一种自供电可视化声音传感器
阅读说明：本技术 一种自供电可视化声音传感器 (Self-powered visual sound sensor ) 是由 汪尧进 潘韩 吴瀚舟 蔡园园 聂长文 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自供电可视化声音传感器,涉及智能传感器领域,该传感器主要包括柔性衬底、压电薄膜层和电致发光薄膜层,基于声场-压电-电致发光多物理场耦合效应实现,可高效地将声音信号转化为电致发光薄膜层上的光信号变化,通过电致发光薄膜层的光信号亮度直观反应出环境中声音的强弱,实现声音可视化,从而可以实现智能人机交互模式,压电薄膜层直接受声波驱动产生振动,其本征振动响应可灵敏感知宽频域的声音信号,相比于动圈式声音传感器对中、高频率的声音信号仍有灵敏的探测性能,无需外部电源驱动、功耗低、工艺简单、读取信息方式简便,是一种更为智能的人机交互方案,适合当前物联网智能时代的使用需求。(The invention discloses a self-powered visual sound sensor, which relates to the field of intelligent sensors, mainly comprises a flexible substrate, a piezoelectric film layer and an electroluminescent film layer, is realized based on sound field-piezoelectric-electroluminescent multi-physical field coupling effect, can efficiently convert sound signals into light signal changes on the electroluminescent film layer, intuitively reflects the intensity of sound in the environment through the light signal brightness of the electroluminescent film layer, realizes sound visualization, thereby realizing an intelligent man-machine interaction mode, the piezoelectric film layer is directly driven by sound waves to generate vibration, the intrinsic vibration response can sensitively sense sound signals in a wide frequency domain, compared with a moving coil type sound sensor, the sound sensor still has sensitive detection performance on sound signals with middle and high frequencies, does not need an external power supply to drive, has low power consumption, simple process and simple and convenient information reading mode, the method is a more intelligent human-computer interaction scheme and is suitable for the use requirements of the current intelligent era of the Internet of things.)
技术领域
本发明涉及智能传感器领域，尤其是一种自供电可视化声音传感器。
背景技术
先进传感器技术是物联网应用的关键问题之一，对新型物联网行业的发展起着重要影响。为了评估物联网设备与用户的人机交互体验，各式各样传感器的智能水平是一项极为重要的指标。声音传感器作为生活中最常见的传感器之一，被广泛应用于环境噪音检测、军事目标探测、安全预警等领域。
目前，声音传感器主要基于压阻式、电容式、动圈式话筒，通过器件受声波影响发生相应的电阻、电容变化或由于声音的振动，带动导线切割磁力线产生电流，以达到声音传感的目的。非专利文献1(Deng C,Gao P,Lan L,等.Ultrasensitive and HighlyStretchable Multifunctional Strain Sensors with Timbre-Recognition AbilityBased on Vertical Graphene[J].Advanced Functional Materials,2019,29(51):1907151.)公开了一种由竖直石墨烯和聚二甲基硅氧烷制备的具备识别音色能力的可拉伸应力传感器，由于竖直石墨烯中高密度的裂缝将它们分割为小块，从而使得整个传感器对于宽频率范围的声音都具有响应。然而，上述基于压阻式、电容式原理的声音传感器需要单独外部电源供电，功耗大，而动圈式声音传感器对由于其机械结构局限性，对中频、高频的声音信号响应不灵敏。为解决这不足之处，近年来人们运用摩擦电效应设计制作出摩擦电式声音传感器。非专利文献2(Fan X,Chen J,Yang J,等.Ultrathin,Rollable,Paper-Based Triboelectric Nanogenerator for Acoustic Energy Harvesting and Self-Powered Sound Recording[J].ACS Nano,2015,9(4):4236–4243.)公开了一种由聚四氟乙烯、铜和纸组成的摩擦电纳米发电机，具有柔性、响应速度快、响应电压大等特点，但是摩擦电纳米发电机频率响应仅有一个峰，无法满足多频率调谐的要求，而且由于摩擦机理原因，该种传感器在温度以及湿度高的环境下无法良好工作，在实际应用中存在困难。
由此可见目前的各类声音传感器均有各种各样的缺点，而且至今为止所有的声音传感器的信号读取终端始终局限于指针、显示器等，需要外部添加度数部件，大大限制了声音传感器的小型化、高集成化程度。由此可见，传统声音传感器由于其在智能化、微型化、集成化的局限性，难以满足当下物联网发展带来的新需求。既要兼顾声音传感器超低功耗、频率响应范围大的特点，又要优化用户读取声音信息方式，是当前智能化声音传感器亟需解决的关键性问题。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种自供电可视化声音传感器，本发明的技术方案如下：
一种自供电可视化声音传感器，该自供电可视化声音传感器包括从下至上依次层叠设置的柔性衬底、第一透明电极层、压电薄膜层、第二透明电极层、电致发光薄膜层和第三透明电极层，电致发光薄膜层两侧的透明电极层与压电薄膜层两侧的透明电极层通过导电银胶分别相连形成通电回路；
自供电可视化声音传感器中的压电薄膜层受声波驱动产生振动、并由压电效应产生与声波信号对应的电信号，压电薄膜层产生的电信号通过通电回路传输给电致发光薄膜层，电致发光薄膜层在电信号作用下发生光电反应、产生亮度与声波信号对应的发光响应。
其进一步的技术方案为，压电薄膜层所采用的压电材料的压电系数d33≥25pC/N。
其进一步的技术方案为，压电薄膜层所采用的压电材料为聚偏氟乙烯共聚物或锆钛酸铅。
其进一步的技术方案为，柔性衬底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、亚酰胺塑料、聚乙烯薄膜和云母中的任意一种材料制成。
其进一步的技术方案为，柔性衬底的厚度为0.2-0.4mm。
其进一步的技术方案为，电致发光薄膜层采用硫化锌、掺锰硫化锌、掺铜硫化锌、掺氯硫化锌和掺锶硫化锌中的至少一种材料制成。
其进一步的技术方案为，每个透明电极层分别采用质量比为In2O3:SnO2＝9:1的透明氧化铟锡制成。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种自供电可视化声音传感器，该传感器基于声场-压电-电致发光多物理场耦合效应实现，可高效地将声音信号转化为电致发光薄膜层上的光信号变化，通过电致发光薄膜层的光信号亮度直观反应出环境中声音的强弱，实现声音可视化，从而可以实现智能人机交互模式，传感器中的压电薄膜层直接受声波驱动产生振动，其本征振动响应可灵敏感知宽频域的声音信号，相比于动圈式声音传感器对中、高频率的声音信号仍有灵敏的探测性能。而且该传感器无需外部电源驱动，相对于目前常见的压阻式、电容式声音传感器来说功耗低，尤其适用于需长期工作，难以提供电源或更换电池的工作环境，能实现多种环境下的噪声指标检测，适合当前物联网智能时代的背景。
该传感器结构简单，同时由于采用了逐层溅射成膜的工艺，进一步减小了传感器体积，提高了集成度，同时也避免了普通拼装工艺可能带来的器件功能层之间脱离带来的损坏威胁。
附图说明
图1是本申请的自供电可视化声音传感器的结构示意图。
图2是不同声波信号作用下压电薄膜层产生的电信号的示意图。
图3是在声波信号作用下声音可视化传感器发光强度及波长关系图以及传感器未发光及发光对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种自供电可视化声音传感器，请参考图1，该自供电可视化声音传感器包括从下至上依次层叠设置的柔性衬底1、第一透明电极层2、压电薄膜层3、第二透明电极层4、电致发光薄膜层5和第三透明电极层6。电致发光薄膜层5两侧的透明电极层与压电薄膜层3两侧的透明电极层通过导电银胶分别相连形成通电回路。
该自供电可视化声音传感器中的压电薄膜层3受声波驱动产生振动、并由压电效应产生与声波信号对应的电信号，声波信号与电信号的对应关系请参考图2所示的示意图。压电薄膜层3产生的电信号通过通电回路传输给电致发光薄膜层5，电致发光薄膜层5在电信号作用下发生光电反应、产生亮度与声波信号对应的发光响应，声波信号作用下该自供电可视化声音传感器发光强度及波长关系图请参考图3左侧，图3右侧是该自供电可视化声音传感器未发光及发光对比示意图。由此本申请的自供电可视化声音传感器基于声场-压电-电致发光多物理场耦合效应，无需外部电源驱动，可以将声音信号转化为直观的亮度发光响应，实现声音可视化，从而可以实现智能人机交互模式。
其中，压电薄膜层3所采用的压电材料的压电系数d33≥25pC/N，从而可以满足驱动电致发光薄膜层5所需发光的电能阈值需求。可选的，压电薄膜层3所采用的压电材料为聚偏氟乙烯(PVDF-TrFe)共聚物或锆钛酸铅(PZT)。
柔性衬底1采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、亚酰胺塑料(PI)、聚乙烯薄膜(PE)和云母(AlF2O10Si33Mg)中的任意一种材料制成。可选的，柔性衬底1的厚度为0.2-0.4mm。
电致发光薄膜层5采用硫化锌(ZnS)、掺锰硫化锌(ZnS:Mn)、掺铜硫化锌(ZnS:Cu)、掺氯硫化锌(ZnS:Cl)和掺锶硫化锌(ZnS:Sr)中的至少一种材料制成。电致发光薄膜层5的厚度约为500nm。
每个透明电极层分别采用质量比为In2O3:SnO2＝9:1的透明氧化铟锡(ITO)制成。
在制作该自供电可视化声音传感器时，在柔性衬底1上使用磁控溅射法或蒸镀法沉积第一透明电极层2，然后使用涂布法或磁控溅射法在第一透明电极层2上制备压电薄膜层3，之后在压电薄膜层3采用磁控溅射法或蒸镀法制备形成第二透明电极层4。在第二透明电极层4上采用蒸镀法制备形成电致发光薄膜层5。最后在电致发光薄膜层5上采用磁控溅射法或蒸镀法制备形成第三透明电极层6。
由于各层均有多种可选的制备材料，本申请以如下两个实施例的材料组合方式具体说明其制备方法：
实施例1，采用PVDF-TrFe聚合物制作压电薄膜层3、掺锰硫化锌(ZnS:Mn)制作电致发光薄膜层5。具体实施步骤如下：
在柔性PET衬底上使用磁控溅射法沉积第一透明电极层2，在第一透明电极层2上通过刮涂压电聚合物PVDF-TrFe制得压电薄膜层3。放入小型磁控溅射仪内，通过溅射法在压电薄膜层3的上方制作ITO透明全电极得到第二透明电极层4，最终得到压电声音敏感单元。
将ZnS:Mn粉末和一定比例的高纯单质Er分别置于两个Ta舟上，将蒸发室抽成高真空，分别加热Ta舟，使ZnS:Mn和单质Er一同蒸发沉积在第二透明电极层4上。其中工艺条件为：真空度(优于5×10-5)，Ta舟电流(190A)，衬底温度(460K)，舟与电极距离(约20cm)，沉积时间(15分钟)。
蒸镀形成电致发光薄膜层5之后，再在电致发光薄膜层5上磁控溅射形成第三透明电极层6。电致发光薄膜层5上下两侧的正负极与压电薄膜层3上下正负极通过导电银胶分别相连，最终形成完整回路。
实施例2，采用高性能PZT制作压电薄膜层3、掺锶硫化锌(ZnS:Sr)制作电致发光薄膜层5。具体实施步骤如下：
在柔性云母衬底上使用磁控溅射法沉积第一透明电极层2，利用溶胶凝胶-旋涂法在第一透明电极层2上制备PZT材料的压电薄膜层3。放入小型磁控溅射仪内，通过溅射法在压电薄膜层3的上方制作ITO透明全电极得到第二透明电极层4，最终得到压电声音敏感单元。
将ZnS:Sr粉末和一定比例的高纯单质Er分别置于两个Ta舟上。将蒸发室抽成高真空,分别加热Ta舟，使ZnS:Sr和单质Er一同蒸发沉积在第二透明电极层4上。其中工艺条件为：真空度(优于5×10-5)，Ta舟电流(200A)，衬底温度(470K)，舟与电极距离(约20cm)，沉积时间(20分钟)。
蒸镀形成电致发光薄膜层5之后，再在电致发光薄膜层5上磁控溅射形成第三透明电极层6。电致发光薄膜层5上下两侧的正负极与压电薄膜层3上下正负极通过导电银胶分别相连，最终形成完整回路。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
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