[發明專利]一種具有高效聲電轉換特性的柔性聲傳感器

有效

• 申請號: 201910571842.5
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110350078B
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 何兒;武小童;魏岑;王富軍;王璐
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: H01L41/047
• 分類號: H01L41/047;H01L41/08;H01L41/113
• 代理公司: 上海統攝知識產權代理事務所(普通合伙) 31303
• 代理人: 辛自豪

本發明涉及一種具有高效聲電轉換特性的柔性聲傳感器，具有復合層結構，包括相鄰的壓電膜層和下電極層，下電極層上設有盲孔，且盲孔的孔口所在的下電極層的表面與壓電膜層結合，盲孔的直徑為1cm，深度為0.7cm，分布密度為1個/2～12cm²，盲孔的形狀為圓柱狀；柔性聲傳感器在分貝為80dB且頻率為220Hz的聲波下的最大電壓輸出為1.0～3.5mV/cm²。本發明的柔性聲傳感器的具有高效聲電轉換特性，相對于壓電膜層與下電極層完全貼合的柔性聲傳感器的聲電轉換效率提高了67％～483％，本發明有效解決了由于下電極材料的吸振現象限制壓電膜的振動效果，導致柔性聲傳感器的聲電轉換效率被大大削弱的問題。

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，涉及一種包含相鄰的壓電膜層和下電極層的具有高效聲電轉換特性的柔性聲傳感器，特別涉及一種下電極層上設有盲孔，且盲孔的孔口所在的下電極層的表面與壓電膜層結合的柔性聲傳感器。

背景技術

聲傳感器是作為人類與機器之間一種最直觀的雙向通信設備，一直受到廣泛關注。然而，傳統聲學傳感器采用電容式設備來測量兩個電極層之間的電容，具有靈敏度低、體積大、剛性強、難以集成等問題。

壓電材料是一種晶體材料，其特點是當其受外力而產生變形時，會由于內部極化而在表面上產生電荷，常用的壓電材料有石英體、壓電陶瓷、壓電高聚物和壓電復合材料。其中，壓電高聚物如PVDF(聚偏二氟乙烯)等與傳統的壓電材料(石英晶體、鈦酸鋇、壓電陶瓷等)相比，具有重量輕、柔軟性好、頻率響應寬和動態響應范圍大等特點，且經過拉伸和極化處理之后，由壓電高聚物制得的壓電膜能顯示出較強的壓電特性。因此，近年來，由PVDF等壓電高聚物制得的壓電膜材料在聲傳感器領域有了頗為廣泛的應用。

包含壓電膜的聲傳感器的作用機理為：聲波作用于壓電膜表面使其產生振動，壓電膜表面在振動機械應力作用下產生電荷，再由電極將電荷導出。這種傳感器整合了壓電膜材料良好的柔性與模塊化設計帶來的可替換性，可以直接在人體表面貼附，在生物醫學等領域有著廣泛的用途。然而由壓電膜制備聲傳感器時，需要將壓電膜與下電極結合，由于壓電膜材料比較柔軟輕薄，當其與下電極材料直接貼附時，下電極材料的吸振現象將嚴重限制壓電膜的振動效果，使材料的聲電轉換效率被大大削弱。

因此，亟待研究一種具有高效聲電轉換特性的柔性聲傳感器。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種具有高效聲電轉換特性的柔性聲傳感器，本發明主要是通過減少壓電膜與下電極的接觸面積，同時在二者之間設置空腔提高柔性聲傳感器整體的聲電轉換效率的，本發明的柔性聲傳感器整體的制備工藝簡單，無需復雜加工工藝，不改變其主體結構模式，不影響傳感器柔性。

為達到上述目的，本發明采用的方案如下：

一種具有高效聲電轉換特性的柔性聲傳感器，具有復合層結構，包括相鄰的壓電膜層和下電極層，下電極層上設有盲孔，盲孔結構是通過使用模具澆注或機械打孔等工藝方法構建的，且盲孔的孔口所在的下電極層的表面與壓電膜層結合，盲孔的直徑為1cm，深度為0.7cm，分布密度為1個/2～12cm²(分布方式為行列形式均勻分布)，盲孔的形狀為圓柱狀；柔性聲傳感器在分貝為80dB且頻率為220Hz的聲波下的最大電壓輸出為1.0～3.5mV/cm²。

由于圓柱形狀較為穩定，有利于提高柔性聲傳感器整體的耐彎折性，因而本發明將盲孔設計為圓柱狀，盲孔的直徑和深度理論上與聲電轉換效率成正相關，盲孔的直徑和深度過大會導致整體結構的不穩定，過小會導致聲電轉換效率提升不明顯，當盲孔的形狀、直徑和深度一定時，盲孔的分布密度會對柔性聲傳感器整體的聲電轉換效率產生較大的影響，盲孔的分布密度過大會導致柔性聲傳感器整體結構的穩定性差，盲孔的分布密度過小會導致柔性聲傳感器整體的聲電轉換效率較低，本發明從整體考慮，將盲孔的分布密度設置為1個/2～12cm²。