[发明专利]一种抑制振动干扰的热式声矢量传感器及其实现方法

说明书

本发明公开了一种抑制振动干扰的热式声矢量传感器及其实现方法。本发明在加热梁和两根声音敏感梁的外侧又集成两根振动敏感梁，作为振动信号的敏感结构，形成五线式结构；声音敏感梁距离加热梁较近，而且宽度更窄，因此截止频率较高，对高频声音信号的灵敏度更大；相反，振动敏感梁距离加热梁较远，而且宽度更宽，因此截止频率较低，对低频振动信号灵敏度更大；利用不同间距的声音敏感梁和振动敏感梁对声音和振动信号灵敏度不同的特点，将输出信号进行差分运算，完成对干扰的振动信号解耦；本发明抑制了热式声矢量传感器工作环境中可能存在的振动干扰的问题，输出信号已经没有振动信号，振动干扰对热式声矢量传感器的输出灵敏度影响很小。

技术领域

本发明涉及声矢量传感技术，具体涉及一种抑制振动干扰的热式声矢量传感器及其实现方法。

背景技术

声音是通过介质粒子的振动以声波的形式在介质中传播，其中介质上受到声波扰动产生的压强变化称为声压，为标量信号；而介质粒子的振动速度的变化称为声粒子振速，为矢量信号。声矢量传感器能够测量声场中的质点位移、振速和加速度等矢量信息，可实现对声音信号大小和方向的同时测量，在噪声源定位、发动机故障检测、管道泄漏检测、声场成像等领域有重要的应用前景。

常见的声矢量传感器工作原理有压差法、同振法、热对流法和位移法等，各种实现方法均存在一定的优缺点。热式声矢量传感器主要通过热对流法，利用声场与热场的耦合作用，将声场扰动对介质粒子的振动转换为热对流引起的温度场的变化，通过具有高电阻温度系数的敏感梁结构进行测量，得到声粒子振动的信号。因此热式声矢量传感器是对声粒子振速的直接测量，对微弱信号的灵敏度高，测量频带宽，并且不需要大体积的质量块，具有体积小、工艺简单的优势。

目前热式声矢量传感器存在以下不足之处：基于热对流法的热式原理不仅可以用于声矢量信号的测量，还对流量、风速、加速度等信号敏感。在热式声矢量传感器的工作过程中，由于车内、发动机、管道等特殊的应用环境，会受到环境气流、平台振动的干扰，产生不必要的噪声从而影响声矢量信号的准确性。其中气流的影响可通过增加挡风罩和后续电路直流滤波等方案解决，但低频振动的干扰难以通过本身芯片结构外的封装和电路方案去除。若利用加速度计同时测量振动信号，传统的加速度计由于制造工艺的不同，很难与热式声矢量传感器进行单芯片集成。

发明内容

为了抑制热式声矢量传感器工作环境中可能存在的振动干扰的问题，本发明提出了一种抑制振动干扰的热式声矢量传感器及其实现方法。

热式声矢量传感器设置在安装平台上，安装平台处在具有干扰的振动信号环境中。

本发明的一个目的在于提出一种抑制振动干扰的热式声矢量传感器。

本发明的抑制振动干扰的热式声矢量传感器包括：衬底、加热梁、声音敏感梁、振动敏感梁、电极和背腔；其中，在衬底上形成镂空的背腔；在背腔上设置加热梁，加热梁的两端架在背腔边缘的衬底上；在加热梁的两侧分别对称设置完全相同且与加热梁互相平行的声音敏感梁，两根声音敏感梁之间的距离为d_m，声音敏感梁的宽度为w_m；在两根声音敏感梁的两侧分别对称设置完全相同且互相平行的振动敏感梁，两根振动敏感梁之间的距离为d_v，振动敏感梁的宽度为w_v；在衬底上设置多个电极，每一根加热梁、声音敏感梁和振动敏感梁分别对应一个电极；加热梁通过对应的电极连接至外部的加热电路；声音敏感梁通过对应的电极连接至外部的声音信号处理电路；振动敏感梁通过对应的电极连接至外部的振动信号处理电路；声音信号处理电路经第一放大电路连接至总信号差分电路，振动信号处理电路经第二放大电路连接至总信号差分电路；

对于声音信号而言，声音敏感梁和振动敏感梁结构对声音信号的响应具有二阶低通滤波器的频响特性；

声音敏感梁的第一截止频率f_m1与两根声音敏感梁之间的距离d_m有关：