骨传导传感器、骨传导传感器结构及信号处理方法与流程

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种骨传导传感器、骨传导传感器结构及信号处理方法。


背景技术：

2.骨传导传感器是一种拾取语音等振动信号，并将振动信号转换为电信号的传感器，通常包括微机电系统(mems，micro-electro-mechanical system)和专用集成电路(asic，application specific integrated circuit)，衡量其性能的指标主要有灵敏度、信噪比和功耗。
3.目前，骨传导传感器的发展方向为产品小型化的同时要求具有高灵敏度、高信噪比和低功耗，大多数做法是在asic中加入可编程增益放大器(pga，programmable gain amplifier)，该方式存在的问题是，在提升灵敏度的同时，会引入噪声，导致产品的信噪比下降，还增加了产品的功耗。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于：提供一种骨传导传感器、骨传导传感器结构及信号处理方法，旨在解决现有技术中骨传导传感器在提升灵敏度的同时，无法保证信噪比要求和功耗要求的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.第一方面，本发明提供了一种骨传导传感器，包括微机电系统模块和专用集成电路模块，所述专用集成电路模块包括模拟放大单元和信号处理单元；
7.其中，所述模拟放大单元包括：
8.前级放大电路，与所述微机电系统模块连接，所述前级放大电路的放大倍数基于所述微机电系统模块的结构确定；
9.后级放大电路，分别与所述前级放大电路和所述信号处理单元连接，所述后级放大电路的增益值可调。
10.可选地，上述骨传导传感器中，所述专用集成电路模块还包括：
11.电源单元，分别与所述模拟放大单元和所述信号处理单元，以及所述微机电系统模块连接，用于给所述模拟放大单元、所述信号处理单元和所述微机电系统模块供电。
12.可选地，上述骨传导传感器中，所述微机电系统模块，用于采集振动信号，并将所述振动信号输出至所述模拟放大单元；
13.所述模拟放大单元，用于对所述振动信号进行信号放大，输出放大后的振动信号至所述信号处理单元；
14.所述信号处理单元，用于对所述放大后的振动信号进行转换处理，得到目标电信号。
15.可选地，上述骨传导传感器中，所述信号处理单元包括：
16.模数转换电路，与所述模拟放大单元连接，用于对所述放大后的振动信号进行模数转换，得到数字振动信号；
17.信号处理电路，与所述模数转换电路连接，用于根据预设程序，对所述数字振动信号进行数字化处理，得到目标电信号；
18.接口电路，与所述信号处理电路连接，用于输出所述目标电信号。
19.可选地，上述骨传导传感器中，所述微机电系统模块包括电容c0和电容cp1；
20.所述电容c0的一端与所述电源模块连接，另一端分别与所述专用集成电路模块和所述电容cp1的一端连接，所述电容cp1的另一端接地；
21.其中，通过减小所述电容cp1的电容值或通过增大所述电容c0的电容值将所述放大倍数调大。
22.可选地，上述骨传导传感器中，所述前级放大电路包括放大器q1、电容cp2、可调电容cm和可调电容cf；
23.所述放大器q1的输入端分别与所述微机电系统模块和所述电容cp2的一端连接，输出端分别与所述可调电容cf的一端和所述后级放大电路连接，所述可调电容cf的另一端分别与所述电源模块和所述可调电容cm的一端连接，所述电容cp2的另一端和所述可调电容cm的另一端均接地；
24.其中，通过减小所述电容cp2的电容值将所述放大倍数调大。
25.可选地，上述骨传导传感器中，所述后级放大电路包括放大器q2；
26.所述放大器q2的输入端与所述前级放大电路连接，输出端与所述信号处理单元连接；
27.其中，所述放大器q2采用可编程增益放大器。
28.第二方面，本发明提供了一种骨传导传感器结构，所述结构包括：
29.如上述的骨传导传感器，所述骨传导传感器中微机电系统模块的结构包括依次层叠设置的衬底层、氧化层、电极层、结构层和密封层；
30.其中，通过刻蚀所述氧化层的结构来增大所述骨传导传感器中前级放大电路的放大倍数。
31.可选地，上述骨传导传感器结构中，所述氧化层的靠近所述电极层的一侧表面设置有氮化硅层；
32.其中，通过刻蚀所述氧化层和所述氮化硅层的结构来增大所述前级放大电路的放大倍数。
33.可选地，上述骨传导传感器结构中，所述结构还包括：
34.基板，所述微机电系统模块与所述骨传导传感器中的专用集成电路模块均设置在所述基板上；
35.外壳，所述外壳与所述基板的边缘密封连接。
36.第三方面，本发明提供了一种基于骨传导传感器的信号处理方法，所述方法包括：
37.获取如上述的骨传导传感器结构；
38.通过刻蚀所述骨传导传感器结构中的氧化层来增大骨传导传感器的模拟放大单元中前级放大电路的放大倍数；
39.通过微机电系统模块采集振动信号，并输出所述振动信号；
40.通过所述前级放大电路以及后级放大电路，依次对所述振动信号进行信号放大，输出放大后的振动信号；
41.通过信号处理单元对所述放大后的振动信号进行转换处理，得到目标电信号。
42.本发明提供的上述一个或多个技术方案，可以具有如下优点或至少实现了如下技术效果：
43.本发明提出的一种骨传导传感器、骨传导传感器结构及信号处理方法，通过在骨传导传感器的专用集成电路模块中增加模拟放大单元，通过其中的前级放大电路和后级放大电路的共同作用，对骨传导传感器的微机电系统模块采集到的振动信号进行放大，提升骨传导传感器的灵敏度，其中，前级放大电路的放大倍数根据微机电系统模块的结构确定，后级放大电路的增益值设置为可调，通过调整微机电系统模块的结构来增大放大倍数，从而提升骨传导传感器的灵敏度，与通过调整放大器增益来提升灵敏度相比，可以避免增加骨传导传感器的噪声和功耗；本发明与现有技术相比，在提升骨传导传感器的灵敏度的同时不会引入多余噪声，提升了骨传导传感器的信噪比，还降低了骨传导传感器的功耗，整体性能得到了大幅提升。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的这些附图获得其他的附图。
45.图1为本发明骨传导传感器的连接示意图；
46.图2为本发明骨传导传感器的另一连接示意图；
47.图3为图1中专用集成电路模块的连接示意图；
48.图4为图1中微机电系统模块与模拟放大单元的电路原理图；
49.图5为本发明骨传导传感器结构的结构示意图；
50.图6为图5中微机电系统模块的结构示意图；
51.图7为图5中微机电系统模块的另一结构示意图；
52.图8为本发明基于骨传导传感器的信号处理方法的流程示意图。
53.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
54.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.需要说明，在本发明实施例中，所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变，则该方向性指示也相应地随之改变。在本发明中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方
法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，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，也可以是两个元件的相互作用关系。在本发明中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。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发明中的具体含义。另外，各个实施例的技术方案可以相互结合，但是，是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
56.鉴于现有技术中骨传导传感器在提升灵敏度的同时，无法保证信噪比要求和功耗要求的技术问题，本发明提供了一种骨传导传感器、骨传导传感器结构及信号处理方法。
57.下面结合附图，通过具体的实施例和实施方式对本发明提供的骨传导传感器、骨传导传感器结构及信号处理方法进行详细说明。
58.实施例一
59.参照图1至图3，提出本发明骨传导传感器的实施例。如图1所示为骨传导传感器的连接示意图，该骨传导传感器可以包括微机电系统模块(mems模块)10和专用集成电路模块(asic模块)20。
60.具体的，利用mems模块10可以采集振动信号，振动信号例如是通过固体传播的语音等振动信号，利用asic模块20可以将mems模块10拾取到的振动信号转换为电信号。其中，mems模块10的硬件结构可以由质量块、梁结构、锚点组成，来感应外界的振动情况，并转换输出微弱电信号，作为振动信号；asic模块20可以由放大器、adc(analog to digital converter，模拟数字转换器，也叫a/d转换器)、dsp(digital signal processor，数字信号处理器)及接口组成，将mems模块10输出的微弱电信号转换为特定信号并输出，特定信号即作为目标电信号，来表达前述的振动情况。
61.如图1所示，该asic模块20包括模拟放大单元21和信号处理单元22；
62.其中，模拟放大单元21可以包括：
63.前级放大电路211，与所述微机电系统模块10连接，所述前级放大电路211的放大倍数基于所述微机电系统模块10的结构确定；
64.后级放大电路212，分别与所述前级放大电路211和所述信号处理单元22连接，所述后级放大电路212的增益值可调。
65.具体的，前级放大电路211可以通过放大器及其外围电子器件实现信号放大，后级放大电路212可以通过可编程增益放大器(pga)实现信号放大及增益值可调。
66.具体实施方式中，前级放大电路211的放大倍数可以在产品设计阶段确定，该放大倍数可以设置不同的数值，具体通过微机电系统模块10的结构来确定，例如，可以通过刻蚀微机电系统模块10的氧化层来增加前级放大电路211的放大倍数。当前级放大电路211的放大倍数增加时，后级放大电路212的增益值可以保持不变，也可以根据实际情况进行调整。
例如，当增大前级放大电路211的放大倍数时，可以对应调整后级放大电路212的增益值，使模拟放大单元21的总放大倍数基于预设值保持不变，或者，当调大前级放大电路211的放大倍数时，可以保持后级放大电路212的增益值不变，使模拟放大单元21的总放大倍数增加。
67.在实际应用中，还可以根据需要对模拟放大单元21的总放大倍数设置一个预设值，在该预设值范围内，将前级放大电路211的放大倍数调大，然后对应将后级放大电路212的增益值调小，可以保证模拟放大单元21的总放大倍数不变。
68.如图2所示为骨传导传感器的另一连接示意图，骨传导传感器的专用集成电路模块还可以包括：
69.电源单元23，分别与所述模拟放大单元21和所述信号处理单元22，以及所述微机电系统模块10连接，用于给所述模拟放大单元21、所述信号处理单元22和所述微机电系统模块10供电。
70.具体的，电源模块23可以包括开关电源vs，具体可以是交流电源或直流电源，为asic模块20中的模拟放大单元21和信号处理单元22，以及mems模块10提供工作所需的电压。
71.进一步地，在该骨传导传感器中，所述微机电系统模块10，用于采集振动信号，并将所述振动信号输出至所述模拟放大单元21；
72.所述模拟放大单元21，用于对所述振动信号进行信号放大，输出放大后的振动信号至所述信号处理单元22；
73.所述信号处理单元22，用于对所述放大后的振动信号进行转换处理，得到目标电信号。
74.具体的，在实际应用中，可以根据确定放大倍数后的前级放大电路211以及增益值可调的后级放大电路212所构成的模拟放大单元21对mems模块10采集的振动信号进行放大，然后将放大后的振动信号交由信号处理单元22进行转换处理，得到目标电信号，该目标电信号还可以输出到与骨传导传感器连接的外部装置。
75.进一步地，如图3所示为asic模块20的连接示意图，所述信号处理单元22可以包括：
76.模数转换电路221，与所述模拟放大单元21连接，用于对所述放大后的振动信号进行模数转换，得到数字振动信号；
77.信号处理电路222，与所述模数转换电路221连接，用于根据预设程序，对所述数字振动信号进行数字化处理，得到目标电信号；
78.接口电路223，与所述信号处理电路222连接，用于输出所述目标电信号。
79.具体的，模数转换电路221可以包括adc，信号处理电路222可以包括dsp或其他可编程处理器，可以根据实际需要设置对数字振动信号的处理模式或目标电信号的参数等，接口电路223可以包括接口芯片。
80.如图4所示为微机电系统模块10与模拟放大单元21的电路原理图，下面结合图4对骨传导传感器进行详细说明。
81.进一步地，如图4所示，所述微机电系统模块10可以包括电容c0和电容cp1；
82.所述电容c0的一端与所述电源模块23连接，另一端分别与所述专用集成电路模块20和所述电容cp1的一端连接，所述电容cp1的另一端接地；
83.其中，通过减小所述电容cp1的电容值或通过增大所述电容c0的电容值将所述放大倍数调大。
84.具体的，电源模块23可以包括开关电源vs，电容c0的一端与开关电源vs的正极连接。在电源模块23提供供电的基础上，该mems模块10感应振动信号，产生振动信号，发送到后续的前级放大电路211。
85.进一步地，如图4所示，所述前级放大电路211包括放大器q1、电容cp2、可调电容cm和可调电容cf；
86.所述放大器q1的输入端分别与所述微机电系统模块10和所述电容cp2的一端连接，输出端分别与所述可调电容cf的一端和所述后级放大电路212连接，所述可调电容cf的另一端分别与所述电源模块23和所述可调电容cm的一端连接，所述电容cp2的另一端和所述可调电容cm的另一端均接地；
87.其中，通过减小所述电容cp2的电容值将所述放大倍数调大。
88.具体的，放大器q1的输入端连接到电容c0的另一端与电容cp1的一端的共接点，还与电容cp2连接，接收mems模块10产生的振动信号，电容cp2为前级放大电路211的寄生电容；放大器q1的输出端与可调电容cf的一端连接，可调电容cf的另一端具体与开关电源vs的负极连接，还与可调电容cm的一端连接，与电源模块23构成回路，在电源模块23提供供电的基础上，该放大器q1对接收到的振动信号进行放大处理，然后通过输出端输出到后级放大电路212。
89.进一步地，如图4所示，所述后级放大电路212包括放大器q2；
90.所述放大器q2的输入端与所述前级放大电路211连接，输出端与所述信号处理单元22连接；
91.其中，所述放大器q2可以采用可编程增益放大器(pga)。
92.具体的，放大器q2的输入端与放大器q1的输出端连接，放大器q2的输出端与信号处理单元22连接，具体与模数转换电路221连接，将放大后的振动信号vo发送给信号处理单元22依次进行模数转换、转换处理以及输出。
93.具体实施过程中，mems模块10与asic模块20中作为模拟前端的模拟放大单元21连接，模拟放大单元21中前级放大电路211将mems模块10输出的微弱电信号放大为可供后续电路处理的信号，实现信号的接入，后级放大电路212的灵敏度可调，还可以实现产品灵敏度的更多调节。
94.基于上述的电路原理图，前级放大电路211的放大倍数gain可以表示为：
[0095][0096]
其中，
[0097]cm
表示可调电容cm的电容值，cf表示可调电容cf的电容值，c0表示电容c0的电容值，c
p1
表示电容cp1的电容值，c
p2
表示电容cp2的电容值。
[0098]
由上述公式可知，放大倍数gain与a值成正比，因此，增大a值便可以提高前级放大电路211的放大倍数gain，提升骨传导传感器的灵敏度，为了防止噪声增加，后级放大电路
212中放大器q2的增益值可以不变，也可以调小，减小pga对系统灵敏度的调节，从而实现了在提升灵敏度的同时不会增加系统的噪声。与直接通过pga提升灵敏度的方法相比，加设前级放大电路211的骨传导传感器的噪声更低、信噪比更高，且功耗也不高，满足了骨传导传感器的发展要求。
[0099]
对应的，在增大a值可以提高前级放大电路211的放大倍数gain的情况下，基于a值的计算式可以知道，减小c
p1
、减小c
p2
或增大c0均可以实现增大放大倍数gain，因此，通过减小电容cp1的电容值、通过增大电容c0的电容值或减小电容cp2的电容值均可以实现将放大倍数gain调大的目的。
[0100]
在具体应用中，若mems模块10的尺寸固定，则电容c0的电容值基本固定，电容cp1可以由输出电极、衬底、氧化硅和氮化硅组成，可以通过刻蚀中间的氧化硅来减小电容cp1的介质层的介质常数，使c
p1
值大幅减小，从而使得a值增大，实现增加灵敏度的同时，不增加骨传导传感器的噪声，使其具有更高的信噪比和更低的功耗。
[0101]
本实施例提供的骨传导传感器，通过在骨传导传感器的专用集成电路模块中增加模拟放大单元，通过其中的前级放大电路和后级放大电路的共同作用，对骨传导传感器的微机电系统模块采集到的振动信号进行放大，提升骨传导传感器的灵敏度，其中，前级放大电路的放大倍数根据微机电系统模块的结构确定，后级放大电路的增益值设置为可调，通过调整微机电系统模块的结构来增大放大倍数，从而提升骨传导传感器的灵敏度，与通过调整放大器增益来提升灵敏度相比，可以避免增加骨传导传感器的噪声和功耗；本发明与现有技术相比，在提升骨传导传感器的灵敏度的同时不会引入多余噪声，提升了骨传导传感器的信噪比，还降低了骨传导传感器的功耗，整体性能得到了大幅提升。
[0102]
实施例二
[0103]
基于同一发明构思，参照图5至图7，提出本发明骨传导传感器结构的实施例。如图5所示为骨传导传感器结构的结构示意图，该结构可以包括：
[0104]
骨传导传感器，所述骨传导传感器中微机电系统模块10的结构包括依次层叠设置的衬底层、氧化层、电极层、结构层和密封层；
[0105]
其中，通过刻蚀所述氧化层的结构来增大所述骨传导传感器中前级放大电路的放大倍数。
[0106]
具体的，骨传导传感器可以是如上述实施例一中任一种实施方式的骨传导传感器。如图6所示为微机电系统模块10的结构示意图，衬底层11上方设置有氧化层12，氧化层12上方设置有电极层13，电极层13上方设置有结构层14，结构层14可以包括电容结构，具体为电容c0和电容cp1的结构，结构层14上方设置有密封层15，密封层15可以是密封胶形成。
[0107]
如图7所示为微机电系统模块的另一结构示意图，具体实施过程中，为了增大前级放大电路的放大倍数gain即增大前述的a值，对微机电系统模块10的结构进行改进，比如减小电容cp1的介质常数，此时，便可以对氧化层进行刻蚀，使c
p1
值大幅减小，从而实现增大a值，即可得到如图7所示的刻蚀氧化层之后的微机电系统模块的结构。
[0108]
进一步地，所述氧化层12的靠近所述电极层13的一侧表面设置有氮化硅层(图6和图7均未示出)；
[0109]
其中，通过刻蚀所述氧化层12和所述氮化硅层的结构来增大所述前级放大电路的放大倍数。
[0110]
具体的，为了便于刻蚀操作的便利性，氧化层12上方可以设置一层氮化硅，组建微机电系统模块10的结构时，将氧化层12与氮化硅层一起进行刻蚀，操作更方便，从而可以更方便地实现增大前级放大电路的放大倍数。
[0111]
进一步地，如图5所示，所述结构还可以包括：
[0112]
基板40，所述微机电系统模块10与所述骨传导传感器中的专用集成电路模块20均设置在所述基板40上；
[0113]
外壳50，所述外壳50与所述基板40的边缘密封连接。
[0114]
具体的，基板40可以是pcb板，外壳50可以是金属外壳，可以通过密封胶使外壳50与基板40的边缘密封连接，既可以保证硬度和体积要求，还能防止外部空气或水渗入，影响到内部骨传导传感器的工作。
[0115]
需要说明，本实施例提出的骨传导传感器结构的封装除了图5所示的结构外，还可以有其他封装形式，例如塑封等。
[0116]
本领域技术人员可以理解，图5中示出的硬件结构并不构成对本发明骨传导传感器结构的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
[0117]
本实施例提供的骨传导传感器结构中骨传导传感器的具体实施方式中更多实施细节可参见实施例一中具体实施方式的描述，为了说明书的简洁，此处不再重复赘述。
[0118]
实施例三
[0119]
基于同一发明构思，参照图8，提出本发明基于骨传导传感器的信号处理方法的实施例。如图8所示为基于骨传导传感器的信号处理方法的流程示意图，该方法可以包括：
[0120]
步骤s100：获取骨传导传感器结构；
[0121]
步骤s200：通过刻蚀所述骨传导传感器结构中的氧化层来增大骨传导传感器的模拟放大单元中前级放大电路的放大倍数；
[0122]
步骤s300：通过微机电系统模块采集振动信号，并输出所述振动信号；
[0123]
步骤s400：通过所述前级放大电路以及后级放大电路，依次对所述振动信号进行信号放大，输出放大后的振动信号；
[0124]
步骤s500：通过信号处理单元对所述放大后的振动信号进行转换处理，得到目标电信号。
[0125]
其中，骨传导传感器结构可以是上述实施例二中任一种实施方式的骨传导传感器结构。当骨传导传感器结构中氧化层上方设置有氮化硅层时，步骤s200还可以是通过刻蚀骨传导传感器结构中的氧化层和氮化硅层来增大骨传导传感器的模拟放大单元中前级放大电路的放大倍数。
[0126]
具体的，步骤s400可以包括：
[0127]
步骤s410：通过前级放大电路根据自身的放大倍数，对所述振动信号进行信号放大，并输出振动信号；
[0128]
步骤s420：通过后级放大电路对前级放大电路输出的振动信号进行增益处理，输出放大后的振动信号至所述信号处理单元。
[0129]
具体的，步骤s500可以包括：
[0130]
步骤s510：通过模数转换电路对所述放大后的振动信号进行模数转换，得到数字
振动信号；
[0131]
步骤s520：通过信号处理电路根据预设程序，对所述数字振动信号进行数字化处理，得到目标电信号；
[0132]
步骤s530：通过接口电路输出所述目标电信号。
[0133]
需要说明，本实施例提供的基于骨传导传感器的信号处理方法中各个步骤可实现的功能和对应达到的技术效果可以参照本发明骨传导传感器实施例以及骨传导传感器结构实施例中具体实施方式的描述，为了说明书的简洁，此处不再赘述。
[0134]
需要说明，上述本发明实施例序号仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上实施例仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。