一种超高灵敏度与超宽频谱响应的摩擦电声波传感器制造技术

本发明专利技术涉及传声技术领域，具体涉及一种高灵敏度与超宽频谱响应的摩擦电声波传感器，包括外壳、第一金属环、摩擦电高分子薄膜、第一绝缘环、第一金属板和电路板，所述摩擦电高分子薄膜位于所述第一金属环靠近所述第一绝缘环的一侧，所述摩擦电高分子薄膜远离所述第一绝缘环的一侧镀有铜层。本发明专利技术通过在第一金属环上粘贴镀有铜层的摩擦电高分子薄膜，在摩擦电高分子薄膜与第一金属板之间设置第一绝缘环，摩擦电高分子薄膜与第一金属板就形成了电容的极板，当摩擦电高分子薄膜被声波驱动发生位移变化时，可以获得电信号。可以获得电信号。可以获得电信号。

【技术实现步骤摘要】
一种超高灵敏度与超宽频谱响应的摩擦电声波传感器


[0001]本专利技术涉及传声
，具体涉及一种高灵敏度与超宽频谱响应的摩擦电声波传感器。

技术介绍

[0002]随着科学技术的快速发展，人类社会必然要迈向数字化的智慧城市。然而，构建智能与数字经济的基础是建设物联网产业集群(IoT)。因此，必然伴随着大量传感器的使用。声音作为最有效、最直接的通信渠道，是移动设备、音乐录制、人机交互等领域不可或缺的环节，在建设智慧城市的建设中能发挥出不可或缺的作用。
[0003]自19世纪第一个声学传感器出现(托马斯
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爱迪生专利技术的碳纤维麦克风)以来，各种声学传感器已经被制造出来，其性能也在逐步提高。其中，驻极体传声器是一种典型的声学传感器，广泛应用于各种声学检测中。驻极体麦克风中的高分子薄膜是在加热环境下使用强电场下进行极化，使得使电荷载流子重新定位，材料中的偶极子对齐。当材料冷却与移除高压时，偶极子将会被“冻结”，使高分子薄膜表面带上持续的表面电荷。这样不仅增加了麦克风的制备流程，也会导致驻极体传声器的振膜材料必须要能经受住强电场才能产生极化电荷。所以，对膜片材料的要求较高，生产成本也相应提升。
[0004]近年来，摩擦纳米发电机(TENG)技术得到了快速发展。TENG有着结构简单、成本低、材料通用等特点，TENG现已在机械传感和能量收集方面的应用已经使用得非常广泛。基于TENG的声波传感器也相应层出不穷，但是基于TENG的声波传感器的频率响应范围与灵敏度依旧有比较大的限制，在以前众多的工作中最好的声波响应频率范围在100至5000赫兹，响应的声压级(SPL)也偏高，在80dB以上才有较好的音频收集效果，但是日常声波的声压级范围在80dB以下。以往的TENG声波传感器是直接使用摩擦电高分子薄膜与金属极板组成的电容结构，然而声波本身对物体施加的压强非常小，而且声波的压强随着声压级指数上升，因此在低声压级下，摩擦电高分子薄膜受到声波驱动发生的位移变化很小，所以直接利用TENG声波传感器的输出电信号就十分微弱。只能在很高的声压级下(一般大于80dB)，以往的TENG声波传感器的输出信号才能被检测仪器所探测到。此外，以往的TENG声波传感器使用较厚的摩擦电高分子薄膜，也进一步限制了其灵敏度与频率响应范围。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对目前驻极体传声器制造流程复杂与成本偏高的问题；针对以往的TENG声波传感器不能响应较低频率和较高频率的声音，以及只在较高声压级下响应较好的问题，提供一种高灵敏度与超宽频谱响应的摩擦电声波传感器。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0007]一种高灵敏度与超宽频谱响应的摩擦电声波传感器，其特征在于，依次包括外壳、第一金属环、摩擦电高分子薄膜、第一绝缘环、第一金属板和电路板，所述摩擦电高分子薄膜位于所述第一金属环靠近所述第一绝缘环的一侧，所述摩擦电高分子薄膜远离所述第一
绝缘环的一侧镀有铜层，所述摩擦电高分子薄膜与电极连接，所述第一金属板与所述电路板连接。
[0008]优选的，还包括金属屏蔽网，所述金属屏蔽网位于所述第一金属环靠近所述第一绝缘环的一侧。通过金属屏蔽网可以防止杂质对摩擦电高分子薄膜产生破坏同时也可以屏蔽干扰。
[0009]优选的，所述第一金属板远离所述第一绝缘环的一侧设有第二金属环。
[0010]优选的，所述第二金属环远离所述第一金属板的一侧设有第二金属板和第三金属环。第二金属环、第二金属板和第三金属环，相当于在第一金属板的后方形成了两个空腔，有利于摩擦电高分子薄膜的振动与定向拾音。
[0011]优选的，还包括第二绝缘环，所述第二绝缘环的外径与所述外壳的内径相匹配，所述第一绝缘环的外径与所述第二绝缘环的外径相同，所述第三金属环、第二金属板、第二金属环和第一金属板均位于所述第二绝缘环内。外壳为金属材质，作为法拉第囚笼，达到电磁屏蔽的效果，其横截面上有几个孔洞用以声波通过。将第一金属板、第二金属环、第二金属板和第三金属环包裹在第二绝缘环内，以防止这些零部件与外壳发生短路。
[0012]优选的，所述摩擦电高分子薄膜采用FEP或PI或PET或PTFE材料制作而成，其他摩擦材料也能够作为摩擦电高分子薄膜使用，并且其表面电荷均来源于摩擦起电效应。
[0013]摩擦电高分子薄膜与驻极体膜二者都在相应表面产生电荷，最大的区别在于驻极体材料的表面电荷由外加高压电场下获得，而摩擦电高分子薄膜的表面电荷来源于与金属等正电材料之间的摩擦，因此摩擦电高分子薄膜生产时间更短，工艺更简单。
[0014]优选的，所述摩擦电高分子薄膜的厚度为9μm
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75μm，优选9μm、12.5μm、30μm、50μm或75μm。
[0015]优选的，所述摩擦电高分子薄膜11的厚度为9μm，摩擦电高分子薄膜越薄，输出性能越好。
[0016]优选的，所述电路板上设有三极管，所述三极管的基级与第一金属板连接，所述三极管的发射极与摩擦电高分子薄膜连接。通过三极管将声波产生的电信号进行放大。
[0017]优选的，所述第一绝缘环和所述第二绝缘环均为塑料环。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术在第一金属环上通过导电胶粘贴镀有铜层的摩擦电高分子薄膜，在摩擦电高分子薄膜与第一金属板之间设置第一绝缘环，摩擦电高分子薄膜与第一金属板就形成了电容的两极。并且该摩擦电声波传感器的工作机理为摩擦起电与静电感应，由于高分子材料具有很强的电负性，在与金属等其他正电材料接触摩擦时，电子会从负电性较低的材料表面转移到负电性较高的材料表面，当两种材料分开后，负电性较低的材料带正电，负电性较高的材料带负电。因此，摩擦电高分子薄膜表面会带上负电，与第一金属板组成特别的摩擦电电容。当摩擦电高分子薄膜在声波的作用下产生相对位移，摩擦电电容的大小也相应发生改变，从而产生初始的电信号，初始的电信号被导入三极管的基极，然后通过三极管放大初始的电信号。使外电路直接探测被放大过的信号，极大提升了信号探测的简易性。而从实现在低声压级下也能够记录声波信号，使摩擦纳米发电机声波传感器的输出具有极高的信噪比与超宽的频率响应，能满足广泛的商业化需求。
附图说明：
[0019]图1为本专利技术提供的高灵敏度与超宽频谱响应的摩擦电声波传感器的爆炸图；
[0020]图2为图1的剖视图；
[0021]图3为本专利技术提供的摩擦电声波传感器的结构和机制示意图；
[0022]图4为本专利技术采用的FEP膜在不同频率声波下的输出图；
[0023]图5为本专利技术采用的PI、PET、PTFE膜在不同声波下的输出图；
[0024]图6为本专利技术采用FEP膜在不同频率下的声波波形图一；
[0025]图7为本专利技术采用FEP膜在不同频率下的声波波形图二；
[0026]图8为本专利技术采用不同厚度的PI膜的测量条件声压图；
[0027]图9为本专利技术采用不同厚度的PI膜在测量条件下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度与超宽频谱响应的摩擦电声波传感器，其特征在于，包括外壳(1)、第一金属环(3)、摩擦电高分子薄膜(11)、第一绝缘环(4)、第一金属板(5)和电路板(10)，所述摩擦电高分子薄膜(11)位于所述第一金属环(3)靠近所述第一绝缘环的一侧，所述摩擦电高分子薄膜(11)远离所述第一绝缘环(4)的一侧镀有铜层，所述摩擦电高分子薄膜(11)与电极连接，所述第一金属板(5)与所述电路板(10)连接。2.根据权利要求1所述超高灵敏度与超宽频谱响应的摩擦电声波传感器，其特征在于，还包括金属屏蔽网(2)，所述金属屏蔽网(2)位于所述第一金属环(3)靠近所述外壳(1)的一侧。3.根据权利要求1所述超高灵敏度与超宽频谱响应的摩擦电声波传感器，其特征在于，所述第一金属板(5)远离所述第一绝缘环(4)的一侧设有第二金属环(6)。4.根据权利要求3所述超高灵敏度与超宽频谱响应的摩擦电声波传感器，其特征在于，所述第二金属环(6)远离所述第一金属板(5)的一侧设有第二金属板(7)和第三金属环(8)。5.根据权利要求4所述超高灵敏度与超宽频谱响应的摩擦电声波传感器，其特征在于，还包括第二绝缘环(9)，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨桦科，奚伊，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：