一种摩擦电空气耦合超声换能器

1.本发明涉及一种摩擦电空气耦合超声换能器，属于声学装置技术领域。


背景技术：

2.超声波作为一种具有高能量密度的机械波可以用来实现清洗、物料混合、焊接、材料缺 陷检测和生物医学成像等多种功能，目前在工业生产和日常生活中得到了广泛应用。
3.超声换能器是产生超声波的核心器件，其中一类要求其声阻抗与空气声阻抗相匹配的空 气耦合超声换能器在材料检测和生物医学成像方面存在大量市场需求。由于聚合物的声阻抗 与空气声阻抗较为接近，因此空气耦合超声换能器的结构往往使用大量聚合物。
4.现有的压电型空气耦合超声换能器是由具有压电效应的聚合物或聚合物基复合材料制 备，由于压电聚合物是一类较为特殊的功能材料以及压电复合材料往往需要使用较为复杂的 制备工艺，因此压电型空气耦合超声换能器往往生产成本较高。
5.现有的静电型空气耦合超声换能器尽管可由成本较低的一般聚合物制备，但考虑到其工 作机理是基于平行板电容器电容值随电极间距离变化而变化这一特性，施加直流偏压是这类 换能器是进行工作的必要条件，而通常施加的直流偏压高达百伏以上，因此这为换能器驱动 电路的微型化和低功耗化提出极大挑战。
6.因此，本技术提供一种摩擦电空气耦合超声换能器，以弥补现有技术的不足。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种摩擦电空气耦合超声换能器，不仅 能够降低成本，工作过程中不需额外施加直流或交流电场。
8.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
9.一方面，本发明提供一种摩擦电空气耦合超声换能器，其特征在于，包括多个紧密排列 的基本结构单元；
10.各基本结构单元包括顺次设置的上电极层、第一聚合物层、栅格层、第二聚合物层和下 电极层；
11.各层厚度均为100纳米～10微米；
12.所述栅格层为上下贯通结构设置，与第一聚合物层和第二聚合物层形成谐振腔；
13.所述第一聚合物层和第二聚合物层为不同的高分子聚合物制成；
14.所述上电极层和下电极层均为金属、导电性高分子或导电性高分子基复合材料制成。
15.进一步地，所述上电极层、第一聚合物层、栅格层和第二聚合物层厚度的约束条件：
16.[0017][0018][0019][0020]
其中，fa为基本结构单元的工作频率，da为上电极层和第一聚合物层的复合等效半径， ta为上电极层和第一聚合物层的复合平均张力，ρa为上电极层和第一聚合物层的复合等效密 度，da为栅格层的厚度，s为基本结构单元的横截面面积，h1为上电极层的厚度，h2为第一 聚合物层的厚度，t1为上电极层的内部平均张力，t2为上电极层的内部平均张力，ρ1为上电 极层的密度，ρ2为第一聚合物层的密度，h1为上电极层的厚度，h2为第一聚合物层的厚度。
[0021]
进一步地，所述基本结构单元的工作频率大于等于超声波的频率与预设阈值的差，小于 等于超声波的频率与预设阈值的和。
[0022]
进一步地，所述栅格层的横切面为正六边形、矩形或正三角形；
[0023]
所述栅格层的纵切面为矩形、梯形或梯形的变体；
[0024]
所述梯形的变体包括斜边为曲线的梯形。
[0025]
进一步地，所述的摩擦电空气耦合超声换能器包括阻抗匹配模块、信号放大模块和信号 处理模块；
[0026]
所述阻抗匹配模块的接收端分别连接上电极层和下电极层；
[0027]
所述阻抗匹配模块输出端连接信号放大模块，信号放大模块输出端连接信号处理模块。
[0028]
另一方面，本发明提供一种摩擦电空气耦合超声换能器，包括多个紧密排列的基本结构 单元；
[0029]
各基本结构单元包括顺次设置的第一聚合物层、栅格层、第二聚合物层和电极层；
[0030]
各层厚度均为100纳米～10微米；
[0031]
所述栅格层为上下贯通结构设置，与第一聚合物层和第二聚合物层形成谐振腔；
[0032]
所述第一聚合物层和第二聚合物层为不同的高分子聚合物制成；
[0033]
所述电极层为金属、导电性高分子或导电性高分子基复合材料制成，与地电极形成回路。
[0034]
进一步地，所述栅格层的厚度和基本结构单元的横截面面积的约束条件：
[0035][0036][0037]
其中，fa为基本结构单元的工作频率，db为第一聚合物层的等效半径，tb为第一聚合物 层的内部张力，ρb为第一聚合物层的密度，da为栅格层的厚度，s为基本结构单元的横
截面 面积。
[0038]
进一步地，所述基本结构单元的工作频率大于等于超声波的频率与预设阈值的差，小于 等于超声波的频率与预设阈值的和。
[0039]
进一步地，所述栅格层的横切面为正六边形、矩形或正三角形；
[0040]
所述栅格层的的纵切面为矩形、梯形或梯形的变体；
[0041]
所述梯形的变体包括斜边为曲线的梯形。
[0042]
进一步地，所述的摩擦电空气耦合超声换能器，包括阻抗匹配模块、信号放大模块和信 号处理模块；
[0043]
所述阻抗匹配模块的接收端分别连接电极层和地电极；
[0044]
所述阻抗匹配模块输出端连接信号放大模块，信号放大模块输出端连接信号处理模块。
[0045]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0046]
本发明通过利用价格低廉的高分子聚合物制备第一聚合物层和第二聚合物层，在上电极 层受到超声波的冲击而振动时，带动第一聚合物层和第二聚合物层产生接触摩擦，由于摩擦 生电效应和感应起电效应从而产生电信号；本技术的机械能转换成电能的效率高，且能耗低， 在工作时不需额外施加直流或交流电场。
附图说明
[0047]
图1所示为本发明摩擦电空气耦合超声换能器的一种实施例结构示意图；
[0048]
图2所示为本发明摩擦电空气耦合超声换能器的一种实施例结构示意图；
[0049]
图3所示为本发明摩擦电空气耦合超声换能器的一种实施例结构示意图；
[0050]
图4所示为本发明栅格层的一种实施例结构示意图；
[0051]
图中：1、上电极层；2、栅格层；3、第一聚合物层；4、下电极层；5、第二聚合物层； 6、电极层。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术 方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0053]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、
ꢀ“
后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关 系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或 暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对 本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示 相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特 征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多 个”的含义是两个或两个以上。
[0054]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、
ꢀ“
连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可 以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以
是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在 本发明中的具体含义。
[0055]
实施例1
[0056]
本实施例提供一种摩擦电空气耦合超声换能器，参考图3，包括多个紧密排列的基本结 构单元。
[0057]
参考图1，各基本结构单元包括顺次设置的上电极层1、第一聚合物层3、栅格层2、第 二聚合物层5和下电极层4，应用中，各层厚度均为100纳米～10微米。
[0058]
参考图1，栅格层2为上下贯通结构设置，与第一聚合物层3和第二聚合物层5形成谐 振腔，应用中，第一聚合物层3和第二聚合物层5为不同的高分子聚合物制成。高分子聚合 物为聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙 烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二 甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈或聚双苯酚碳酸酯。
[0059]
上电极层1和下电极层4均为金属、导电性高分子或导电性高分子基复合材料制成。
[0060]
本实施例应用时，当超声波从外部空气进入上电极层1和第一聚合物层3时，上电极层 1和第一聚合物层3一起产生一定振幅的激振，调整超声波的频率并使得超声波的频率等于 或接近基本结构单元的工作频率，由于谐振效应使得上电极层1和第一聚合物层3产生的激 振幅度增大，从而与第二聚合物层5进行接触和分离的往复动作，导致第一聚合物层3和第 二聚合物层5之间出现摩擦起电现象，从而实现超声波的机械能转换为电能，上电极层1和 下电极层4之间产生电势差，形成相应的电信号。
[0061]
本发明通过利用价格低廉的高分子聚合物制备第一聚合物层和第二聚合物层，在上电极 层受到超声波的冲击而振动时，带动第一聚合物层和第二聚合物层产生接触摩擦，由于摩擦 生电效应和感应起电效应从而产生电信号；本技术的机械能转换成电能的效率高，且能耗低， 在工作时不需额外施加直流或交流电场。
[0062]
实施例2
[0063]
在实施例1的基础上，本实施例提供详细介绍了上电极层1、第一聚合物层3、栅格层2 和第二聚合物层5厚度确定的方法。
[0064]
下列公式为上电极层1、第一聚合物层3、栅格层2和第二聚合物层5厚度的约束条件：
[0065][0066][0067][0068][0069]
其中，fa为基本结构单元的工作频率，da为上电极层和第一聚合物层的复合等效半
径， ta为上电极层和第一聚合物层的复合平均张力，ρa为上电极层和第一聚合物层的复合等效密 度，da为栅格层的厚度，s为基本结构单元的横截面面积，h1为上电极层的厚度，h2为第一 聚合物层的厚度，t1为上电极层的内部平均张力，t2为上电极层的内部平均张力，ρ1为上电 极层的密度，ρ2为第一聚合物层的密度，h1为上电极层的厚度，h2为第一聚合物层的厚度。
[0070]
参考图3和图4，栅格层2的横切面为正六边形、矩形或正三角形；栅格层2的纵切面 为矩形、梯形或梯形的变体；梯形的变体包括斜边为曲线的梯形。
[0071]
应用中，谐振腔为正立方体结构或底部呈曲面且向内凹陷的立方体结构，谐振腔的几何 形状能够间接影响基本结构单元的工作频率。
[0072]
本实施例应用时，根据超声波的频率调整电极层1、第一聚合物层3、栅格层2和第二聚 合物层5的厚度，制备材质以及工艺形状，使得基本结构单元的工作频率大于等于超声波的 频率与预设阈值的差，小于等于超声波的频率与预设阈值的和。
[0073]
本实施例的摩擦电空气耦合超声换能器还包括阻抗匹配模块、信号放大模块和信号处理 模块。
[0074]
应用中，阻抗匹配模块的接收端分别连接上电极层1和下电极层4，以提高上电极层1 和下电极层4间电信号的输出功率，阻抗匹配模块输出端连接信号放大模块，信号放大模块 将阻抗匹配模块输出的电信号放大，并将放大的电信号输送信号处理模块，信号处理模块主 要是将放大的电信号进一步处理，例如进行dac、idft、ifft或数字滤波等处理。
[0075]
实施例3
[0076]
本实施例提供一种摩擦电空气耦合超声换能器，如图3所示，包括多个紧密排列的基本 结构单元。
[0077]
如图2所示，各基本结构单元包括顺次设置的第一聚合物层3、栅格层2、第二聚合物层 5和电极层6，应用中，各层厚度均为100纳米～10微米。
[0078]
如图2所示，栅格层2为上下贯通结构设置，与第一聚合物层3和第二聚合物层5形成 谐振腔，应用中，第一聚合物层3和第二聚合物层5为不同的高分子聚合物制成。高分子聚 合物为聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯 乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯 二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈或聚双苯酚碳酸酯。
[0079]
如图2所示，电极层6为金属、导电性高分子或导电性高分子基复合材料制成，与地电 极形成回路，获得电信号。
[0080]
实施例4
[0081]
在实施例3的基础上，本实施例确定了栅格层2的厚度和基本结构单元的横截面面积的 确定方法。
[0082]
下式为栅格层2的厚度和基本结构单元的横截面面积的约束条件：
[0083][0084]
[0085]
其中，fa为基本结构单元的工作频率，db为第一聚合物层的等效半径，tb为第一聚合物 层的内部张力，ρb为第一聚合物层的密度，da为栅格层的厚度，s为基本结构单元的横截面 面积。
[0086]
应用中，基本结构单元的工作频率大于等于超声波的频率与预设阈值的差，小于等于超 声波的频率与预设阈值的和。
[0087]
参考图3和图4，栅格层2的横切面为正六边形、矩形或正三角形；栅格层2的纵切面 为矩形、梯形或梯形的变体；梯形的变体包括斜边为曲线的梯形。
[0088]
应用中，谐振腔为正立方体结构或底部呈曲面且向内凹陷的立方体结构，谐振腔的几何 形状能够间接影响基本结构单元的工作频率。
[0089]
本实施例的摩擦电空气耦合超声换能器还包括阻抗匹配模块、信号放大模块和信号处理 模块。
[0090]
应用中，阻抗匹配模块的接收端分别连接电极层和地电极；阻抗匹配模块输出端连接信 号放大模块，信号放大模块输出端连接信号处理模块。
[0091]
综上实施例，本发明通过第一聚合物层和第二聚合物层的接触和分离实现摩擦生电。与 现有压电型空气耦合超声换能器相比，本发明使用一般聚合物制备而成，成本低廉；与现有 静电型空气耦合超声换能器相比，本发明在工作时不需要额外施加直流或交流电场，因此驱 动电路更容易实现且功耗更低。
[0092]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为 本发明的保护范围。