一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构制造技术

本发明专利技术涉及声波探测技术领域，具体涉及一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构，包括腔体、压电陶瓷薄膜、正电极、负电极，压电陶瓷薄膜设置在腔体的开口上，压电陶瓷薄膜与腔体的开口端固定连接。压电陶瓷薄膜上设有半通孔，半通孔的个数为多个，正电极设置在压电陶瓷薄膜的外表面，负电极设置在压电陶瓷薄膜的内表面，压电陶瓷薄膜的材料为锆钛酸铅。本发明专利技术具有更高的灵敏度，且低频响应性能更好，在声波探测技术领域具有良好的应用前景。在声波探测技术领域具有良好的应用前景。在声波探测技术领域具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构


[0001]本专利技术涉及声波探测
，具体涉及一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构。

技术介绍

[0002]煤矿生产行业是一项复杂环境下危险性较高的行业，煤矿生产的安全性至关重要。除瓦斯引起的事故外，矿震是另一个事故来源。另一方面，探测微弱的振动是研究煤矿灾害的重要手段，通过分析振动信号，可以有效预测矿灾。
[0003]声振动传感器能够实现从声波信号至电信号的转化，实现声振动传感。通常，声振动传感器是由一个感受元件和一个转换器件组成。当前的声振动传感器主要有麦克风传感器、压阻传感器、压电传感器。其中，电容麦克风传感器易于使用，价格相对较低，广泛应用于医疗领域，但其易受到外界环境噪声的影响，导致传感器信噪比降低，不易应用于煤矿行业的声振动传感。压阻传感器当前应用也较为广泛，尤其是MEMS压阻传感器，但其制作成本高，不适合大批量制备，且该传感器稳定性较差，易于损坏，也不易应用于煤矿行业的声振动传感。压电传感器灵敏度较高，体积小，常被用于可穿戴检测方面，如监测人体脉搏、心音等微弱生理信号；另外，压电传感器具有易探测微弱声振动的优点，因此在煤矿行业也具有良好的应用前景。但是，现有压电传感器的灵敏度仍然较低，不能满足煤矿行业中对微弱振动的监测。

技术实现思路

[0004]为解决以上问题，本专利技术提供了一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构，包括腔体、压电陶瓷薄膜、正电极、负电极，压电陶瓷薄膜设置在腔体的开口上，压电陶瓷薄膜与腔体的开口端固定连接。压电陶瓷薄膜上设有半通孔，半通孔的个数为多个，正电极设置在压电陶瓷薄膜的外表面，负电极设置在压电陶瓷薄膜的内表面，压电陶瓷薄膜的材料为锆钛酸铅。
[0005]本专利技术以传统的铁电材料锆钛酸铅(PZT)材料为基础，提出多孔阵列式PZT传感器，同时与声波共振腔体结合，提高压电传感器的灵敏度与低频响应性能；该结构具有灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等特点，可用于声波传感器、生物传感器等领域。
[0006]更进一步地，腔体为圆柱形，压电陶瓷薄膜为圆盘形，半通孔的个数为21个，半通孔方形间距分布在压电陶瓷薄膜上，半通孔分为5列，每列中的半通孔的个数为3、5、5、5、3，第三列中心的半通孔位于压电陶瓷薄膜的中心。
[0007]更进一步地，腔体的内径为1.2厘米，半通孔的半径为0.2厘米，半通孔的厚度为0.19厘米，半通孔之间的距离为0.45厘米，压电陶瓷薄膜的厚度为0.23厘米，腔体的深度为0.7厘米。
[0008]更进一步地，腔体的材料为铜。
[0009]更进一步地，还包括弹性体保护膜，弹性体保护膜置于压电陶瓷薄膜上。
[0010]更进一步地，弹性体保护膜通过AB胶粘附在压电陶瓷薄膜的表面。
[0011]更进一步地，弹性体保护膜的材料为聚氨酯材料。
[0012]更进一步地，压电陶瓷薄膜与腔体的侧壁采用粘合或者热压的方式连接。
[0013]更进一步地，正电极和负电极的材料为金属薄膜或导电聚合物。
[0014]更进一步地，声振动腔体传感结构用于生物传感，应用时，待测生物分子置于弹性体保护膜上。
[0015]本专利技术的有益效果：
[0016](1)传统的压电传感器采用的敏感元件是压电陶瓷材料，本专利技术提出的新型多孔阵列式PZT声振动腔体传感结构；相较于传统PZT薄膜结构，本专利技术具有更高的灵敏度，且低频响应性能更好。
[0017](2)本专利技术设计了腔体结构，通过设计声波共振腔体进一步提升传感器灵敏度。
[0018]综合以上效果，本专利技术在声波探测
具有良好的应用前景。
[0019]以下将结合附图对本专利技术做进一步详细说明。
附图说明
[0020]图1是一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构的示意图。
[0021]图2是一种压电陶瓷薄膜的示意图。
[0022]图3是不同结构参数时的压电陶瓷薄膜上的应力大小。
[0023]图4是本专利技术的多孔阵列式PZT声振动腔体传感结构与普通PZT声振动传感结构的应力分布对比图：(a)本专利技术的结构、(b)普通PZT结构。
[0024]图5是本专利技术的多孔阵列式PZT声振动腔体传感结构与普通PZT声振动传感结构的位移对比。
[0025]图6是本专利技术的多孔阵列式PZT声振动腔体传感结构与普通PZT声振动传感结构的固有频率对比图：(a)本专利技术的结构、(b)普通PZT结构。
[0026]图7是本专利技术的多孔阵列式PZT声振动腔体传感结构与普通PZT声振动传感结构的频域响应特性对比。
[0027]图8是本专利技术的多孔阵列式PZT声振动腔体传感结构与普通PZT声振动传感结构的电势分布对比。
[0028]图9是本专利技术的多孔阵列式PZT声振动腔体传感结构与普通PZT声振动传感结构的表面电压输出对比。
[0029]图中：1、腔体；2、压电陶瓷薄膜；21、半通孔。
具体实施方式
[0030]为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。
[0031]本专利技术提供了一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构。如图1所示，该声振动腔体传感结构包括腔体、压电陶瓷薄膜、正电极、负电极(图中未示出正电极和负电极)。腔体的材料为铜，腔体为圆柱形，包括底部和侧部。压电陶瓷薄膜的材料为锆钛酸铅(PZT)，压电陶瓷薄膜为圆盘形。压电陶瓷薄膜设置在腔体的开口上，压电陶瓷薄膜与腔体
的开口端固定连接。压电陶瓷薄膜上设有半通孔，半通孔的个数为多个，压电陶瓷远离腔体一侧开孔形成半通孔。具体地，如图2所示，半通孔的个数为21个，半通孔方形间距分布在压电陶瓷薄膜上，半通孔分为5列，每列中的所述半通孔的个数为3、5、5、5、3，第三列中心的半通孔位于压电陶瓷薄膜的中心。正电极设置在压电陶瓷薄膜的外表面，负电极设置在压电陶瓷薄膜的内表面，PZT薄膜在制备过程中需要通过极化来获得其压电性能，通过将正电极设置在外表面，负电极设置在内表面，可以确保在应用电场时，电场方向与薄膜极化方向一致，从而最大程度地发挥PZT材料的压电效应。此外，将正电极设置在外表面可以更方便地进行信号接触和连接，以接入外部电路或设备，从而简化电路设计，提高信号传输的可靠性；负电极设置在内表面可以帮助均匀分布电场，避免电场在材料内部的不均匀分布或漏电。正电极和所述负电极的材料为金属薄膜或导电聚合物。
[0032]一方面，本专利技术在传统压电陶瓷薄膜上引入半通孔，增大传感器的有效传感区域与声波传递的路径，使传感器能够接收到更多的声振动能量，声波能更有效地传递到PZT材料内部，提高传感器的灵敏度，压电陶瓷薄膜能够感知到更弱的声振动；另一方面，本专利技术在压电陶瓷薄膜的下方设置腔体结构，形成声波反射或共振腔效果。这两方面的效果均导致本专利技术提出的基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构具有更高的声探测灵敏度。另外；本专利技术还具有其他有益效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构，包括腔体、压电陶瓷薄膜、正电极、负电极，所述压电陶瓷薄膜设置在所述腔体的开口上，所述压电陶瓷薄膜与所述腔体的开口端固定连接，其特征在于：所述压电陶瓷薄膜上设有半通孔，所述半通孔的个数为多个，所述正电极设置在所述压电陶瓷薄膜的外表面，所述负电极设置在所述压电陶瓷薄膜的内表面，所述压电陶瓷薄膜的材料为锆钛酸铅。2.如权利要求1所述的基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构，其特征在于：所述腔体为圆柱形，所述压电陶瓷薄膜为圆盘形，所述半通孔的个数为21个，所述半通孔方形间距分布在所述压电陶瓷薄膜上，所述半通孔分为5列，每列中的所述半通孔的个数为3、5、5、5、3，第三列中心的所述半通孔位于所述压电陶瓷薄膜的中心。3.如权利要求2所述的基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构，其特征在于：所述腔体的内径为1.2厘米，所述半通孔的半径为0.2厘米，所述半通孔的厚度为0.19厘米，所述半通孔之间的距离为0.45厘米，所述压电陶瓷薄膜的厚度为0.23厘米，所述腔体的深度为0...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓方，王强，臧俊斌，
申请(专利权)人：山西阳光三极科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：