CN103219918B - 一种基于微穿孔板结构的噪声发电器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微穿孔板结构的噪声发电器件，涉及降噪技术与能量收集技术，包括微穿孔硅片、导电支架、敏感压电薄膜、引出电极、薄膜支撑体。微穿孔硅片是吸声降噪的结构；导电支架既可形成共振吸声结构所需的空腔，又可作为连接压电薄膜上电极的结构；下方具有压电薄膜的硅片一方面将共振腔封闭，另一方面硅片上悬空的压电薄膜能够在声波的作用下不断振动，产生极化电荷，并通过上下两层薄膜电极将电荷收集起来。本发明利用微机械电子加工技术，将硅片制作成微穿孔板结构以降低噪声，同时将噪声中所包含的声能作为能量收集器件的能量来源，将声能转化为电能，使降噪与发电互为促进，具有结构简单、可批量制备的特点。

Description

一种基于微穿孔板结构的噪声发电器件

技术领域

本发明涉及降噪技术与能量收集技术领域，是一种基于微穿孔板结构的噪声发电器件。

背景技术

噪声对人们的正常作息，机器设备的使用寿命以及军事装备的生存能力都有着很大的影响。常用的降噪方法主要有吸声材料法和吸声结构法。吸声材料法通常是指利用多孔性吸声材料降低噪音的方法，主要包括有机纤维、无机纤维、金属纤维、泡沫金属、泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫聚合物等；吸声结构法主要是使用亥姆霍兹共振器以及在其基础上发展得到的微孔板等共振吸声结构来吸声降噪。吸声材料对中低频噪声的吸收效果较差，而共振吸声结构则对其有很好的吸收，适当设计共振结构的参数，可以实现微穿孔板降噪结构的宽频噪声吸收。目前制作微穿孔板主要采用的是机械加工方法，小孔孔径难以进一步缩小，当制备的小孔密度较高时，制作成本高，误差大，共振腔吸声带宽小，难以满足实际应用的需要。

另一方面，随着各种微传感器、微执行器和其它微系统的不断发展，人们希望能够将微能源以某种方式与各种微器件集成起来。使用微电子机械系统技术(MEMS)研究和制造降噪与声能收集器件，就是为了将环境中的声能转化为电能，为微型系统收集能量。目前振动能量收集器件主要采用悬臂梁、薄膜、静电、纳米线阵列等特殊结构，然而这些器件在设计的时候往往只是注重能量收集，而没能兼顾到吸声降噪的需要。

噪声吸收的实质是声能逐渐衰减和转化的过程。在现有吸声结构的基础上，增加将噪声的声能转化为电能的部分，则可以提高声能的转化，提升结构的降噪性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种既能有效降低噪音，又能实现噪声能量向电能的转化，降噪与能量收集二者互相促进的基于微穿孔板结构的噪声发电器件。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于微穿孔板结构的噪声发电器件，包括微穿孔硅片(1)、导电支架(2)、敏感压电薄膜(3)、引出电极(4)、薄膜支撑体(5)；其微穿孔硅片(1)和薄膜支撑体(5)分别封闭式固接于筒状导电支架(2)两端，共同围成一封闭空间，形成共振腔；微穿孔硅片(1)上设有多个均布的通孔，微穿孔硅片(1)固置于导电支架(2)的上方，朝向声波入射的方向；薄膜支撑体(5)固置于导电支架(2)的下方，处于共振腔的底部；

多个敏感压电薄膜(3)固接于薄膜支撑体(5)内侧面，排成阵列；多个敏感压电薄膜(3)的上下表面分别与引出电极(4)电连接，多个引出电极(4)分别与外电路电连接，将电荷传导出去；

微穿孔硅片(1)、导电支架(2)、敏感压电薄膜(3)与薄膜支撑体(5)共同围成的封闭空间，使之成为微穿孔硅片(1)的共振吸声结构；敏感压电薄膜(3)、引出电极(4)与薄膜支撑体(5)构成薄膜式振动能量收集结构。

所述的降噪与能量收集器件，其所述敏感压电薄膜(3)，为压电材料层；引出电极(4)包括上、下电极，上电极的下表面与敏感压电薄膜(3)的上表面相连接，敏感压电薄膜(3)的下表面与下电极的上表面相连接，敏感压电薄膜(3)在两个电极层之间，将二者隔开；敏感压电薄膜(3)、引出电极(4)形成上下两层为导电体，中间层为压电体的夹层结构；

每个敏感压电薄膜(3)下方的薄膜支撑体(5)硅材料被刻蚀掉，使敏感压电薄膜(3)形成悬空的薄膜结构。

所述的降噪与能量收集器件，其所述微穿孔硅片(1)的通孔为圆形、方形或三角形其中之一或它们的组合；根据不同的需要，通孔的直径为从数十微米到数个厘米之间。

所述的降噪与能量收集器件，其所述导电支架(2)为任意形状的空心筒状支撑体，微穿孔硅片(1)和薄膜支撑体(5)的周边形状与导电支架(2)的横截面相适配。

所述的降噪与能量收集器件，其所述敏感压电薄膜(3)为方形、圆形或三角形其中之一。

所述的降噪与能量收集器件，其所述敏感压电薄膜(3)、引出电极(4)形成的夹层结构，是在薄膜支撑体(5)上分别采用磁控溅射技术依次淀积下电极层、压电材料层和上电极层，分步制备而成。

所述的降噪与能量收集器件，其所述薄膜支撑体(5)的上表面与引出电极(4)下电极的下表面相连，作为敏感压电薄膜(3)的支撑。

本发明的优点：采用微电子机械系统(MEMS)技术制作，结构简单，能批量制备，可实现宽频带的噪声吸收，可同时实现吸声降噪与振动能量收集两种功能，且二者相互促进。

本发明所述的降噪与声能收集器件可以广泛地应用于噪声控制、微系统与物联网等领域。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于微穿孔板结构的噪声发电器件的结构示意图；

图2为本发明所述的一种基于微穿孔板结构的噪声发电器件的俯视图；

图3为本发明所述的一种基于微穿孔板结构的噪声发电器件的侧面图；

图4为本发明所述的一种基于微穿孔板结构的噪声发电器件的仰视图。

具体实施方式

本发明的一种基于微穿孔板结构的噪声发电器件：声音经过微穿孔板进入共振腔内，引起腔内空气振动而减少对外的声能反射；同时腔内振动的空气引起底板上敏感压电薄膜的振动，从而产生极化电荷，并通过上下电极将电荷从压电薄膜表面收集出来。具体原理如下：

将小孔看作一个细管，管两端之间加一个压差，引起管内气体流动，根据小管声阻抗率公式可得

$Z=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\stackrel{\‾}{u}}=\mathrm{j\ω\ρt}{[1-\frac{2}{x\sqrt{-j}}\frac{J_{1}x\sqrt{-j}}{J_{0}x\sqrt{-j}}]}^{-1}$

式中ΔP是小管两端的压差，是平均管内振动速度，ω为角频率，ρ是空气密度，t为微孔板的厚度。其中η是空气的粘滞系数。J₀、J₁为零阶和一阶贝塞尔函数。x＜1微孔板带宽较大，x＞10微孔板带宽就非常小了。微孔板工作在1＜x＜10的范围内，故而有较大的吸声带宽。

为了使计算公式得以简化，求得微穿孔板的相对声阻抗Z₁，将各常数的值代入公式，并根据实际应用改变单位，频率f采用kHz，面积比p用百分数，其他参数如下所示：

c＝340m/s

η＝1.789kg/ms

ρ＝1.2kg/m³

可得微穿孔板的相对声阻抗为：

$Z_1=\frac{Z}{\mathrm{p\ρc}}=r+\mathrm{j\ωm}$

$r=\frac{0.147}{d^2}\frac{t}{p}{K}_r,$ $K_r=\sqrt{1+x^2/32}+0.1768\frac{\mathrm{xd}}{t}$

$\mathrm{\ωm}=1.847\frac{\mathrm{ft}}{p}{K}_m,$ K_m＝1+(3²+x²/2)^-1/2+085d/t

$x=10d\sqrt{f}$

式中d为小孔直径，b为小孔间距，t为微穿孔硅片厚度，由上述公式可以根据降噪要求得出微穿孔硅片的各种参数。

压电材料受到外力作用发生应变时，会在表面产生极化电荷，设电荷密度为σ，材料的压电常数矩阵为D_p，所受的应力矩阵为T，则有

σ＝D_p·T

而材料的应力可由广义胡克定律来表征：

ε＝CT

式中ε为应变向量，C为系数矩阵，其中：

$C=\frac{1}{E}\left[\begin{array}{cccccc}1& -\mathrm{\μ}& -\mathrm{\μ}& 0& 0& 0\\ -\mathrm{\μ}& 1& -\mathrm{\μ}& 0& 0& 0\\ -\mathrm{\μ}& -\mathrm{\μ}& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 2(1+\mathrm{\μ})& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 2(1+\mathrm{\μ})& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 2(1+\mathrm{\μ})\end{array}\right]$

式中μ为柏松比，E为杨氏模量。

因而压电材料产生的电荷密度与薄膜应变的关系为：

σ＝D_p·C^-1ε

下面将结合附图对本发明加以详细说明。

如图1所示为本发明的一种基于微穿孔板结构的噪声发电器件的结构示意图，图2所示为本发明的一种基于微穿孔板结构的噪声发电器件的俯视图，图3所示为本发明的一种基于微穿孔板结构的噪声发电器件的侧面图，图4所示为本发明所述的一种基于微穿孔板结构的噪声发电器件的仰视图；

本发明的一种基于微穿孔板结构的噪声发电器件，包括微穿孔硅片1、导电支架2、敏感压电薄膜3、引出电极4、薄膜支撑体5；其中，

微穿孔硅片1上的小孔为通孔，等间距排列，布满整个微穿孔硅片，此结构系采用MEMS技术加工而成，直径为100um。微穿孔硅片1固置于导电支架2的上方，朝向声波入射的方向；敏感压电薄膜3与薄膜支撑体5固置于导电支架2的下方，处于共振腔的底部；薄膜支撑体5上分别采用磁控溅射技术依次淀积了下电极层、压电材料层和上电极层，上下两层为导电体，采用金属材料，中间层为压电体，共同构成了敏感压电薄膜3和引出电极4；敏感压电薄膜3下方的硅材料被刻蚀掉，形成悬空的正方形薄膜阵列结构；

微穿孔硅片1、导电支架2、敏感压电薄膜3与薄膜支撑体5共同围成一封闭空间，使之成为微穿孔板共振吸声结构；敏感压电薄膜3、引出电极4与薄膜支撑体5构成薄膜式振动能量收集结构。

微穿孔硅片1的小孔为圆形。

导电支架2为空心圆柱形。

敏感压电薄膜3为正方形，其个数为13。

引出电极4为上下两层，分步制备而成。

薄膜支撑体5的上表面与引出电极4的下电极相连，作为敏感压电薄膜3的支撑，薄膜下方的硅被刻蚀成坑状阵列结构。

本发明的这种基于微穿孔板结构的噪声发电器件的工作原理是：

声音经过微穿孔硅片1进入共振腔内，引起腔内空气振动而减少对外的声能反射；同时腔内振动的空气引起底板上敏感压电薄膜3的振动，从而产生极化电荷，并通过上下电极4将电荷从压电薄膜表面收集出来。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，旨在对本发明有更好的理解，而无法起到任何限定作用，任何熟悉该技术的人在本发明所显示的技术范围内，可想到的变更或替换，都涵盖在本发明所包含的范围之内，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于微穿孔板结构的降噪与能量收集器件，包括微穿孔硅片(1)、导电支架(2)、敏感压电薄膜(3)、引出电极(4)、薄膜支撑体(5)；其特征是：微穿孔硅片(1)和薄膜支撑体(5)分别封闭式固接于筒状导电支架(2)两端，共同围成一封闭空间，形成共振腔；微穿孔硅片(1)上设有多个均布的通孔，微穿孔硅片(1)固置于导电支架(2)的上方，朝向声波入射的方向；薄膜支撑体(5)固置于导电支架(2)的下方，处于共振腔的底部；

多个敏感压电薄膜(3)固接于薄膜支撑体(5)内侧面，排成阵列；多个敏感压电薄膜(3)的上下表面分别与引出电极(4)电连接，多个引出电极(4)分别与外电路电连接，将电荷传导出去；

微穿孔硅片(1)、导电支架(2)、敏感压电薄膜(3)与薄膜支撑体(5)共同围成的封闭空间，使之成为微穿孔硅片(1)的共振吸声结构；敏感压电薄膜(3)、引出电极(4)与薄膜支撑体(5)构成薄膜式振动能量收集结构；

每个敏感压电薄膜(3)下方的薄膜支撑体(5)硅材料被刻蚀掉，使敏感压电薄膜(3)形成悬空的薄膜结构。

2.根据权利要求1所述的基于微穿孔板结构的降噪与能量收集器件，其特征是：所述敏感压电薄膜(3)，为压电材料层；引出电极(4)包括上、下电极，上电极的下表面与敏感压电薄膜(3)的上表面相连接，敏感压电薄膜(3)的下表面与下电极的上表面相连接，敏感压电薄膜(3)在两个电极层之间，将二者隔开；敏感压电薄膜(3)、引出电极(4)形成上下两层为导电体，中间层为压电体的夹层结构。

3.根据权利要求1所述的基于微穿孔板结构的降噪与能量收集器件，其特征是：所述微穿孔硅片(1)的通孔为圆形、方形或三角形其中之一或它们的组合。

4.根据权利要求1所述的基于微穿孔板结构的降噪与能量收集器件，其特征是：所述导电支架(2)为任意形状的空心筒状支撑体，微穿孔硅片(1)和薄膜支撑体(5)的周边形状与导电支架(2)的横截面相适配。

5.根据权利要求1或2所述的基于微穿孔板结构的降噪与能量收集器件，其特征是：所述敏感压电薄膜(3)为方形、圆形或三角形其中之一。

6.根据权利要求1或2所述的基于微穿孔板结构的降噪与能量收集器件，其特征是：所述敏感压电薄膜(3)、引出电极(4)形成的夹层结构，是在薄膜支撑体(5)上分别采用磁控溅射技术依次淀积下电极层、压电材料层和上电极层，分步制备而成。

7.根据权利要求1所述的基于微穿孔板结构的降噪与能量收集器件，其特征是：所述薄膜支撑体(5)的上表面与引出电极(4)下电极的下表面相连，作为敏感压电薄膜(3)的支撑。