CN110248891A - 用于感测振动、尤其是固体声的微机械模块和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于施加到基体(60)上以感测在所述基体(60)中的振动的微机械模块(100)，该微机械模块包括：具有空腔(51)的壳体(50)，其中，所述空腔(51)是声学有效容积；衬底(40)；麦克风(10)，该麦克风声耦合到所述空腔(51)上并且设置成用于感测所述振动的横波；和MEMS加速度传感器(20)，其中，所述MEMS加速度传感器(20)设置成用于感测所述振动的沿着平行于所述基体(60)的表面(64)的至少一个测量轴线(21)的纵波，并且其中，所述衬底(40)使所述麦克风(10)和所述MEMS加速度传感器(20)相互电地和机械地连接并且具有用于输出的共同接口(43)。
Description
技术领域
本发明涉及用于感测在基体中的在基体的表面上的振动、即所谓的固体声、尤其用于感测振动的横波和纵波的微机械模块和方法。
背景技术
由现有技术已知用于测量振动的不同微机械模块和***。
微机械模块(MEMS模块)和***在相对复杂的任务设计中提供小的位置的情况下普遍使用。它们可以在移动通信装置中使用，也可以在健身器械和其他现代传感器***中使用。
由DE10 2014 100 464 A1公开一种具有多个微机械麦克风的设备，所述微机械麦克风例如作为立体声麦克风使用。
DE10 2011 055 523 A1描述一种用于感测固体声的方法以及设备，其中，仅感测其幅度超出阈值的振动。
此外，已知在汽车中基于固体声测量的碰撞识别。固体声传感器可以是用于激活约束***、如气囊和安全带拉紧器的电子部件的组成部分。通过在碰撞时出现的表征固体声的测量，感测结构的塑性变形。同时可以良好地区分不同的碰撞情形，如高速或低速、部分的车辆重叠、斜向碰撞和碰撞到能容易变形的物体上。
在健身器械中，微机械模块例如用于感测运动或者用于感测使用者的心率。
发明内容
本发明公开了一种具有权利要求1的特征的设备和一种具有权利要求11的特征的方法。
因此设置有：
用于施加到基体上的微机械模块以感测基体中的振动，该微机械模块包括：具有空腔的壳体，其中，空腔表现为声学有效容积；衬底；麦克风，该麦克风声耦合到空腔上并且设置成用于感测振动的横波；和MEMS加速度传感器，其中，MEMS加速度传感器设置成用于感测振动的沿着平行于基体表面的至少一个测量轴线的纵波，并且其中，衬底使麦克风和MEMS加速度传感器相互电地和机械地连接并且具有用于输出的一个共同接口。
此外设置有：
用于感测在基体中在基体表面上的振动的方法，所述方法包括通过麦克风感测振动的横波，通过MEMS加速度传感器感测振动的纵波，通过共同接口输出所感测的横波和纵波的测量值。
本发明基于的认知是，在待表征的基体中的振动具有纵向和横向的分量，所述分量在基体中不同地传播并且必须由不同的测量***感测。
本发明基于的想法在于，考虑该认知并且设置根据本发明的微机械模块，该微机械模块通过MEMS加速度传感器感测纵向振动并且通过麦克风感测横向振动。
有利的实施方式和扩展方案由从属权利要求以及由参照附图的说明得出。
此外，一实施方式包括分析处理单元，其中，分析处理单元设置成用于组合所感测的纵波和横波的测量值并且将组合后的测量值以共同输出信号输出。这简化了所感测的数据的再处理，因为仅须再处理所感测的振动的组合数据组。
另外的实施方式这样构型，使得分析处理单元无线地输出共同输出信号。由此减少所需的线缆的数量并且也节省用于线缆所需的位置，从而所述微机械模块减少在布线时的花费并且同时需要较小的位置，并且由此可以使用在通过具有布线的较大模块所不能实现的部位上。总体上实现布线和多个微机械模块的读取的简化。
在另外的实施方式中，麦克风和/或MEMS加速度传感器输出数字输出信号。数字输出信号在传输时不容易受干扰并且由此改善信噪比。
在另外的实施方式中，MEMS加速度传感器对于第一频率范围是优化的并且麦克风对于与第一频率范围不同的第二频率范围是优化的。刚好在已知待感测振动的频率范围的应用中，可以通过优化微机械模块的频率特性来改善信噪比。
在另外的实施方式中，MEMS加速度传感器对于20kHz和100kHz之间的频率范围是优化的，而麦克风在直至20kHz的频率范围中是优化的。这样微机械模块能够实现在可听频谱中的纵向振动的接收和在超声范围中的横向振动的接收。
在另外的实施方式中，MEMS加速度传感器在直至20kHz的频率范围中是优化的，而麦克风在20kHz和100kHz的频率范围中是优化的。微机械模块能够实现在可听频谱中的横向振动的接收和在超声范围中的纵向振动的接收。
在另外的实施方式中，MEMS加速度传感器具有两个彼此垂直的测量轴线，所述测量轴线在微机械模块贴靠在基体表面的情况下平行于表面地布置。通过使用具有两个测量轴线的MEMS加速度传感器，可以感测平面中的纵向振动的分量并且这样确定纵向振动的传播方向。但是替代地，可以感测具有不同传播方向的不同的叠加的纵向振动。
在另外的实施方式中，MEMS加速度传感器具有两个MEMS加速度模块，其分别具有一个测量轴线，其中，这两个测量轴线彼此垂直并且在将微机械模块贴靠在基体的表面上时平行于表面地布置。通过使用两个MEMS加速度模块可以使这两个MEMS加速度模块刚好适配于相应的应用，由此优化敏感性和信噪比。
在另外的实施方式中，所述方法具有在输出前将所感测的横波和纵波的测量值组合的步骤，其中，所述输出将组合的测量值作为共同输出信号进行输出。这简化了所感测数据的再处理，因为仅需再处理一组所感测的振动的组合的测量值。
在另外的实施方式中，所述输出无线地进行。由此实现布线和多个微机械模块的读取的简化。
在另外的实施方式中，横波的感测包含测量值的数字化和/或纵波的感测包含测量值的数字化。
附图说明
下面参照在附图中示出的实施例详细阐释本发明。附图示出：
图1根据本发明的微机械模块的实施方式的示意图，
图2在使用根据本发明的微机械模块的实施方式时的测量过程的示意图，
图3根据本发明的微机械模块的实施方式的示意图，
图4根据本发明的微机械模块的实施方式的示意图，
图5根据本发明的微机械模块的实施方式的示意图，
图6用于感测在基体中的振动的方法的实施方式的原理流程图。
在所有附图中，只要没有另外说明，相同的或功能相同的元件和设备设有相同的附图标记。方法步骤的编号用于概要性并且尤其不应隐含确定的时间顺序(只要没有另外说明)。尤其也可以同时实施多个方法步骤。
具体实施方式
虽然上面参照优选实施例已经描述了本发明，但本发明不局限于此，而是能够以多种方式改型。本发明尤其能够以各种方式改变或改型，而不偏离本发明的核心。
图1示出根据本发明的用于感测固体声的微机械模块(MEMS模块)100的实施方式的示意图，其中，固体声由纵波和横波组成。
微机械模块100具有壳体50以及衬底40、MEMS加速度传感器20以及麦克风10。可选地，微机械模块100还具有分析处理单元30(在图1中未示出)。
壳体50用于微机械模块100的机械保护、将微机械模块机械附接到基体60上并且用于借助壳体50将基体60声耦合到麦克风10上。壳体50例如可以是由塑料、金属和/或复合材料制成的薄壳设计，或者由实心材料、例如由电子学中已知的浇注材料或压入材料组成。壳体50具有空腔51。空腔51作为声学有效容积用于麦克风10。空腔51的形状和尺寸与麦克风10的类型和形状相匹配。如果麦克风10例如是MEMS麦克风，那么根据MEMS麦克风的结构形状和位置在壳体50中在麦克风10的膜片前面和/或后面需要空穴，该空穴形成麦克风10的前容积和/或后容积。
根据图1中的实施方式，空腔51是麦克风10的前容积。空腔51的尺寸和几何形状例如也可以对麦克风10的共振行为造成影响并且相应于所期望的共振构型。通过增大前容积，使亥姆霍兹共振频率朝着较低的频率移动，通过缩小该前容积使亥姆霍兹共振频率朝着较高的频率移动。通过增大后容积，更容易使麦克风10的膜片运动，因此后容积的增大提高麦克风10的敏感性。空腔51的密封例如可以借助薄膜52实现。薄膜不会对声耦合的品质产生影响，但显示出对例如侵入的灰尘或类似物的进一步的机械防护。替代地，空腔51的密封也可以通过相对于基体的表面64的密封实现，例如借助于粘接剂或胶水或者通过密封件，如橡胶唇或O形环，该O形环例如在将微机械模块施加到基体60上时被挤压并且因此密封空腔51。
衬底40使MEMS加速度传感器20和麦克风10相互电地和机械地连接。所感测的测量值的输出通过一个共同接口43进行，可选择地借助于可选地布置在衬底40上的分析处理单元30(在图1中未示出)。根据图1中的实施方式，衬底40具有贴靠在空腔51上的槽41，该槽能够实现基体60与麦克风10的声耦合。衬底40例如是简单的电路板、SMD电路板或多层电路板。共同接口43例如可以是CAN总线接口、USB接口、以太网接口或者任意其他常见的有线的数据总线。但是替代地，共同接口也可以建立无线连接，例如通过蓝牙、WLAN、或者通过RFID或借助于移动通信模块。
MEMS加速度传感器20这样布置在衬底40的背离基体60的一侧上，使得所述MEMS加速度传感器在将微机械模块贴靠在基体的表面64上时具有平行于表面64的至少一个测量轴线21。替代地，MEMS加速度传感器20也可以具有两个彼此垂直的测量轴线，其中，这两个测量轴线撑开平行于表面64的平面。MEMS加速度传感器20感测固体声的纵波，如在图2中示出的那样。MEMS加速度传感器20例如模拟地输出所感测的纵波的测量值，替代地已经可以在MEMS加速度传感器20中进行测量值的数字化。
麦克风10同样布置在衬底40的背离基体60的一侧上并且借助于空腔51和槽41声耦合到基体60上。麦克风10例如构造为MEMS麦克风并且具有空穴11，该空穴形成MEMS麦克风的后容积。但是，根据MEMS麦克风的结构类型，空穴也可以是MEMS麦克风的前容积。通过声耦合到基体60上，麦克风10可以感测固体声的横波。根据图1，麦克风10是底口型(bottom-port)MEMS麦克风。但是替代地，在合适选择空腔51的几何形状的情况下，也可以使用顶口型(top-port)MEMS麦克风或者两者的混合形式。麦克风10例如模拟地输出所感测的横波的测量值，替代地已经可以在麦克风10中进行测量值的数字化。
图2A和2B会示出通过在基体60上的微机械模块100所进行的固体声的感测。
在图2A中，箭头67表明在基体60中的具有传播方向65的纵向振动。微机械模块100相应于基体60的纵向振动地振动并且MEMS加速度传感器20感测固体声的平行于MEMS加速度传感器的至少一个测量轴线21的纵波的分量。
在图2B中，箭头66以及波纹状的表面63和64表明在基体60中的具有传播方向65的横向振动。微机械模块100的麦克风10借助于空腔51和槽41声耦合到基体60上并且这样可以感测固体声的横波。
麦克风10和MEMS加速度传感器20均可以在其针对确定的频率范围的响应特性方面进行优化。麦克风10例如是对于20Hz和20kHz之间的可听频率范围可以是优化的并且MEMS加速度传感器20可以对于20kHz和100kHz之间的频率范围是优化的并且由此也感测超声。而如果已知，基体60中的纵向振动出现在20Hz和20kHz之间的频率范围中并且基体中的横向振动出现在20kHz和100kHz之间的频率范围中，那么如此设计微机械模块100，使得MEMS加速度传感器对于20Hz和20kHz之间的频率范围是优化的并且麦克风10对于20kHz和100kHz之间的频率范围是优化的。相应地，对于任何应用，如果已知预期的频率范围，那么选择相应优化的麦克风10和相应优化的MEMS加速度传感器20。
图3示出一实施方式，该实施方式相对于图1中的实施方式改变如下，壳体50不贴靠在基体上或者不仅仅该壳体贴靠在基体上，而是衬底40也或者仅仅该衬底直接贴靠在基体60上。此外，空腔51的位置改变如下，所述空腔不再布置在衬底40下方，而是布置在该衬底上方。此外，替代于底口型MEMS麦克风，使用顶口型MEMS麦克风。顶口型MEMS麦克风不直接声耦合到衬底40中的槽41上，而是槽41声耦合到空腔51上，该空腔又声耦合到顶口型MEMS麦克风上。槽41借助于薄膜42密封。该实施方式相对于图1中的实施方式能够实现更窄的结构形式。
图3中的实施方式示出在衬底40上的分析处理单元30。分析处理单元30使由MEMS加速度传感器和麦克风10感测的纵向和横向振动的测量值组合并且在一个共同输出信号中输出组合的测量值。所述输出通过共同接口43(未画出)进行。分析处理单元30例如是微控制器单元，替代地也是与无线传输接口组合的微控制器单元。如果分析处理单元30是微控制器单元，那么分析处理单元30也可以实施测量值的分析或者例如根据预给定的条件实施第一数据选择。
根据图4的实施方式与根据图3的实施方式的不同如下：麦克风10是底口型MEMS麦克风并且直接声耦合到衬底40中的槽41上。空腔51在实施方式中作用为底口型MEMS麦克风的后容积。此外，图4中的微机械模块100具有两个MEMS加速度传感器20A和20B，其测量轴线21A、21B彼此垂直并且撑开平行于基体60的表面64的平面。
根据图5的实施方式与根据图1的实施方式的不同如下：麦克风10、MEMS加速度传感器20和可选的分析处理单元30在壳体50内部布置在衬底40的面向基体60的一侧上。麦克风10构造为顶口型MEMS麦克风并且直接声耦合到空腔51上。在没有槽41的情况下直接在空腔51上的声耦合相对于图1的实施方式改善了声耦合并且具有更窄的结构形式。共同接口43可以借助于电路板中的敷镀通孔构造在衬底的后侧44上。
图6示出用于感测基体中的振动、尤其用于感测固体声的方法的实施方式的原理流程图。在步骤200中，通过麦克风感测振动的横波。在步骤210中，通过MEMS加速度传感器感测振动的纵波。然后，在步骤220中输出所感测的振动的纵波和横波的测量值。在可选的步骤230中，将所感测的横波和纵波的测量值在输出前组合并且随后作为组合的测量值以一个共同输出信号在步骤220中输出。
Claims (14)
1.用于施加到基体(60)上以感测在所述基体(60)中的振动的微机械模块(100)，该微机械模块包括
-具有空腔(51)的壳体(50)，其中，所述空腔(51)是声学有效容积，
-衬底(40)，
-麦克风(10)，该麦克风声耦合到所述空腔(51)上并且设置成用于感测所述振动的横波，和
-MEMS加速度传感器(20)，其中，所述MEMS加速度传感器(20)设置成用于感测所述振动的沿着平行于所述基体(60)的表面(64)的至少一个测量轴线(21)的纵波，并且其中，所述衬底(40)使所述麦克风(10)和所述MEMS加速度传感器(20)相互电地和机械地连接并且具有用于输出的共同接口(43)。
2.根据权利要求1所述的微机械模块(100)，该微机械模块还包括
-分析处理单元(30)，
-其中，所述分析处理单元(20)设置成用于使所感测的纵波和横波的测量值组合并且将组合后的测量值在一个共同输出信号中输出。
3.根据权利要求2所述的微机械模块(100)，其中，所述分析处理单元(30)设置成用于无线地输出所述共同输出信号。
4.根据前述权利要求中任一项所述的微机械模块(100)，其中，所述麦克风(10)和所述MEMS加速度传感器(20)中的至少一个设置成用于输出数字的输出信号。
5.根据前述权利要求中任一项所述的微机械模块(100)，其中，所述麦克风(10)是MEMS麦克风。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微机械模块(100)，其中，所述MEMS加速度传感器(20)对于第一频率范围是优化的并且所述麦克风(10)对于不同于所述第一频率范围的第二频率范围是优化的。
7.根据权利要求6所述的微机械模块(100)，
其中，所述MEMS加速度传感器(20)对于在20kHz和100kHz之间的频率范围是优化的，而所述麦克风(10)在直至20kHz的频率范围中是优化的。
8.根据权利要求6所述的微机械模块(100)，
其中，所述MEMS加速度传感器(20)在直至20kHz的频率范围中是优化的，而所述麦克风(10)在20kHz和100kHz的频率范围中是优化的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的微机械模块(100)，其中，所述MEMS加速度传感器(20)具有两个彼此垂直的测量轴线(21、21)，所述测量轴线在所述微机械模块(100)贴靠在所述基体(60)的所述表面(64)上时平行于所述表面(64)地布置。
10.根据权利要求9所述的微机械模块(10)，其中，所述MEMS加速度传感器(20)具有两个MEMS加速度模块(20A、20B)，这两个MEMS加速度模块分别具有一个测量轴线(21A、21B)。
11.用于在所述基体的表面上感测在基体中的振动的方法，所述方法包括
-通过麦克风感测所述振动的横波，
-通过MEMS加速度传感器感测所述振动的纵波，
-通过一个共同接口输出所感测的横波和纵波的测量值。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括
-在所述输出之前将所感测的横波和纵波的测量值组合，其中，所述输出将组合后的测量值作为共同输出信号进行输出。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述输出无线地进行。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，所述横波的感测包含所述测量值的数字化，和/或，其中，所述纵波的感测包含所述测量值的数字化。
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