微机电系统MEMS环境压力和声学传感器技术方案

本实用新型专利技术公开了一种微机电系统MEMS环境压力和声学传感器，该MEMS环境压力和声学传感器包括：具有壳体壁的壳体，该壳体限定内部腔室和至该内部腔室的声学输入开口；移动结构，该移动结构定位在内部腔室内并且以声学方式耦接到声学输入开口。该移动结构具有能够响应于声压输入而移动的声学感测部分和能够响应于环境压力输入而移动的环境压力感测部分。该传感器还包括电路，该电路电耦接到移动结构并且是可操作的以基于移动结构的移动来确定声学输出和环境压力输出。

Micro-Electro-Mechanical System Micro-Electro-Mechanical Environment Pressure and Acoustic Sensors

The utility model discloses a microelectromechanical system micromechanical environmental pressure and acoustic sensor. The micromechanical environmental pressure and acoustic sensor includes a shell with a shell wall, which defines the inner chamber and the acoustic input opening to the inner chamber; and a mobile structure, which locates in the inner chamber and is acoustically coupled to the acoustic input opening. The mobile structure has an acoustic sensing part capable of moving in response to the sound pressure input and an environmental pressure sensing part capable of moving in response to the environmental pressure input. The sensor also includes a circuit which is electrically coupled to the mobile structure and operable to determine the acoustic output and environmental pressure output based on the movement of the mobile structure.

【技术实现步骤摘要】
微机电系统MEMS环境压力和声学传感器相关专利申请的交叉引用本专利申请要求于2017年5月1日提交的待审的美国临时专利申请62/492,821的较早提交日期的权益，该专利申请以引用方式并入本文。
本技术的实施方案涉及用于环境压力感测和声学感测的传感器；并且更具体地涉及用于环境压力感测和声学感测的微机电系统(MEMS)感测元件。
技术介绍
在现代消费电子产品中，便携式计算设备，诸如膝上型电脑、笔记本、平板电脑、智能电话和便携式钟表不具有足够的空间来容纳相对大的换能器(例如。麦克风、扬声器等)和/或其他传感器(例如，加速度计、气压传感器等)。因此，用于此类设备的换能器和传感器的尺寸变得越来越紧凑并且尺寸减小。然而，换能器和传感器可执行不同的功能(例如，声音拾取、压力感测等)并且通常必须将多于一个信号调节单元或电路结合到用于处理不同信号的设备中。因此，多个不同的换能器、传感器和/或处理单元通常必须被结合到便携式设备中，从而导致产品空间挑战和集成挑战，这些挑战不能通过逐一减小这些部件中的每个部件的尺寸来解决。
技术实现思路
在一个实施方案中，本技术涉及用于环境压力感测和声学感测的微机电系统(MEMS)感测元件。代表性地，该感测元件可将用于声学感测的MEMS麦克风和用于环境压力感测的环境压力传感器的各个方面组合到使用共享MEMS管芯以用于进行压力感测和声学感测两者的单个感测元件中。例如，该感测元件可包括被设计成响应于针对环境压力感测的低频环境压力变化(例如，移动结构两端的压力差或波动)和针对声学感测的高频声学压力变化两者而移动(例如，振动)的移动结构。更具体地，该移动结构可包括具有一个或多个声学感测部分和一个或多个压力感测部分的MEMS隔膜、膜或其他MEMS板状结构，该声学感测部分响应于对应于或指示声学输入(例如，声音)的压力变化而移动，该压力感测部分响应于对应于或指示环境压力变化(例如，爬楼梯)的压力变化而移动。例如，环境压力变化(例如，低频压力变化)将导致隔膜的环境压力感测部分移动。根据环境压力感测部分(例如，电阻器或电容器)的配置，这种移动可通过电阻或电容变化来检测到，继而可用于确定局部测量压力以用于压力感测。类似地，对声学感测而言，与例如声音对应的小而快速的压力变化(例如，高频压力变化)将移动隔膜的声学感测部分。这种移动还可被检测为例如电容变化并用于声学感测。继而，该移动结构电连接到电路(例如。专用集成电路(ASIC))以用于对来自传感器的一种或多种电信号进行信号调节和处理以用于环境压力感测和声学感测。在这一方面中，通过优化用于高频声学感测和低频压力感测两者的单个MEMS部件，可设计宽带设备，以测量叠加在更慢变化的环境压力信号上的声压变化。此外，由于单个感测元件可执行两个感测操作，因此可解决MEMS技术所面临的生产空间挑战和集成挑战。更具体地，在一个实施方案中，本技术涉及一种微机电系统(MEMS)环境压力和声学传感器，该MEMS环境压力和声学传感器包括具有壳体壁的壳体，该壳体限定内部腔室和至内部腔室的声学输入开口。该传感器还可包括定位在内部腔室内并且以声学方式耦接到声学输入开口的移动结构。该移动结构可具有能够响应于声压输入而移动的声学感测部分和能够响应于环境压力输入而移动的环境压力感测部分。此外，电路可电耦接至该移动结构并且是可操作的以基于移动结构的移动来确定声学输出(例如，输出音频信号)和环境压力输出(例如，输出指示环境压力变化的信号)。在一些实施方案中，声压感测部分比环境压力感测部分更柔顺。更进一步地，声压感测部分可相对于环境压力感测部分径向地向内。例如，该声学感测部分可包括基本上实心的膜，并且环境压力感测部分可包括从基本上实心的膜径向向外延伸的多个辐条。在其他实施方案中，该声压感测部分可包括定位在第一板和第二板之间的柔顺构件，该第一板和该第二板可相对于该柔顺构件是固定的。在一些实施方案中，该环境压力感测部分可包括压电电阻器。此外，在一些实施方案中，声压输入可对应于100帕或更低的压力变化。此外，在一些情况下，该环境压力输入对应于大于100千帕的压力变化。在一些实施方案中，该电路是可操作的以基于由声学感测部分相对于壳体内的固定后板的移动而引起的电容变化来确定声学输出。此外，该电路可以是可操作的以基于由环境压力感测部分相对于壳体内的固定后板的移动而引起的电容变化来确定环境压力输出出。在其他实施方案中，该电路可以是可操作的以基于由环境压力感测部分响应于环境压力输入的移动而引起的环境压力感测部分的电阻变化来确定环境压力输出。更进一步地，该电路可一是可操作的以过滤与移动结构的移动对应的信号以确定声学输出和环境压力输出。此外，该环境压力感测部分包括第一可移动板，并且该声学感测部分包括第二可移动板，第一可移动板和第二可移动板共享两者之间的密封体积，并且环境压力输出或声学输出中的至少一者基于密封体积内的压力变化来确定。在其他实施方案中，本技术涉及一种MEMS环境压力和声学传感器，该MEMS环境压力和声学传感器包括具有壳体壁的壳体，该壳体限定内部腔室和至内部腔室的声学端口。在一些实施方案中，该移动结构定位在内部腔室内并且以声学方式耦接到声学输入开口。该移动结构可具有隔膜部分和从隔膜部分径向向外延伸的压电部分。该隔膜部分能够响应于声压输入而移动，并且压电部分能够响应于环境压力输入而移动。此外，电路可电耦接到移动结构以检测移动结构的移动以用于声学感测和环境压力感测。在一些实施方案中，该压电部分可包括多个辐条，并且辐条中的每个辐条可包括压电电阻器。在本实施方案中，压力感测可包括检测压电电阻器的电阻变化。在附加实施方案中，声学感测可包括检测由隔膜部分相对于壳体内的固定板的移动而引起的电容变化。该声压输入可对应于例如50毫帕至100帕的压力变化。此外，该环境压力输入可对应于100帕至110千帕的压力变化。在其他实施方案中，本技术涉及一种MEMS环境压力和声学传感器，该MEMS环境压力和声学传感器包括具有壳体壁的壳体，该壳体限定内部腔室和至内部腔室的声学输入开口。移动结构可定位在内部腔室内并且以声学方式耦接到声学输入开口。该移动结构可具有声学感测部分和环境压力感测部分。该声学感测部分可包括定位在第一板和第二板之间的柔顺构件。该柔顺构件能够相对于第一板和第二板移动。该环境压力感测部分可从声学感测部分沿径向向外延伸并且能够相对于壳体移动。更进一步地，电路可电耦接到移动结构以基于移动结构的移动来检测声压输入和环境压力输入。该柔顺构件可包括响应于声学输入而振动的隔膜。在其他实施方案中，该柔顺构件可包括响应于声学输入而变形的可变形聚合物。此外，当隔膜部分响应于声压输入而移动时，该环境压力感测部分可保持在固定位置。在一些情况下，该隔膜构件能够响应于与20Hz或更大的高频输入对应的压力变化而移动。该压电部分可响应于与10Hz或更小的低频输入对应的压力变化而移动。以上概述不包括本技术的所有方面的详尽列表。可预期的是，本技术包括可从上文概述的各个方面以及在下文的具体实施方式中公开并且在随该专利申请提交的权利要求书中特别指出的各个方面的所有合适的组合而实施的所有系统和方法。此类组合具有未在上述
技术实现思路
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【技术保护点】
1.一种微机电系统MEMS环境压力和声学传感器，特征在于，包括：具有壳体壁的壳体，所述壳体限定内部腔室和至所述内部腔室的声学输入开口；移动结构，所述移动结构定位在所述内部腔室内并且以声学方式耦接到所述声学输入开口，所述移动结构具有能够响应于声压输入而移动的声学感测部分和能够响应于环境压力输入而移动的环境压力感测部分；和电路，所述电路电耦接到所述移动结构，所述电路是可操作的以基于所述移动结构的移动来确定声学输出和环境压力输出。

【技术特征摘要】
2017.05.01 US 62/492,821;2018.03.14 US 15/921,5881.一种微机电系统MEMS环境压力和声学传感器，特征在于，包括：具有壳体壁的壳体，所述壳体限定内部腔室和至所述内部腔室的声学输入开口；移动结构，所述移动结构定位在所述内部腔室内并且以声学方式耦接到所述声学输入开口，所述移动结构具有能够响应于声压输入而移动的声学感测部分和能够响应于环境压力输入而移动的环境压力感测部分；和电路，所述电路电耦接到所述移动结构，所述电路是可操作的以基于所述移动结构的移动来确定声学输出和环境压力输出。2.根据权利要求1所述的MEMS环境压力和声学传感器，其中所述声压感测部分比所述环境压力感测部分更柔顺。3.根据权利要求1所述的MEMS环境压力和声学传感器，其中所述声压感测部分相对于所述环境压力感测部分径向地向内。4.根据权利要求1所述的MEMS环境压力和声学传感器，其中所述声压感测部分包括实心的膜，并且所述环境压力感测部分包括从所述实心的膜径向向外延伸的多个辐条。5.根据权利要求1所述的MEMS环境压力和声学传感器，其中所述声压感测部分包括定位在第一板和第二板之间的柔顺构件，并且其中所述第一板和所述第二板相对于所述柔顺构件是固定的。6.根据权利要求1所述的MEMS环境压力和声学传感器，其中所述环境压力感测部分包括压电电阻器。7.根据权利要求1所述的MEMS环境压力和声学传感器，其中所述声压输入对应于100帕或更小的压力变化。8.根据权利要求1所述的MEMS环境压力和声学传感器，其中所述环境压力输入对应于大于100千帕的压力变化。9.根据权利要求1所述的MEMS环境压力和声学传感器，其中所述电路是可操作的以基于由所述声学感测部分相对于所述壳体内的固定后板的移动而引起的电容变化来确定所述声学输出。10.根据权利要求1所述的MEMS环境压力和声学传感器，其中所述电路是可操作的以基于由所述环境压力感测部分相对于所述壳体内的固定后板的移动而引起的电容变化来确定所述环境压力输出。11.根据权利要求1所述的MEMS环境压力和声学传感器，其中所述电路是可操作的以基于由所述环境压力感测部分响应于所述环境压力输入的移动而引起的所述环境压力感测部分的电阻变化来确定所述环境压力输出。12.根据权利要求1所述的MEMS环境压力和声学传感器，其中所述电路是可操作的以过滤与所述移动结构的移动对应的信号以确定所述声学输出和所述环境压力输出。13.根据权利要求1所述的MEMS环境压力和声学传感器，其中所述环境压力感测部分包括第一可移动板，并且所述声学感测部分包括第二可移动板，所述第一可移动板和所述第二可...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·D·伊万斯，J·S·艾伽什，G·B·恩德特，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：新型
国别省市：美国,US