CN108989919B - 一种传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传感器，包括：具有中空内腔且上端开口的壳体，在所述壳体内腔的底端设置有用于朝向壳体开口端发出光线的发光源，以及用于接收反射光线的光电检测器；填充在壳体内腔并将发光源、光电检测器覆盖住的透光弹性体；承载在壳体开口端并与透光弹性体贴合在一起的振膜，所述振膜被配置为在外界环境的变化下与透光弹性体发生形变；在所述振膜上设置有反射部，所述反射部被配置为将发光源发出的光线反射至光电检测器上。本发明的传感器，不存在声阻的问题，不需要较大容积的背腔，因此可以大大降低传感器的整体尺寸，增强了传感器的可靠性。

Description

一种传感器
技术领域
本发明涉及测量领域，更准备地说，本发明涉及一种传感器，例如麦克风、压力传感器、位移传感器。
背景技术
现有主流的传感器，例如麦克风、压力传感器、位移传感器等，均是通过平板电容器的原理进行检测。例如在麦肯风的结构中，平板电容器包括衬底以及形成在衬底上的背极板、振膜，背极板与振膜之间具有间隙，使得背极板、振膜构成了平板式的电容器感测结构。
为了充分利用振膜的机械灵敏度，麦克风需要设计一个具有环境压力的巨大后腔，以确保流动空气的刚性远远振膜。背腔的容积通常远大于1mm3，例如通常设计为1-15mm3。而且麦克风芯片在封装的时候，需要开放其腔体。这就限制了MEMS麦克风最小尺寸封装的设计（> 3mm3）。
这是由于如果后腔容积过小，则不利于空气的流通，这种空气的刚性则会大大降低振膜的机械灵敏度。另外，为了均压，背极板上通常会设计密集的通孔，由于空气粘度造成的间隙或穿孔中的空气流动阻力成为MEMS麦克风噪声的主导因素，从而限制了麦克风的高信噪比性能。
发明内容
本发明的一个目的是提供了一种传感器的新的技术方案。
根据本发明的第一方面，提供一种传感器，包括：
具有中空内腔且上端开口的壳体，在所述壳体内腔的底端设置有用于朝向壳体开口端发出光线的发光源，以及用于接收反射光线的光电检测器；
填充在壳体内腔并将发光源、光电检测器覆盖住的透光弹性体；
承载在壳体开口端并与透光弹性体贴合在一起的振膜，所述振膜被配置为在外界环境的变化下与透光弹性体发生形变；在所述振膜上设置有反射部，所述反射部被配置为将发光源发出的光线反射至光电检测器上。
可选地，所述透光弹性体的机械灵敏度小于或者等于振膜的机械灵敏度。
可选地，所述壳体包括由侧壁部围成的腔体，以及封闭侧壁部下端开口的底部；所述发光源、光电检测器设置在底部上。
可选地，所述底部为电路板，在所述电路板的外侧还设置有用于外接的焊盘或者引脚。
可选地，所述透光弹性体与振膜的接触面为平面。
可选地，所述透光弹性体与振膜的接触面为上凸或者下凹的曲面。
可选地，所述发光源为激光二极管；所述光电检测器为四象限光电检测器。
可选地，所述反射部为形成在振膜上的金属薄膜层。
可选地，在所述壳体内腔的底部设置有多组光电检测器、发光源，所述反射部的数量与所述光电检测器和发光源的组数相对应。
可选地，所述传感器为麦克风、压力传感器、位移传感器。
根据本发明的一个实施例，本发明的传感器，振膜和密封在内腔中的透光弹性体结合在一起，外界的作用力驱动振膜、透光弹性体共同发生形变，并通过光信号的改变信号的检测。本发明的传感器，不存在声阻的问题，不需要较大容积的背腔，因此可以大大降低传感器的整体尺寸，增强了传感器的可靠性。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明传感器的结构示意图。
图2是本发明传感器另一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明提供的传感器，其可以是麦克风、压力传感器、位移传感器或者本领域技术人员所熟知的其它传感器。为了便于描述，现以麦克风为例，对本发明的技术方案进行详尽的描述。
传感器包括具有中空内腔的壳体，壳体的上端具有连通壳体内腔的开口端。壳体可以是一体成型的，例如可以选择单晶硅或者本领域技术人员所熟知的其它材质。当选择单晶硅材质时，可以通过刻蚀等手段在壳体的中部区域形成一具有上端开口的中空内腔。
在本发明另一个实施例中，壳体包括由侧壁部2围成的腔体，以及封闭侧壁部2下端开口的底部1。侧壁部2可以选用硅材质，底部1可以选用电路板。电路板可通过粘结的方式固定在侧壁部2的下端，从而将侧壁部2的下端开口封闭住。
在底部1上设置有用于朝向壳体开口端发出光线的发光源6，以及用于接收反射光线的光电检测器5；在壳体的内腔中填充有透光弹性体4，且该透光弹性体4将发光源6、光电检测器5覆盖住，在一定程度上保护发光源6、光电检测器5。
在侧壁部2的上端还设置有振膜3，振膜3承载在侧壁部2的上端面，且与透光弹性体4贴合在一起。在振膜3上设置有用于将发光源6发出的光线反射至光电检测器5上的反射部7。
发光源6发出的光线穿过透光弹性体4到达振膜3上的反射部7，经过反射部7的反射后，反射回的光线穿过透光弹性体4到达光电检测器5，并被光电检测器5检测到。当外界的声音信号作用在振膜3上后，振膜3会与透光弹性体4一起发生形变，从而改变振膜3上反射部7的角度，由此改变发光源6-反射部7-光电检测器5之间的光路，该光路的变化最终会被光电检测器5检测到，由此使光电检测器5输出光路变化的电信号，以此来表征振膜3的形变，实现了声音至电信号的转换。
发光源6、光电检测器5可通过本领域技术人员所熟知的方式固定在例如电路板的底部1上。在底部1的外侧还设置有与发光源6、光电检测器5连通的焊盘或者引脚9，通过该焊盘或者引脚9可实现传感器与外部电路的连接。本发明的发光源6可以采用例如LED的发光二极管，优选采用光斑小的激光二极管，例如垂直腔面发射激光器（Vertical CavitySurface Emitting Laser），以提高检测的灵敏度。激光二极管发出光线的波长例如可以0.85um、1.064um、20um等。光电检测器5例如可以选用四象限光电检测器，这些均属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
透光弹性体4可以选用聚合物，例如聚二甲基硅氧烷等材质。可以在壳体内腔中通过滴胶或者本领域技术人员所熟知的其它方式填充液态的聚合物，待其固化后形成了透光弹性体4。透光弹性体4固化后，其用于与振膜3贴合的上表面可以是平的，参考图1；也可以是呈下凹的曲面，参考图2；也可以是呈上凸的曲面。当透光弹性体4的上表面选择曲面时，可以更容易调制振膜3上反射部7的角度，使得光电检测器5可以接受到被反射部7调制后的光信号。
本发明的振膜3为柔性薄膜，其可以选择如polySi、Si、SiO2、SixNy、金属、聚合物或任何组合。其可以通过沉积的方式结合在侧壁部2上以及透光弹性体4上；也可以通过键合的方式结合在侧壁部2上，并通过粘结的方式与透光弹性体4贴合在一起。
在本发明一个优选的实施例中，振膜3的机械灵敏度要大于透光弹性体4的机械灵敏度，振膜3与透光弹性体4结合在一起后，密封的透光弹性体4可以主导整个传感器的机械灵敏度。具体地，透光弹性体4的杨氏模量可以选择100kPa -500kPa。
反射部7可以为形成在振膜3上的金属薄膜层，其可以通过沉积以及图案化处理等方式形成在振膜3上。反射部7可以选择Al、Au或Ag等。通过在振膜3上进行沉积、刻蚀等方式形成反射部7，这种工艺属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
在保证光线可以到达发射部7的前提下，反射部7可以设置在振膜3的上方，也可以设置在振膜3的下方，或者设置在振膜3的镂空区域。反射部7的位置需要与发光源6、光电检测器5相对应，即使在振膜3发生形变的时候，也需要保证反射部7可以将发光源6发出的光线反射至光电检测器5。
本发明的传感器，振膜和密封在内腔中的透光弹性体结合在一起，外界的作用力驱动振膜、透光弹性体共同发生形变，并通过光信号的改变信号的检测。本发明的传感器，不存在声阻的问题，不需要较大容积的背腔，因此可以大大降低传感器的整体尺寸，增强了传感器的可靠性。
本发明的光电检测器、发光源可以设置有多组，反射部的数量与其相对应。例如振膜为圆形的振膜，光电检测器、发光源可以设置有四组，均匀分布在圆周方向上，反射部设置有四个，对四组光电检测器、发光源分别对应。
其中，每组光电检测器、发光源中，发光源可以为多个，多个发光源对应一个光电检测器，在此不再具体说明。
本发明的传感器，不但可以应用到麦克风中，还可以应用到压力传感器、位移传感器中。例如当应用到压力传感器中时，振膜对外界的压力敏感，外界压力的变化会驱动振膜、透光弹性体发生形变。当应用到位移传感器中时，可以设置一驱动杆与振膜3连接在一起，通过驱动杆推动振膜3、透光弹性体发生形变，在此不再一一列举。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种传感器，其特征在于，包括：
具有中空内腔且上端开口的壳体，在所述壳体内腔的底端设置有用于朝向壳体开口端发出光线的发光源，以及用于接收反射光线的光电检测器；
填充在壳体内腔并将发光源、光电检测器覆盖住的透光弹性体；
承载在壳体开口端并与透光弹性体贴合在一起的振膜，所述振膜被配置为在外界环境的变化下与透光弹性体发生形变；在所述振膜上设置有反射部，所述反射部被配置为将发光源发出的光线反射至光电检测器上；
所述透光弹性体的杨氏模量为100kPa -500kPa；
所述壳体包括由侧壁部围成的腔体，以及封闭侧壁部下端开口的底部；所述发光源、光电检测器设置在底部上。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述透光弹性体的机械灵敏度小于或者等于振膜的机械灵敏度。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述底部为电路板，在所述电路板的外侧还设置有用于外接的焊盘或者引脚。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述透光弹性体与振膜的接触面为平面。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述透光弹性体与振膜的接触面为上凸或者下凹的曲面。
6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述发光源为激光二极管；所述光电检测器为四象限光电检测器。
7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述反射部为形成在振膜上的金属薄膜层。
8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：在所述壳体内腔的底部设置有多组光电检测器、发光源，所述反射部的数量与所述光电检测器和发光源的组数相对应。
9.根据权利要求1至8任一项所述的传感器，其特征在于：所述传感器为麦克风、压力传感器、位移传感器。
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