一种摩擦电空气耦合超声换能器制造技术

本发明专利技术公开了一种摩擦电空气耦合超声换能器，其中，一种包括多个紧密排列的基本结构单元；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；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；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。其中，另一种包括多个紧密排列的基本结构单元，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，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。本发明专利技术不仅能够降低成本，工作过程中不需额外施加直流或交流电场。不需额外施加直流或交流电场。

【技术实现步骤摘要】
一种摩擦电空气耦合超声换能器


[0001]本专利技术涉及一种摩擦电空气耦合超声换能器，属于声学装置


技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]因此，本申请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。

技术实现思路

[0007]本专利技术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。
[0008]为达到上述目的，本专利技术是采用下述技术方案实现的：
[0009]一方面，本专利技术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；
[0010]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；
[0011]各层厚度均为100纳米～10微米；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]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：
[0016][0017][0018][0019][0020]其中，f
A
为基本结构单元的工作频率，D
A
为上电极层和第一聚合物层的复合等效半径， T
A
为上电极层和第一聚合物层的复合平均张力，ρ
A
为上电极层和第一聚合物层的复合等效密 度，d
A
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，本专利技术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，f
A
为基本结构单元的工作频率，D
B
为第一聚合物层的等效半径，T
B
为第一聚合物 层的内部张力，ρ
B
为第一聚合物层的密度，d
A
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，本专利技术所达到的有益效果：
[0046]本专利技术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；本申请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所示为本专利技术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所示为本专利技术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所示为本专利技术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所示为本专利技术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]下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术 方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。
[0053]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、
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后”、“左”、“本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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；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)；各层厚度均为100纳米～10微米；所述栅格层(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；所述第一聚合物层(3)和第二聚合物层(5)为不同的高分子聚合物制成；所述上电极层(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。2.根据权利要求1所述的摩擦电空气耦合超声换能器，其特征在于，所述上电极层(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：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：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：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：其中，f
A
为基本结构单元的工作频率，D
A
为上电极层和第一聚合物层的复合等效半径，T
A
为上电极层和第一聚合物层的复合平均张力，ρ
A
为上电极层和第一聚合物层的复合等效密度，d
A
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。3.根据权利要求2所述的摩擦电空气耦合超声换能器，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的摩擦电空气耦合超声换能器，其特征在于，所述栅格层(2)的横切面为正六边形、矩形或正三角形；所述栅格层(2)的纵切面为矩形、梯形或梯形的变体；所述梯形的变体包括斜边为曲线的梯形。5.根据权利要求1所述的摩...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹自平，李亚徽，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：