本申請(qǐng)涉及加速度探測領(lǐng)域，具體而言，涉及一種加速度傳感結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、加速度傳感器能夠檢測到物體振動(dòng)或移動(dòng)的線性加速度，即物體在單位時(shí)間內(nèi)速度的變化率；廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)控制、運(yùn)動(dòng)追蹤、智能手機(jī)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，心臟收縮和舒張引起的聲音信號(hào)稱為心音信號(hào)；心臟產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)時(shí)的加速度能夠反應(yīng)心跳率、心臟節(jié)律、心臟的收縮力、舒張功能等等，對(duì)于全面了解心臟活動(dòng)十分重要，有助于心臟疾病的早期發(fā)現(xiàn)、診斷和監(jiān)測。

2、人體心音信號(hào)屬于低頻信號(hào)，其頻率范圍在20-600hz內(nèi)。心音信號(hào)的兩個(gè)重要組成是第一心音(s1)和第二心音(s2)，s1是心臟收縮期的開始，頻率集中于50hz到100hz，s2是心臟舒張期的開始，頻率集中于80hz到150hz，即心音信號(hào)大多集中于50-150hz。此外，心音信號(hào)的非平穩(wěn)、非線性特性導(dǎo)致了心音傳感探測的困難。現(xiàn)有的加速度傳感器在設(shè)計(jì)上更偏向于高頻傳感器，而心音信號(hào)的低頻特性要求傳感器具有良好的低頻特性；并且心音信號(hào)的強(qiáng)度相對(duì)較小，需要較高靈敏度的傳感器進(jìn)行監(jiān)測。因此，實(shí)際中需要加速度傳感器具有高靈敏度和良好的頻率響應(yīng)特性，以確保能夠捕捉到心臟活動(dòng)產(chǎn)生的微弱振動(dòng)信號(hào)。

3、由于體積小、成本低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，微機(jī)械系統(tǒng)(mems)式傳感器常用來檢測較小的加速度變化；傳感器內(nèi)部包含一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量塊，當(dāng)物體發(fā)生加速度變化時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的位移，該位移可以通過傳感器內(nèi)的電子元件進(jìn)行檢測和測量，通過探測的電信號(hào)變化能夠得到加速度的變化。然而，現(xiàn)有的基于mems的探測心音信號(hào)的加速度傳感器懸臂梁的應(yīng)力集中程度較小，且固定頻率偏離人體心音信號(hào)的頻率范圍，對(duì)于微小的心臟振動(dòng)的信號(hào)的探測靈敏度較低。

4、綜上所述，由于較小，難以被檢測到，用于心音信號(hào)探測的加速度傳感器需要更高的靈敏度，而現(xiàn)有加速度傳感器的靈敏度較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種加速度傳感結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，以解決由于心臟振動(dòng)的信號(hào)較小，難以被檢測到，用于心音信號(hào)探測的加速度傳感器需要更高的靈敏度，而現(xiàn)有加速度傳感器的靈敏度較低的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N加速度傳感結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括傳感部件，傳感部件包括感應(yīng)機(jī)構(gòu)和感應(yīng)電路，感應(yīng)機(jī)構(gòu)為懸臂梁，感應(yīng)電路設(shè)置于感應(yīng)機(jī)構(gòu)上；傳感部件外表面設(shè)置柔性封裝層，柔性封裝層的外表面設(shè)置外殼，外殼下側(cè)面設(shè)置有受力孔，傳感部件的中心位于受力孔的中心軸所在的直線上；在力的作用下，受力孔處的柔性封裝層產(chǎn)生形變，使得感應(yīng)機(jī)構(gòu)形變，感應(yīng)電路將感應(yīng)機(jī)構(gòu)的形變轉(zhuǎn)化為電壓，通過電壓的變化得到待檢測信號(hào)。

4、進(jìn)一步地，感應(yīng)機(jī)構(gòu)包括質(zhì)量塊、支撐框、兩個(gè)第一懸臂梁、兩個(gè)第二懸臂梁、兩個(gè)第三懸臂梁；質(zhì)量塊通過相互連接的第一懸臂梁、第二懸臂梁、第三懸臂梁固定設(shè)置于支撐框的中間。

5、更進(jìn)一步地，兩個(gè)第一懸臂梁的一端分別與質(zhì)量塊的兩端固定連接，兩個(gè)第三懸臂梁的一端分別與支撐框的內(nèi)側(cè)固定連接，第二懸臂梁的兩端固定連接第一懸臂梁的另一端和第三懸臂梁的另一端。

6、更進(jìn)一步地，第一懸臂梁與支撐框的長邊平行，第二懸臂梁和第三懸臂梁均與支撐框的短邊平行，兩個(gè)第三懸臂梁設(shè)置于支撐框的對(duì)邊，感應(yīng)機(jī)構(gòu)為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

7、更進(jìn)一步地，質(zhì)量塊、兩個(gè)第一懸臂梁、兩個(gè)第二懸臂梁、兩個(gè)第三懸臂梁的厚度相同，且均小于支撐框的厚度，第二懸臂梁的長和寬小于第一懸臂梁的長和寬，第三懸臂梁的長和寬小于第二懸臂梁的長和寬。

8、更進(jìn)一步地，感應(yīng)電路包括壓敏電阻、金屬引線、電極，壓敏電阻設(shè)置有四個(gè)，分別設(shè)置于兩個(gè)第三懸臂梁上和兩個(gè)第一懸臂梁上，壓敏電阻設(shè)置于第一懸臂梁靠近質(zhì)量塊一端；四個(gè)壓敏電阻通過金屬引線連接形成惠斯通電橋；感應(yīng)電路通過引線鍵合將電極與外部電路板電氣連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出。

9、更進(jìn)一步地，受力孔垂直于中心軸方向上的截面形狀為圓形；受力孔靠近柔性封裝層一側(cè)的尺寸小于受力孔遠(yuǎn)離柔性封裝層一側(cè)的尺寸。

10、更進(jìn)一步地，受力孔中間固定設(shè)置有彈性部，彈性部的形狀和尺寸與受力孔相同；彈性部的材料為硅膠或橡膠。

11、更進(jìn)一步地，質(zhì)量塊、支撐框、第一懸臂梁、第二懸臂梁、第三懸臂梁的材料為硅；柔性封裝層的材料為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯中的一種，柔性封裝層的厚度為0.1-0.5mm；外殼的材料為玻璃或金屬，外殼的厚度為1-3mm。

12、上述加速度傳感結(jié)構(gòu)用于心音信號(hào)檢測，加速度傳感結(jié)構(gòu)設(shè)置于皮膚上，加速度傳感結(jié)構(gòu)中的受力孔與皮膚表面心臟搏動(dòng)處相對(duì)，受力孔的邊緣與皮膚緊密接觸。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

14、(1)本申請(qǐng)使用柔性封裝材料對(duì)傳感部件進(jìn)行封裝，且在硬質(zhì)外殼下側(cè)設(shè)置受力孔；使得受到作用力時(shí)，傳感部件能夠產(chǎn)生較大的形變量，也就是，在受到相同作用力的情況下，本申請(qǐng)感應(yīng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的形變量較大，從而引起較大的電信號(hào)變化，提升探測加速度的靈敏度。進(jìn)一步地，本申請(qǐng)還通過改進(jìn)受力孔的形狀、設(shè)置彈性部進(jìn)一步增大感應(yīng)機(jī)構(gòu)的形變程度。

15、(2)本申請(qǐng)懸臂梁上設(shè)置有壓敏電阻，連接形成惠斯通電橋，質(zhì)量塊的上下移動(dòng)使得懸臂梁的應(yīng)力分布改變，從而使得壓敏電阻的阻值變化，改變惠斯通電橋的輸出電壓。本申請(qǐng)通過設(shè)計(jì)懸臂梁的尺寸，在第三懸臂梁上形成應(yīng)力集中區(qū)，從而在質(zhì)量塊上下移動(dòng)時(shí)，引起較大的應(yīng)力變化，使得壓敏電阻的阻值變化增大，最終增大惠斯通電橋的輸出電壓，提升了探測靈敏度。

16、本申請(qǐng)通過增強(qiáng)感應(yīng)機(jī)構(gòu)的形變程度，以及感應(yīng)電路將機(jī)械形變轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的能力，提升了加速度傳感器的靈敏度。同時(shí)，本申請(qǐng)結(jié)構(gòu)在低頻范圍響應(yīng)較強(qiáng)，更適合探測心音信號(hào)。

技術(shù)特征：

1.一種加速度傳感結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)包括傳感部件，所述傳感部件包括感應(yīng)機(jī)構(gòu)和感應(yīng)電路，所述感應(yīng)機(jī)構(gòu)為懸臂梁，所述感應(yīng)電路設(shè)置于所述感應(yīng)機(jī)構(gòu)上；所述傳感部件外表面設(shè)置柔性封裝層，所述柔性封裝層的外表面設(shè)置外殼，所述外殼下側(cè)面設(shè)置有受力孔，所述傳感部件的中心位于所述受力孔的中心軸所在的直線上；在力的作用下，所述受力孔處的所述柔性封裝層產(chǎn)生形變，使得所述感應(yīng)機(jī)構(gòu)形變，所述感應(yīng)電路將所述感應(yīng)機(jī)構(gòu)的形變轉(zhuǎn)化為電壓，通過所述電壓的變化得到加速度的變化。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速度傳感結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，其特征在于，所述感應(yīng)機(jī)構(gòu)包括質(zhì)量塊、支撐框、兩個(gè)第一懸臂梁、兩個(gè)第二懸臂梁、兩個(gè)第三懸臂梁；所述質(zhì)量塊通過相互連接的所述第一懸臂梁、所述第二懸臂梁、所述第三懸臂梁固定設(shè)置于所述支撐框的中間。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加速度傳感結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，其特征在于，兩個(gè)所述第一懸臂梁的一端分別與所述質(zhì)量塊的兩端固定連接，兩個(gè)所述第三懸臂梁的一端分別與所述支撐框的內(nèi)側(cè)固定連接，所述第二懸臂梁的兩端固定連接所述第一懸臂梁的另一端和所述第三懸臂梁的另一端。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的加速度傳感結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，其特征在于，所述第一懸臂梁與所述支撐框的長邊平行，所述第二懸臂梁和所述第三懸臂梁均與所述支撐框的短邊平行，兩個(gè)所述第三懸臂梁設(shè)置于所述支撐框的對(duì)邊，所述感應(yīng)機(jī)構(gòu)為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的加速度傳感結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，其特征在于，所述質(zhì)量塊、兩個(gè)所述第一懸臂梁、兩個(gè)所述第二懸臂梁、兩個(gè)所述第三懸臂梁的厚度相同，且均小于所述支撐框的厚度，所述第二懸臂梁的長和寬小于所述第一懸臂梁的長和寬，所述第三懸臂梁的長和寬小于所述第二懸臂梁的長和寬。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的加速度傳感結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，其特征在于，所述感應(yīng)電路包括壓敏電阻、金屬引線、電極，所述壓敏電阻設(shè)置有四個(gè)，分別設(shè)置于兩個(gè)所述第三懸臂梁上和兩個(gè)所述第一懸臂梁上，所述壓敏電阻設(shè)置于所述第一懸臂梁靠近所述質(zhì)量塊一端；四個(gè)所述壓敏電阻通過所述金屬引線連接形成惠斯通電橋；所述感應(yīng)電路通過引線鍵合將所述電極與外部電路板電氣連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加速度傳感結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，其特征在于，所述受力孔垂直于中心軸方向上的截面形狀為圓形；所述受力孔靠近所述柔性封裝層一側(cè)的尺寸小于所述受力孔遠(yuǎn)離所述柔性封裝層一側(cè)的尺寸。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的加速度傳感結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，其特征在于，所述受力孔中間固定設(shè)置有彈性部，所述彈性部的形狀和尺寸與所述受力孔相同；所述彈性部的材料為硅膠或橡膠。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的加速度傳感結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，其特征在于，所述質(zhì)量塊、所述支撐框、所述第一懸臂梁、所述第二懸臂梁、所述第三懸臂梁的材料為硅；所述柔性封裝層的材料為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯中的一種，所述柔性封裝層的厚度為0.1-0.5mm；所述外殼的材料為玻璃或金屬，所述外殼的厚度為1-3mm。

10.權(quán)利要求1-9任一所述加速度傳感結(jié)構(gòu)用于心音信號(hào)檢測，其特征在于，所述加速度傳感結(jié)構(gòu)設(shè)置于皮膚上，所述加速度傳感結(jié)構(gòu)中的受力孔與皮膚表面心臟搏動(dòng)處相對(duì)，所述受力孔的邊緣與皮膚緊密接觸。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及加速度探測領(lǐng)域，具體提供了一種加速度傳感結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)包括傳感部件，傳感部件包括感應(yīng)機(jī)構(gòu)和感應(yīng)電路，感應(yīng)機(jī)構(gòu)為懸臂梁，感應(yīng)電路設(shè)置于感應(yīng)機(jī)構(gòu)上；傳感部件外表面設(shè)置柔性封裝層，柔性封裝層的外表面設(shè)置外殼，外殼下側(cè)面設(shè)置有受力孔，傳感部件的中心位于受力孔的中心軸所在的直線上；在力的作用下，受力孔處的柔性封裝層產(chǎn)生形變，使得感應(yīng)機(jī)構(gòu)形變，感應(yīng)電路將感應(yīng)機(jī)構(gòu)的形變轉(zhuǎn)化為電壓，通過電壓的變化得到加速度的變化。本申請(qǐng)結(jié)構(gòu)可用于心音信號(hào)檢測。在受到相同作用力的情況下，感應(yīng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的形變量較大，且感應(yīng)電路將感應(yīng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的形變轉(zhuǎn)化為電壓變化的能力較強(qiáng)，本申請(qǐng)加速度傳感器的探測靈敏度較高。

技術(shù)研發(fā)人員：臧俊斌,安琪,趙國英,張志東,高立波,薛晨陽
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山西工學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21