CN116754065A - 一种基于多孔阵列式pzt的声振动腔体传感结构 - Google Patents

一种基于多孔阵列式pzt的声振动腔体传感结构 Download PDF

Info

Publication number
CN116754065A
CN116754065A CN202310784908.5A CN202310784908A CN116754065A CN 116754065 A CN116754065 A CN 116754065A CN 202310784908 A CN202310784908 A CN 202310784908A CN 116754065 A CN116754065 A CN 116754065A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric ceramic
cavity
pzt
sensing structure
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310784908.5A
Other languages
English (en)
Inventor
李晓方
王强
臧俊斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanxi Sunshine Three Pole Polytron Technologies Inc
Original Assignee
Shanxi Sunshine Three Pole Polytron Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanxi Sunshine Three Pole Polytron Technologies Inc filed Critical Shanxi Sunshine Three Pole Polytron Technologies Inc
Priority to CN202310784908.5A priority Critical patent/CN116754065A/zh
Publication of CN116754065A publication Critical patent/CN116754065A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明涉及声波探测技术领域,具体涉及一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构,包括腔体、压电陶瓷薄膜、正电极、负电极,压电陶瓷薄膜设置在腔体的开口上,压电陶瓷薄膜与腔体的开口端固定连接。压电陶瓷薄膜上设有半通孔,半通孔的个数为多个,正电极设置在压电陶瓷薄膜的外表面,负电极设置在压电陶瓷薄膜的内表面,压电陶瓷薄膜的材料为锆钛酸铅。本发明具有更高的灵敏度,且低频响应性能更好,在声波探测技术领域具有良好的应用前景。

Description

一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构
技术领域
本发明涉及声波探测技术领域,具体涉及一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构。
背景技术
煤矿生产行业是一项复杂环境下危险性较高的行业,煤矿生产的安全性至关重要。除瓦斯引起的事故外,矿震是另一个事故来源。另一方面,探测微弱的振动是研究煤矿灾害的重要手段,通过分析振动信号,可以有效预测矿灾。
声振动传感器能够实现从声波信号至电信号的转化,实现声振动传感。通常,声振动传感器是由一个感受元件和一个转换器件组成。当前的声振动传感器主要有麦克风传感器、压阻传感器、压电传感器。其中,电容麦克风传感器易于使用,价格相对较低,广泛应用于医疗领域,但其易受到外界环境噪声的影响,导致传感器信噪比降低,不易应用于煤矿行业的声振动传感。压阻传感器当前应用也较为广泛,尤其是MEMS压阻传感器,但其制作成本高,不适合大批量制备,且该传感器稳定性较差,易于损坏,也不易应用于煤矿行业的声振动传感。压电传感器灵敏度较高,体积小,常被用于可穿戴检测方面,如监测人体脉搏、心音等微弱生理信号;另外,压电传感器具有易探测微弱声振动的优点,因此在煤矿行业也具有良好的应用前景。但是,现有压电传感器的灵敏度仍然较低,不能满足煤矿行业中对微弱振动的监测。
发明内容
为解决以上问题,本发明提供了一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构,包括腔体、压电陶瓷薄膜、正电极、负电极,压电陶瓷薄膜设置在腔体的开口上,压电陶瓷薄膜与腔体的开口端固定连接。压电陶瓷薄膜上设有半通孔,半通孔的个数为多个,正电极设置在压电陶瓷薄膜的外表面,负电极设置在压电陶瓷薄膜的内表面,压电陶瓷薄膜的材料为锆钛酸铅。
本发明以传统的铁电材料锆钛酸铅(PZT)材料为基础,提出多孔阵列式PZT传感器,同时与声波共振腔体结合,提高压电传感器的灵敏度与低频响应性能;该结构具有灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等特点,可用于声波传感器、生物传感器等领域。
更进一步地,腔体为圆柱形,压电陶瓷薄膜为圆盘形,半通孔的个数为21个,半通孔方形间距分布在压电陶瓷薄膜上,半通孔分为5列,每列中的半通孔的个数为3、5、5、5、3,第三列中心的半通孔位于压电陶瓷薄膜的中心。
更进一步地,腔体的内径为1.2厘米,半通孔的半径为0.2厘米,半通孔的厚度为0.19厘米,半通孔之间的距离为0.45厘米,压电陶瓷薄膜的厚度为0.23厘米,腔体的深度为0.7厘米。
更进一步地,腔体的材料为铜。
更进一步地,还包括弹性体保护膜,弹性体保护膜置于压电陶瓷薄膜上。
更进一步地,弹性体保护膜通过AB胶粘附在压电陶瓷薄膜的表面。
更进一步地,弹性体保护膜的材料为聚氨酯材料。
更进一步地,压电陶瓷薄膜与腔体的侧壁采用粘合或者热压的方式连接。
更进一步地,正电极和负电极的材料为金属薄膜或导电聚合物。
更进一步地,声振动腔体传感结构用于生物传感,应用时,待测生物分子置于弹性体保护膜上。
本发明的有益效果:
(1)传统的压电传感器采用的敏感元件是压电陶瓷材料,本发明提出的新型多孔阵列式PZT声振动腔体传感结构;相较于传统PZT薄膜结构,本发明具有更高的灵敏度,且低频响应性能更好。
(2)本发明设计了腔体结构,通过设计声波共振腔体进一步提升传感器灵敏度。
综合以上效果,本发明在声波探测技术领域具有良好的应用前景。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构的示意图。
图2是一种压电陶瓷薄膜的示意图。
图3是不同结构参数时的压电陶瓷薄膜上的应力大小。
图4是本发明的多孔阵列式PZT声振动腔体传感结构与普通PZT声振动传感结构的应力分布对比图:(a)本发明的结构、(b)普通PZT结构。
图5是本发明的多孔阵列式PZT声振动腔体传感结构与普通PZT声振动传感结构的位移对比。
图6是本发明的多孔阵列式PZT声振动腔体传感结构与普通PZT声振动传感结构的固有频率对比图:(a)本发明的结构、(b)普通PZT结构。
图7是本发明的多孔阵列式PZT声振动腔体传感结构与普通PZT声振动传感结构的频域响应特性对比。
图8是本发明的多孔阵列式PZT声振动腔体传感结构与普通PZT声振动传感结构的电势分布对比。
图9是本发明的多孔阵列式PZT声振动腔体传感结构与普通PZT声振动传感结构的表面电压输出对比。
图中:1、腔体;2、压电陶瓷薄膜;21、半通孔。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下参照附图并举实施例,对本申请作进一步详细说明。
本发明提供了一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构。如图1所示,该声振动腔体传感结构包括腔体、压电陶瓷薄膜、正电极、负电极(图中未示出正电极和负电极)。腔体的材料为铜,腔体为圆柱形,包括底部和侧部。压电陶瓷薄膜的材料为锆钛酸铅(PZT),压电陶瓷薄膜为圆盘形。压电陶瓷薄膜设置在腔体的开口上,压电陶瓷薄膜与腔体的开口端固定连接。压电陶瓷薄膜上设有半通孔,半通孔的个数为多个,压电陶瓷远离腔体一侧开孔形成半通孔。具体地,如图2所示,半通孔的个数为21个,半通孔方形间距分布在压电陶瓷薄膜上,半通孔分为5列,每列中的所述半通孔的个数为3、5、5、5、3,第三列中心的半通孔位于压电陶瓷薄膜的中心。正电极设置在压电陶瓷薄膜的外表面,负电极设置在压电陶瓷薄膜的内表面,PZT薄膜在制备过程中需要通过极化来获得其压电性能,通过将正电极设置在外表面,负电极设置在内表面,可以确保在应用电场时,电场方向与薄膜极化方向一致,从而最大程度地发挥PZT材料的压电效应。此外,将正电极设置在外表面可以更方便地进行信号接触和连接,以接入外部电路或设备,从而简化电路设计,提高信号传输的可靠性;负电极设置在内表面可以帮助均匀分布电场,避免电场在材料内部的不均匀分布或漏电。正电极和所述负电极的材料为金属薄膜或导电聚合物。
一方面,本发明在传统压电陶瓷薄膜上引入半通孔,增大传感器的有效传感区域与声波传递的路径,使传感器能够接收到更多的声振动能量,声波能更有效地传递到PZT材料内部,提高传感器的灵敏度,压电陶瓷薄膜能够感知到更弱的声振动;另一方面,本发明在压电陶瓷薄膜的下方设置腔体结构,形成声波反射或共振腔效果。这两方面的效果均导致本发明提出的基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构具有更高的声探测灵敏度。另外;本发明还具有其他有益效果:(1)由于多孔结构增加了传感器的有效表面积,增强了声波对PZT压电材料的作用力,压电效应由此增强,从而得到更高的输出信号。其次通过设计半通孔的尺寸、形状以及分布,调节结构刚度,降低传感器的固有频率,实现更好的低频响应性能,本发明具有良好的低频响应性能;(2)由于多孔阵列式结构有较低的质量,在外部声振动作用下,结构本身惯性较小,适应振动的响应速度较快;其次,声信号作用在PZT上时,通过半通孔,振动可以更快、更有效的传到PZT内部,提高了传感结构的响应速度,本发明具有响应速度快的优点;(3)由于多孔阵列的设计,可以实现特定频率范围的声波滤波效应,从而减小对干扰信号的响应,本发明具有抗干扰能力强的优点。
为验证本发明的技术方案的效果,申请人应用COMSOL有限元仿真软件仿真了所提出结构的声传感特性。在仿真中,半通孔的布置如图2所示。在计算中,压电陶瓷薄膜的杨氏模量为63×109Pa,半通孔之间的距离固定为0.45厘米,腔体的深度固定为0.7厘米,腔室底面的厚度为0.3厘米,腔室侧面的厚度为0.05厘米。申请人计算了不同半通孔半径(r1)、不同半通孔高度(h1)、不同腔体半径(r2)时,所提出结构的应力大小,如图3所示。传感结构的最大应力随r1、h1和r2参数的增大而增大。从图3中可以得出所提出结构的最优解,在传感结构应力最大化条件下,考虑结构部分与整体间的合理性,最终确定参数如下:半通孔的半径为0.2厘米、半通孔的厚度为2.3厘米、腔体的内径为1.2厘米。
图4给出了本发明的多孔阵列式PZT声传感结构与普通PZT声传感结构的应力分布对比。普通PZT声传感结构是指压电陶瓷薄膜上无半通孔情况。从图4中可以看出,在相同压力作用下,多孔阵列式传感结构的最大应力值大于普通PZT传感结构,具体的,在1N/m2作用下,多孔阵列式传感结构最大应力为234N/m2,普通PZT传感结构最大应力为22.9N/m2,本发明的多孔阵列式PZT声传感结构的应力最大值为普通PZT结构的10倍。
图5给出了本发明的多孔阵列式PZT声传感结构与普通PZT声传感结构的位移对比。普通PZT声传感结构是指压电陶瓷薄膜上无通孔情形。从图5可以看出,两种结构的最大位移均出现在弧长1.3cm处,多孔阵列式结构的最大位移为4.59×10-9,普通PZT传感结构的最大位移为5.79×10-10,本发明的多孔阵列式PZT声传感结构的压电陶瓷薄膜位移最大值比普通PZT结构高一个数量级。
图6给出了本发明的多孔阵列式PZT声传感结构与普通PZT声传感结构的固有频率振型图。从图中可以看出多孔阵列式PZT传感结构的一阶固有频率为14961Hz,普通PZT传感结构的一阶固有频率为19825Hz,本发明的多孔阵列式PZT声传感结构的固有频率低于普通PZT结构,这有利于更好地感知和响应低频声振动信号。
图7给出了本发明的多孔阵列式PZT声传感结构与普通PZT声传感结构的频域响应特性对比。从图中可以看出多孔阵列式PZT传感结构的谐振频率点在15000Hz处,此时传感器的位移为4.574×10-7cm,普通PZT传感结构的谐振点在20000Hz处,此时传感器的位移为2.651×10-9cm,两种结构的谐振点均与图6所示的固有频率点基本一致,在此频率下,传感器发生共振,本发明的多孔阵列式PZT声传感结构与普通PZT结构相比,低频响应更好,这有利于微弱低频信号的检测。
图8给出了本发明的多孔阵列式PZT声传感结构与普通PZT声传感结构的电势分布对比。从图中可以看出,多孔阵列式PZT传感结构的电势差为5.028×10-4V,普通PZT传感结构的电势差为2.536×10-4V,且两种传感结构均在PZT薄膜中心位置处产生最大的电势,本发明的多孔式PZT声传感结构与普通PZT结构相比,本发明的结构在上下表面能够产生更大的电势差,这有利于提高电信号幅度,增加传感器的灵敏度,较大的电势差使传感器可以更好地捕捉和测量微弱的声振动信号。
图9给出了本发明的多孔阵列式PZT声传感结构与普通PZT声传感结构的电压对比。从图中可以看出两种传感结构在PZT薄膜中心处产生最大的输出电压,多孔阵列式PZT传感结构的最大电压值为3.213×10-4V,普通PZT传感结构的最大电压值为1.512×10-4V,本发明的多孔阵列式PZT结构的表面电压输出大于普通PZT结构,这有利于增强传感结构整体的输出信号强度。
通过以上结构可以看出,本发明的多孔阵列式PZT声传感结构在提高灵敏度的同时,也提高了输出电压。
更进一步地,本发明的基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构还包括弹性体保护膜,弹性体保护膜置于压电陶瓷薄膜上,弹性体保护膜的材料为聚氨酯材料。聚氨酯材料除保护PZT薄膜外,而且当有振动产生时,聚氨酯弹性体首先接收振动,通过声波的作用,使得PZT薄膜产生正压电效应,将机械能转化为电能,从而产生电信号;在这个转化过程中,机械能信号直接转化为电信号,同时由于PZT材料具有快速响应性,当振动信号作用时,多孔阵列式PZT传感结构能够实时响应,这有利于传感器的实时监测与控制。
具体地,弹性体保护膜通过AB胶粘附在压电陶瓷薄膜的表面。压电陶瓷薄膜与腔体的侧壁采用粘合或者热压的方式连接,优选地,压电陶瓷薄膜与腔体的侧壁采用环氧树脂胶黏剂粘合方式连接,这有利于操作,方便快捷。在制备时,多孔阵列式PZT薄膜采用刻蚀法制备,然后在转移至腔体上。其中的多孔结构有助于提高薄膜的灵敏度和响应速度。
更进一步地,负电极为环形,大小与振动腔侧壁厚度相等,即环形半径为0.05cm;正电极为圆形,大小与PZT薄膜相等,即半径为1.3cm,这有利于正电极与聚氨酯弹性体、负电极与振动腔体相连接。
更进一步地,负电极设置在压电陶瓷薄膜与腔体侧面之间,即压电陶瓷薄膜与负电极相连,负电极又与腔体侧面相连。这样减小了压电陶瓷薄膜的质量,提高了传感结构的响应速度;另一方面,也增强了结构的稳定性。
更进一步地,压电陶瓷薄膜的厚度为非均匀的:压电陶瓷薄膜中心的厚度厚、压电陶瓷薄膜边缘的厚度薄。这有利于增强PZT压电陶瓷薄膜的压电效应,提高传感结构的灵敏度和信号输出。
另外,本发明还公布了所提出的基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构的应用,即本发明的声振动腔体传感结构用于生物传感,应用时,待测生物分子置于所述弹性体保护膜上。
总之,本发明提供了一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构,包括腔体、压电陶瓷薄膜、正电极、负电极,压电陶瓷薄膜设置在腔体的开口上,压电陶瓷薄膜与腔体的开口端固定连接。压电陶瓷薄膜上设有半通孔,半通孔的个数为多个,正电极设置在压电陶瓷薄膜的外表面,负电极设置在压电陶瓷薄膜的内表面,压电陶瓷薄膜的材料为锆钛酸铅;通过在压电陶瓷薄膜上引入半通孔和设置腔体,不仅提高了声振动探测的灵敏度,而且具有较好的低频响应特性,在声波探测技术领域具有良好的应用前景。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构,包括腔体、压电陶瓷薄膜、正电极、负电极,所述压电陶瓷薄膜设置在所述腔体的开口上,所述压电陶瓷薄膜与所述腔体的开口端固定连接,其特征在于:所述压电陶瓷薄膜上设有半通孔,所述半通孔的个数为多个,所述正电极设置在所述压电陶瓷薄膜的外表面,所述负电极设置在所述压电陶瓷薄膜的内表面,所述压电陶瓷薄膜的材料为锆钛酸铅。
2.如权利要求1所述的基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构,其特征在于:所述腔体为圆柱形,所述压电陶瓷薄膜为圆盘形,所述半通孔的个数为21个,所述半通孔方形间距分布在所述压电陶瓷薄膜上,所述半通孔分为5列,每列中的所述半通孔的个数为3、5、5、5、3,第三列中心的所述半通孔位于所述压电陶瓷薄膜的中心。
3.如权利要求2所述的基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构,其特征在于:所述腔体的内径为1.2厘米,所述半通孔的半径为0.2厘米,所述半通孔的厚度为0.19厘米,所述半通孔之间的距离为0.45厘米,所述压电陶瓷薄膜的厚度为0.23厘米,所述腔体的深度为0.7厘米。
4.如权利要求3所述的基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构,其特征在于:所述腔体的材料为铜。
5.如权利要求1所述的基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构,其特征在于:还包括弹性体保护膜,所述弹性体保护膜置于所述压电陶瓷薄膜上。
6.如权利要求5所述的基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构,其特征在于:所述弹性体保护膜通过AB胶粘附在所述压电陶瓷薄膜的表面。
7.如权利要求6所述的基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构,其特征在于:所述弹性体保护膜的材料为聚氨酯材料。
8.如权利要求1所述的基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构,其特征在于:所述压电陶瓷薄膜与所述腔体的侧壁采用粘合或者热压的方式连接。
9.如权利要求1所述的基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构,其特征在于:所述正电极和所述负电极的材料为金属薄膜或导电聚合物。
10.如权利要求7所述的基于多孔阵列式PZT的声振动腔体传感结构,其特征在于:所述声振动腔体传感结构用于生物传感,应用时,待测生物分子置于所述弹性体保护膜上。
CN202310784908.5A 2023-06-29 2023-06-29 一种基于多孔阵列式pzt的声振动腔体传感结构 Pending CN116754065A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310784908.5A CN116754065A (zh) 2023-06-29 2023-06-29 一种基于多孔阵列式pzt的声振动腔体传感结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310784908.5A CN116754065A (zh) 2023-06-29 2023-06-29 一种基于多孔阵列式pzt的声振动腔体传感结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116754065A true CN116754065A (zh) 2023-09-15

Family

ID=87947711

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310784908.5A Pending CN116754065A (zh) 2023-06-29 2023-06-29 一种基于多孔阵列式pzt的声振动腔体传感结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116754065A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117288825A (zh) * 2023-11-22 2023-12-26 山西阳光三极科技股份有限公司 煤矿设备安全管控方法及系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117288825A (zh) * 2023-11-22 2023-12-26 山西阳光三极科技股份有限公司 煤矿设备安全管控方法及系统
CN117288825B (zh) * 2023-11-22 2024-02-06 山西阳光三极科技股份有限公司 煤矿设备安全管控方法及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7460439B2 (en) Ultrasonic transducer for ranging measurement with high directionality using parametric transmitting array in air and a method for manufacturing same
EP3530358B1 (en) Improved micromachined ultrasonic transducer (mut), method for manufacturing the mut, and method for designing the mut
CN112893067B (zh) 多胞元换能器
CN116754065A (zh) 一种基于多孔阵列式pzt的声振动腔体传感结构
JPS62154900A (ja) 超音波センサ
AU2020103892A4 (en) Sensing element used to fabricate high-frequency, wideband and high-sensitivity underwater acoustic transducer and fabrication method thereof
CN110926590B (zh) 一种压电式mems水听器
CN110560352B (zh) 基于Helmholtz共振腔的可调频超声传感器阵列
US4906886A (en) Ultrasound sensor
WO2018156345A1 (en) Ultrasonic devices including acoustically matched regions therein
CN103262575B (zh) 振荡器设备和电子仪器
CN109746177B (zh) 压电超声换能器及其工作方法
CN112378510A (zh) 一种高灵敏度弯张水听器及其制作方法
CN115855232B (zh) 一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器
US7398690B1 (en) Acoustic pressure sensor
CN209735992U (zh) 压电超声换能器
KR101116165B1 (ko) 병렬 랑지방 배열 압전소자 이용 초음파 변환기, 그 초음파 변환기의 제조방법, 그 초음파 변환기를 이용한 초음파 변환방법
US5056069A (en) Ultrasonic sensor
CN110849464A (zh) 一种基于轮毂形振膜的光纤法珀声音传感器
JP2947991B2 (ja) 超音波センサ
CN112076973B (zh) 一种约束释放型差分式压电超声换能器芯片及其工作方法
RU216445U1 (ru) Чувствительный элемент приемников градиента акустического давления
Allin et al. Design and construction of a low frequency wide band non-resonant transducer
Fiorillo Layered PVDF transducers for in-air US applications
Denghua et al. Cymbal transducer array for hydrophone applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination