CN103581812A - 一种压电驻极体传声器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种压电驻极体传声器，其包括外壳、PCB板以及设置于PCB板上的压电驻极体薄膜；所述外壳一侧设置有多个声孔另一侧开口，PCB板将开口密封并使得压电驻极体薄膜位于外壳内部；所述压电驻极体薄膜的组分及重量份数为：聚偏氟乙烯：40-57份；五氟苯乙烯：15-18份；铝粉：0.4-0.7份；铁粉：0.2-0.5份。本发明的压电驻极体传声器通过材料体系设计和制备工艺的改进大大提高了传统聚偏氟乙烯的压电性能。

Description

一种压电驻极体传声器
技术领域
本发明涉及传声器设备领域，尤其涉及一种压电驻极体传声器。
背景技术
目前的电声领域内，传声器大多采用电容式结构，其典型应用为驻极体电容式传声器。驻极体电容式传声器需要精密加工，组装时的公差配合也要求十分严谨。在当代便携式设备越来越小型化的趋势下，加大了零件加工难度，提高了组装精度，甚至达到了一个性能与结构瓶颈的地步。
压电驻极体传声器是利用压电效应进行声电/电声变换，其声电/电声转换器为一片薄薄的多孔聚合物压电驻极体薄膜，相对电容式结构复杂且精度要求极高的零件配合设计，大大减小了电声器件的体积，同时，零件数目大为减小，可靠性得到保障，方便大规模生产的需求。
但是由于压电驻极体传声器的多孔聚合物压电驻极体薄膜要求较高，如何生产出压电效应好的压电驻极体薄膜就成为亟待解决的问题。现有的专利，例如公开号为CN102938871的中国专利“压电驻极体传声器及其压电驻极体薄膜”，其公开一种防止电荷丢失的压电驻极体薄膜，通过使得带电荷的基材层不处于压电驻极体薄膜表面，基材不会沾水从而反正驻极体薄膜电荷的丢失。然而该专利仅对驻极体薄膜的结构进行了细微改进，对于压电驻极体薄膜的组分并无改进，不能从根本上解决如何使得压电驻极体薄膜压电性能更好的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种压电性能好、灵敏度高的压电驻极体传声器。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种压电驻极体传声器，其包括外壳、PCB板以及设置于PCB板上的压电驻极体薄膜；所述外壳一侧设置有多个声孔另一侧开口，PCB板将开口密封并使得压电驻极体薄膜位于外壳内部；所述压电驻极体薄膜的组分及重量份数为：
聚偏氟乙烯：40-57份；
五氟苯乙烯：15-18份；
铝粉：0.4-0.7份；
铁粉：0.2-0.5份。
聚偏氟乙烯是目前广泛应用的柔性铁电材料，具有良好的压电性能。然而聚偏氟乙烯晶形结构复杂，与其压电性能密切相关的β相晶形无法直接得到，如何提高聚偏氟乙烯的β相晶形含量是制备高压电性能聚偏氟乙烯薄膜的关键技术。
五氟苯乙烯具有优异的化学稳定性、自润滑性和耐老化性，相对于其他含氟的聚合物，例如三氟乙烯、四氟乙烯等，其稳定性更好，与聚偏氟乙烯共聚后使得薄膜自身形成的孔径排布更为有序和致密。该些孔径使得压电驻极体薄膜同时具有压电材料和驻极体材料的特点，从而使得压电驻极体薄膜的压电性能比单纯的聚偏氟乙烯薄膜提高20倍以上。
在聚偏氟乙烯和五氟苯乙烯共聚的混合物中增加铝粉和铁粉，由于铝粉和铁粉具有良好的氧化性能，能分别与空气氧化得到三氧化二铝和三氧化二铁等氧化物，氧化得到的三氧化二铝和三氧化二铁等氧化物能诱使薄膜的晶形向β相转变，使得薄膜的压电性能明显增高。但是由于三氧化二铝和三氧化二铁等氧化物的存在使得薄膜的电阻率急剧减小，因此需要慎重考虑其添加量，以此平衡电阻率和压电性能。
进一步地，铝粉和铁粉不同于其他氧化金属，例如锌、锰、钠等氧化金属，铝粉和铁粉的氧化反应更为剧烈，电荷变化更大，能够以非常少的添加量即达到其他金属非常多的添加量才能达到的效果。
进一步地，所述压电驻极体薄膜的组分及重量份数为：
聚偏氟乙烯：50份；
五氟苯乙烯：15份；
铝粉：0.5份；
铁粉：0.5份。
进一步地，所述压电驻极体薄膜通过如下方式制备：
S1：以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将聚偏氟乙烯与五氟苯乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中形成均匀的溶液；而后将铝粉和锌粉加入溶液中搅拌得到悬浊液；
不同于现有常规的以N-二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺为溶剂，本发明中，以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，其毒性危害更小，且由于N-甲基吡咯烷酮挥发度低、热稳定性高、便于后续形成具有孔径的薄膜的步骤。
S2：将悬浊液流延在平板上并加热使得溶剂完全挥发得到初始薄膜；加热过程中，通入相对湿度大于90%的水蒸汽；溶剂完全挥发后，停止通入水蒸汽并继续加热使得初始薄膜水蒸汽完全蒸发；
本发明中，在加热使得溶剂挥发的过程中通入相对湿度较大的水蒸汽，使得溶剂挥发过程中，水蒸汽在聚合物表面形成球状液滴，由于水滴的表面张力作用，当溶剂挥发完全且水滴继续挥发后，水滴所占空间留在薄膜内部使得初始薄膜内部形成排列有序的孔径。该些孔径的存在使得后续极化后，电荷能够分布于孔径内壁相对两侧从而大大提高了压电驻极体薄膜的压电系数。
S3：在初始薄膜两个表面附着金属电极得到压电驻极体薄膜。
步骤S3是将薄膜中杂乱取向的分子偶极矩沿着极化电场方向一致取向，提高薄膜的剩余极化价值，改善薄膜的压电性能。步骤S3与步骤S2相对应，使得步骤S2中薄膜内部形成的孔径中的分子偶极矩取向，由于具有多个排列有序的孔径，使得压电驻极体薄膜的压电性能大大提高。
进一步地，步骤S2中，通过两条管道通入水蒸汽，两条管道的轴线成30-60°角，两条管道的水蒸汽流速均为15-25m/s，使得初始薄膜内部形成截面为椭圆的孔径；所述椭圆的长短轴比为：（5.5-7.5）:1。
采用上述水蒸汽的注入方式和流量控制使得初始薄膜内部的孔径形状和大小更适合于提高其压电性能。
进一步地，所述步骤S3中，在初始薄膜上下表面蒸镀铝金属电极，极化条件为极化电场强度50-70MV/m，极化温度80-100℃，极化时间0.5-1小时，最后保持极化场强并冷却至室温。
采用上述极化条件使得薄膜的β晶形含量更高，更适宜于本发明特定组分的薄膜。
进一步地，所述多个声孔的数量为4个且其中三个声孔的圆心的连线构成等边三角形，另一个声孔的圆心位于该等边三角形中心。
声孔的位置关系设置使得声音经过该4个声孔传递至压电驻极体薄膜时，薄膜的表面受压均匀，薄膜的振动更加接近火塞振动，大大减小谐波的产生，减小失真。
进一步地，所述声孔上还覆盖有防水防尘网。
与现有技术相比，本发明的压电驻极体传声器具有如下有益效果：
1、压电性能好。通过材料体系设计和制备工艺的改进大大提高了传统聚偏氟乙烯的压电性能。
2、产品结构简单、制备精度要求低。
3、通过声孔的位置关系设计使得压电驻极体传声器失真小。
附图说明
图1为本发明压电驻极体传声器的立体结构示意图；
图2为本发明中制备压电驻极体薄膜的流程示意图；
图3为压电驻极体薄膜中孔径的剖面示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，本发明压电驻极体传声器包括外壳10、PCB板20以及设置于PCB板20上的压电驻极体薄膜30；所述外壳10一侧设置有多个声孔40另一侧开口，PCB板20将该开口密封并使得压电驻极体薄膜30位于外壳10内部。
相比传统的电容式驻极体传声器，压电式驻极体传声器的结构更加简单，组装精度要求更低，但是对压电驻极体薄膜的压电性能要求较高。
本发明中，压电驻极体薄膜30的组分及重量份数为：
聚偏氟乙烯：40-57份；
五氟苯乙烯：15-18份；
铝粉：0.4-0.7份；
铁粉：0.2-0.5份。
下面通过三个较佳实施例描述本发明中压电驻极体薄膜30的组分、制备方法以及最终的压电性能。
实施例1
配料：按重量份取聚偏氟乙烯粉末40份、五氟苯乙烯粉末15份、铝粉0.4份、铁粉0.2份。将聚偏氟乙烯粉末和五氟苯乙烯粉末加入N-甲基吡咯烷酮中形成均匀的溶液；而后将铝粉和锌粉加入溶液中搅拌得到悬浊液。
流延：将悬浊液流延在平板上并加热使得溶剂完全挥发得到初始薄膜；加热过程中，通入相对湿度大于90%的水蒸汽；溶剂完全挥发后，停止通入水蒸汽并继续加热使得初始薄膜水蒸汽完全蒸发；
极化：在初始薄膜两个表面附着金属电极得到压电驻极体薄膜。
采用准静态法测量最终制得的压电驻极体薄膜的压电系数d33，测试结果见表1。准静态法是指将样品置于样品架上，将一定质量的砝码加在样品上，利用静电计检测样品上下两电极感应的电荷，通过公式d33=Q/F得到，其中Q为样品电极上感应的电荷量，F为施加在样品上的机械力。
实施例2
配料：按重量份取聚偏氟乙烯粉末50份、五氟苯乙烯粉末15份、铝粉0.5份、铁粉0.5份。将聚偏氟乙烯粉末和五氟苯乙烯粉末加入N-甲基吡咯烷酮中形成均匀的溶液；而后将铝粉和锌粉加入溶液中搅拌得到悬浊液。
流延：将悬浊液流延在平板上并加热使得溶剂完全挥发得到初始薄膜；加热过程中，通过两条管道通入相对湿度大于90%的水蒸汽；溶剂完全挥发后，停止通入水蒸汽并继续加热使得初始薄膜水蒸汽完全蒸发；两条管道的轴线成30-60°角，两条管道的水蒸汽流速均为15-25m/s，使得初始薄膜内部形成截面为椭圆的孔径；所述椭圆的长短轴比为：（5.5-7.5）:1。
极化：在初始薄膜上下表面蒸镀铝金属电极，极化条件为极化电场强度50-70MV/m，极化温度80-100℃，极化时间0.5-1小时，最后保持极化场强并冷却至室温。
极化后的压电驻极体薄膜中孔径的剖面示意图以及电荷示意图如图3所示。
采用准静态法测量最终制得的压电驻极体薄膜的压电系数d33，测试结果见表1。
实施例3
配料：按重量份取聚偏氟乙烯粉末57份、五氟苯乙烯粉末18份、铝粉0.7份、铁粉0.5份。将聚偏氟乙烯粉末和五氟苯乙烯粉末加入N-甲基吡咯烷酮中形成均匀的溶液；而后将铝粉和锌粉加入溶液中搅拌得到悬浊液。
流延：将悬浊液流延在平板上并加热使得溶剂完全挥发得到初始薄膜；加热过程中，通过两条管道通入相对湿度大于90%的水蒸汽；溶剂完全挥发后，停止通入水蒸汽并继续加热使得初始薄膜水蒸汽完全蒸发；两条管道的轴线成45°角，两条管道的水蒸汽流速均为20m/s，使得初始薄膜内部形成截面为椭圆的孔径；所述椭圆的长短轴比为：6:1。
极化：在初始薄膜上下表面蒸镀铝金属电极，极化条件为极化电场强度50-70MV/m，极化温度80-100℃，极化时间0.5-1小时，最后保持极化场强并冷却至室温。
极化后的压电驻极体薄膜中孔径的剖面示意图以及电荷示意图如图3所示。
采用准静态法测量最终制得的压电驻极体薄膜的压电系数d33，测试结果见表1。
表1
Figure BDA0000388653250000071
从表1的三个测试结果可知，本发明的压电驻极体薄膜的压电系数均达到1000以上，相比传统的聚偏氟乙烯的压电系数有非常大的改进。
优选地，为了减小压电驻极体传声器本身的失真，将声孔的数量设为4个，且其中三个声孔的圆心的连线构成等边三角形，另一个声孔的圆心位于该等边三角形中心。
更优选地，为了达到更好的实用效果，还在声孔上覆盖有防水防尘网50。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种压电驻极体传声器，其特征在于：包括外壳、PCB板以及设置于PCB板上的压电驻极体薄膜；所述外壳一侧设置有多个声孔另一侧开口，PCB板将开口密封并使得压电驻极体薄膜位于外壳内部；所述压电驻极体薄膜的组分及重量份数为：
聚偏氟乙烯：40-57份；
五氟苯乙烯：15-18份；
铝粉：0.4-0.7份；
铁粉：0.2-0.5份。
2.根据权利要求1所述的压电驻极体传声器，其特征在于，所述压电驻极体薄膜的组分及重量份数为：
聚偏氟乙烯：50份；
五氟苯乙烯：15份；
铝粉：0.5份；
铁粉：0.5份。
3.根据权利要求1或2所述的压电驻极体传声器，其特征在于，所述压电驻极体薄膜通过如下方式制备：
S1：以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将聚偏氟乙烯与五氟苯乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中形成均匀的溶液；而后将铝粉和锌粉加入溶液中搅拌得到悬浊液；
S2：将悬浊液流延在平板上并加热使得溶剂完全挥发得到初始薄膜；加热过程中，通入相对湿度大于90%的水蒸汽；溶剂完全挥发后，停止通入水蒸汽并继续加热使得初始薄膜水蒸汽完全蒸发；
S3：在初始薄膜两个表面附着金属电极得到压电驻极体薄膜。
4.根据权利要求3所述的压电驻极体传声器，其特征在于，步骤S2中，通过两条管道通入水蒸汽，两条管道的轴线成30-60°角，两条管道的水蒸汽流速均为15-25m/s，使得初始薄膜内部形成截面为椭圆的孔径；所述椭圆的长短轴比为：（5.5-7.5）:1。
5.根据权利要求3所述的压电驻极体传声器，其特征在于，步骤S3中，在初始薄膜上下表面蒸镀铝金属电极，极化条件为极化电场强度50-70MV/m，极化温度80-100℃，极化时间0.5-1小时，最后保持极化场强并冷却至室温。
6.根据权利要求1所述的压电驻极体传声器，其特征在于，所述多个声孔的数量为4个且其中三个声孔的圆心的连线构成等边三角形，另一个声孔的圆心位于该等边三角形中心。
7.根据权利要求6所述的压电驻极体传声器，其特征在于，所述声孔上还覆盖有防水防尘网。
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