[0001] 本申请涉及加速度探测领域，具体而言，涉及一种加速度传感结构及其应用。

[0002] 加速度传感器能够检测到物体振动或移动的线性加速度，即物体在单位时间内速度的变化率；广泛应用于科学研究、工业控制、运动追踪、智能手机、医学等领域。在医学领域，心脏收缩和舒张引起的声音信号称为心音信号；心脏产生机械振动时的加速度能够反应心跳率、心脏节律、心脏的收缩力、舒张功能等等，对于全面了解心脏活动十分重要，有助于心脏疾病的早期发现、诊断和监测。

[0003] 人体心音信号属于低频信号，其频率范围在20‑600Hz内。心音信号的两个重要组成是第一心音(S1)和第二心音(S2)，S1是心脏收缩期的开始，频率集中于50Hz到100Hz，S2是心脏舒张期的开始，频率集中于80Hz到150Hz，即心音信号大多集中于50‑150Hz。此外，心音信号的非平稳、非线性特性导致了心音传感探测的困难。现有的加速度传感器在设计上更偏向于高频传感器，而心音信号的低频特性要求传感器具有良好的低频特性；并且心音信号的强度相对较小，需要较高灵敏度的传感器进行监测。因此，实际中需要加速度传感器具有高灵敏度和良好的频率响应特性，以确保能够捕捉到心脏活动产生的微弱振动信号。

[0004] 由于体积小、成本低、功耗小等优点，微机械系统(MEMS)式传感器常用来检测较小的加速度变化；传感器内部包含一个振动质量块，当物体发生加速度变化时，质量块会产生相应的位移，该位移可以通过传感器内的电子元件进行检测和测量，通过探测的电信号变化能够得到加速度的变化。然而，现有的基于MEMS的探测心音信号的加速度传感器悬臂梁的应力集中程度较小，且固定频率偏离人体心音信号的频率范围，对于微小的心脏振动的信号的探测灵敏度较低。

[0005] 综上所述，由于较小，难以被检测到，用于心音信号探测的加速度传感器需要更高的灵敏度，而现有加速度传感器的灵敏度较低。

[0036] 为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

[0037] 实施例1：

[0038] 本发明提供了一种加速度传感结构，如图1所示，结构包括传感部件1、柔性封装层2、外壳3。传感部件1设置于最内层、外壳3设置于最外层、柔性封装层2在传感部件1和外壳3之间，外壳3与柔性封装层2不影响质量块12的上下振动。传感部件1包括感应机构和感应电路，感应机构用于将作用力转化为形变，感应电路将形变程度的变化转化为电信号的变化。
传感部件1外表面设置柔性封装层2，柔性封装层2的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯中的一种，柔性封装层2的厚度为0.1‑0.5mm；这样，不会影响感应机构的形变。柔性封装层2的外表面设置外壳3，外壳3的材料为玻璃或金属，外壳3的厚度为1‑3mm，能够起到保护内部结构的作用。外壳3下侧面设置有受力孔，用于使得待检测的作用力作用于柔性封装层2上；在力的作用下，受力孔处的柔性封装层2产生形变，使得感应机构形变，感应电路将感应机构的形变转化为电压，通过电压的变化得到加速度的变化。传感部件1的中心，即质量块12的中心，位于受力孔的中心轴所在的直线上；这样，作用力使得质量块12的移动距离最大，使得感应机构的形变程度较大。

[0039] 感应机构的材料为硅，包括支撑框11、质量块12、两个第一悬臂梁13、两个第二悬臂梁14、两个第三悬臂梁15。如图2所示，图3为立体示意图(图3中未画出压敏电阻)，质量块12通过相互连接的第一悬臂梁13、第二悬臂梁14、第三悬臂梁15固定设置于支撑框11的中间。具体地，两个第一悬臂梁13的一端分别与质量块12的两端固定连接，两个第三悬臂梁15的一端分别与支撑框11的内侧固定连接，第二悬臂梁14的两端固定连接第一悬臂梁13的另一端和第三悬臂梁15的另一端。更具体地，第一悬臂梁13与支撑框11的长边平行，第二悬臂梁14和第三悬臂梁15均与支撑框11的短边平行，两个第三悬臂梁15设置于支撑框11的对边，感应机构为中心对称结构；这样一来，第一悬臂梁13与支撑框11平行有助于更均匀的分布应力，提高传感器的稳定性与可靠性。此外，平行的悬臂梁更容易使用微纳加工技术制备，进行批量化生产。呈中心对称的感应机构可以提高传感器的平稳性，减少由于结构不对称引起的内应力，同时中心对称结构可以使传感器对被测量响应更均匀，提高传感器的灵敏度与稳定性。本申请中质量块12的形状可以为矩形、圆形、菱形等形状，质量块12的形状为矩形容易制备，质量块12的形状为圆形，最大合应力更大，探测灵敏度更高。质量块12、两个第一悬臂梁13、两个第二悬臂梁14、两个第三悬臂梁15的厚度相同，且都小于支撑框11的厚度，这样，为质量块12的振动提供了空间，第二悬臂梁14的长和宽小于第一悬臂梁13的长和宽，第三悬臂梁15的长和宽小于第二悬臂梁14的长和宽；这样，应力集中区部分的应力值明显高于周围结构，增强悬臂梁对外力的响应能力。也就是应力集中区放大了外部力对悬臂梁的影响，使得微小的力产生了较大的形变，从而提高传感器灵敏度。进一步在应力集中区部分制备压敏电阻，可以有效的将机械形变转变为电信号，实现对微小作用力的检测。此外，应力集中区设计可以改善传感器的动态响应特性，优化整体结构的力学性能，进一步通过对结构整体的优化设计，实现低频信号的高质量检测。

[0040] 感应电路设置于感应机构上，感应电路包括压敏电阻、金属引线、电极，金属引线与电极可以通过溅射工艺制备，压敏电阻通过离子注入工艺制备。如图2所示，压敏电阻设置有四个，分别设置于两个第三悬臂梁15上和两个第一悬臂梁13上，压敏电阻设置于第一悬臂梁13靠近质量块12一端；压敏电阻的阻值分别为，四个压敏电阻R1、R2、R2、R4阻值相同，均为1500Ω。当悬臂梁形变时，电阻阻值变化，最终输出电压变化，惠斯通电桥输出电压表达式如下：

[0041]

[0042] 其中，R1、R2、R2、R4为对应的电阻值，ΔR1、ΔR1、ΔR1、ΔR1为对应电阻的该变量，Vout为电压输出，V0为电源电压。

[0043] 压敏电阻的长度、宽度、深度分别为100um、15um、15um。四个压敏电阻通过金属引线连接形成惠斯通电桥，如图4所示，电阻R1与R2相连，R3与R4相连，R1与R3的另一端连接电源电压Vcc，R2与R4的另一端接地GND。R1与R2之间为电势X1，R3与R4之间为电势X2，X1与X2差分得到输出电压Vout。感应电路通过引线键合将电极与外部电路板电气连接，实现信号输出。受力孔垂直于中心轴方向上的截面形状为圆形。进一步地，为了提升作用效果，受力孔靠近柔性封装层2一侧的尺寸小于受力孔远离柔性封装层2一侧的尺寸，如图5所示；这样一来，振动或作用力在逐渐变小的受力孔内被聚集，作用力的垂直横截面积减小，使得压强增大，从而作用力引起的感应机构的形变程度增大，最终增大输出电压的变化，提升探测灵敏度。更进一步地，在受力孔中间固定设置有弹性部4，弹性部4的形状和尺寸与受力孔相同；弹性部4的材料为硅胶或橡胶。这样一来，作用力的作用下，弹性部4具有弹性，且分子间相互作用力大于空气，作用力的传递效率更高，从而作用力的能量损失较小，能够引起感应机构的较大形变，最终使得输出电压变化更大，提升灵敏度。

[0044] 本申请中的加速度传感结构可用于心音信号检测，将加速度传感结构设置于皮肤上，即心脏振动较强的区域，例如胸口处，加速度传感结构中的受力孔与皮肤表面心脏搏动处相对，受力孔的边缘与皮肤紧密接触。心脏的振动产生的心音信号即为作用力，也就是心音信号，作用于受力孔通过弹性部4(也可以不通过弹性部4)振动传递到柔性封装层2，柔性封装层2内部的感应机构产生形变，质量块12沿感应机构所在平面的垂直方向上上下移动，第一悬臂梁13、第二悬臂梁14、第三悬臂梁15上的应力分布，尤其是第三悬臂梁15上的应力分布，使得压敏电阻的阻值变化，引起惠斯通电桥中的输出电压变化；通过输出电压的变化能够探测到心音信号的变化。柔性封装层2避免了水汽、灰尘等对感应机构的影响，悬臂梁的应力分布及其容易受到水汽等外部干扰的影响，因此，柔性封装层2提升了加速度传感结构的要探测稳定性和准确定。外壳3起到保护内部的作用。

[0045] 实施例2：

[0046] 本实施例与实施例1的区别在于传感部件1不同。具体地，本实施例中的感应机构的立体图如图6所示，支撑框11与质量块12之间通过悬臂梁连接，质量块12处于支撑框11的中间位置，两个悬臂梁的一端与质量块12的两端连接，悬臂梁的另一端与支撑框11连接。支撑框11和质量块12的尺寸与实施例1中相同，本实施例中的悬臂梁的宽度与实施例1中第二悬臂梁14的宽度相同。

[0047] 使用COMSOL有限元仿真分析软件，对实施例1和实施例2中的感应机构进行仿真分析；主要对应力分布和频率进行分析，如下：

[0048] 首先，进行应力分析。图7、图8、图9、图10展示了应力分布的结果。其中，图7和图8分别为实施例1和实施例2对应的感应机构的应力分布图；不同的颜色反映了不同区域的应力大小情况，两个实例均有四个应力最大点，图7实例1的应力最大处位于应力集中区以及质量块12与悬臂梁相连处，图8实例2的应力最大处分别位于悬臂梁两端。图9和图10的横坐标表示悬臂梁及支撑梁的长度，纵坐标表示悬臂梁及支撑梁方向的应力大小；图9展示实施例1和实施例2中的应力分布曲线的对比，虚线表示实施例1中的感应机构对应的结果，实线表示实施例2中的感应机构对应的结果，在悬臂梁与质量块12交界处，即图9横坐标为‑400um与400um处，实例1的应力值大于实例2；在另外两个应力最大点处，实例2位于图9横坐标‑800um与800um处，大约为300Pa，而实例1的另外两个应力最大点位于图10横坐标500um处，应力值约为900um，因此，实例1的四个应力最大点的应力值均大于实例2。图10展示了实例1支撑梁方向的应力分布曲线，根据图7与图8，可以找到两个实例应力最大值所在位置，根据四个位置，分别提取悬臂梁方向以及支撑梁方向应力分布曲线，比较两个实例应力最大点处的应力值大小。图9是悬臂梁方向应力分布曲线，图10是实例1支撑梁方向的应力分
2
布曲线。由图7和图8应力分布结果可知，实施例1中的感应机构上的最大应力为3520N/m ，
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实施例2中的感应机构上的最大应力为778N/m，前者为后者的四倍以上。这样一来，在应力最大的四个位置放置压敏电阻，在悬臂梁及支撑梁形变时，该处产生较大的应变，从而压敏电阻阻值变化增大，惠斯通桥路输出电压增加，因此，探测灵敏度较高。

[0049] 图11为实施例1中的感应机构优化参数后的参数仿真结果，其中，图11(a)为第一悬臂梁13最大应力的参数仿真，图11(b)为第一悬臂梁13固有频率的参数化仿真，图11(c)为第二悬臂梁14和第三悬臂梁15最大应力的参数仿真，图11(d)为第二悬臂梁14和第三悬臂梁15固有频率的参数化仿真；图的X、Y轴分别为悬臂梁的长度与宽度，Z轴为传感结构的最大应力与固有频率。由图可知，传感器的最大应力随着第一悬臂梁13的宽度的增大而减小，随长度的增大而增大；固有频率随第一悬臂梁13宽度和长度的增大而减小。对于第二悬臂梁14、第三悬臂梁15，宽度越宽，传感器的最大应力越大，固有频率越小；长度越长，最大应力越小，固有频率越高。

[0050] 图12为感应机构的进一步仿真结果，其中，优选地，感应机构的厚度为0.01mm，质量块12的长度和宽度均为0.8mm，第一悬臂梁13的长度和宽度为1.46mm和0.14mm，第二悬臂梁14的长度和宽度为0.4mm和0.1mm，第三悬臂梁15的长度和宽度为0.12mm和0.07mm。图12(a)和图12(b)为稳态仿真结果，图12(a)为应力分布云图，图12(b)为位移分布图，不同颜色分别展示了结构不同位置的应力及位移大小，根据图例对应的颜色就可以判断哪个位置应力/位移大，由图12(a)可知，本申请感应机构中的第一悬臂梁13和第二悬臂梁14、第三悬臂梁15的应力在第三悬臂梁15处最大，第二悬臂梁14处的应力整体高于第一悬臂梁13，第一悬臂梁13靠近质量块12的地方应力大小仅次于第三悬臂梁15处的应力大小。具体如图12(d)和图12(e)所示，以图12(a)中的悬臂梁长度为横坐标，应力大小为纵坐标得到图12(d)，以图12(b)中的支撑梁的长度为横坐标，应力大小为纵坐标得到图12(e)，这样能够清楚展示悬臂梁及支撑梁上应力的变化，同时得到该结构应力最大处的应力值大小，图12(d)和图12(e)中的a、b、c点表示设置压敏电阻的位置(d点与a点对称，本图中并未体现)，在这些位置，传感器的应力最大，从而结构内部应变最大，压敏电阻阻值变化因此较大，最终传感器的输出增大，灵敏度提高。图12(c)为固有频率仿真结果，该结果即为一阶特征频率，图12(f)是根据图12(c)提取的传感器频率响应结果图，图12(f)的峰值对应的频率为2940.4Hz，本申请感应机构的固有频率为2940.4Hz，实际带宽是其固有频率的五分之一，感应机构的可用带宽范围约为588Hz。人体心音信号频率在20‑600Hz，并且主要集中于20‑150Hz，本申请传感结构的带宽涵盖心音频率，因此，本申请加速度传感器用于心音信号的探测时，心音信号的变化能够引起感应机构较大的振动，即质量块12上下移动，感应机构形变的程度更大，从而压敏电阻的变化较大，使得电压信号的变化更大，提升探测的灵敏度。

[0051] 使用时，本申请加速度传感器最大挠度小于厚度的20％，最大合应力值小于材料破坏应力的1/5。具体地，从图12(b)右侧的图例可看出，本申请感应机构的最大挠度为0.0995μm，而感应机构的厚度为0.01mm，0.0995μm小于厚度的20％，这样，感应机构的变形应满足薄板小挠度变形原理，在传感结构的量程范围内，保证传感结构有较好的线性输出，
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探测的准确度较高。由图12(a)右侧图例可知，感应机构的最大合应力为2.26×10N/m，硅
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材料的破坏应力为6×10 N/m，传感器的最大合应力值小于材料破坏应力的1/5，抗压能力冗余，传感结构的可靠性较好。

[0052] 进一步地，为缓解悬臂压阻式加速度振膜厚度与敏感度的矛盾关系，增强MEMS传感器的稳定性，在传感器的质量块上制备双层石墨烯悬链带结构，示意图如图13。石墨烯为单层碳原子在二维平面上组成的按正六边形依次排列结构，也可以看成是两组三角晶格交叉排列而成的结构。石墨烯具有非常低的密度，在质量块上增加双层石墨烯悬链结构时，对12
传感器整体结构的影响较小。双层石墨烯弹性模量约为0.23×10 Pa，高弹性模量使其在承受较大应力时保持结构完整性，减小悬臂梁‑质量块传感结构断裂的可能，提高传感器稳定性。此外，在石墨烯悬链下制备金属电极，双层石墨烯悬链可作为传感器的一部分，在受到力的作用下发生形变，输出电信号，进而实现传感信号的辅助测试，提高传感器的灵敏度。

[0053] 进一步地，在质量块表面设置两个凸起条，两个凸起条平行设置，且平行于第一悬臂梁13的方向，但不共线，两个凸起条关于第一悬臂梁13的中心方向对称设置。两个凸起条的材料可以为硅也可以为石墨烯，当质量块12上下移动时，周围的气体由两个凸起条之间快速流过，使得产生的热量被快速带走，增强了散热效果，热量不容易聚集在悬臂梁处，悬臂梁的温度上升容易引起变形、热疲劳等问题，降低探测灵敏度。

[0054] 以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。