本发明专利技术提出的一种基于二维薄膜的高灵敏度微型自供电声电转换器,包括依次层叠的衬底、由多个电极形成的电极层和具有压电效应或类压电效应的二维薄膜;通过对所述衬底的选择性刻蚀在衬底内形成多个彼此独立且大小不一的空腔,所述电极层内各电极位于衬底上未设置空腔的范围。本发明专利技术通过二维薄膜下的一定体积的空腔,使声波能够在空腔内充分反射从而能在二维薄膜的两侧共同对其作用,增大振幅,同时利用部分二维薄膜存在的压电效应或类压电效应,将声信号转换为电信号,以实现声电转换功能,具有突出的灵敏度和自供电特点,在可穿戴电子领域特别是人工耳蜗应用方面具有突出应用前景。用前景。用前景。
【技术实现步骤摘要】
一种基于二维薄膜的高灵敏度微型自供电声电转换器
[0001]本专利技术属于声电转换器
,具体涉及一种基于二维薄膜的高灵敏度微型自供电声电转换器。
技术介绍
[0002]随着电子产品技术的发展进步,声电转换器在各类电子设备中应用广泛。
[0003]作为一种能量转换器,目前电容式声电转换是较为广泛使用的一类。电容式声电转换器由振膜、壳体、后极板和绝缘体组成。振膜一般是导电体,借助于膜环或直接张紧在壳体的顶端,与后极板保持平行并有微小间距形成一个平行板电容器,设该平行板电容器的电容量为C0,在声波作用下振膜产生振动产生电容变化量ΔC0,当平行板电容器两端加有极化电压E0时,平行板电容器充上电荷Q=E0*C0,由于电荷Q是常量,声压作用后的电容量变化就转变成电压量变化而实现声电变换。振膜一般采用金属或高分子材料。但金属材料振膜在高频和高声压条件下使用仍不尽人意,且抗腐蚀性差,无法全天候使用;同时高分子材料面临着易老化和脆裂问题,导致稳定性和使用寿命有待提升。
[0004]随着可穿戴技术需求的不断增大,微型化、柔性化与可植入性成为了目前声电转换装置的瓶颈问题,尤其是人工耳蜗领域。而传统的电容式声电转换装置由于其电容极板间过于狭窄的间隔面临着难以微型化的问题。虽然国外有学者提出基于压电薄膜聚偏氟乙烯(PVDF)的声电转换器件,然而PVDF薄膜厚度仍为40微米,声灵敏度有待提升。对于高分子材料而言,由于其特性导致难以在柔性衬底上有适用。所以目前而言,对于微型声电转换器,如何进一步缩小化,且具有柔性与可植入性,成为了亟待解决的关键问题。
技术实现思路
[0005]针对现有技术存在的上述问题,本专利技术提供了一种基于二维薄膜的高灵敏度微型自供电声电转换器,本专利技术通过使用具有压电性质的二维薄膜作为声电转换器的核心,结合其不同悬空面积以达到广波段的声音捕获,提升声电转换效率,由于二维薄膜具有极强的可延展性,无论是硬质基底还是柔性基底都能较好的工作,能够广泛应用在微型、柔性化声电转换领域。
[0006]为了实现上述目的,本专利技术采用如下技术方案:
[0007]本专利技术提出的一种基于二维薄膜的高灵敏度微型自供电声电转换器,其特征在于,包括依次层叠的衬底、电极层和具有压电效应或类压电效应的二维薄膜;衬底内形成有多个彼此独立且大小不一的空腔,所述电极层内各电极位于衬底上未设置空腔的范围。
[0008]本专利技术特点及有益效果:
[0009]本专利技术对于如何实现声电转换器的微型化与柔性化提出了一种全新的解决方案。其原理是结合二维薄膜下的一定体积的空腔,即共鸣腔,使声波能够在腔体内充分反射从而能在二维薄膜的两侧共同对其作用,增大振幅,同时利用二维薄膜存在的压电效应或类压电效应,将声信号转换为电信号,以实现声电转换功能。此外,二维材料自身也有着极大
的优势,首先可以降低声电转换器的重量,有利于其微型化发展,此外二维薄膜自身具有极强的可延展性,无论是在硬质基底还是在柔性基底都能较好的工作,有望实现在柔性和可穿戴领域的应用,同时,二维薄膜极薄的厚度能进一步提升声电转换的灵敏度,其压电效应有望实现自供电功能。本专利技术声电转换器的制备工艺与传统硅基工艺相容,能够结合集成电路工艺实现声电转换产品的微型化,例如在人工耳蜗领域具有广泛的应用前景。
附图说明
[0010]图1为本专利技术实施例的一种基于二维薄膜的高灵敏度微型自供电声电转换器的剖视图。
[0011]图2为本专利技术另一实施例的一种基于二维薄膜的高灵敏度微型自供电声电转换器的俯视图。
具体实施方式
[0012]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本专利技术实施例中的附图,对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本专利技术一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本专利技术保护的范围。
[0013]本专利技术实施例的一种基于二维薄膜的高灵敏度微型自供电声电转换器,其结构参见图1,包括依次层叠的衬底101、由多个电极形成的电极层102和具有压电效应或类压电效应的二维薄膜103;衬底101内形成有多个彼此独立且大小不一的空腔104,电极层102内各电极位于衬底101上未设置空腔104的范围(如图1中所示,二维薄膜103覆盖于电极层102上并因自身重力局部陷入空腔104内)。其中,电极层102是通过图形化和淀积的方式获得,用于获得具有压电性质的二维薄膜103在声波下产生的电势差;具有压电效应的二维薄膜103是通过转移或在电极层102上直接生长的方式获得,是此声电转换装置的核心部分。衬底101、电极层102与二维薄膜103共同形成的空腔104,可以通过衬底101的选择性刻蚀、图形化刻蚀或是在电极层102的金属沉积完成后利用自对准等刻蚀技术进行刻蚀,位于衬底101、电极102和二维薄膜103之间的空腔104使声波能够在腔体内充分反射从而能在二维薄膜103的上下侧共同对其作用,增大声波产生的振幅,从而增大所能获得的电势差。
[0014]本专利技术实施例中各组成器件的具体实现方式及功能分别说明如下:
[0015]所述衬底101,采用绝缘材料制成,本实施例选用纯硅片上热生长1微米SiO2后的晶圆,用于为整个声电转换器提供物理支撑和电学隔离,也可以选择柔性衬底,例如PET(聚酯薄膜)等。
[0016]所述电极层102,在所述衬底101之上,制成其材料包括导电金属及其他导电非金属、高掺杂p型和n型硅、锗半导体、柔性电极材料等,电极层102的厚度为5纳米到1微米,本实施例采用100纳米金及10纳米铬,先在沉底101上沉积10纳米铬,用于加强和衬底101的黏附,再沉积100纳米金,确保电极层102的导电性。
[0017]所述二维薄膜103,在所述电极层102之上,亦在所述空腔104之上,其特征是具有一定的压电效应或类压电效应,能将声波导致的空气振动转换为两侧的电势差,完成声信号到电信号的转换。二维薄膜103的厚度范围在0.33纳米到100纳米,本实施例中,二维薄膜
103为多层石墨烯,其具有独特的受能带调控的压电效应。
[0018]所述空腔104,在所述二维薄膜103之下,且在衬底101内部,亦可以认为,所述空腔104被包夹在衬底101、电极层102与二维薄膜103之间。所述空腔104能够使声波在腔体内充分反射从而能在二维薄膜103的两侧共同对其作用,增大声波产生的振幅,从而增大所能获得的电势差。空腔104可以为长方体、圆柱体或其他形状,其特征尺寸在5微米~1000微米,深度在50纳米~500纳米。
[0019]根据空腔104的形状不同,其谐振频率不同,例如:当空腔104的俯视图为正方形(此时空腔104为长方体),其边长为L,二维薄膜103的质量密度为ρ,杨氏模量为E,应变为ε(一般取值为0.01%到1%),则空腔的谐振频率f按照下式计算:
[0020][0021]当空腔104的俯视图本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于二维薄膜的高灵敏度微型自供电声电转换器,其特征在于,包括依次层叠的衬底、电极层和具有压电效应或类压电效应的二维薄膜;衬底内形成有多个彼此独立且大小不一的空腔,所述电极层内各电极位于衬底上未设置空腔的范围。2.根据权利要求1所述的高灵敏度微型自供电声电转换器,其特征在于,所述衬底采用绝缘材料制成,通过对所述衬底的选择性刻蚀、图形化刻蚀或者自对准刻蚀在衬底内形成有多个彼此独立且大小不一的空腔。3.根据权利要求1所述的高灵敏度微型自供电声电转换器,其特征在于,所述电极层是通过图形化和淀积的方式获得,用于获得具有压电性质的二维薄膜在声波下产生的电势差。4.根据权利要求3所述的高灵敏度微型自供电声电转换器,其特征在于,所述电极层的材质包括导电金属、掺杂p型和n型硅、锗半导体和柔性电极材料。5.根据权利要求3所述的高灵敏度微型自供电声电转换器,其特征在于,所述电极层的厚度为5纳米~1微米。6.根据权利要求1所述的高...
【专利技术属性】
技术研发人员:任天令,田禾,吴凡,苟广洋,
申请(专利权)人:清华大学,
类型:发明
国别省市:
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