CN109238438B - 一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器，包括：由柔性薄膜制成的外环结构、梁与质量块、导电纳米材料、电极及带孔刚性底板。本发明利用导电纳米材料的压阻特性，通过连接电路将导电纳米材料电阻的变化转化为电压的变化，观察电压变化频率与各梁上测得电压变化量的大小，分析得到声源频率及所在方位与距离。本发明实现了使用柔性薄膜传感器对于声音频率、距离方位的检测，且操作简单，成本低，稳定性好，可广泛用于声矢量信息检测领域。

Description

一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器

技术领域

本发明一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器，属于柔性传感器制造技术领域。

背景技术

随着柔性基质材料的发展，柔性传感器应运而生。柔性传感器具有柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点。按照用途，可分为柔性压力传感器、柔性气体传感器、柔性湿度传感器、柔性温度传感器、柔性应变传感器、柔性磁阻抗传感器和柔性热流量传感器等；按照感知机理可分为柔性电阻式传感器、柔性电容式传感器、柔性压磁式传感器和柔性电感式传感器等。

柔性传感器结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对特殊环境与特殊信号进行精确快捷测量，解决了传感器的小型化、集成化、智能化发展问题，这些新型柔性传感器在电子皮肤、生物医药、可穿戴电子产品和航空航天中有重要作用。但是利用柔性传感器对声音进行检测，这一领域鲜有人研究。如何将柔性传感器的优势应用到声学方面，是很有意义且亟待解决的课题。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器，该传感器实现了使用柔性薄膜传感器对于声音频率、距离方位的检测，该传感器操作简单，成本低，稳定性好，可广泛用于声矢量信息检测领域。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器，包括：柔性薄膜结构、导电纳米材料单元、电极及带孔刚性底板；

所述柔性薄膜结构包括外环、内部质量块和若干梁，所述外环和内部质量块通过所述梁连接；所述带孔刚性底板的孔上固定设置所述外环；所述梁上部设置有第一电极的固定端和第二电极的固定端，所述第一电极的固定端和第二电极的固定端上部覆盖导电纳米材料单元，所述第一电极的引出端从刚性底板上部引出，所述第二电极的引出端从刚性底板下部引出。

所述外环为圆环结构、方环结构或者其他形状的环状结构。

所述梁的数量为偶数个。

所述导电纳米材料单元为金、银、铜、锎、铁、铝、碳或其氧化物的各种形貌纳米材料的其中一种或几种的混合物。

所述电极为银、铜或ITO中的一种或几种。

所述柔性薄膜结构厚度为30-70μm。

所述电阻的阻值为所述导电纳米材料单元阻值的15-50倍。

一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器的制备方法，包括以下步骤：

第一步，按照聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂质量比为7-12:1的比例，配置聚二甲基硅氧烷原液，搅拌均匀，旋涂，制成厚度为30-70μm的聚二甲基硅氧烷薄膜，120-160℃下加热，固化；

第二步，将固化之后的聚二甲基硅氧烷薄膜切割，制成包括外环、内部质量块和梁的柔性薄膜结构；

第三步，制作带孔的刚性底板，使刚性底板的孔直径小于柔性薄膜结构的外环的直径，并与柔性薄膜结构的外环尺寸匹配；

第四步，将制好的柔性薄膜结构放置于带孔的刚性底板上；

第五步，将两长方形电极近距离贴在薄膜的梁上，将第一电极从刚性底板上部引出，将第二电极从刚性底板下部弯曲回引出，布好电极后，将导电纳米材料的溶液滴于两电极中间，并覆盖两电极的贴于薄膜梁上的一端；

第六步，待导电纳米材料干燥后，用数字源表测试梁上的导电纳米材料单元阻值，对每个梁上的导电纳米材料单元都串联一个大阻值电阻，所述电阻的阻值为所述导电纳米材料单元15-50倍；

第七步，将每个导电纳米材料单元、大阻值电阻与一个直流稳压电源串联，将每个导电纳米材料单元与一个示波器并联，制得基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器。

使用基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器进行声音频率及声场方位的检测方法，包括以下步骤：

将制好的基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器置于声场中，通过检测示波器上电压的变化频率分析得出声音的频率；梁距离声源越近，电压变化率越大，梁距离声源越远，电压变化率越小，依据此原理，通过若干个梁上导电纳米材料单元的电压变化率的比较，分析得出声场所在的方位与距离。

上述的基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器的应用。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明利用导电纳米材料的压阻特性，通过连接电路将导电纳米材料电阻的变化转化为电压的变化，观察电压变化频率与各梁上测得电压变化量的大小，分析得到声源频率及所在方位。

刚性底板将传感器固定，底板上孔的大小与外环内侧的尺寸一致，使梁结构与质量块结构能够充分的接收声源信号；通过给每个梁上涂覆的导电纳米材料串联阻值较大的电阻、直流稳压电源，并联示波器，可实现将导电纳米材料的电阻量转换为电压量，从而通过观察示波器上电压的变化来读取导电纳米材料电阻的变化。

本发明操作简单，成本低，稳定性好，可广泛用于声矢量信息检测领域。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明传感器结构示意图。

图2为柔性薄膜结构的示意图。

图3为带孔刚性底板的结构示意图。

图4为薄膜置于带孔刚性底板上的示意图。

图5为测试声场时的电路示意图。

图6为实施例方法制得的传感器的声音频率测试图。

图7为实施例方法制得的传感器的声音方位测试图。

图中，1为导电纳米材料单元、2为带孔刚性底板、3为外环、4为内部质量块、5为梁、6为第一电极、7为第二电极、8为电阻、9为直流稳压电源、10为示波器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例，凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

实施例

如图1-5所示，

一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器，包括：柔性薄膜结构、导电纳米材料单元1、电极及带孔刚性底板2；

所述柔性薄膜结构包括外环3、内部质量块4和若干梁5，所述外环3和内部质量块4通过所述梁5连接；所述带孔刚性底板2的孔上固定设置所述外环3；所述梁5上部设置有第一电极6的固定端和第二电极7的固定端，所述第一电极6的固定端和第二电极7的固定端上部覆盖导电纳米材料单元1，所述第一电极6的引出端从刚性底板2上部引出，所述第二电极7的引出端从刚性底板2下部引出。

如图5所示，每个所述导电纳米材料单元1通过第一电极6、第二电极7串联一个大阻值电阻8；每个所述导电纳米材料单元1、大阻值电阻8串联一个直流稳压电源9；每个导电纳米材料单元1并联一个示波器10。

所述外环为圆环结构、方环结构或者其他形状的环状结构。

所述梁的数量为偶数个。

所述导电纳米材料单元为金、银、铜、锎、铁、铝、碳或其氧化物的各种形貌纳米材料的其中一种或几种的混合物。

所述电极为银、铜或ITO中的一种或几种。

所述柔性薄膜结构厚度为30-70μm。

所述电阻的阻值为所述导电纳米材料单元阻值的15-50倍。

一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器的制备方法，包括以下步骤：

第一步，按照聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂质量比为10:1的比例，配置10ml的聚二甲基硅氧烷原液，用玻璃棒搅拌10分钟，使预聚物与固化剂分散均匀。将搅拌均匀的聚二甲基硅氧烷原液倒在半径为3mm的玻璃圆片上。将此玻璃原片放于PhotoResist SpinnerModel 5000^-1旋涂机上，旋涂速度为1000rpm,旋涂时间为60s，使培养皿底上的聚二甲基硅氧烷原液甩成厚度约50μm薄膜。将培养皿放在电热板上，在150℃下加热20分钟，使聚二甲基硅氧烷原液固化。

第二步，将固化之后的聚二甲基硅氧烷薄膜从玻璃圆片上揭下，按照图1中所示的结构对薄膜进行切割，具体尺寸为：小圆半径1.2cm，中圆半径2.2cm，大圆半径3cm，梁宽1cm。制成包括外环、内部质量块和梁的柔性薄膜结构；

第三步，制作带孔的的玻璃底板，圆孔半径为2.2cm，玻璃板边长为8cm，如图2所示。

第四步，将制好的薄膜放置于柔性薄膜结构带孔的的玻璃底板上，如图3所示。

第五步，将导电铜胶带切成长3cm，宽0.2cm的长方形电极，按图中2所示贴在薄膜的梁结构上，将第一电极从刚性底板上部引出，将第二电极从刚性底板下部弯曲回引出，布好电极，将银纳米线溶液滴于两电极中间，并覆盖两电极的贴于薄膜梁上的一端；如图4所示。

第六步，待银纳米线干燥后，用keithley2400数字源表测试四个梁上的银纳米线阻值。对每个梁上的银纳米线单元都串联一个阻值较之很大的电阻，所述电阻的阻值为所述导电纳米材料单元15-50倍。如若银纳米线的阻值为1Ω，则串联阻值为20Ω。这样检测出来的数据会更加精确。

第七步，将每个银纳米线单元、串联大阻值电阻与直流稳压电源串联，将每个银纳米线单元与示波器并联，制得基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器。直流稳压电源输出电压为0.5V，电路图如图5所示。

使用基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器进行声音频率及声场方位的检测方法，包括以下步骤：

将制好的基于纳米材料的柔性薄膜矢量声传感器置于声场中，便可通过检测示波器上电压的变化频率分析出声音的频率；梁距离声源越近，电压变化率越大，梁距离声源越远，电压变化率越小，依据此原理，通过若干个梁上银纳米线的电压变化率的比较，得出声源所在方位与距离。

将按照本实施例方法所制作的传感器，置于音响正上方进行声音频率的测试。当音响发出特定频率的声音时，传感器可分辨出声音频率，如图6所示为传感器测试结果图。分别用制作的柔性薄膜声矢量传感器测试音响发出的20Hz、40Hz、60Hz、200Hz、400Hz、600Hz，从图6结果中可以看出传感器对于频率的响应很精准。

将音响分别放在柔性薄膜声矢量传感器的不同方位：0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，测试柔性薄膜声矢量传感器四个梁结构（Up、Right、Down、Left）上导电纳米材料的电压变化率（ΔU/U），声音方位测试结构如图7所示，可以看出当音响放到柔性薄膜声矢量传感器的不同方位时，柔性薄膜声矢量传感器四个梁结构上导电纳米材料的电压变化率不同，可根据四个梁上电压变化率的大小分析出声音的大致方位。如0°，当音响放在传感器0°方位时，右侧梁距离音响最近，声音的振动对于右侧梁的影响最大，梁上电阻变化率最大即电压变化率最大，而其余三个梁距离声源远，且左侧最远，故其余三个梁电压变化率小且左侧最小。

上述的基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器的应用，还可以用于语音识别、声源定位等领域，为柔性生物电子器件提供新的应用方向。

本发明不会限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽范围。

Claims (7)

1.一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器，其特征在于，包括：柔性薄膜结构、导电纳米材料单元（1）、电极及带孔刚性底板（2）；所述电极包括第一电极（6）和第二电极（7）；

所述柔性薄膜结构包括外环（3）、内部质量块（4）和若干梁（5），所述外环（3）和内部质量块（4）通过所述梁（5）连接；所述带孔刚性底板（2）的孔上固定设置所述外环（3）；所述梁（5）上部设置有第一电极（6）的固定端和第二电极（7）的固定端，所述第一电极（6）的固定端和第二电极（7）的固定端上部覆盖导电纳米材料单元（1），所述第一电极（6）的引出端从刚性底板（2）上部引出，所述第二电极（7）的引出端从刚性底板（2）下部引出；

所述外环（3）、内部质量块（4）和梁（5）是由同一块聚二甲基硅氧烷薄膜切割而成的一体化结构；

所述柔性薄膜结构厚度为30-70μm。

2.根据权利要求1所述的一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器，其特征在于，所述外环（3）为环状结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器，其特征在于，所述梁（5）的数量为偶数个。

4.根据权利要求1所述的一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器，其特征在于，所述导电纳米材料为金、银、铜、锎、铁、铝、碳或其氧化物的各种形貌纳米材料的其中一种或几种的混合物。

5.根据权利要求1所述的一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器，其特征在于，所述电极为银、铜或ITO中的一种或几种。

6.一种基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，按照聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂质量比为7-12:1的比例，配置聚二甲基硅氧烷原液，搅拌均匀，旋涂，制成厚度为30-70μm的聚二甲基硅氧烷薄膜，120-160℃下加热，固化；

第二步，将固化之后的聚二甲基硅氧烷薄膜切割，制成包括外环、内部质量块和梁的柔性薄膜结构；

第三步，制作带孔的刚性底板，使刚性底板的孔直径小于柔性薄膜结构的外环的直径，并与柔性薄膜结构的外环尺寸匹配；

第四步，将制好的柔性薄膜结构放置于带孔的刚性底板上；

第五步，将两长方形电极近距离贴在薄膜的梁上，将第一电极从刚性底板上部引出，将第二电极从刚性底板下部弯曲回引出，布好电极后，将导电纳米材料的溶液滴于两电极中间，并覆盖两电极的贴于薄膜梁上的一端；

第六步，待导电纳米材料干燥后，用数字源表测试梁上的导电纳米材料单元阻值，对每个梁上的导电纳米材料单元都串联一个大阻值电阻，所述电阻的阻值为所述导电纳米材料单元阻值的15-50倍；

第七步，将每个导电纳米材料单元、大阻值电阻与一个直流稳压电源串联，将每个导电纳米材料单元与一个示波器并联，制得基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器。

7.使用如权利要求1-5任一所述的基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器进行声音频率及声场方位的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将制好的基于纳米材料的柔性薄膜声矢量传感器置于声场中，通过检测示波器上电压的变化频率分析得出声音的频率；通过若干个梁上导电纳米材料单元的电压变化率的比较，分析得出声场所在的方位与距离。

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