CN110987159B - 声压传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种声压传感器，涉及声电传感技术领域。主要技术方案为：声压传感器，包括：基底、感应层和弹性层；所述基底的第一端向相背的第二端设置有凹陷空间；所述感应层与所述弹性层层叠的设置，并覆盖所述基底的第一端并与所述基底连接；其中，所述感应层以中心点为起始分割点，均匀的分割成大于等于2个子感应层，相邻两个所述子感应层间具有预设距离，所述感应层能够在受到声波的压力时带动所述弹性层向所述基底的凹陷空间中形变，并将声波信号转化成电信号。所述声压传感器解决了现有技术中的声压传感器灵敏度不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及声电传感技术领域，特别是涉及一种声压传感器。
背景技术
声压传感器是能够检测声波并将声波转换成电信号输出的器件。
现有技术中，声压传感器的声音感测元件是能够在声波的压力下振动的膜片，即振动膜片在声波的压力下弯曲振动并利用压电效应原理将声波信号转换成电信号输出。其中，为了使振动膜片具有灵敏的感应性能，将振动膜片分割做成多个悬臂形式的膜片，此时则需要分割后的缝隙不能过大，因为间隙会过大则声阻减小，低频声波的频响降低，声压传感器的检测频率范围窄，导致声波的感测不够灵敏，而间隙大小不同，声压传感器的低频滚降幅度不同，也会导致声波的感测不够灵敏。所以悬臂形式的振动膜片的间隙的制作工艺要求很高，导致生产成本升高、成品率低。而一体式的振动膜片刚度大，降低了振动膜片的顺性，也会导致声波的感测不够灵敏。
所以，上述的技术问题需要进一步解决。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种声压传感器，使其能够解决现有技术中声压传感器灵敏度不足的技术问题。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种声压传感器，其包括：
基底，所述基底的第一端向相背的第二端设置有凹陷空间；
感应层和弹性层，所述感应层与所述弹性层层叠的设置，并覆盖所述基底的第一端并与所述基底连接；
其中，所述感应层以中心点为起始分割点，均匀的分割成大于等于2个子感应层，相邻两个所述子感应层间具有预设距离，所述感应层能够在受到声波的压力时带动所述弹性层向所述基底的凹陷空间中形变，并将声波信号转化成电信号。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
可选地，前述的声压传感器，其中所述基底的第一端为圆环状，所述弹性层和所述感应层均为圆形，所述感应层均匀的分割成多个扇形的所述子感应层；
或，所述基底的第一端为多边形环状，所述弹性层和所述感应层均为对应的多边形，所述感应层均匀的分割成与自身多边形边数相等的份数。
可选地，前述的声压传感器，其中所述基底的第二端设置有连通所述凹陷空间的泄声孔。
可选地，前述的声压传感器，其中相邻两个所述子感应层间的预设距离为2-270μm。
可选地，前述的声压传感器，其中所述感应层包括依次层叠设置的第一电极层、压电层和第二电极层。
可选地，前述的声压传感器，其中所述第一电极层和所述第二电极层的厚度相同均为0.1μm-1μm，所述压电层的厚度为0.5μm-10μm；
所述压电层的材质为氮化铝、聚偏氟乙烯、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷中的一种。
可选地，前述的声压传感器，其中所述弹性层覆盖在所述基底的第一端并与所述基底连接，所述第一电极层层叠的设置在所述弹性层背离所述基底一侧。
可选地，前述的声压传感器，其中所述基底为弹性基底，与所述弹性层为同种材质且一体成型。
可选地，前述的声压传感器，其中所述第一电极层背离所述压电层的一侧覆盖在所述基底的第一端并与所述基底连接，所述弹性层层叠的设置在所述第二电极层背离所述压电层的一侧。
可选地，前述的声压传感器，其中所述弹性层的厚度为1μm-50μm，材质为氮化铝、聚偏氟乙烯、氧化锌、锆钛酸铅压电陶瓷、氮化硅或聚酰亚胺中的一种。
借由上述技术方案，本发明声压传感器至少具有下列优点：
本发明实施例提供的声压传感器，其增设有弹性层，且弹性层与感应层是层叠的设置，同时感应层分割成多个多个子感应层。这样感应层的整体的刚度降低，即增大了感应层的振动顺性，增加了声波检测的灵敏性；而弹性层不分割，可以为感应层提供支撑，避免产生低频频响的降低。进而由不分割的弹性层和分割后的感应层构成的声压传感器的声波检测元件，能够全频段的提升声波检测的灵敏性。此外，由于弹性层的设置，分割后的感应层不再是处于没有支撑的悬臂状态，通透的缝隙被弹性层封盖，不会因为子感应层之间的缝隙而导致低频声波的频响降低，也不会因间隙的不均匀而导致低频滚降幅度不同的问题出现；同时弹性层可以根据需要设置成合适的厚度，使弹性层和感应层的整体刚度适中，不会降低感应层的顺性，保证声波检测的灵敏性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的实施例提供的一种声压传感器的结构示意图；
图2是本发明的实施例提供的一种声压传感器的俯视图；
图3是本发明的实施例提供的另一种声压传感器的结构示意图；
图4是本发明的实施例提供的另一种声压传感器的俯视图。
图1-图4中标号为：
1-基底，11-凹陷空间，12-泄声孔，2-感应层，20-子感应层，21-第一电极层，22-压电层，23-第二电极层，3-弹性层。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的声压传感器，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
实施例一
如图1-图4所示，本发明的实施例一提出的一种声压传感器，其包括：基底1、感应层2和弹性层3；所述基底1的第一端向相背的第二端设置有凹陷空间11；所述感应层2与所述弹性层3层叠的设置，并覆盖所述基底1的第一端并与所述基底1连接；其中，所述感应层2以中心点为起始分割点，均匀的分割成大于等于2个子感应层20，相邻两个所述子感应层20间具有预设距离，所述感应层2能够在受到声波的压力时带动所述弹性层3向所述基底1的凹陷空间11中形变，并将声波信号转化成电信号。
具体地，基底1可以是硬质的，例如基底1可以是玻璃基底，或者基底1可以是弹性的，例基底1可以是弹性材料制备，例如聚酰亚胺材料。基底1的形状可以不做据地限定，只要保证基底1的第一端向相背的第二端设置有凹陷空间11即可，以使感应层2和弹性层3的形变不受影响，所以基底1的外形可以是圆柱形、多边形柱等形状。
感应层2是用于实现声波检测并通过压电效应将声波转化成电信号的检测元件，感应层2需要具有一定的弹性以及合适的厚度，以便感应层2能够在声波的压力作用下发生形变，进而利用压电效应原理产生电信号。为了增加感应层2的检测声波的灵敏性，将感应层2分割成大于等于2个子感应层20，这样可以增加感应层2的顺性，且为了保证每个子感应层20均能够在声波压力下发生形变，且便于通过信号线连接输出电信号，所以优选的以感应层2中心点为起始分割点将感应层2平分。
且相邻的子感应层20之间的距离需要在合适的范围内，该间隙范围可以通过实验检测获得并优化。其中，为了将感应层2检测并转化的电信号导出，可以将每个子感应层20均连接一信号线，然后汇总或者单一的方式输出，当处理器接收到电信号后，就可以根据现有的软件程序对电信号进行解析，进而得到当前检测得到的声波信号的频率以及强度等信息。
弹性层3是用于增加被分割后的感应层2强度的，但是为了保证感应层2的顺性，弹性层3的厚度需要相对较薄，例如厚度在1μm-50μm。弹性层3与感应层2相对基底1的位置可以不做限定。
本发明实施例提供的声压传感器，其增设有弹性层3，且弹性层3与感应层2是层叠的设置，同时感应层2分割成多个多个子感应层20。这样感应层2的整体的刚度降低，即增大了感应层2的振动顺性，增加了声波检测的灵敏性；而弹性层3不分割，可以为感应层2提供支撑，避免产生低频频响的降低。进而由不分割的弹性层3和分割后的感应层2构成的声压传感器的声波检测元件，能够全频段的提升声波检测的灵敏性。此外，由于弹性层3的设置，分割后的感应层2不再是处于没有支撑的悬臂状态，通透的缝隙被弹性层3封盖，不会因为子感应层20之间的缝隙而导致低频声波的频响降低，也不会因间隙的不均匀而导致低频滚降幅度不同的问题出现；同时弹性层3可以根据需要设置成合适的厚度，使弹性层3和感应层2的整体刚度适中，不会降低感应层2的顺性，保证声波检测的灵敏性。
如图1和图2所示，在具体实施中，其中所述基底1的第一端为圆环状，所述弹性层3和所述感应层2均为圆形，所述感应层2均匀的分割成多个扇形；或，所述基底的第一端为多边形环状，所述弹性层和所述感应层均为对应的多边形，所述感应层均匀的分割成与自身多边形边数相等的份数。
具体地，基底1的整体形状决定着声压传感器的整体形状，所以考虑到加工成本优选的将基底1外形设置为圆柱形，此时基底1的第一端向第二端凹陷，则第一端为圆环状，其环状的边沿能够与感应层2或者弹性层3连接，此时的弹性层3和感应层2则对应为圆形，感应层2以中心为起始分割点平分后为，多个扇形，这样每个子感应层20都相当于一个悬臂的结构，可以增加感应层2的整体顺性，此时相邻两个子感应层20之间的间距优选为2-270μm，其中进一步的优选间距为50μm。
此外，基底1还可以根据使用需要或者工艺的需要设置成外形为多边形柱体，这样基底1的第一端为多边形环状，弹性层3和感应层2则对应的为多边形，而感应层2此时分割的方式还是以中心点为起点分割成多个，且优选的相邻两个子感应层20的间隙为2-270μm，其中进一步的优选间隙为50μm。
如图1和图3所示，在具体实施中，基底1不仅要对弹性层3和感应层2进行支撑，还需要能够不影响弹性层3和感应层2的整体形变，以及不影响感应层2和弹性层3作为检测元件的灵敏性。而基底1的第一端向第二端凹陷形成凹陷空间11后，覆盖在第一端的弹性层3和感应层2中的弹性层3是一个完整的膜层，即凹陷空间11被密封，所以当弹性层3和感应层2受到声波的压力向凹陷空间11中形变时，凹陷空间11中的空气也同时被压缩，对弹性层3和感应层2产生一个顶持力，导致检测结果不准。所以优选的在基底1的第二端设置有连通所述凹陷空间11的泄声孔12，其中泄声孔12的孔径要相对基底1第一端的开口小很多，只要能够供空气泄出即可，泄声孔12的孔径不能够与基底1第一端的开口等同或者，避免声波从基底1的两侧对感应层2和弹性层3施压，导致声波检测失败。
其中，泄声孔12的数量可以是一个或多个，其形状可以是圆形或者多边形。
如图1和图3所示，在具体实施中，所述感应层2包括依次层叠设置的第一电极层21、压电层22和第二电极层23。
具体地，第一电极层21和第二电极层23可以分别连接信号线，声波的压力作用在感应层2上使感应层2变形，压电层22发生形变且内部会产生极化现象，同时在压电层22的两个相对表面上出现正负相反的电荷，这正负相反的电荷分别传导至第一电极层21和第二电极层23，此时第一电极层21和第二电极层23之间产生电压的变化，综上利用压电效应原理，感应层2可以将声波信号转换成电信号，并通过第一电极层21和第二电极层23输出该电信号。
进一步地，所述第一电极层21和所述第二电极层23的厚度相同均为0.1μm-1μm，优选为0.1μm，所述压电层22的厚度为0.5μm-10μm，优选为1μm；所述压电层22的材质为氮化铝、聚偏氟乙烯、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷中的一种，所述第一电极层21和所述第二电极层23的材质相同均为钼、铝、铜、银或金等良导电金属中的一种。
如图1和图3所示，在具体实施中，弹性层3可以设置在基底1和感应层2之间，也可以是感应层2设置在弹性层3和基底1之间。
具体地，如图1和图2所示所述弹性层3可以覆盖在所述基底1的第一端并与所述基底1连接，所述第一电极层21层叠的设置在所述弹性层3背离所述基底1一侧，此时声压传感器在检测声波信号时，声波信号的压力先作用在感应层2上，然后感应层2带着弹性层3一起形变。此时的基底1和弹性层3可以是同种材质且一体成型的结构，即基底1为弹性基底1。
或者，如图3和图4所示所述第一电极层21背离所述压电层22的一侧覆盖在所述基底1的第一端并与所述基底1连接，所述弹性层3层叠的设置在所述第二电极层23背离所述压电层22的一侧。
具体地，此时声压传感器在检测声波信号时，声波信号的压力先作用在弹性层3上，然后在作用在感应层2上，使弹性层3和感应层2一起形变。
在具体实施中，弹性层3的厚度不能够过厚，过厚则刚度增加，会影响感应层2的顺性，影响检测精度。所以优选的弹性层3的厚度为1μm-50μm，特别是厚度为1μm，材质可以为氮化铝、聚偏氟乙烯、氧化锌、锆钛酸铅压电陶瓷、氮化硅或聚酰亚胺中的一种。
其中，上述实施例中第一电极层21、第二电极层23、压电层22、弹性层3等的厚度的优选值，均是在本发明实施例提供的声压传感器的结构基础上，反复试验获得，且在优选的厚度值的情况下，本发明实施例提供的声压传感器能够实现对声波的全频段灵敏度都提升，相比现有技术，可以改善声波信号的低频滚降问题，声波信号的高频检测性能不变。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种声压传感器，其特征在于，包括：
基底，所述基底的第一端向相背的第二端设置有凹陷空间；
感应层和弹性层，所述感应层与所述弹性层层叠的设置，并覆盖所述基底的第一端并与所述基底连接；
其中，所述感应层以中心点为起始分割点，均匀的分割成大于等于2个子感应层，相邻两个所述子感应层间具有预设距离，所述感应层能够在受到声波的压力时带动所述弹性层向所述基底的凹陷空间中形变，并将声波信号转化成电信号；
所述基底为弹性基底，与所述弹性层为同种材质且一体成型；
所述基底的第二端设置有连通所述凹陷空间的泄声孔；
所述感应层包括依次层叠设置的第一电极层、压电层和第二电极层。
2.根据权利要求1所述的声压传感器，其特征在于，
所述基底的第一端为圆环状，所述弹性层和所述感应层均为圆形，所述感应层均匀的分割成多个扇形的所述子感应层；
或，所述基底的第一端为多边形环状，所述弹性层和所述感应层均为对应的多边形，所述感应层均匀的分割成与自身多边形边数相等的份数。
3.根据权利要求1所述的声压传感器，其特征在于，
相邻两个所述子感应层间的预设距离为2-270μm。
4.根据权利要求1所述的声压传感器，其特征在于，
所述第一电极层和所述第二电极层的厚度相同均为0.1μm-1μm，所述压电层的厚度为0.5μm-10μm；
所述压电层的材质为氮化铝、聚偏氟乙烯、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷中的一种。
5.根据权利要求1所述的声压传感器，其特征在于，
所述弹性层覆盖在所述基底的第一端并与所述基底连接，所述第一电极层层叠的设置在所述弹性层背离所述基底一侧。
6.根据权利要求1所述的声压传感器，其特征在于，
所述第一电极层背离所述压电层的一侧覆盖在所述基底的第一端并与所述基底连接，所述弹性层层叠的设置在所述第二电极层背离所述压电层的一侧。
7.根据权利要求1所述的声压传感器，其特征在于，
所述弹性层的厚度为1μm-50μm，材质为氮化铝、聚偏氟乙烯、氧化锌、锆钛酸铅压电陶瓷、氮化硅或聚酰亚胺中的一种。
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