CN103826191B - 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百分比为：纳米铝粉：12%‑18%；纳米氧化硅粉末：5%‑9%，余量为聚偏氟乙烯。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
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百分比为：纳米铝粉：12%-18%；纳米氧化硅粉末：5%-9%，余量为聚偏氟乙烯；所述压电驻极体薄膜通过如下方式制备：
S1：以二甲基甲酰胺为溶剂，将聚偏氟乙烯溶于二甲基甲酰胺形成均匀的溶液，而后将纳米铝粉和纳米氧化硅粉末加入溶液中搅拌得到悬浊液；
S2：将悬浊液流延在平板上边加热边通入相对湿度大于90%的水蒸气；溶剂完全挥发后，继续通入边加热边通入相对湿度大于90%的水蒸气5-10分钟，而后加热使得水蒸气完全蒸发得到初膜；
S3：将初膜放入压力容器中，向容器内充入5-8MPa的压缩氮气，而后在225-250℃的恒温箱中加热30分钟同时以125-155N的拉力拉伸初膜；
S4：在5分钟内将压力容器压力降低至2-3Mpa，而后在100-125℃的恒温箱中继续加热10分钟同时以50-75N的拉力拉伸；
S5：在3分钟内将压力容器压力降低至大气压，而后在30-50℃的恒温箱中继续加热30分钟同时以25-30N的拉力拉伸；
S6：将初膜逐渐冷却至室温而后在初膜两个表面附着金属电极得到压电驻极体薄膜。
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。对聚偏氟乙烯进行改性或者混料是提高聚偏氟乙烯压电性能的重要手段。
本发明中，首先将聚偏氟乙烯溶于二甲基酰胺中，而后加入纳米铝粉和纳米氧化硅粉末使得聚偏氟乙烯薄膜的内部结构得到改性，一方面加强了聚偏氟乙烯的亲水性能有利于后续水蒸气通入时，聚偏氟乙烯对水蒸气的吸附能力，另一方面后续极化时，铝粉和二氧化硅粉末也便于聚偏氟乙烯内部的电荷转移，加强聚偏氟乙烯的压电性能。
本发明将聚偏氟乙烯与纳米铝粉和纳米二氧化硅粉末的混合物边加热边通入相对湿度高的水蒸气，使得水蒸气能吸附于聚偏氟乙烯粒子或者纳米铝或者纳米二氧化硅上，在二甲基酰胺挥发的过程中，该水蒸气依然吸附，二甲基酰胺挥发完全后，初膜大致成型，继续加热使得吸附于聚偏氟乙烯或者纳米铝或者纳米二氧化硅上的水蒸气继续挥发从而在初膜内部留下孔洞，该些孔洞使得极化时，初膜上下相对的表面积大大增加，极大提高聚偏氟乙烯薄膜的压电性能。
具有孔洞的初膜形成后，经过三次压缩、降压和拉伸的过程，第一次压缩、降压和拉伸时使得孔洞变大，占比增加；第二次压缩、降压和拉伸时使得孔径的扁圆结构增强；第三次压缩、降压和拉伸时使得初膜厚度变薄。通过三次压缩、降压和拉伸使得初膜极化后的压电性能显著提高。
进一步地，所述压电驻极体薄膜的组分及重量百分比为：纳米铝粉：16%；纳米氧化硅粉末：8%，余量为聚偏氟乙烯。
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膜内部的孔洞形状不为传统的圆形，而是椭圆形，椭圆形的长短轴比是影响后续压缩、降压和拉伸的重要依据参数也是提高初膜压电性能的重要参数。压电驻极体薄膜的压电性能是通过电容变化实现，电容的值则是由该些孔洞的长短轴比决定。
进一步地，所述步骤S6中，在初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。
采用上述极化条件极化初膜，使得孔洞内部电荷转移速度更快、极化效果更佳持久。
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。
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为本发明制备压电驻极体传声器的流程示意图；
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。
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：按重量百分比纳米铝粉：12%，纳米二氧化硅粉末：5%，余量为聚偏氟乙烯粉末配取原料。以二甲基甲酰胺为溶剂，将聚偏氟乙烯溶于二甲基甲酰胺形成均匀的溶液，而后将纳米铝粉和纳米氧化硅粉末加入溶液中搅拌得到悬浊液；
流延、形成孔径：将悬浊液流延在平板上边加热边通入相对湿度大于90%的水蒸气；溶剂完全挥发后，继续通入边加热边通入相对湿度大于90%的水蒸气5-10分钟，而后加热使得水蒸气完全蒸发得到初膜；
第一次压缩、降压和拉伸：将初膜放入压力容器中，向容器内充入5-8MPa的压缩氮气，而后在225-250℃的恒温箱中加热30分钟同时以125-155N的拉力拉伸初膜；
第二次压缩、降压和拉伸：在5分钟内将压力容器压力降低至2-3Mpa，而后在100-125℃的恒温箱中继续加热10分钟同时以50-75N的拉力拉伸；
第三次压缩、降压和拉伸：在3分钟内将压力容器压力降低至大气压，而后在30-50℃的恒温箱中继续加热30分钟同时以25-30N的拉力拉伸；
极化：将初膜逐渐冷却至室温而后在初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：按重量百分比纳米铝粉：16%，纳米二氧化硅粉末：8%，余量为聚偏氟乙烯粉末配取原料。以二甲基甲酰胺为溶剂，将聚偏氟乙烯溶于二甲基甲酰胺形成均匀的溶液，而后将纳米铝粉和纳米氧化硅粉末加入溶液中搅拌得到悬浊液；
流延、形成孔径：将悬浊液流延在平板上边加热边通入相对湿度大于90%的水蒸气；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；溶剂完全挥发后，继续通入边加热边通入相对湿度大于90%的水蒸气5-10分钟，而后加热使得水蒸气完全蒸发得到初膜；
第一次压缩、降压和拉伸：将初膜放入压力容器中，向容器内充入5-8MPa的压缩氮气，而后在225-250℃的恒温箱中加热30分钟同时以125-155N的拉力拉伸初膜；
第二次压缩、降压和拉伸：在5分钟内将压力容器压力降低至2-3Mpa，而后在100-125℃的恒温箱中继续加热10分钟同时以50-75N的拉力拉伸；
第三次压缩、降压和拉伸：在3分钟内将压力容器压力降低至大气压，而后在30-50℃的恒温箱中继续加热30分钟同时以25-30N的拉力拉伸；
极化：在初膜逐渐冷却至室温后，在初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：按重量百分比纳米铝粉：18%，纳米二氧化硅粉末：9%，余量为聚偏氟乙烯粉末配取原料。以二甲基甲酰胺为溶剂，将聚偏氟乙烯溶于二甲基甲酰胺形成均匀的溶液，而后将纳米铝粉和纳米氧化硅粉末加入溶液中搅拌得到悬浊液；
流延、形成孔径：将悬浊液流延在平板上边加热边通入相对湿度大于90%的水蒸气；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；溶剂完全挥发后，继续通入边加热边通入相对湿度大于90%的水蒸气5-10分钟，而后加热使得水蒸气完全蒸发得到初膜；
第一次压缩、降压和拉伸：将初膜放入压力容器中，向容器内充入5-8MPa的压缩氮气，而后在225-250℃的恒温箱中加热30分钟同时以125-155N的拉力拉伸初膜；
第二次压缩、降压和拉伸：在5分钟内将压力容器压力降低至2-3Mpa，而后在100-125℃的恒温箱中继续加热10分钟同时以50-75N的拉力拉伸；
第三次压缩、降压和拉伸：在3分钟内将压力容器压力降低至大气压，而后在30-50℃的恒温箱中继续加热30分钟同时以25-30N的拉力拉伸；
极化：在初膜逐渐冷却至室温后，在初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
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2500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。
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 (4)
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百分比为：纳米铝粉：12％-18％；纳米氧化硅粉末：5％-9％，余量为聚偏氟乙烯；所述压电驻极体薄膜通过如下方式制备：
S1：以二甲基甲酰胺为溶剂，将聚偏氟乙烯溶于二甲基甲酰胺形成均匀的溶液，而后将纳米铝粉和纳米氧化硅粉末加入溶液中搅拌得到悬浊液；
S2：将悬浊液流延在平板上边加热边通入相对湿度大于90％的水蒸气；溶剂完全挥发后，继续通入边加热边通入相对湿度大于90％的水蒸气5-10分钟，而后加热使得水蒸气完全蒸发得到初膜；
S3：将初膜放入压力容器中，向容器内充入5-8MPa的压缩氮气，而后在225-250℃的恒温箱中加热30分钟同时以125-155N的拉力拉伸初膜；
S4：在5分钟内将压力容器压力降低至2-3Mpa，而后在100-125℃的恒温箱中继续加热10分钟同时以50-75N的拉力拉伸；
S5：在3分钟内将压力容器压力降低至大气压，而后在30-50℃的恒温箱中继续加热30分钟同时以25-30N的拉力拉伸；
S6：将初膜逐渐冷却至室温后在初膜两个表面附着金属电极得到压电驻极体薄膜；
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。
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百分比为：纳米铝粉：16％；纳米氧化硅粉末：8％，余量为聚偏氟乙烯。
3.根据权利要求1所述的压电驻极体传声器，其特征在于，步骤S6中，在初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。
4.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。
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