一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器，具有复合层结构，包括相邻的压电膜层和下电极层，下电极层上设有盲孔，且盲孔的孔口所在的下电极层的表面与压电膜层结合，盲孔的直径为1cm，深度为0.7cm，分布密度为1个/2～12cm

A flexible acoustic sensor with high efficiency of acoustoelectric conversion

【技术实现步骤摘要】
一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器
本专利技术属于传感器
，涉及一种包含相邻的压电膜层和下电极层的具有高效声电转换特性的柔性声传感器，特别涉及一种下电极层上设有盲孔，且盲孔的孔口所在的下电极层的表面与压电膜层结合的柔性声传感器。
技术介绍
声传感器是作为人类与机器之间一种最直观的双向通信设备，一直受到广泛关注。然而，传统声学传感器采用电容式设备来测量两个电极层之间的电容，具有灵敏度低、体积大、刚性强、难以集成等问题。压电材料是一种晶体材料，其特点是当其受外力而产生变形时，会由于内部极化而在表面上产生电荷，常用的压电材料有石英体、压电陶瓷、压电高聚物和压电复合材料。其中，压电高聚物如PVDF(聚偏二氟乙烯)等与传统的压电材料(石英晶体、钛酸钡、压电陶瓷等)相比，具有重量轻、柔软性好、频率响应宽和动态响应范围大等特点，且经过拉伸和极化处理之后，由压电高聚物制得的压电膜能显示出较强的压电特性。因此，近年来，由PVDF等压电高聚物制得的压电膜材料在声传感器领域有了颇为广泛的应用。包含压电膜的声传感器的作用机理为：声波作用于压电膜表面使其产生振动，压电膜表面在振动机械应力作用下产生电荷，再由电极将电荷导出。这种传感器整合了压电膜材料良好的柔性与模块化设计带来的可替换性，可以直接在人体表面贴附，在生物医学等领域有着广泛的用途。然而由压电膜制备声传感器时，需要将压电膜与下电极结合，由于压电膜材料比较柔软轻薄，当其与下电极材料直接贴附时，下电极材料的吸振现象将严重限制压电膜的振动效果，使材料的声电转换效率被大大削弱。因此，亟待研究一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器，本专利技术主要是通过减少压电膜与下电极的接触面积，同时在二者之间设置空腔提高柔性声传感器整体的声电转换效率的，本专利技术的柔性声传感器整体的制备工艺简单，无需复杂加工工艺，不改变其主体结构模式，不影响传感器柔性。为达到上述目的，本专利技术采用的方案如下：一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器，具有复合层结构，包括相邻的压电膜层和下电极层，下电极层上设有盲孔，盲孔结构是通过使用模具浇注或机械打孔等工艺方法构建的，且盲孔的孔口所在的下电极层的表面与压电膜层结合，盲孔的直径为1cm，深度为0.7cm，分布密度为1个/2～12cm2(分布方式为行列形式均匀分布)，盲孔的形状为圆柱状；柔性声传感器在分贝为80dB且频率为220Hz的声波下的最大电压输出为1.0～3.5mV/cm2。由于圆柱形状较为稳定，有利于提高柔性声传感器整体的耐弯折性，因而本专利技术将盲孔设计为圆柱状，盲孔的直径和深度理论上与声电转换效率成正相关，盲孔的直径和深度过大会导致整体结构的不稳定，过小会导致声电转换效率提升不明显，当盲孔的形状、直径和深度一定时，盲孔的分布密度会对柔性声传感器整体的声电转换效率产生较大的影响，盲孔的分布密度过大会导致柔性声传感器整体结构的稳定性差，盲孔的分布密度过小会导致柔性声传感器整体的声电转换效率较低，本专利技术从整体考虑，将盲孔的分布密度设置为1个/2～12cm2。现有技术中声电转换效率可通过一定条件下即一定分贝、一定频率下的单位面积的最大电压输出来表征，单位面积的最大电压输出越大，声电转换效率越高，反之，则反。当下电极层上未设有盲孔时，柔性声传感器在分贝为80dB且频率为220Hz的声波下的最大电压输出为0.6mV/cm2，本专利技术的柔性声传感器在分贝为80dB且频率为220Hz的声波下的最大电压输出为1.0～3.5mV/cm2，对比可以看出，在下电极层上设置盲孔后，柔性声传感器的声电转换效率显著提升。对于主要由压电膜和下电极构成的柔性声传感器，由于压电膜材料比较柔软轻薄，当其与下电极材料直接贴附时，下电极材料的吸振现象将严重限制整体材料的振动性能，使材料的声电转换效率被大大削弱。本专利技术由于在下电极层上设置了盲孔，因此压电膜层的单侧表面仅部分与下电极层结合，其余部分与下电极层之间设有空腔，因而本专利技术的柔性声传感器具有较高的声电转换效率，具体机理为：①压电膜层的单侧表面仅部分与下电极层结合，使得压电膜与下电极的接触面积较小，从而减少了下电极对压电膜的吸振作用；②压电膜与下电极之间的空腔即共鸣腔，能够使声波能够在腔体内充分反射从而能在压电膜的两侧共同对其作用，增大振幅；③下电极层与压电膜层的结合部分能够起到支撑压电膜层的作用，将压电膜撑起并依靠其与压电膜之间的结合力使压电膜具有一定的张力，借助空气优良的压缩性能，从而使压电膜振动回复力提升，以增大振幅。作为优选的方案：如上所述的一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器，复合层为三层，还包括与压电膜层相邻的上电极层。压电膜具有良好的柔性，并能在声波作用下产生振动，在振动产生的机械应力下在其双侧表面产生相反电荷，并分别通过上电极层和下电极层导出，形成电流。如上所述的一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器，上电极层、压电膜层和下电极层的厚度分别为5～20μm、30～100μm和0.5～3cm。各层的厚度不限于此，遵循的原则是，上电极层和压电膜层的厚度要尽可能地小，以保证压电膜能够发生有效振动，下电极层的厚度只要保证其结构稳定即可。如上所述的一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器，上电极层为金属镀层，上电极层的要求是导电且轻薄，上电极层要尽可能地轻薄，以避免其限制压电膜的振动，从而对柔性声传感器的声电转换效率带来不良的影响，只要是导电且能够加工成较薄的层的材料都可适用于本专利技术的上电极层，由于金属是较为常见的导电材料且可加工性好，因此，本专利技术优选使用金属作为上电极层的材料，又由于电镀方式较为简单且镀层较薄，因而本专利技术优选将金属镀在压电膜层上。如上所述的一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器，压电膜层为PVDF膜层，PVDF膜是采用静电纺丝方法制得的，本专利技术中压电膜层的材料不限于此，只要是具有压电性能的材料都可以适用于本专利技术，本专利技术优选使用PVDF膜层作为压电膜层，主要原因是PVDF压电性能优良、轻质、柔性好、生物相容性好和低声阻抗性，PVDF膜可采用多种方法加工制得，本专利技术优选使用静电纺丝方法加工PVDF膜，主要原因是静电纺丝可以提高PVDF膜内部β晶型的含量，进而提升PVDF膜的压电性能。如上所述的一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器，压电膜层为掺杂多壁碳纳米管和/或纳米蒙脱土的PVDF膜层，多壁碳纳米管和纳米蒙脱土的掺杂量分别为0.03～0.1wt％和0.5～1.5wt％，掺杂多壁碳纳米管和/或纳米蒙脱土的PVDF膜是采用静电纺丝方法制得的。多壁碳纳米管和/或纳米蒙脱土的掺杂有利于提高PVDF膜内部β晶型的含量，进而提升PVDF膜的压电性能。多壁碳纳米管和纳米蒙脱土的掺杂量不宜过低，否则提升PVDF膜的压电性能的效果不明显，也不宜过高，否则会对PVDF膜的力学性能产生不良的影响。如上所述的一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器，下电极层为导电水凝胶层或导电橡胶层，下电极层具有一定的厚度、刚性与良好的导电性能，能够传导电荷并维持稳定的盲孔结构，本专利技术的下电极层的材料具体不限于此，还可以是其他柔性导电材料，本专利技术的柔性声传感器可模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器，其特征是：具有复合层结构，包括相邻的压电膜层和下电极层，下电极层上设有盲孔，且盲孔的孔口所在的下电极层的表面与压电膜层结合，盲孔的直径为1cm，深度为0.7cm，分布密度为1个/2～12cm

【技术特征摘要】
1.一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器，其特征是：具有复合层结构，包括相邻的压电膜层和下电极层，下电极层上设有盲孔，且盲孔的孔口所在的下电极层的表面与压电膜层结合，盲孔的直径为1cm，深度为0.7cm，分布密度为1个/2～12cm2，盲孔的形状为圆柱状；柔性声传感器在分贝为80dB且频率为220Hz的声波下的最大电压输出为1.0～3.5mV/cm2。2.根据权利要求1所述的一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器，其特征在于，复合层为三层，还包括与压电膜层相邻的上电极层。3.根据权利要求2所述的一种具有高效声电转换特性的柔性声传感器，其特征在于，上电极层、压电膜层和下电极层的厚度分别为5～20μm、30～100μm和0.5～3cm。4.根据权利要求2所述的一种具有高效声电转换特性的柔性...

【专利技术属性】
技术研发人员：何儿，武小童，魏岑，王富军，王璐，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31