CN107408623B - 压电传感器以及包括这种传感器的装置 - Google Patents
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Abstract
一种压电传感器，包括：具有中央腔(12)的主体(10)；延伸过腔(12)的膜(11)，该膜通过其边缘固定于主体(10)并且包括由聚合物制成的载体层(111)和由压电聚合物制成的感应层(113)，膜(11)能够变形或振动。感应层(113)由包含填充有无机纳米材料的聚合物的材料制成。包括这样的传感器的装置。
Description
技术领域
本发明涉及压电传感器，其用于测量轻质物体的低振幅振动。其还涉及用于测量振动，尤其是用于医疗用途的装置。
背景技术
在涉及听力及其校正的应用中，医疗领域需要各种传感器，尤其是声学传感器。这些传感器必须紧凑并且对在可听域中的频率范围敏感。
文件WO 2012/018400 A1公开了声传感器，其旨在获取环境声音并将其传送至耳中的植入物。传感器旨在被植入在皮肤下。传感器使用PVDF膜的压电性能，使得将声波转换成电信号。在耳蜗植入物的情况下，通过导体，将电信号传送到听觉神经。在一些现有的配置中，将膜连接于环形主体以延伸过主体的中央腔。此外，压电感应层可以由硅氧烷弹性体的层，例如以透镜的形状覆盖。
文件US 2011/0137109 A1展示了听觉传感器，其旨在植入在中耳中的两个听小骨之间的界面处，其中膜接触第一听小骨、传感器主体或另一膜靠在其它的听小骨上。传感器还包括连接于膜的压电敏感元件以产生电信号。
这样的传感器包括在膜和敏感元件之间的界面，该界面导致取决于频率的传输损耗。其还需要弹簧元件来保持敏感元件接触膜，这使得制造较为复杂。
本发明目标为提供用于测量振动或小位移的压电传感器，其适应于声音频率，表现出良好的敏感性且生产简单。其还涉及用于测量振动，尤其是用于医疗用途的装置。
发明内容
鉴于这些目标，本发明的主题是压电传感器，其包括具有中央腔体的主体，延伸过腔体的膜，该膜通过其边缘附接至主体，以及包括由聚合物制成的载体层和由压电合成材料制成的感应层，该膜能够变形或振动，其特征在于，感应层由包含填充有无机纳米材料的聚合物的材料制成。
在这样的传感器中，膜是检测机械运动的部件并且其将该运动转换成电信号。此外，感应层直接位于外侧以与移动或振动的来源接触。因而，省去了膜和敏感元件之间的界面。此外，纳米材料插入聚合物基质使得可以根据期望的应用来调节感应层的声阻抗。已经确定在一定限度内的纳米材料的插入不影响感应层的压电性能。纳米材料的比例可以达到例如按质量计20％。
在感应层中纳米材料的存在是重要的，因为其使得可以根据期望的应用来调节感应层的声阻抗。这使得可以优化声能从探测对象到膜的传递。弹性常数的变化可以达到大于30％，其导致功率传递系数的大于100％的有利的变化，其取决于在被探测的物体和纳米复合材料的基体之间的声阻抗的失配。
作为实例，感应层的聚合物选自包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、偏二氟乙烯以及三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)和聚酰胺-11的组。
作为实例，纳米材料由无机材料如金属、半导体或介电体制成。这些材料具有特定的声阻抗和密度，且材料的选择使得可以影响感应层的最终声阻抗。它们还可以提供固有的特定性能。
作为实例，载体层由选自包括聚酰亚胺(PI)和聚醚醚酮(PEEK)的组的材料制成。
根据某些特征，载体层的厚度是5至150μm，优选25μm。
根据另一特征，通过粘合将膜附接至主体。
具体地，通过载体层将膜附接至主体。
以补充的方式，第一导电层插入在载体层和感应层之间。第一导电层使得可以收集由感应层生成的电荷。
以补充的方式，第二导电层沉积在感应层的自由表面的至少一部分上。第二导电层使得可以收集由感应层生成的电荷。两个导电层使得可以获得电信号。
本发明的另一主题还涉及一种装置，其特征在于，其包括如上文所描述的传感器，以及传动杆，其第一端旨在施加在能够振动的块上且其第二端靠在传感器的膜上。
因而，纳米复合材料膜与传动杆的组合使得可以对小尺寸(小于1mm)的元件测量非常低幅度的振动。
这样的装置旨在测量该块的振动。其尤其旨在在外科手术的背景下对耳进行检查以证实声波正沿着听觉传播途径传输。例如，可以将传动杆施加在中耳的听小骨中的一个上，以证实其正在接收由鼓膜获取的声波。声波经由传动杆传输到传感器。通过选择感应层的声阻抗，可以将传感器调节到期望的声波频率范围。
以补充的方式，装置包括头部，其中容纳传感器，杆通过弹性装置连接于头部。因而，杆与头部分离并且可以将其波传输到传感器而没有衰减。此外，传动杆可以永久地靠在传感器的感应层上，以确保良好的结合。
根据一个设计特征，杆的第二端包括用于靠在膜上的圆顶形表面。
附图说明
在阅读下面的描述以后，本发明将被更好地理解且其他特征和优点将变得显而易见，该描述参考附图，其中：
-图1是根据本发明的一种实施方式的装置的视图；
-图2是沿图1的II-II线的截面图；
-图3是图1的装置的电路图；
-图4是来自图2的细节IV的视图；
-图5是来自图4的细节V的视图；
-图6是并入图1的装置中的传感器的视图；
-图7是示出由经受各种频率下的振动的根据本发明的传感器做出的测量的实例的图表；
-图8示出在根据本发明的传感器输出处作为时间的函数测得的电压的实例；
-图9示出在根据本发明的传感器的输出处测得的作为传输到膜的机械振动的振幅的函数的电压。
具体实施方式
根据本发明的一种实施方式的装置示于图1至5。装置包括根据本发明并具体示于图6的传感器1。
装置包括由管3延伸的把手2，头部4位于管3的端部处。头部4合并传感器1和传动杆41，其第一端411旨在施加在能够振动的物体或块上。头部4包括衬套40，其借助例如螺纹环43附接至管3。衬套40经由弹性装置42支撑杆41。衬套40由例如电绝缘合成材料制成。
装置包括电导体5，其通过把手2和管3并且其连接于电放大电路6。如在图3中示意性地所示，电路6包括弹性垫60，其与置于衬套40内的导电条44接触，该条连接至如下面详细描述的传感器1。
传感器1容纳在衬套40内，引导在孔400中。其包括环形主体10和膜11，其通过其边缘连接于主体10并延伸过主体10的中心处的腔12。膜11支撑杆41的第二端412。杆41的第二端412包括圆顶形表面，用于在相对于腔12的有限的面积上靠住膜11。优选的是，在膜11和杆41之间的接触面积是腔12的横截面的一小部分，以允许膜11可以弯曲。传感器1通过可滑动地容纳在管3中的推杆30弹性地靠在杆41上。
膜11连续地包括由合成材料制成的载体层111，置于载体层111上的第一导电层112，由置于第一导电层112上的压电合成材料制成并且包含聚合物和无机纳米材料的感应层113，以及置于感应层113的自由表面的一部分上的第二导电层114。膜11能够在腔12的上方变形或振动。
膜11在其边缘包括至少一个缺口以使得第一导电层112的一部分是自由的。将条44'中的一个插入其中，以使其与第一导电层112电接触。至少另一个条44延伸上至第二导电层114，使得与其电接触。
主体10是例如借助于在微电子学中使用的技术所获得的硅基板。例如，借助于光刻和深反应离子刻蚀(DRIE)来制成腔12。在主体10的上表面之前约50微米停止蚀刻操作，以保持前者完整，以便进行后续的制造步骤。借助于遍布在所述面上的粘合剂110的层，通过粘合至主体10的非空腔面来附接膜11。
下面描述膜11的制造。将载体层111切割成25μm厚的由聚酰亚胺(PI，
)或聚醚醚酮(PEEK，
)制成的层压聚合物膜。这些膜具有良好的形状保持性能。将主体10和层压膜暴露于氧等离子体处理，以改变它们的表面状态，使它们亲水并因而最大化它们的与粘合剂110的化学亲和力。将主体10的平面涂覆有起粘合剂作用的聚二甲基硅氧烷(PDMS,
184)，借助离心喷涂技术以沉积均匀的厚度。然后借助于电镀法，将载体层111施加于粘合剂110的表面。然后将组合件放入100℃的烘箱中2小时45分钟(包括升温时间)，用于交联聚合步骤，以确保粘合剂110的硬化以及其附着于两种材料。
在样品已回到环境温度以后，借助连续溅射，通过沉积100nm厚度的铝来产生第一导电层112。通过将氧化铝Al2O3纳米材料(Degussa AG,Frankfurt)加入在甲基乙基酮(MEK,Sigma Aldrich)的溶液中的偏二氟乙烯和三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE),Piezotech SAS)来制备敏感材料。通过超声处理来混合两种材料，其中将溶液浸在冰浴中以防止其升温。为了形成感应层113，然后借助于离心喷涂，用聚合物溶液及其纳米材料的层来覆盖组件至100nm至15μm的厚度。然后将整个组件放入直接在138℃下的烘箱中一小时，随后为使其冷却到环境温度所需要的时间。这样的退火使得可以其中通过重结晶配置感应层113以赋予其压电性能。
为了最大化该层对变形和振动的电响应的目的，然后借助于例如电晕技术使该感应层经受极化步骤，以定向压电性能。
然后通过例如蒸发10nm的铬粘附层和厚度为70nm的金来沉积上电极。然后借助于微光刻和湿蚀刻来结构化此电极以在膜11的表面上获得期望的图案。为了释放无振动区，借助于反应离子蚀刻(RIE)或湿蚀刻，在腔12的水平上蚀刻主体11的其余部分。
在使用中，使振动物体接触杆41的第一端411。振动通过杆41传输到起变形传感器1作用的膜11。膜11的变形，例如在外围边缘处的下沉和拉伸，被压电转换成电信号，其通过两个导电层112、114通过电位差的产生来收集。通过条44、44'和弹性垫60，将电信号传输到放大电路6。信号提供关于探测对象的振动的频率和振幅的信息。将放大的信号传输到外部装置7，其处理该信号并通过界面装置8来提供结果。
图7显示了示出对于7μm厚的具有5％Al2O3纳米材料的P(VDF-TrFE)层，对于由振动器的激动下膜的特定振动频率，在导电层之间测得的电压作为膜上的应力的振幅的函数的图表。
图8示出在根据本发明的传感器的输出处测得的作为时间的函数的电压的实例，该传感器由根据本发明的上文所描述的压电纳米复合材料膜制成。机械激动的振幅是20nm。
图9示出在所述传感器的输出处测得的电压的变化作为传输到膜的机械振动的振幅的函数。
对于这两个图，振动频率是1024Hz且获得的电压是在2000x放大以后以伏特来表示。
如在这两个图8和9中所示，根据本发明的传感器能够检测振幅为几纳米的机械振动。
在外科手术期间，探测物体是例如中耳的听小骨中的一个。这使得外科医生确保听小骨的链至少部分保留其功能。外科医生因而可以确定哪一部分保持功能并应保留。装置还可以用来评估植入物在其植入以后的效用。其还可以用来确定植入物上的承载力。相应地调节手术步骤以确保术后的最佳结果。
Claims (14)
1.一种压电传感器，包括具有中央腔(12)的主体(10)、延伸过所述腔(12)的膜(11)，所述膜通过其边缘附接至所述主体(10)并且包括由聚合物制成的载体层(111)和由压电聚合物材料制成的感应层(113)，所述膜(11)能够变形或振动，其特征在于，所述感应层(113)由包含填充有无机纳米材料并且不填充有机纳米材料的聚合物的材料制成。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述感应层(113)的所述聚合物选自包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、偏二氟乙烯和三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)以及聚酰胺-11的组。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述纳米材料由无机材料制成。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述纳米材料由金属、半导体或介电体制成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器，其中，所述载体层(111)由选自包括聚酰亚胺(PI)和聚醚醚酮(PEEK)的组的材料制成。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中，所述载体层(111)的厚度是5至150μm。
7.根据权利要求5所述的传感器，其中，所述载体层(111)的厚度是25μm。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器，其中，通过粘合将所述膜(11)附接至所述主体(10)。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中，通过所述载体层(111)将所述膜(11)附接至所述主体(10)。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器，其中，第一导电层(112)插入在所述载体层(111)和所述感应层(113)之间。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器，其中，第二导电层(114)置于所述感应层(113)的自由表面的一部分上。
12.一种装置，其特征在于，所述装置包括权利要求1至11中任一项所述的传感器(1)和传动杆(41)，所述传动杆(41)的第一端(411)旨在施加于能够振动的块上，并且所述传动杆(41)的第二端靠在所述传感器(1)的所述膜(11)上。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置包括头部(4)，其中容纳所述传感器(1)，通过弹性装置(42)将所述杆(41)连接于所述头部(4)。
14.根据权利要求12和13中任一项所述的装置，其中，所述杆(41)的第二端包括用于靠在所述膜(11)上的圆顶形表面。
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