 유의해야 한다.

이동가능 질량체(17)의 변위(상방 또는 하방)는 가상 힌지 라인에서 캔틸레버 빔(20)을 구부리고, 그에 의해, 압전 층(22)은 측방 방향으로 신장 또는 압축된다. 압전 층(22)의 측방 스트레인의 변화는 압전 층(22)에 걸친, 즉, 압전 층(22)의 두께에 걸친 전기장 강도의 변화를 유도한다. 압전 층(22)에 걸친 전기장 강도의 변화는 압전 층(22)의 대향 측들에 배열된 2개의 전극 사이에 생성되는 전압의 변화를 제공한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 압전 층(22)의 하부 전극(접지됨)은 캔틸레버 빔(20)에 의해 형성되는 반면, 전극(21)은 압전 층(22) 상에 형성된다. 이러한 별개의 전극(21)은 와이어 본딩, 제1 PCB(1) 상의 전극(23), 제1 PCB(1)를 관통하는 비아(4), 및 신호 프로세서(7)에 대한 플립 칩 본딩(8)을 통해 신호 프로세서(7)에 전기적으로 연결된다. 따라서, 압전 층(22)에 걸친 검출된 전압 변화는 신호 프로세서(7)에 의해 프로세싱되고, 신호 프로세서(7)는 임의의 디지털 코딩 방식을 적용하여 아날로그 또는 디지털 도메인에서 동작할 수 있다. 다시, 신호 컨디셔닝 측면에서, 신호 프로세서(7)는 증폭, 버퍼링, 필터링, 디지털화 등을 위해 구성될 수 있다.

도 3에 또한 도시된 바와 같이, 진동 센서는 오목부 또는 보이드(6)를 포함하는 스페이서(2)를 더 포함하고, 그 오목부 또는 보이드(6)에 신호 프로세서(7)가 배열된다. 스페이서(2)는 제1 PCB(1)를 스페이서(2)의 최하부 표면들 상에 배열된 하나 이상의 접촉 패드들과 전기적으로 연결하기 위한 하나 이상의 비아(4, 5)를 포함한다. 하나 이상의 접촉 패드는 외부 전자 디바이스들에 대한 진동 센서의 용이한 연결을 용이하게 한다.

이제 도 4를 참조하면, 비아들(3, 3')이 통합된 더 얇은 스페이서(2)를 포함하는 실시예의 확대 단면도가 도시된다. 도 4에 도시된 실시예는 위에서 논의된 바와 같은 용량성 또는 압전 판독 배열을 포함할 수 있다. 신호 프로세서(7)는 플립 칩 본딩(8)을 통해 제1 PCB(1)에 고정된다. 진동 센서의 리플로우 솔더링을 용이하게 하기 위해 한 쌍의 솔더 볼들(24, 24')이 제공된다. 솔더 볼의 수는 도 4에 도시된 2개와는 상이할 수 있다는 점에 유의해야 한다.

이제 도 5로 넘어가면, 매립된 신호 프로세서(7)를 포함하는 실시예의 확대 단면도가 도시된다. 도 5에서, 스페이서(2)에서의 오목부 또는 보이드(6)는 충전 재료로 충전되고, 그에 따라, 신호 프로세서(7)는 오목부 또는 보이드(6)에 매립된다. 전기 전도성 차폐 층(25)이 매립된 신호 프로세서(7)에 대해 전기적 차폐를 제공하기 위해 스페이서(2)에서의 충전된 오목부 또는 보이드(6)를 덮도록 제공된다. 전기 전도성 차폐 층(25)은 접지에 전기적으로 연결된 스페이서(2)에서의 비아(3)에 전기적으로 연결된다. 비아(3') 및 접촉 패드(26)는 전력 공급부, 추가적인 신호 프로세서들, 증폭기들 등에 연결될 수 있다. 도 5에 도시된 실시예는 위에서 논의된 바와 같은 용량성 또는 압전 판독 배열을 포함할 수 있다. 신호 프로세서(7)는 플립 칩 본딩(8)을 통해 제1 PCB(1)에 고정된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 진동 센서는 제1 및 제2 대향 표면들을 포함하는 제2 PCB(27)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 접촉 패드(28, 29)는 외부 전자 디바이스들에 대한 진동 센서의 용이한 연결을 용이하게 하기 위해 제2 PCB(27)의 제2 표면 상에 제공된다. 제2 PCB(27)는 스페이서(2)에 고정된다. 제1 PCB(1), 스페이서(2) 및 제2 PCB(27)에 의해 형성되는 공동(6)은 이전에 언급된 바와 같이 충전 재료로 충전될 수 있고, 그에 따라, 이 충전 재료에 신호 프로세서(7)가 매립된다. 도 6에 도시된 실시예에 따른 진동 센서는 용량성 또는 압전 판독 배열을 포함할 수 있고, 신호 프로세서(7)는 플립 칩 본딩(8)을 통해 제1 PCB(1)에 고정된다.

이제 도 7을 참조하면, 스페이서(2)의 오목부 또는 보이드(6)에 배열된 신호 프로세서(7)의 전자기 차폐를 제공하기 위한 복수의 전기적으로 접지된 비아들(30)을 갖는 스페이서(2)를 포함하는 진동 센서의 저면도가 있다. 더 큰 비아들(3)은 스페이서(2)에 걸쳐 센서 신호들, 전력 신호들 등을 통과시키도록 적응될 수 있다. 도 7에 도시된 실시예에 따른 진동 센서는 용량성 또는 압전 판독 배열을 포함할 수 있고, 신호 프로세서(7)는 플립 칩 본딩을 통해 제1 PCB(도시되지 않음)에 고정될 수 있다.

이제 도 8로 넘어가면, 용량성 진동 센서의 확대 단면도가 도시된다. 이동가능 질량체(17), 제1 커패시터 전극 부분(11'), 제2 커패시터 전극(10), 공기 갭(16), 스페이서(12'), 공기 통기 채널(15), 탄성 부재(13) 및 하우징(19)의 구현들은 도 1에 도시된 실시예와 관련하여 이미 논의되었다. 스페이서(2)의 비아(3)를 포함하는 스페이서(2), 오목부 또는 보이드(6), 및 제1 PCB(1)에 대한 신호 프로세서(7)의 플립 칩 마운팅(8)을 포함하는 신호 프로세서(7)의 구현과 관련하여, 이전의 실시예들의 개시내용이 또한 참조된다. 제1 PCB(1)와 관련하여, 고주파수 간섭을 억제하기 위한 필터 배열이 제1 PCB(1)에 매립되었다. 도 8에 도시된 바와 같이, 배열은 각각 비아들(3 및 4)을 통해 접지에 전기적으로 연결된 하나 이상의 전기 전도성 층(31)을 포함한다. 림(12), 스페이서(12') 및 하우징(19)이 또한 접지에 전기적으로 연결된다. 제1 커패시터 전극(11)(제1 커패시터 전극 부분(11')을 포함함), 림(12) 및 스페이서(12')가 또한 접지에 전기적으로 연결된다. 진동 센서의 외부 접촉 패드들에 연결된 하나 이상의 신호 전극(33)은 각각 하나 이상의 전기 전도성 층(31)과 함께 커패시터를 형성한다. 이러한 커패시터들의 커패시턴스들은 유전체 층(32)의 유전 상수, 유전체 층(32)의 두께, 및 개개의 전극들(33)의 면적들에 의해 결정된다. 진동 센서의 외부 접촉 패드에 도달하는 고주파수 전류들이 접지로 방향 전환되는 방식으로 커패시턴스들이 설계되고 그에 따라 선택된다.

위에서 언급된 실시예들에 따르면, 이동가능 질량체 및 서스펜션 부재의 적어도 일부의 변위가 커패시터 또는 압전 층을 사용하여 검출된다. 예컨대, 공압 또는 광학 수단이 또한 적용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 공압 수단과 관련하여, 이동가능 질량체 및 서스펜션 부재의 적어도 일부의 변위들로 인한 공기 압력 변화가 측정될 수 있다. 광학 수단과 관련하여, 이동가능 질량체에 부착된 격자 상의 레이저 빔의 회절이 측정될 수 있다.

본 발명이 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 앞서 논의되었지만, 본 발명은 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 다수의 방식들로 변화될 수 있는 이러한 특정 실시예들로 제한되지 않는다. 따라서, 논의되는 예시적인 실시예들은 첨부 청구항들을 엄격하게 그에 따라 해석하기 위해 사용되지 않아야 한다. 반대로, 실시예들은 청구항들을 이러한 예시적인 실시예들로 제한하려는 의도 없이 단지 첨부 청구항들의 표현을 설명하는 것으로 의도된다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 첨부 청구항들에 따라서만 해석되어야 하고, 여기서, 청구항들의 표현에서의 가능한 모호성은 이러한 예시적인 실시예들을 사용하여 해결되어야 한다.

Claims (22)

1. 진동 센서로서,
   a) 제1 표면 및 제2 표면을 포함하는 캐리어 기판(1);
   b) 서스펜션 부재(11, 11', 20) 및 그에 고정된 이동가능 질량체(17) ― 상기 이동가능 질량체(17) 및/또는 상기 서스펜션 부재(11, 11', 20)의 적어도 일부는 상기 진동 센서가 외부 진동들에 노출될 때 진동하도록 적응됨 ―;
   c) 상기 이동가능 질량체(17) 및/또는 상기 서스펜션 부재(11, 11', 20)의 적어도 일부의 진동들을 검출하기 위한 판독 배열; 및
   d) 적어도 상기 판독 배열로부터의 전기 신호를 프로세싱하기 위한 신호 프로세서(7)
   를 포함하고,
   상기 이동가능 질량체(17)는 상기 캐리어 기판(1)에 의해 정의되는 평면 상에 제1 투영 영역(17')을 형성하고, 상기 신호 프로세서(7)는 상기 캐리어 기판(1)에 의해 정의되는 상기 평면 상에 제2 투영 영역(7')을 형성하고,
   상기 제1 투영 영역(17')과 상기 제2 투영 영역(7')은 상기 캐리어 기판(1)에 의해 정의되는 상기 평면에서 적어도 부분적으로 공간적으로 중첩되는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 이동가능 질량체(17)와 상기 신호 프로세서(7)는 상기 캐리어 기판(1)의 대향 측들에 배열되는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 캐리어 기판(1)은 대향하는 제1 표면과 제2 표면을 포함하는 제1 PCB(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
4. 제3항에 있어서,
   상기 신호 프로세서(7)는 플립 칩 본드들(8)을 통해 상기 제1 PCB(1)의 제2 표면에 고정되는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
5. 제4항에 있어서,
   상기 진동 센서는 상기 제1 PCB(1)의 제2 표면에 고정된 스페이서(2)를 더 포함하고, 상기 스페이서(2)는 상기 제1 PCB(1)의 제2 표면에 전기적으로 연결된 하나 이상의 비아(3, 9)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
6. 제5항에 있어서,
   상기 스페이서(2)는 오목부(6)를 더 포함하고, 상기 오목부 내에 상기 신호 프로세서(7)가 적어도 부분적으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
7. 제6항에 있어서,
   상기 신호 프로세서(7)가 내부에 적어도 부분적으로 배열된 상기 스페이서(2)에서의 상기 오목부(6)는 충전 재료로 적어도 부분적으로 충전되고, 전기 전도성 차폐 층(25)이 상기 신호 프로세서(7)에 대해 전기적 차폐를 제공하기 위해 상기 스페이서(2)에서의 충전된 오목부를 덮도록 제공되는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
8. 제7항에 있어서,
   상기 전기 전도성 차폐 층(25)은 접지에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 진동 센서는 대향하는 제1 표면과 제2 표면을 포함하는 제2 PCB(27)를 더 포함하고, 상기 스페이서(2)의 상기 하나 이상의 비아(3)는 상기 제2 PCB(27)의 제1 표면에 전기적으로 연결되고, 상기 진동 센서를 외부 전자 디바이스들에 연결하기 위해 상기 제2 PCB(27)의 제2 표면 상에 하나 이상의 접촉 패드(28, 29)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
10. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판독 배열은 공기 갭(16)에 의해 분리된 제1 커패시터 전극(11')과 제2 커패시터 전극(10)에 의해 형성된 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
11. 제10항에 있어서,
    상기 서스펜션 부재(11, 11')의 적어도 부분은 전기 전도성인 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
12. 제11항에 있어서,
    상기 서스펜션 부재의 적어도 상기 전기 전도성 부분은 상기 제1 커패시터 전극(11')을 형성하는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제2 커패시터 전극(10)은 상기 제1 PCB(1)의 제1 표면상에 제공되는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 커패시터 전극(11') 및/또는 상기 제2 커패시터 전극(10)은 상기 제1 커패시터 전극(11')과 상기 제2 커패시터 전극(10) 사이의 스퀴즈 필름 댐핑(squeeze film damping) 효과들을 감소시키기 위해 하나 이상의 공기 통기 채널(14, 15)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 커패시터 전극(11')은 접지에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 커패시터 전극(10)은 상기 신호 프로세서(7)에 의해 전기적으로 바이어싱되는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
16. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판독 배열은 하나 이상의 압전 층(22) 및 개개의 압전 층들(22) 상에 배열된 하나 이상의 전극(21)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
17. 제16항에 있어서,
    상기 서스펜션 부재는 정적 단부 및 이동가능 단부를 포함하는 캔틸레버 빔(20)을 형성하는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
18. 제17항에 있어서,
    상기 이동가능 질량체(17)는 상기 캔틸레버 빔(20)의 이동가능 단부에서 또는 그 근처에서 상기 캔틸레버 빔(20)에 고정되고, 상기 하나 이상의 압전 층(22)은 상기 하나 이상의 압전 층(22)이 가상 힌지 라인과 교차하는 방식으로 상기 캔틸레버 빔(20)에 고정되는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 센서는 고주파수 간섭을 억제하기 위한 필터 배열을 더 포함하고, 상기 필터 배열은 유전체 층(32)에 의해 분리된 하나 이상의 신호 전극(33)과 하나 이상의 접지 전극(31)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
20. 제19항에 있어서,
    상기 하나 이상의 신호 전극(33), 상기 하나 이상의 접지 전극(31) 및 상기 유전체 층(32)은 상기 제1 PCB(1)에 매립되는 것을 특징으로 하는, 진동 센서.
21. 진동 센서를 포함하는 청취 디바이스로서,
    상기 진동 센서는 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 진동 센서이고,
    상기 청취 디바이스는 보청기, 히어러블(hearable), 헤드셋, 이어버드(earbuds) 또는 유사한 디바이스를 포함하는, 청취 디바이스.
22. 청취 디바이스에서의 진동 센서의 용도로서,
    상기 진동 센서는 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 진동 센서이고,
    상기 진동 센서는 상기 청취 디바이스의 사용자의 두개골에서 음성 유도 진동들을 검출하기 위해 사용되고, 검출된 음성 유도 진동들은 상기 사용자 자신의 음성의 음성 인식을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는, 진동 센서의 용도.

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