本实用新型涉及传感器技术领域，特别涉及一种光学传感器。
背景技术：
传统电容式麦克风是通过声波振动膜片来改变电容器的基板间距而产生电压变化，从而实现声电转换，具有优异的感测灵敏特性。然而，随着演算法应用领域的发展，电容式麦克风的aop（acousticoverloadpoint）特性也逐渐无法支持软件演算的需求。
光学麦克风是一种较为新颖的麦克风，其设计是基于光学传感器，具体地利用光学模块向膜片发射光线并接收由膜片反射的光线，声波振动膜片时会改变膜片所反射光线的强度和相位，并据此产生相应的电信号，实现声信号到光信号再到电信号的转换，具备超高的侦测能力。然而，现有光学传感器的光通道结构复杂、光线经过多次反射或折射，难以普及应用。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型提出一种结构简单、高精度且高线性的光学传感器。
本实用新型提供一种光学传感器，包括光电模块和微机电模块，所述光电模块包括光源和光感测器，所述微机电模块包括基底和振膜，所述基底与所述振膜间隔设置并在两者之间形成光通道，所述光源设置于所述光通道的一侧端并以第一方向朝向所述光通道射出光线，所述第一方向与所述振膜振动方向的夹角为85°～95°，所述振膜受压振动时改变其在所述光通道中的位置从而对部分光线形成阻挡，改变所述光感测器所接收光线的光通量。
进一步地，所述光源和光感测器分别位于所述光通道的相对两侧端，所述光源的光线沿所述第一方向在所述光通道内传播并到达所述光感测器。
进一步地，所述光源和光感测器位于所述光通道的同一侧端，所述光源的光线沿所述第一方向在所述光通道内朝向所述光通道相对的另一侧端传播并在所述光通道的另一侧端被反射后沿第二方向在所述光通道内朝向所述光感测器传播，所述第一方向与第二方向相反。
进一步地，所述光源的光线沿所述第一方向在所述光通道内朝向所述光通道相对的另一侧端传播并在所述光通道内被反射后沿第三方向朝向所述光感测器传播，所述第一方向与第三方向的夹角为α，0°＜α＜180°。
进一步地，所述振膜朝向所述光通道突出设置有遮挡件，所述遮挡件与所述振膜相互垂直或者相互倾斜，所述振膜受压振动时所述遮挡件随所述振膜移动而改变其在所述光通道中的位置从而对部分光线形成阻挡，改变所述光感测器所接收光线的光通量。
进一步地，所述基底的中央设置有开口，所述遮挡件设置于所述振膜的中央并正对所述开口，或者，所述遮挡件偏离所述振膜的中央、正对所述基底环绕其开口的实体部分。
进一步地，所述光源和光感测器分别位于所述光通道的两侧端，所述遮挡件偏离所述振膜的中央、相对地远离所述光源并靠近所述光感测器。
进一步地，所述遮挡件与所述振膜一体设置或者连接为一体，所述遮挡件为凸点、凸块、凸台、凸条、凸环或者凸柱。
进一步地，所述振膜包括位于中央部位的振动部、位于所述振动部外围的连接部、以及连接所述振动部与连接部的弹性件，所述连接部连接至所述基底，所述光通道位于所述基底和连接部相向的侧面之间，所述振动部至少部分位于所述光通道内。
进一步地，所述振膜与所述基底为一体连接的不可拆结构。
相较于现有技术，本实用新型光学传感器的光源的光线基本以平行于振膜的第一方向直接射入光通道而无需振膜或其它反射元件的反射，光通道的结构更为简单，光线在光源与光感测器之间的光路也更为简单，整体结构简单、精度高、线性度高。
附图说明
图1为本实用新型光学传感器第一实施例的结构示意图。
图2为本实用新型光学传感器第二实施例的结构示意图。
图3为本实用新型光学传感器第三实施例的结构示意图。
图4为本实用新型光学传感器第四实施例的结构示意图。
图5为本实用新型光学传感器第五实施例的结构示意图。
图6为本实用新型光学传感器第六实施例的结构示意图。
图7为本实用新型光学传感器第七实施例的俯视图。
图8为本实用新型光学传感器第八实施例的俯视图。
图9为本实用新型光学传感器第九实施例的俯视图。
具体实施方式
在详细描述实施例之前，应该理解的是，本实用新型不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或组件排布。本实用新型可为其它方式实现的实施例。而且，应当理解，本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、其等同物及其它附加事项。特别是，当描述“一个某组件”时，本实用新型并不限定该组件的数量为一个，也可以包括多个。
图1所示为本实用新型光学传感器第一实施例的结构示意图，所示光学传感器100包括光电模块10、微机电模块20和电路板30。
光电模块10包括用于发射光线的光源12和用于接收光线的光感测器14。光源12可以是任意可以发射光线的发光器件，优选地为镭射二极管（ld），如边射型雷射二极管（eeld）、面射型雷射二极管（seld）等，所发出的光线为平行光束。其中，eeld可以提供侧向出光，其雷射光束呈椭圆形投射，光束角度与形状相对较大；seld的雷射光束从表面射出，呈正圆形投射，光束角度与形状更为集中。相对地，eeld结构更为简单，与光学传感器的其它元件的装配较为方便。光感测器14接收光源12发射的光线并根据所接收光线的光通量的变化产生相应的电信号，实现光电信号的转换。
微机电模块20包括基底22和安装于基底22上且可相对基底22运动的振膜24。其中，振膜24为薄片状结构、与基底22大致平行间隔设置。振膜24包括一面向基底22的内侧面240、基底22包括一面向振膜24的内表面220，内表面220与内侧面240间隔设置，两者之间的空间构成微型光通道26。按图1所示方向，光通道26沿左右方向横向延伸，大致与振膜24相平行。光源12以第一方向，即图1所示向右的方向，朝向光通道26内射出光线，光线通过光通道26后到达光感测器14，定义第一方向与振膜24基本平行，或者说与振膜24的轴线方向或者振膜24的振动方向基本垂直。定义光源12的光线在光通道26内的传播路径为光路，本实施例中光路沿第一方向延伸。
基底22作为振膜24及光通道26的载体，较佳地为单晶硅、二氧化硅或其他可承载振膜24的材料制成，并可吸收漫射光。振膜24通常由弹性材料，如金属镀膜材料、半导体薄膜材料、高分子薄膜材料、复合材料等制成，或采用刚性材料藉由结构形貌产生局部刚性差别，在受环境压力变化时产生振动，可以是单层结构也可以是多层复合结构。优选地，本案是在基底22上沉积牺牲材料并在牺牲材料上沉积薄膜，然后蚀刻牺牲材料使薄膜的中央与基底22间隔开，薄膜即构成振膜24、蚀刻掉牺牲材料所形成的间隔即构成光通道26。如此，振膜24与基底22为一体结构，即简化了后续的组装制程，也避免了振膜24与基底22组装带来的误差，保证产品的精度。
振膜24用于接收环境压力，如声压、气压等，并根据环境压力的变化相应地产生沿其轴向的往复振动，即按图1所示上下方向振动。振膜24包括位于中央的振动部241以及环绕振动部241的连接部243，连接部243将振膜24与基底22一体固定连接。振动部241与连接部243之间较佳地连接有弹性件245，如弹簧等，使得振动部241相对于连接部243更容易振动。在高频应用时，振膜24也可省略弹性件245，让振动部241与连接部243相连构成全膜结构以增加刚性。振膜24的整体外形可以是圆形、椭圆形、多边形如方形或六边形等，振动部241的形状与振膜24的外形一致。
基底22的中央通过体硅工艺或干法腐蚀等形成有开口221，开口221正对振膜24的振动部24设置并在厚度方向上贯穿基底22，用于供声波通过。较佳地，开口221的截面形状与振膜24的外形一致。本实施例中，开口221为柱状，如圆柱、方柱等，基底22环绕开口221的内壁面223为竖直的柱面。在其它实施例中，基底22环绕开口221的内壁面223也可以是倾斜的锥面等；或者，基底22也可以是一全基底结构，即基底22不设置开口。
振动部241的中央朝向光通道26内突出设置有遮挡件247，遮挡件247可由任意可遮光、吸收及导引光线的材料制成，对光通道26内的光线的传播形成阻碍，所述阻碍包括吸收、反射、或者折射射向遮挡件247的光线，从而光源12的部分光线在遇到遮挡件247后不能继续朝光感测器14传播。遮挡件247与振膜24可以是同种材料也可以是不同材料，两者可以是一体结构，也可以是分别成型后再连接为一体，如通过胶粘连接等。遮挡件247可以是相对于振膜24外凸的凸点、凸块、凸柱、凸环、凸台、凸条等，外形可以是圆点、方块、圆柱、方柱、棱柱、圆环、方环、多角环、长条、不规则状等，具体形状与结构可以根据需要任意设置。
振膜24在环境压力作用下振动时，遮挡件247在光通道26内的位置随着振膜24的振动而不断变化，随着其位置的变化所阻碍的光线的多少不同，如此最终到达光感测器14的光线的光通量不同。如：振膜24朝向基底22所在的一侧运动时，光通道26变窄，遮挡件247深入至光通道26内遮挡更多光线，到达光感测器14的光线的光通量减小；反之，振膜24背向基底22所在的一侧运动时，光通道26变宽，遮挡件247抽离光通道26对光线的遮挡变少，到达光感测器14的光线的光通量增大。较佳地，遮挡件247位于振膜24的中央、正对基底22的开口221设置。振膜24受压振动时，其中央变形最大，因此遮挡件247设置于振膜24的中央可以有最大的行程，灵敏度高，信噪比亦高。
本实施例中，遮挡件247相对于振膜24垂直地向外延伸，遮挡件247相对于振膜24在其轴向上外凸的高度小于光通道26的宽度，即小于振膜24与基底22之间的间隔宽度，确保遮挡件247只能遮挡少部分光线，光源12的大部分光线能通过光通道26到达光感测器14。应当理解地，遮挡件247也可以相对于振膜24倾斜一定角度，只要能对通过光通道26的部分光线形成阻碍即可。另外，本实施例中遮挡件247为单个，应当理解地，遮挡件247也可以是多个，多个遮挡件247可以成排设置或者呈阵列状设置，或者也可以非规则分布。
光电模块10、微机电模块20与电路板30电性连接，电路板30上可以集成有多个功能模块，控制整个光学传感器的运行。本实施例中，振膜24和电路板30分别安装于基底22的两相对侧，如上下两侧；光源12与光感测器14分别设置于光通道26的相对两侧端，如左右两侧端，光源12的光线基本以平行于振膜24的第一方向（如图中箭头所示）射入光通道26并在光通道26内沿第一方向传播，振膜24受压上下振动时带动遮挡件247上下移动，阻挡掉部分光线，大部分光线不受遮挡件247的阻挡而射向光感测器14。随着遮挡件247位置的不同，到达光感测器14的光线的光通量也不同，如此光感测器14根据接收的光线的光通量的变化产生相应的电信号，实现压力到电信号的转换。
本实用新型光学传感器的光源12的光线基本以平行于振膜24的第一方向直接射入光通道26而不是射向振膜24，光线通过光通道26而射向光感测器14，到达光感测器14的光线没有振膜24或其它元件的折射或者反射，相对于现有光学传感器的光通道26的结构更为简单，光线在光源12与光感测器14之间的光路也更为简单，整体结构简单、精度高、线性度高。图示实施例中，遮挡件247垂直于振膜24，遮挡件247与光路，特别是光路对应振动部241的部分基本垂直。应当理解地，当遮挡件247相对于振膜24倾斜一定角度时，光源12的光线的出射方向，即第一方向可以设置为相对于振膜24略微倾斜而与遮挡件247垂直，或者，光源12的光线的出射方向也可以设置为相对于振膜24平行而与遮挡件247倾斜一定角度。
需要说明的是，本实用新型所述的基本平行是指大部分光线平行于振膜24或者基底22，或者说大部分光线的光路与基底22或者振膜24有一小的倾斜角度，或者说第一方向与或者振膜24有一小的倾斜角度，如两者形成不大于5°的夹角。类似地，本实用新型所述的基本垂直是指大部分光线垂直于振膜24的振动方向，或者说大部分光线与振膜24的振动方向有一小的倾斜角度，或者说第一方向与振膜24的振动方向有一小的倾斜角度，如两者形成85°～95°的夹角。当然，光源12发出的光线不一定完全是平行光束，可能存在极少部分的杂乱光线，但这极少部分的光线相对于整个入射至光通道26中的光线占比一般不超过5%，对整个光学传感器的作用或者影响可以忽略不计。
图2所示为本实用新型光学传感器第二实施例的结构示意图，所述光学传感器100a包括光源12a、光感测器14a、基底22a、振膜24a等，基底22a与振膜24a之间形成光通道26a，振膜24a朝向光通道26a突出形成有遮挡件247a。
本实施例与第一实施例的不同之处主要在于：本实施例中光源12a与光感测器14a设置于光通道26a的同一侧端，如图示的左侧端；光通道26a的另一侧端，如右侧端设置有反光件28。反光件28的材料可以是氧化硅等，包括一朝向光通道26a的反光面280。本实施例中，反光面280为与光通道26a垂直的竖直面，用于将光源12a的光线朝向光通道26a的左侧端反射。光源12a的光线以第一方向射入至光通道26a并沿光通道26a朝向反光件28传播，被反光件28的反光面280反射后沿第二方向朝向光感测器14a传播。本实施例中，第二方向与第一方向相反，如图2所示，第一方向由左向右，第二方向由右向左。类似地，振膜24a振动带动遮挡件247a上下移动，对光通道26a的部分光线形成阻挡，使得最终到达光通道26a的光线的光通量不同，进而产生相应的电信号。
图3所示为本实用新型光学传感器第三实施例的结构示意图，所述光学传感器100b包括光源12b、光感测器14b、基底22b、振膜24b等，基底22b与振膜24b之间形成光通道26b，振膜24b朝向光通道26b突出形成有遮挡件247b。本实施例与第一实施例的不同之处主要在于：本实施例中光源12b设置于光通道26b的一侧端，如图示的左侧端；光感测器14b设置于振膜24b外侧，即振膜24b背离基底22b的一侧。较佳地，光感测器14b位于振膜24b的连接部243b上，连接部243b在对应光感测器14b的位置处形成有贯穿的出射口249。
光源12b的光线以第一方向射入至光通道26b并沿光通道26b朝向其相对的另一侧端的反光件28b传播。反光件28b包括朝向光通道26b的反光面280b，反光面280b为朝向振膜24b倾斜的斜面。通过光通道26b后的光线以一定入射角度，如45°的入射角射向反光面280b并被反射至沿第三方向向上传播，最终被反光件28b反射的光线穿过出射口249后到达光感测器14b。本实施例中，第一方向由左向右，第三方向为上下方向由下向上、与第一方向垂直。类似地，振膜24b振动带动遮挡件247b上下移动，对光通道26b的部分光线形成阻挡，使得最终到达光通道26b的光线的光通量不同，进而产生相应的电信号。
图4所示为本实用新型光学传感器第四实施例的结构示意图，所述光学传感器100c包括光源12c、光感测器14c、基底22c、振膜24c等，基底22c与振膜24c之间形成光通道26c，振膜24c朝向光通道26c突出形成有遮挡件247c。本实施例与第一实施例的不同之处主要在于：本实施例中光源12c设置于光通道26c的一侧端，如图示的左侧端；光感测器14c设置于基底22c外侧，即基底22c背离振膜24c的一侧。相应地，基底22c在对应光感测器14c的位置处形成有贯穿的出射口225。
光源12c的光线以第一方向射入至光通道26c并沿光通道26c朝向其相对的另一侧端的反光件28c传播。反光件28c包括朝向光通道26c的反光面280c，反光面280c为朝向基底22c倾斜的斜面。通过光通道26c后的光线以一定入射角度，如45°的入射角射向反光面280c并被反射至沿第三方向向下传播，最终被反光件28c反射的光线穿过出射口225后到达光感测器14c。本实施例中，第一方向由左向右，第三方向为上下方向由上向下、与第一方向垂直。类似地，振膜24c振动带动遮挡件247c上下移动，对光通道26c的部分光线形成阻挡，使得最终到达光通道26c的光线的光通量不同，进而产生相应的电信号。
图5所示为本实用新型光学传感器第五实施例的结构示意图，所述光学传感器100d包括光源12d、光感测器14d、基底22d、振膜24d等，基底22d与振膜24d之间形成光通道26d，光源12d和光感测器14d设置于光通道26d的两侧端，振膜24d朝向光通道26d突出形成有遮挡件247d。本实施例与第一实施例的不同之处主要在于：本实施例中遮挡件247d偏离振膜24d的中央设置，相对地靠近光感测器14d而远离光源12d。具体地，遮挡件247d偏离基底22d的开口221d而正对基底22d环绕开口221d的实体部分，可以有效降低散色光所造成的杂乱信号，提高信噪比。
图6所示为本实用新型光学传感器第六实施例的结构示意图，所述光学传感器100e包括光源12e、光感测器14e、基底22e、振膜24e等。
本实施例与第一实施例的不同之处主要在于：振膜24e包括位于中央的振动部241e、环绕振动部241e的连接部243e、以及连接振动部241e与连接部243e的弹性件245e，其中振动部241e相对于连接部243e朝向基底22e内凹。光通道26e形成于基底22e的内表面220e与振膜24e与内侧面240e之间，振动部241e至少部分位于所形成的光通道26e内，对光源12e的部分光线形成阻挡。如此，本实施例中振膜24e利用其振动部241e作为遮挡元件，不再额外设置遮挡件，进一步简化结构。
类似于第一实施例，光源12e的光线沿第一方向射入并通过光通道26e后到达光感测器14e，振动部241e受压上下振动时靠近或远离基底22e，对光通道26c的部分光线形成阻挡，使得最终到达光通道26c的光线的光通量不同，进而产生相应的电信号。应当理解地，本实施例的振膜24e也可以用于应用于前述各实施例，也就是说本实用新型各实施例均可以利用内凹的振动部取代遮挡件，遮挡光通内的道部分光线而改变到达光感测器的光通量。
图7所示为本实用新型光学传感器第七实施例的俯视图，所述光学传感器100f包括光源12f、光感测器14f、基底、振膜等。基底与振膜之间形成光通道，振膜朝向光通道突出形成有遮挡件247f。本实施例与第一实施例的不同之处主要在于：本实施例中光源12f设置于基底上并位于光通道的一侧端，如图示的左侧端；反光件28f设置于基底上并位于光通道相对的一侧端，如图示的右侧端；光感测器14f设置于基底上并在周向上位于光源12f与反光件28f之间。光源12f的光线沿第一方向朝向反光件28f射出，在到达反光件28f之前部分光线被遮挡件247f阻挡，到达反光件28f的光线被反射并以第三方向朝向光感测器14f传播。本实施例中，如图所示，第一方向由左向右，第三方向为上下方向由下向上，第三方向与第一方向垂直。
图8所示为本实用新型光学传感器第八实施例的俯视图，所述光学传感器100g包括光源12g、光感测器14g、基底、振膜等。基底与振膜之间形成光通道，振膜朝向光通道突出形成有遮挡件247g。本实施例中，光源12g设置于基底上并位于光通道的一侧端，如图示的左侧端；反光件28g设置于基底上并位于光通道相对的一侧端，如图示的右侧端；光感测器14g设置于基底上并在周向上位于光源12g与反光件28g之间。光源12g的光线沿第一方向朝向反光件28g射出，在到达反光件28g之前部分光线被遮挡件247g阻挡，到达反光件28g的光线被反射并以第三方向朝向光感测器14g传播。本实施例与上一实施例的不同之处主要在于：所述第三方向与第一方向相对倾斜，两者之间呈一锐角。应当理解地，在其它实施例中所述第三方向与第一方向也可以呈钝角。也就是说，经过反光件28f的反射作用后的光线的第三方向与光源12g的光线入射的第一方向的夹角α大于0度小于180度。
图9所示为本实用新型光学传感器第九实施例的俯视图，所述光学传感器100h包括光源12h、光感测器、基底、振膜等。基底与振膜之间形成光通道，振膜朝向光通道突出形成有遮挡件247h。本实施例中，光源12h设置于光通道的一侧端，如图示的左侧端；光感测器为两个设置于基底上，其中一个光感测器14h1位于光通道相对的一侧端，如图示的右侧端；另一个光感测器14h2在周向上位于光源12h与光感测器14h1之间，本实施例中，如图示，振膜为圆形，光感测器14h2与光感测器14h1或光源12h间隔约1/4圆周；光感测器14h2与光感测器14h1或光源12h间隔也可以约1/3圆周，或者光感测器14h2与光感测器14h1或光源12h间隔也可以约1/2圆周。光源12h的光线在光通道内沿第一方向传播时，部分光线被遮挡件247h反射后沿第三方向传播至周向间隔约1/4圆周的光感测器14h2、大部分光线直接到达光通道另一侧端的光感测器14h1，通过两个光感测器14h的光通量的差来生成相应的电信号。
本实用新型光学传感器的光源的光线基本以平行于振膜的第一方向射入光通道而不是射向振膜，光线在光源与光感测器之间的光路更为简单，整体结构简单、精度高、线性度高。当振膜受声音作用振动时，本实用新型光学传感器可以应用于麦克风，如构成光学麦克风、光学骨传导克风等，实现声、光、电转换；当振膜受气压作用振动时，本实用新型光学传感器可以应用于光学压力计。当然，本实用新型光学传感器也可以应用于流量计、惯性传感器、化学气体传感器等，在此不一一列举。
本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其它形式。所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。因此，本实用新型的范围是由所附的权利要求，而不是根据之前的这些描述进行确定。在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要求的范围。
1.一种光学传感器，包括光电模块和微机电模块，所述光电模块包括光源和光感测器，其特征在于：所述微机电模块包括基底和振膜，所述基底与所述振膜间隔设置并在两者之间形成光通道，所述光源设置于所述光通道的一侧端并以第一方向朝向所述光通道射出光线，所述第一方向与所述振膜振动方向的夹角为85°～95°，所述振膜受压振动时改变其在所述光通道中的位置从而对部分光线形成阻挡，改变所述光感测器所接收光线的光通量。
2.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于：所述光源和光感测器分别位于所述光通道的相对两侧端，所述光源的光线沿所述第一方向在所述光通道内传播并到达所述光感测器。
3.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于：所述光源和光感测器位于所述光通道的同一侧端，所述光源的光线沿所述第一方向在所述光通道内朝向所述光通道相对的另一侧端传播并在所述光通道的另一侧端被反射后沿第二方向在所述光通道内朝向所述光感测器传播，所述第一方向与第二方向相反。
4.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于：所述光源的光线沿所述第一方向在所述光通道内朝向所述光通道相对的另一侧端传播并在所述光通道内被反射后沿第三方向朝向所述光感测器传播，所述第一方向与第三方向的夹角为α，0°＜α＜180°。
5.如权利要求1-4任一项所述的光学传感器，其特征在于：所述振膜朝向所述光通道突出设置有遮挡件，所述遮挡件与所述振膜相互垂直或者相互倾斜，所述振膜受压振动时所述遮挡件随所述振膜移动而改变其在所述光通道中的位置从而对部分光线形成阻挡，改变所述光感测器所接收光线的光通量。
6.如权利要求5所述的光学传感器，其特征在于：所述基底的中央设置有开口，所述遮挡件设置于所述振膜的中央并正对所述开口，或者，所述遮挡件偏离所述振膜的中央、正对所述基底环绕其开口的实体部分。
7.如权利要求5所述的光学传感器，其特征在于：所述光源和光感测器分别位于所述光通道的两侧端，所述遮挡件偏离所述振膜的中央、相对地远离所述光源并靠近所述光感测器。
8.如权利要求5所述的光学传感器，其特征在于：所述遮挡件与所述振膜一体设置或者连接为一体，所述遮挡件为凸点、凸块、凸台、凸条、凸环或者凸柱。
9.如权利要求1-4任一项所述的光学传感器，其特征在于：所述振膜包括位于中央部位的振动部、位于所述振动部外围的连接部、以及连接所述振动部与连接部的弹性件，所述连接部连接至所述基底，所述光通道位于所述基底和连接部相向的侧面之间，所述振动部至少部分位于所述光通道内。
10.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于：所述振膜与所述基底为一体连接的不可拆结构。
技术总结