复合薄膜声音传感器及其制备方法和应用

1.本发明涉及光计算技术领域，具体涉及一种复合薄膜声音传感器及其制备方法和应用。


背景技术：

2.近几十年来，柔性、可拉伸传感器受到了广泛的关注，在持续监测健康状态和检测身体运动方面显示出巨大的潜力。柔性传感器具有可移植性、生物相容性和可折叠性等特点，在未来的各种应用中具有重要意义。如柔性电子鼓膜、健康监测、机器学习、生物特征识别、智能人机交互等。因此，柔性和可拉伸的电子设备有望成为下一代电子设备中的主流，它可以匹配任何柔软和弯曲的状态。随着科技的发展，人工智能有望在可预见的智能时代发挥更大的作用，并给我们的日常生活提供便利，带来智能化的应用，帮助我们从传统的触摸式电子系统向声控电子系统进行转变。因此声音识别在智能化发展的未来是十分重要的。目前，传统声学器件的常见材料主要是半导体材料和金属材料。然而，这些材料体积庞大且坚硬，使得传统的声学设备不适用于便携的传感器设备。因此，寻找可替代的纳米材料来开发柔韧、耐磨、高能量转换效率的声学器件是当务之急。
3.根据传感器的工作原理，主要将柔性传感器分为三种压阻式、压电式和电容式，其中压阻式的传感器应用最为广泛，这主要是因为相比于压电式和电容式，压阻式传感器具有传感原理简单、信噪比高、传感性能稳定和制作简单等优点。
4.综上所述，柔性压阻声学传感器面临的问题主要有三方面：一方面是材料问题，传统的材料体积庞大且坚硬，不适用于便携的传感器设备。因此，需要寻找可替代的纳米材料来开发柔韧、耐磨、高能量转换效率的声学器；另一个是性能方面的提升，让传感器拥有更高的灵敏度、分辨率、响应速度和良好的稳定性；最后一个是研制的工艺和成本问题，目前柔性传感器主要采用高度复杂、高消耗的工艺，如磁控溅射、硅刻蚀和金属薄膜沉积等。这些方法都需要昂贵的实验仪器和设备以及苛刻的实验条件，因此不适合大规模生产和制备，因此限制了其进一步的应用。因此，需要寻找一种制作工艺简单、灵敏度高、结构简单的柔性声学传感器是当务之急。


技术实现要素：

5.基于此，本发明提出了一种结构简单、灵敏度高、分辨率高、体积小的复合薄膜声音传感器及其制备方法和应用。
6.根据本发明的一个方面，提供了一种复合薄膜声音传感器，包括：
7.柔性衬底；
8.导电敏感层，用于感知外界声音信号，通过与上述声音信号产生共振改变上述导电敏感层的电阻和导电状态，形成电信号；
9.电极，用于给上述导电敏感层通电，并传输上述电信号；
10.其中，上述导电敏感层通过导电膜以及二硫化钼膜形成周期性交叠多层结构。
11.根据本发明的实施例，上述电极为导电金属。
12.根据本发明的实施例，形成上述导电膜的材料包括二维过渡金属碳化物、碳纳米管或黑磷。
13.根据本发明的实施例，上述柔性衬底采用丁晴橡胶制备得到。
14.根据本发明的另一个方面，提供了一种制备上述声音传感器的方法，包括：
15.将柔性衬底进行超声清洗，烘干；
16.将烘干后的上述柔性衬底固定在加热台上加热；
17.在上述柔性衬底上交替重复喷涂导电膜溶液和二硫化钼溶液，使上述衬底上形成由交叠的导电膜和二硫化钼膜形成的上述导电敏感层；
18.将金沉积在上述导电敏感层两侧，作为电极并且焊接导线，得到上述声音传感器。
19.根据本发明的实施例，其中，上述导电膜溶液包括金属碳化钛溶液，上述金属碳化钛溶液的制备过程包括：
20.采用氢氟酸蚀刻金属碳化钛粉末形成具有多层结构的干燥碳化钛；
21.采用二甲基亚砜对上述干燥碳化钛嵌入剥离，得到碳化钛薄片。
22.将上述碳化钛薄片加入蒸馏水，得到含有碳化钛薄片的上述金属碳化钛溶液。
23.根据本发明的实施例，还包括：
24.在交替重复喷涂导电膜溶液和二硫化钼溶液的过程中，对每层上述金属碳化钛膜或上述二硫化钼膜进行烘干。
25.根据本发明的另一个方面，提供了一种利用上述声音传感器在实时声探测中的应用。
26.根据本发明的实施例，上述声音传感器设置于管状装置内，上述声音传感器连接有供电装置和示波器，上述管状装置内还包括发声装置。
27.根据本发明的实施例，上述声音传感器设置于管状装置远离上述发声装置一侧的孔洞上。
28.从上述技术方案可以看出，本发明提供的复合薄膜声音传感器及其制备方法和应用具有以下有益效果：
29.1、本发明采用添加具有二维层状结构的柔性敏感表层，使传感器可与不同的声音产生共振，从而感知外界声音信号，表现为自身电学性能的变化，进而应用于振动检测和声音检测，本发明提供的传感器具有结构简单、灵敏度高、分辨率高体积小的特点，能够应用于声控电子系统等小型电子器件，解决了传统声学设备不适用于便携的传感器设备的问题。
30.2、通过添加具有二维层状结构的柔性敏感表层当与声音或振动信号接触时，由于受到气流的作用从而产生形变，使电阻发生变化，因此所述的声音传感器的电学性能主要取决于导电敏感层内的周期性交叠多层薄膜，随着气流发生振动，从而使得导电性增加或减少，从而电阻随着其增高或降低。
附图说明
31.图1为本发明所述的复合薄膜声音传感器的结构示意图；
32.图2为本发明所述的复合薄膜声音传感器制备方法的流程示意图；
33.图3为本发明所述的复合薄膜声音传感器的测试系统的示意图；
34.图4为本发名所述的复合薄膜声音传感器的原理示意图；
35.图5为本发明制备的周期性交叠多层结构的柔性导电敏感层的sem图；
36.图6为本发明所述的复合薄膜声音传感器的时间分辨率测试结果示意图；
37.图7为本发明所述的复合薄膜声音传感器的分辨频率的测试结果示意图。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
39.图1为本发明所述的复合薄膜声音传感器的结构示意图。
40.如图1所示，根据本发明的一个方面，提供了一种复合薄膜声音传感器，包括柔性衬底11，导电敏感层12和电极13。
41.根据本发明的实施例，导电敏感层12，用于感知外界声音信号，通过与声音信号产生共振改变导电敏感层的电阻和导电状态，形成电信号。
42.根据本发明的实施例，电极13，用于给导电敏感层通电，并传输电信号。
43.其中，导电敏感层通过导电膜以及二硫化钼膜形成周期性交叠多层结构。
44.复合薄膜声音传感器当与声音或振动信号接触时，由于受到气流的作用从而产生形变，使电阻发生变化，因此所述的声音传感器的电学性能主要取决于导电敏感层内的周期性交叠多层薄膜，随着气流发生振动，从而使得导电性增加或减少，从而电阻随着其增高或降低。
45.采用的交叠层结构可以使导电膜以及二硫化钼膜之间有更好的接触，当有外部的作用力作用在器件表面时，周期性交叠多层结构被压缩层与层之间的间距减小，从而引起其电阻变化，从而产生信号变化，可以提高其检测的整体灵敏度。
46.本发明采用添加具有二维层状结构的柔性的导电敏感层12，使传感器可与不同的声音产生共振，从而感知外界声音信号，表现为自身电学性能的变化，进而应用于振动检测和声音检测，本发明提供的传感器具有结构简单、灵敏度高、分辨率高体积小的特点，能够应用于声控电子系统等小型电子器件，解决了传统声学设备不适用于便携的传感器设备的问题。
47.通过添加具有二维层状结构的导电敏感层12当与声音或振动信号接触时，由于受到气流的作用从而产生形变，使电阻发生变化，因此所述的声音传感器的电学性能主要取决于导电敏感层12内的周期性交叠多层薄膜，随着气流发生振动，从而使得导电性增加或减少，从而电阻随着其增高或降低。
48.根据本发明的实施例，电极13为导电金属，可以选择金、银或铜。
49.根据本发明的实施例，形成导电膜的材料包括二维过渡金属碳化物、碳纳米管或黑磷，二维过渡金属碳化物可以选择金属碳化钛等。
50.少层的金属碳化钛具有高的电导率、大的比表面积，丰富的表面官能团，从而使具有优异的金属导电性和良好的表面亲水性。并且，少层二硫化钼也因其精细的层状结构、随厚度变化的带隙和特殊的电子性能而被大量用作传感材料，因此这两种材料更适合用于柔性压阻声学传感器的制备。
51.根据本发明的实施例，柔性衬底采用丁晴橡胶制备得到。
52.采用的柔性衬底11为丁晴橡胶，丁腈橡胶是由丁二烯和丙烯腈经乳液聚合法制得的，丁腈橡胶有效的节约成本和较少资源浪费以及降低成本；并且丁晴橡胶具有高回弹性，不易变形，可以使传感器具有更高的灵敏度。本发明的材料在低频率范围具有较高的响应灵敏度以及较高的时间分辨率。
53.图2为本发明所述的复合薄膜声音传感器制备方法的流程示意图。
54.如图2所示，根据本发明的另一个方面，提供了一种制备声音传感器的方法，包括：
55.步骤a：将柔性衬底11进行超声清洗，烘干；
56.步骤b：将烘干后的柔性衬底11固定在加热台上加热；
57.步骤c：在柔性衬底11上交替重复喷涂导电膜溶液和二硫化钼溶液，使衬底上形成由交叠的导电膜和二硫化钼膜形成的导电敏感层12；
58.步骤d：将金沉积在导电敏感层12两侧，作为电极13并且焊接导线，得到声音传感器。
59.根据本发明的实施例，步骤a中，加热台温度设置在60～80℃。
60.根据本发明的实施例，步骤c中，喷涂过程中每次喷涂分别取1ml的导电膜溶液和二硫化钼溶液，使柔性衬底11的表面能够形成仅有几层的晶体结构。
61.将导电膜溶液与二硫化钼溶液(mos2)交替喷涂在柔性衬底11上，再重复上述过程从而制备的导电敏感层12。本文采用的是喷涂的制备方法，有效的节约了成本，简化了研制的工艺、实验步骤以及降低了成本。
62.根据本发明的实施例，还包括：
63.在交替重复喷涂导电膜溶液和二硫化钼溶液的过程中，对每层金属碳化钛膜或二硫化钼膜进行烘干。
64.根据本发明的实施例，其中，上述导电膜溶液包括金属碳化钛溶液，上述金属碳化钛溶液的制备过程包括：
65.s1：采用氢氟酸蚀刻金属碳化钛粉末形成具有多层结构的干燥碳化钛；
66.s2：采用二甲基亚砜对上述干燥碳化钛嵌入剥离，得到碳化钛薄片。
67.s3：将上述碳化钛薄片加入蒸馏水，得到含有碳化钛薄片的上述金属碳化钛溶液。
68.根据本发明的实施例，s1具体的为：将金属碳化钛粉末按照1g：10ml的比例缓慢加入氢氟酸溶液中，并在40℃的温度下持续搅拌24h，搅拌后得到的溶液在转速3500rpm的条件下离心5-6次，每次10min，离心后的液体用蒸馏水洗涤至溶液的ph值为6，将洗涤好的溶液用真空冷冻干燥机干燥24h，得到具有多层结构的干燥碳化钛。
69.根据本发明的实施例，s2具体的为：将干燥碳化钛按照1g：10ml的比例缓慢加入二甲基亚砜中，将配置好的溶液连续搅拌12h，然后，通过离心和洗涤除去溶液中的二甲基亚砜，得到碳化钛薄片。
70.图3为本发明所述的复合薄膜声音传感器的测试系统的示意图。
71.根据本发明的另一个方面，提供了一种利用声音传感器在实时声探测中的应用。
72.传感器可与不同的声音产生共振，从而感知外界声音信号，表现为自身电学性能的变化，进而应用于振动检测和声音检测。
73.图3为本发明所述的复合薄膜声音传感器的测试系统的示意图。
74.如图3所示，根据本发明的实施例，声音传感器23设置于管状装置24内，声音传感器23连接有供电装置22和示波器21，管状装置24内还包括发声装置25。
75.根据本发明的实施例，声音传感器23设置于管状装置24远离发声装置25一侧的孔洞上。
76.声音传感器的测试系统用来验证柔性声传感器在实时声探测中的应用。测试过程主要是将声音传感器23固定在管状装置24一侧的1cm*1cm的方形孔洞上(薄膜为1.5cm*0.5cm的长方形)，其中，柔性衬底11的长度为10mm、宽度为5mm、厚度为0.05mm，柔性的导电敏感层12长度为10mm、宽度为5mm、厚度为0.01mm，au电极13的长度为5mm，宽度为8mm、厚度为500μm。
77.当发声装置25发出声音后器件产生震动，通过供电装置22进行供电，在通过示波器21对其信号进行检测。其中，示波器21用来接收信号；供电装置22可以是电化学工作站用来给整个回路进行供电；管状装置24可以是中间的长管能与声音发出的声音发生共振，而管状装置能接收声波发出时产生的气流，使声音传感器23振动；发声装置25可以是无线蓝牙音响。
78.声音传感器23的检测：
79.1、测试本发明提供的声音传感器23对于不同频率的响应。
80.图4为本发名所述的复合薄膜声音传感器的原理示意图。
81.图5为本发明制备的周期性交叠多层结构的柔性导电敏感层的sem图。
82.采用不同频率的声音测试上述声音传感器23的响应状态。如图4所示，图4为导电敏感层在不同频率下振动形态的模拟图。可以看出当不同频率的声音信号作用在上述声音传感器23上时，上述声音传感器23处于不同的状态，从松弛状态到拉伸状态，导电膜和二硫化钼膜通过柔性衬底11的变形而发生形变，随着拉伸应变的增大，层间距逐渐增大，导致声学传感器23的电阻增加。从而改变其输出信号。并且如图5所示，导电膜和二硫化钼膜在柔性基底11上形成了明显的多层结构。
83.2、测试本发明提供的声音传感器的时间分辨率。
84.图6为本发明所述的复合薄膜声音传感器的时间分辨率测试结果示意图。
85.由于柔性材料器件对受力的响应存在滞后现象，这将影响其灵敏度和响应速率，因此探究本发明提供的声音传感器23的时间分辨率，如图6所示，当发声装置25播放200hz的频率信号后，声音传感器23通过振动，改变电阻，从而在示波器21中得到响应的实时变化的波形图，其中一个完整的波形(从一个波峰到下一个波峰)所经历的时间为4ms，由此可知，显示响应具有大约4ms的分辨率，而人耳能够分辨的最快时间分辨率为50ms，本发明提供的声音传感器23显示相应的时间分辨率远高于人耳的时间分辨率，因此声音传感器23具有较好的实用性。
86.3、测试本发明提供的声音传感器23的分辨频率。
87.图7为本发明所述的复合薄膜声音传感器的分辨频率的测试结果示意图。
88.图7(1)为示波器显示的实时信号。
89.图7(2)为通过傅里叶变化处理的频域信号。
90.频率响应分辨是声学传感的重要检测部分。对于声学传感器来说，区分多种频率声音的能力是至关重要的。为了测试上述声音传感器23的分辨频率，采用两个不同频率的
声源来产生双频声波，施加给声学传感器23，两个不同的声波信号分别为145hz和145.5hz。利用傅里叶变换的方法将时域信号转换成频域信号。如图7所示，可以看到在对其施加两个不同频率信号(双频信号)时，对其输出信号进行傅里叶变换，可以分辨出施加的两个频率的值。可以证明器件能识别以及区分不同的频率信号。
91.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。