CN110311032B - 一种具有高声电转换效率的柔性声传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高声电转换效率的柔性声传感器，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，盲孔的孔口面积为0.79cm2，体积为0.55cm3，分布密度为1个/9cm2，盲孔的形状为球缺状、棱柱状、棱台状、棱锥状、圆台状或圆锥状；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1.5～2.2mV/cm2。本发明的柔性声传感器的具有高声电转换效率，制备工艺简单，不改变其主体结构模式，不影响传感器柔性，有效解决了由于下电极材料的吸振现象限制压电膜的振动效果，导致柔性声传感器的声电转换效率被大大削弱的问题。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种包含相邻的压电膜层和下电极层的具有高声电转换效率的柔性声传感器，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。
背景技术
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声电转换效率的柔性声传感器。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种具有高声电转换效率的柔性声传感器，本发明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，本发明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，本发明采用的方案如下：
一种具有高声电转换效率的柔性声传感器，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，盲孔的孔口面积为0.79cm2，体积为0.55cm3，分布密度为1个/9cm2(分布方式为行列形式均匀分布)，盲孔的形状为球缺状、棱柱状、棱台状、棱锥状、圆台状或圆锥状；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1.5～2.2mV/cm2。
盲孔的孔口面积、体积和分布密度理论上与声电转换效率成正相关，孔口面积、体积和分布密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，当盲孔的孔口面积、体积和分布密度一定时，盲孔的形状会对柔性声传感器整体的声电转换效率产生较大的影响，因为盲孔的形状影响声波的反射情况，而声波的反射情况又会影响柔性声传感器整体的声电转换效率，如声波发生多次反射，即反射路径过长，则容易造成声波衰减，导致压电膜的振动幅度变小，进而导致柔性声传感器整体的声电转换效率降低；如声波反射方向发散程度较大，则无法最大程度地利用声波能量；因此较为理想的情况是，声波的反射次数有限且声波反射方向发散程度较小，因此，本发明将盲孔的形状设置为球缺状、棱柱状、棱台状、棱锥状、圆台状或圆锥状，以控制声波的反射情况，进而提升柔性声传感器整体的声电转换效率。
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，本发明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1.5～2.2mV/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。本发明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，因而本发明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声电转换效率的柔性声传感器，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声电转换效率的柔性声传感器，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声电转换效率的柔性声传感器，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发明的上电极层，由于金属是较为常见的导电材料且可加工性好，因此，本发明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，因而本发明优选将金属镀在压电膜层上。
如上所述的一种具有高声电转换效率的柔性声传感器，压电膜层为PVDF膜层，PVDF膜是采用静电纺丝方法制得的，本发明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发明，本发明优选使用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，本发明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声电转换效率的柔性声传感器，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声电转换效率的柔性声传感器，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，本发明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，本发明的柔性声传感器可模块化，即其中的下电极层可以根据使用场景进行更换，例如应用于生物医疗领域时，可使用生物相容性好的材料作下电极层，应用于稍微恶劣的环境时，可使用具有更好耐低温、耐疲劳性能的材料作下电极层。
如上所述的一种具有高声电转换效率的柔性声传感器，压电膜层与下电极层之间是通过粘合方式结合的，粘合采用物理粘合法或化学粘合法，物理粘合法为热粘合法、浸渍粘合法、喷洒粘合法、泡沫粘合法、印花粘合法、溶剂粘合法、火焰处理法或电晕处理法，化学粘合法为化学试剂处理法或气体热氧化法。
有益效果：
(1)本发明的一种具有高声电转换效率的柔性声传感器通过设置盲孔提高声电转换效率，无需引入其他材料，无需考虑外加材料的兼容性、生物相容性等因素；
(2)本发明的一种具有高声电转换效率的柔性声传感器无需复杂加工工艺，生产成本较低；
(3)本发明的一种具有高声电转换效率的柔性声传感器可模块化，即其中的下电极层可以根据使用场景进行更换；
(4)本发明的一种具有高声电转换效率的柔性声传感器可通过调整盲孔的形状调整声电转换效率；
(5)本发明的一种具有高声电转换效率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1.5～2.2mV/cm2，相对于压电膜层与下电极层完全贴合的柔性声传感器的声电转换效率提高了117％～267％。
附图说明
图1为本发明的一种具有高声电转换效率的柔性声传感器的结构示意图；
图2为本发明的一种具有高声电转换效率的柔性声传感器的下电极层的俯视图；
图3为本发明的一种具有高声电转换效率的柔性声传感器的下电极层的结构示意图；
其中，1-压电膜层，2-上电极层，3-下电极层，4-盲孔。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
一种具有高声电转换效率的柔性声传感器，如图1所示，具有三层复合结构，包括自上而下的上电极层2、压电膜层1和下电极层3，如图2和图3所示，下电极层3上设有盲孔4，且盲孔4的孔口所在的下电极层3的表面与压电膜层1结合(压电膜层1与下电极层3之间是通过粘合方式结合的)，盲孔4的孔口面积为0.79cm2，体积为0.55cm3，分布密度为1个/9cm2，盲孔4的形状为球缺状、棱柱状、棱台状、棱锥状、圆台状或圆锥状；
上电极层2、压电膜层1和下电极层3的厚度分别为5～20μm、30～100μm和0.5～3cm；上电极层2为金属镀层；压电膜层1为PVDF膜层，PVDF膜是采用静电纺丝方法制得的；或者，压电膜层1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；下电极层3为导电水凝胶层或导电橡胶层；
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1.5～2.2mV/cm2。
本发明的一种具有高声电转换效率的柔性声传感器的制备方法不限，现以上电极层为银镀层、压电膜层为PVDF膜层、下电极层为导电水凝胶层为例，说明其制备方法，步骤如下：
(1)制备单侧表面设置盲孔的下电极层；
通过3D打印方法制作底面带有底面积为0.79cm2、体积为0.55cm3、分布密度为1个/9cm2(分布方式为行列形式均匀分布)且形状为圆锥状的凸起的模具；将2.30g AAM(丙烯酰胺，99％)、1.50mg MBAA(N,N'-亚甲基双(丙烯酰胺)，99％)和0.02g光引发剂2959在7.66mL2M HCl(盐酸，37.5wt％)中混合，将溶液灌注入模具中，以MBAA作为交联剂，在光引发剂2959作用下用紫外光引发40分钟，从而生成单侧设置盲孔的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶层；
(2)将压电膜与下电极层粘合；
将PAAm水凝胶层盲孔侧与市售PVDF膜热粘合；
(3)将压电膜与上电极层结合；
在市售PVDF膜远离PAAm水凝胶层的表面镀银形成上电极层。
Claims (4)
1.一种具有高声电转换效率的柔性声传感器，其特征是：具有复合层结构，复合层为三层，包括依次相邻的上电极层、压电膜层和下电极层；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；压电膜层为PVDF膜层，PVDF膜是采用静电纺丝方法制得的；下电极层为导电水凝胶层或导电橡胶层，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，盲孔的孔口面积为0.79cm2，体积为0.55cm3，分布密度为1个/9cm2，盲孔的形状为球缺状、棱柱状、棱台状、棱锥状、圆台状或圆锥状；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1.5~2.2mV/cm2。
2.根据权利要求1所述的一种具有高声电转换效率的柔性声传感器，其特征在于，上电极层为金属镀层。
3.根据权利要求1所述的一种具有高声电转换效率的柔性声传感器，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的一种具有高声电转换效率的柔性声传感器，其特征在于，压电膜层与下电极层之间是通过粘合方式结合的。
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