CN220359357U - 一种无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置 - Google Patents
一种无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置，属于能量转换器件领域，本实用新型的驻极体声电换能装置包括依次层叠设置的第一驻极体层、绝缘介电层和第二驻极体层，所述第一驻极体层和第二驻极体层均包括驻极体子层和沉积在所述驻极体子层上的金属导电子层，所述驻极体子层具有多个沿其延伸方向规则排布的弹性结构。该柔性静电式驻极体声电换能装置以驻极体薄膜和绝缘介电层为基础，抛弃了传统的弹性体层，并在驻极体层引入弹性结构，降低了驻极体层的杨氏模量并作为了器件的自支撑结构，且对称的结构能为驻极体层提供更大的形变量，实现了更高的传感性能、优异的灵敏度、电学输出性能以及对声音信号的响应能力。
Description
技术领域
本发明涉及能量转换器件领域，尤其涉及一种无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置。
背景技术
近年来，随着人们对健康的重视，心脏疾病和限制呼吸系统疾病得到了越来越多的关注。持续监测心音和呼吸音是筛查和诊断心脏和肺部疾病的重要方式。但心音呼吸音的微弱且极易受到外界噪音的干扰，因此，对心音呼吸音的监测对声电换能装置(如压力传感器)的灵敏度、响应速度和信号输出性能提出了较高的要求。
目前柔性声电换能装置分为供能和自供能两种。供能声电换能装置包括压阻式和电容式，但由于需要供电，增加了其在可穿戴监测场景中对电量的消耗，限制了其应用潜力。自供能声电换能装置包括压电式驻极体传感器和静电式驻极体传感器。压电式驻极体传感器在内部形成多个相互独立的空气隙作为偶极子，利用空气间隙变化，导致偶极矩变化，引起感应电荷密度变化，产生电流输出。但是，压电式驻极体传感器仍有很多缺陷。一方面由于需要具有部分硬质结构用于维持气隙高度导致柔性不足，不能很好贴合人体影响检测效果，另一方面偶极矩变化较小，导致其输出信号较弱，收集到的心音和呼吸音质量较差，用于机器学习诊断时准确率较低甚至无法用于诊断。
静电式驻极体传感器结构类似电容结构，上下电极距离发生变化即可产生输出信号，输出信号较压电式驻极体传感器更高，有较好的应用前景。目前静电式压电驻极体传感器一般为4层结构，即电极层、驻极体层、弹性体层(EVA等)、对电极层，结构层数较多且复杂导致其在低压强条件下压力响应和灵敏度较低，监测频率带宽等方面的性能有着较大的限制，只能监测到呼吸和心跳，对于心音和呼吸音这类低压强声音的监测效果较差。
实用新型内容
本申请实施例通过提供一种无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置，可大幅提高传感器灵敏度和信号输出，以实现可长期、实时监测心音与呼吸音的穿戴式传感器。
本申请实施例提供了一种无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置，所述驻极体声电换能装置包括依次层叠设置的第一驻极体层、绝缘介电层和第二驻极体层，所述第一驻极体层和第二驻极体层均包括驻极体子层和沉积在所述驻极体子层上的金属导电子层，所述金属导电子层位于所述驻极体子层远离所述绝缘介电层一面，所述第一驻极体层的所述金属导电子层带有正电荷，所述第二驻极体层的所述金属导电子层带负电荷；所述驻极体子层具有多个沿其延伸方向规则排布的弹性结构，所述弹性结构为一端开口的中空腔体，所述开口的开口方向背离所述绝缘介电层，所述第一驻极体层上的所述弹性结构和所述第二驻极体层的所述弹性结构关于所述绝缘介电层对称。
进一步地，所述中空腔体为半球体、台体或圆柱体。
进一步地，所述中空腔体的开口尺寸为500～600微米。
进一步地，所述弹性结构的间距为1～3毫米。
进一步地，所述第一驻极体层的厚度为10～15微米，所述第二驻极体层的厚度为10～15微米。
进一步地，所述驻极体声电换能装置还包括封装层，所述封装层覆盖叠层结构的外表面，所述叠层结构包括依次层叠设置的第一驻极体层、绝缘介电层和第二驻极体层，所述封装层为聚酰亚胺层或聚二甲基硅氧烷层。
进一步地，所述介电层选自聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、氟化乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物中的一种，或者为涂布有驻极体材料氮化硅、二氧化硅、全氟环状聚合物或派瑞林的聚合物中的一种。
进一步地，所述驻极体子层选自聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、氟化乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物中的一种或为涂布有驻极体材料氮化硅、二氧化硅、全氟环状聚合物或派瑞林的聚合物中的一种。
进一步地，所述金属导电子层为金层、铜层、铝层或氧化铟锡层。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本实用新型公开的柔性静电式驻极体声电换能装置以驻极体层和绝缘介电层为基础，抛弃了传统的弹性体层，并在驻极体层引入弹性结构，降低了驻极体层的杨氏模量并作为了器件的自支撑结构，且对称的结构能为驻极体层提供更大的形变量，实现了更高的传感性能、优异的灵敏度、电学输出性能以及对声音信号的响应能力。该柔性薄膜可贴于前胸用于长时间、连续监测心音、呼吸音、心率、呼吸频率等人体声明体征信号。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型提供的无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置的剖面示意图；
图2是本实用新型提供的无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置的结构示意图；
图3是监测患者心音和呼吸音示意图；
图4是使用无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置采集到的心音和呼吸音信号图；
图5是柔性对称空心半球阵列结构与无空心半球结构和单层空心半球阵列结构器件的输出性能对比；
图6是柔性对称空心半球阵列结构与无空心半球结构和单层空心半球阵列结构器件的灵敏度对比；
图7是本申请中相对位移量与空心半球的直径、驻极体薄膜的厚度、杨氏模量和空心弹性阵列的密度的关系；
图8是本申请中的驻极体子层的弹性结构的制作示意图；
图9是本申请中无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置与其他柔性压力传感器灵敏度对比；
图10是本申请中无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置与商业驻极体麦克风声强响应曲线对比。
附图标记：
第一驻极体层100、绝缘介电层200、第二驻极体层300、封装层400、金属导电子层11、驻极体子层12、中空腔体20、开口21、人体1、静电式驻极体声电换能装置2
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
图1是本实用新型提供的无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置的剖面示意图，图2是本实用新型提供的无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置的结构示意图。如图1和图2所示，所述驻极体声电换能装置包括依次层叠设置的第一驻极体层100、绝缘介电层200和第二驻极体层300，所述第一驻极体层100和第二驻极体层300均包括驻极体子层12和沉积在所述驻极体子层12上的金属导电子层11，所述金属导电子层11位于所述驻极体子层12远离所述绝缘介电层200一面，所述第一驻极体层100的所述金属导电子层11带有正电荷，所述第二驻极体层300的所述金属导电子层11带负电荷；所述驻极体子层12具有多个沿其延伸方向规则排布的弹性结构，所述弹性结构为一端开口21的中空腔体20，所述开口21的开口方向背离所述绝缘介电层200，所述第一驻极体层100上的所述弹性结构和所述第二驻极体层300的所述弹性结构关于所述绝缘介电层200对称。
该柔性静电式驻极体声电换能装置以驻极体层和绝缘介电层为基础，抛弃了传统的弹性体层，并在驻极体层引入弹性结构，降低了驻极体层的杨氏模量并作为了器件的自支撑结构，且对称的结构能为驻极体层提供更大的形变量，实现了更高的传感性能、优异的灵敏度、电学输出性能以及对声音信号的响应能力。该柔性薄膜可贴于前胸用于长时间、连续监测心音、呼吸音、心率、呼吸频率等人体声明体征信号。
心音和呼吸音是由呼吸和心跳引起的微弱振动传到体表形成的，采集心音和呼吸音信号时会遇到信号强度低和易受干扰的问题，因此对用于心音和呼吸音的声电转换装置提出来严苛的考验。为了验证空心弹性阵列和对称静电式声电转换装置用于收集心音、呼吸音等低压强声音的人体生命体征信号的可行性，如图3所示我们将本实用新型声电转换装置贴于前胸，将采集到的电信号输出通过高通滤波器、SR570电流放大器和LabVIEW滤波、采集、显示和记录，采样频率为4000Hz。其中，高通滤波器是为了滤除心跳和呼吸所引起的胸腔表面0.25～2.00Hz范围内的振动，以得到清晰的呼吸音与心音信号。如图4所示，展示了本实用新型采集到的21.0s的心音和呼吸音波形图，其中，前11.0s是正常呼吸状态下的波形，11.0s后停止呼吸，得到不含呼吸音的心音波形图。从波形中可以计算出呼吸的频率为18.5次/分钟，心跳的频率为66.0次/分钟。当正常呼吸时，呼吸音与心音在波形上叠加在一起，通常心音的响度远大于呼吸音，由于传感器的位置更加靠近呼吸道，因此，采集到的呼吸音的波形振幅峰峰值与心音近似。由图4中后半段的波形图可看出心脏收缩和舒张时产生的心音S1与心音S2的波形，其中心音S1的持续时间为0.154s，心音S2的持续时间为0.102s。
进一步地，所述中空腔体20的开口尺寸为500～600微米。
进一步地，所述弹性结构的间距为1～3毫米。
进一步地，所述第一驻极体层100的厚度为10～15微米，所述第二驻极体层300的厚度为10～15微米。
进一步地，所述驻极体声电换能装置还包括封装层400，所述封装层覆盖叠层结构的外表面，所述叠层结构包括依次层叠设置的第一驻极体层100、绝缘介电层200和第二驻极体层300，所述封装层为聚酰亚胺层或聚二甲基硅氧烷层。
进一步地，所述绝缘介电层200选自聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、氟化乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物中的一种，或者为涂布有驻极体材料氮化硅、二氧化硅、全氟环状聚合物或派瑞林的聚合物中的一种。
进一步地，所述驻极体子层12选自聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、氟化乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物中的一种或为涂布有驻极体材料氮化硅、二氧化硅、全氟环状聚合物或派瑞林的聚合物中的一种。
进一步地，金属导电子层11为金层、铜层、铝层或氧化铟锡层。
进一步地，所述中空腔体20为半球体、台体或圆柱体。
人体进行呼吸时，相比大气压的压强，胸腔压力为负压。当平静呼气时，呼气末人体胸腔的压强约为-0.399kPa；当平静吸气时，吸气末胸腔的压强最大可达到-1.33kPa，呼吸期间压强变化约等于1.0kPa。因此，下面采用1.0kPa的压强作为压强参数，以半球体为例介绍本申请的无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置。
为了进一步揭示无弹性体层的半球阵列和对称静电式驻极体层对传感器的输出性能提升效果，本实用新型测试了无静电式、单层静电式和对称静电式的驻极体器件的力电响应曲线，及1kPa条件下低压强条件的灵敏度对比曲线。如图5和图6所示，相比于无空心半球结构、单层空心半球结构的器件，具有对称静电式器件的力电转换性能和低压强条件下的灵敏度均有显著提升。
为了进一步优化该柔性静电式驻极体声电换能装置的参数，我们研究了该结构影响性能的三个主要参数：空心半球直径、驻极体薄膜厚度和空心半球圆心距。其中，空心半球直径决定了支撑层的高度；空心半球圆心距决定了单位面积下空心半球结构的分布密度；驻极体薄膜作为支撑结构，其厚度和杨氏模量也同样影响着该结构在同等压力下的形变量。为了探究空心弹性阵列的最佳参数，采用控制变量法通过模拟分析软件COMSOLMultiphysics探究半球的直径、空心半球密度与驻极体薄膜的杨氏模量、厚度对无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置灵敏度性能的影响。
由驻极体压力传感器的灵敏度SS计算公式：
可知单位压力变化下驻极体薄膜的位移形变量Δda与初始高度da0的比值越高，该传感器的输出电压变化率越高，灵敏度也会更高，由此计算该结构相对位移量与空心半球的直径、驻极体薄膜的厚度、杨氏模量和空心弹性阵列的密度的关系如图7所示。
如图7a所示，同等压力下，随着空心半球直径的增加，其形变的相对位移量越来越小，在直径高于600.0μm时，空心半球相对位移量加速下降，因此灵敏度与空心半球直径呈负相关关系，可选地，中空腔体的开口尺寸为500～600微米。
如图7b、7c所示，同等压力下，随着驻极体薄膜厚度与其杨氏模量的不断增加，均呈现下降趋势，这是由于当驻极体薄膜越厚和其杨氏模量越高时，驻极体薄膜越难以发生形变Δda越小，因此，随着驻极体薄膜厚度与杨氏模量的增加，器件的灵敏度均呈下降趋势。
如图7d所示，在同等面积和同等压力下，随着空心弹性阵列中球心距的减小，空心弹性阵列密度随之增加，每个空心半球分担到的压力将会减弱，导致该结构形变量的减小和器件灵敏度的下降。因此，在制备无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置时，应选择具有较小杨氏模量的轻薄驻极体材料。
在参数选择上，应尽可能的采用较小的半球直径和较大的球心距。同时考虑到器件的输出性能和帕森击穿曲线的影响，半球直径也不能过小，过小将导致正负电极电荷击穿和器件输出性能降低。综合考量性能、稳定性、可加工性之后，氟化乙丙烯共聚物作为驻极体层厚度优选为12.5微米，空心半球体半径优选为600微米，空心半球求心距离优选为1.5毫米。
下面介绍该无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置的制作方法。
首先选用12.5微米厚的氟化乙丙烯共聚物薄膜清洗烘干后，平铺于排布半球凹槽阵列的不锈钢模具之上。如图8所示，再依次将乙醇和可发性聚乙烯膜覆盖在氟化乙丙烯共聚物薄膜上，并一起置于热压机中于60摄氏度和5兆帕的压力下处理180秒，在该温度下酒精受热会加速挥发，将薄膜向凹槽内挤压，形成饱满圆润的球形微凸结构，得到空心半球阵列结构的氟化乙丙烯共聚物的驻极体薄膜。接着在两张用上述方法制备得到的空心半球阵列结构的氟化乙丙烯共聚物的驻极体薄膜凹面磁控溅射上一层金电极，磁控溅射金电极电流0.2安培、时间600秒，得到驻极体子层和金属导电子层的复合薄膜作为驻极体层。再分别将上述两张驻极体薄膜接地，分别置于正20千伏和负20千伏的直流电场内完成电晕极化。
如图2所示，将上述完成正负电晕驻极体薄膜以正负电荷面相对的方向即球面相对的方向，贴附在聚酰亚胺介电层薄膜两边，使得驻极体薄膜表面空心半球结构对称分布，在两侧镀金面引出导线后用聚酰亚胺胶带粘合封装完成制备，得到具有对称空心半球阵列结构的柔性驻极体压力传感器。
得益于第一驻极体层100和第二驻极体层200的弹性结构关于绝缘介电层200对称，由于轴心完全重合，使得本实施新型器件在低压强条件下具有极高的灵敏度。如图8所示，本实用新型传感器的灵敏度和在微压强和低压强信号感知领域具有很大的优势。为了进一步揭示空心弹性阵列和对称静电式声电转换装置的声音信号传感性能，将其与商用驻极体麦克风对比，测试了不同声强下的信号输出大小。如图9所示，在1000Hz的恒定频率下测试了50～100dB声强的电压响应曲线，随着声音强度的增加，本实用新型器件的响应电压也随之增加，且输出电压高于商业驻极体麦克风；当声强超过80dB时，电压的增加更加迅速，本实用新型器件的输出远高于商用驻极体麦克风。除了半球结构减少了声音的反射使得更多的声能转化为电能之外，对称的空心半球结构也带来的性能提升，加强了对称静电式声电转换装置对于声音的传感性能。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置，其特征在于，包括依次层叠设置的第一驻极体层、绝缘介电层和第二驻极体层，所述第一驻极体层和第二驻极体层均包括驻极体子层和沉积在所述驻极体子层上的金属导电子层，所述金属导电子层位于所述驻极体子层远离所述绝缘介电层一面，所述第一驻极体层的所述金属导电子层带有正电荷，所述第二驻极体层的所述金属导电子层带负电荷；所述驻极体子层具有多个沿其延伸方向规则排布的弹性结构，所述弹性结构为一端开口的中空腔体，所述开口的开口方向背离所述绝缘介电层，所述第一驻极体层上的所述弹性结构和所述第二驻极体层的所述弹性结构关于所述绝缘介电层对称。
2.如权利要求1所述的驻极体声电换能装置，其特征在于，所述中空腔体为半球体、台体或圆柱体。
3.如权利要求1所述的驻极体声电换能装置，其特征在于，所述中空腔体的开口尺寸为500～600微米。
4.如权利要求1所述的驻极体声电换能装置，其特征在于，所述弹性结构的间距为1～3毫米。
5.如权利要求1所述的驻极体声电换能装置，其特征在于，所述第一驻极体层的厚度为10～15微米，所述第二驻极体层的厚度为10～15微米。
6.如权利要求1～5任一项所述的驻极体声电换能装置，其特征在于，所述驻极体声电换能装置还包括封装层，所述封装层覆盖叠层结构的外表面，所述叠层结构包括依次层叠设置的第一驻极体层、绝缘介电层和第二驻极体层，所述封装层为聚酰亚胺层或聚二甲基硅氧烷层。
7.如权利要求1～5任一项所述的驻极体声电换能装置，其特征在于，所述介电层选自聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、氟化乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物中的一种，或者为涂布有驻极体材料氮化硅、二氧化硅、全氟环状聚合物或派瑞林的聚合物中的一种。
8.如权利要求1～5任一项所述的驻极体声电换能装置，其特征在于，所述驻极体子层选自聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、氟化乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物中的一种或为涂布有驻极体材料氮化硅、二氧化硅、全氟环状聚合物或派瑞林的聚合物中的一种。
9.如权利要求1～5任一项所述的驻极体声电换能装置，其特征在于，所述金属导电子层为金层、铜层、铝层或氧化铟锡层。
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|---|---|---|---|
| CN202321022362.1U CN220359357U (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 一种无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置 |
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| CN220359357U true CN220359357U (zh) | 2024-01-16 |
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| CN202321022362.1U Active CN220359357U (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 一种无弹性体层柔性静电式驻极体声电换能装置 |
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2023
- 2023-04-28 CN CN202321022362.1U patent/CN220359357U/zh active Active
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