CN109688494B

CN109688494B - 声学传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN109688494B
Application number: CN201910010412.6A
Authority: CN
Inventors: 孙娜; 许相园; 鲍明; 卢明辉
Original assignee: Nanjing Lizi Acoustics Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Lizi Acoustics Technology Co ltd
Priority date: 2019-01-04
Filing date: 2019-01-04
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2039-01-04
Also published as: CN109688494A

Abstract

本发明提供了一种声学传感器及其制造方法，涉及声学传感器领域，该声学传感器包括：基板；与基板电连接的声波感测组件，该声波感测组件为多孔结构体，该多孔结构体包括泡沫金属基底以及设置在泡沫金属基底上的导电导热膜，其中，在电源经由基板对声波感测组件施加恒定电压时，声波感测组件根据所接收到的声波而产生电信号。通过给声波感测组件施加恒定电压，在其受到声波激励时，泡沫金属基底上的导电导热膜会由于声波引起空气密度变化而导致温度变化，进而引起导电导热膜产生额外的电势，通过检测该额外的电势能够实现对声波的检测，该声学传感器的结构简单，降低了声学传感器出现故障的风险，保证了声学传感器的可靠性。

Description

声学传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及声学传感器领域，具体涉及一种声学传感器及其制造方法。

背景技术

随着社会经济和技术的发展，特别是随着各种便携式电子设备的普及，能够感测声音的声学传感器得到广泛关注。

声音是空气媒介的质点振动传播，一般使用声压、声质点振速和声阻抗三个物理量描述声场特性。声学传感器俗称麦克风，是一种将声信号转换成电信号的装置。传统的麦克风按照工作原理分为动圈式、电容式、驻极体式、铝带式等。以动圈式麦克风为例，在麦克风的膜片受声音信号冲击时，带动线圈在磁场中运动，从而产生电压输出。

然而，传统的声学传感器的结构通常较为复杂，由于任何结构部件的失效都可能导致整个声学传感器出现故障，因此，传统的声学传感器出现故障的风险高。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种声学传感器及其制造方法，以解决声学传感器出现故障的风险高的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种声学传感器，包括：

基板；

与基板电连接的声波感测组件，该声波感测组件为多孔结构体，该多孔结构体包括泡沫金属基底以及设置在泡沫金属基底上的导电导热膜，

其中，在电源经由基板对声波感测组件施加恒定电压时，声波感测组件根据所接收到的声波而产生电信号。

可选地，声波感测组件通过导电银浆与基板电连接。

可选地，声学传感器还包括：

信号采集组件，该信号采集组件与声波感测组件电连接，并且用于采集声波感测组件所产生的电信号。

可选地，信号采集组件为惠斯通电桥电路。

可选地，导电导热膜为石墨烯膜。

可选地，声波感测组件为薄片形状。

可选地，多孔结构体的孔隙率为10％至90％。

可选地，声学传感器还包括：

罩设在声波感测组件周围的防尘组件，该防尘组件用于防止外界污染物进入声波感测组件中。

第二方面，本发明实施例还提供了一种声学传感器的制造方法，包括：

设置基板；

形成与基板电连接的声波感测组件，该声波感测组件为多孔结构体，该多孔结构体包括泡沫金属基底以及设置在泡沫金属基底上的导电导热膜；

可选地，导电导热膜为石墨烯膜；

所述形成与基板电连接的声波感测组件，包括：

设置泡沫金属基底；

在泡沫金属基底上沉积石墨烯膜，得到声波感测组件；

将声波感测组件与基板电连接。

本发明的有益效果包括：

本发明实施例提供的声学传感器包括：基板；与基板电连接的声波感测组件，该声波感测组件为多孔结构体，该多孔结构体包括泡沫金属基底以及设置在泡沫金属基底上的导电导热膜，其中，在电源经由基板对声波感测组件施加恒定电压时，声波感测组件根据所接收到的声波而产生电信号。通过给声波感测组件施加恒定电压，在其受到声波激励时，泡沫金属基底上的导电导热膜会由于声波引起空气密度变化而导致温度变化，进而引起导电导热膜内部电子运动状态发生变化并产生额外的电势，通过检测该额外的电势能够实现对声波的检测，该声学传感器的结构简单，降低了声学传感器出现故障的风险，保证了声学传感器的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明一实施例提供的声学传感器的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的声波感测组件的照片；

图3为本发明另一实施例提供的声学传感器的结构示意图；

图4为图3中的声学传感器的等效电路图；

图5为图3中的A-A剖视图；

图6为本发明实施例提供的声学传感器的响应曲线图；

图7为本发明又一实施例提供的声学传感器的结构示意图；

图8为本发明一实施例提供的声学传感器的制造方法的流程示意图；

图9为本发明另一实施例提供的声学传感器的制造方法的流程示意图。

图标：100-基板；200-声波感测组件；300-电压电极接触部；400-测量电极接触部；500-信号采集组件；600-防尘组件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为本发明一实施例提供的声学传感器的结构示意图，如图1所示，该声学传感器包括：基板100；与基板100电连接的声波感测组件200，该声波感测组件200为多孔结构体，该多孔结构体包括泡沫金属基底以及设置在泡沫金属基底上的导电导热膜。

其中，在电源经由基板100对声波感测组件200施加恒定电压时，声波感测组件200可以根据所接收到的声波而产生电信号。

如图1所示，基板100可以经由两个电压电极接触部300与声波感测组件200电连接，从而可以经由电压电极接触部300向声波感测组件200施加恒定电压。尽管图1中示出声波感测组件200设置于基板100的中间区域，但是应当理解，本发明对此不做限制。

进一步地，在基板100与声波感测组件200接触的区域中，除了设置有电压电极接触部300的区域实现基板100与声波感测组件200的电连接之外，在其他接触区域中，基板100与声波感测组件200绝缘。

参照图2，声波感测组件200为多孔结构体，在该多孔结构体中存在大量的空气间隙，该多孔结构体包括泡沫金属基底以及设置在泡沫金属基底上的导电导热膜。

需要说明的是，尽管图2中示出的声波感测组件200呈现为立方体结构，应当理解，图2中提供的声波感测组件200的照片仅仅是示意性地说明多孔结构体的外观形貌，本发明不限于此，例如，可以将声波感测组件200制备成圆柱体、薄片型、球体等各种不同的形状。

在经由基板100向声波感测组件200施加恒定电压时，由于声波感测组件200的多孔结构体由泡沫金属基底和导电导热膜构成，因此，电压会施加在导电导热膜上。由于导电导热膜具有一定的电阻，因此导电导热膜会产生热量，在所施加的电压恒定时，最终导电导热膜所产生的热量和周围环境会实现平衡状态，导电导热膜的温度在平衡状态下相对恒定。此时，当存在外界声波激励时，会引起多孔结构体的空隙中的空气的密度变化，从而打破了导电导热膜与周围环境的热量平衡，从而引起导电导热膜出现温度变化。另一方面，外界声波激励所引起的气流也会使得导电导热膜表面的热量流失，从而导致导电导热膜的温度变化。导电导热膜的温度变化引起其内部电子运动状态发生变化，进而产生额外的电势，可以通过检测该额外的电势来实现对声波的检测。

基板100可以为PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)，也可以为能够通过电极接触部与声波感测组件200实现电连接，并且可以向声波感测组件200施加恒定电压的基板，本发明实施例对此不做限定。

例如，在基板100为PCB板的情况下，基板100上设置有导电引线，基板100上的导电引线通过电压电极接触部300与声波感测组件200电连接，此时，电源可以经由基板100上的导电引线对声波感测组件200施加恒定电压。

而且，本发明实施例对于基板100的形状没有限制。例如，基板100可以为如图1中所示的环形，也可以为条形或其他形状。

由于声波感测组件200的泡沫金属基底能够实现自支撑，因此，在实际应用中，可以通过基板100为声波感测组件200提供支撑，基板100也可以不为声波感测组件200提供支撑。

基板100可以通过如图1所示的设置在声波感测组件200左右两端的两个电压电极接触部300与声波感测组件200电连接，也可以通过设置在基板100与声波感测组件200之间的其他位置的其他数目的电压电极接触部300与声波感测组件200电连接，本发明对此不做限制。

可选地，为了实现基板100与声波感测组件200之间良好的电连接，电压电极接触部300可以由导电银浆形成。导电银浆是由高纯度的金属银的微粒、粘合剂、溶剂、助剂所组成的一种机械混和物的粘稠状的浆料。导电银浆的初始状态是液体，此时能够保证三维的多孔结构体与基板100上的电极之间的良好电接触，大限度地降低接触电阻。在将导电银浆固化后，可以实现将基板100与声波感测组件200固定在一起。

用于形成声波感测组件200的泡沫金属基底是指含有泡沫气孔的特种金属材料。通过其独特的结构特点，泡沫金属拥有密度小、隔热性能好、隔音性能好以及能够吸收声波等一系列良好优点。孔隙率是指多孔体中所有孔隙的体积与多孔体总体积之比，可以衡量多孔体的空隙空间大小。泡沫金属的孔隙率能够达到较高的值，并且是具有一定强度和刚度，孔隙直径可达至毫米级。

由于泡沫金属的透气性很高，几乎都是连通孔，因此孔隙比表面积大，材料的重量很小。

由于泡沫金属是由金属基体骨架连续相和气孔分散相或连续相组成的两相复合材料，因此其性质取决于所用金属基体、气孔率和气孔结构，并受制备工艺的影响。通常，泡沫金属的力学性能随气孔率的增加而降低，其导电性、导热性也相应呈指数关系降低。当泡沫金属承受压力时，由于气孔塌陷导致的受力面积增加和材料应***化效应，使得泡沫金属具有优异的冲击能量吸收特性。

在本发明实施例中，在泡沫金属基底上设置有导电导热膜，通常导电导热膜的厚度很薄，对泡沫金属基底的孔隙率以及机械性能的影响很小。因此，在本发明实施例中，泡沫金属基底的孔隙率与多孔结构体的孔隙率近似相同。优选地，在本发明实施例中，多孔结构体的孔隙率可以为10％至90％。因为，当孔隙率小于10％时，多孔结构体中的空气隙较少，因此对于外界声波激励的响应非常小，从而影响对外界声波的检测。当孔隙率大于90％时，泡沫金属基底的机械强度会降低，影响声波感测组件200的自支撑。

泡沫金属的制备有粉末冶金法和电镀法，前者通过向熔体金属添加发泡剂制得泡沫金属；后者通过电沉积工艺在聚氨酯泡沫塑料骨架上复制成泡沫金属。泡沫金属的材质可以为铝、镍、铜及其合金。

在泡沫金属基底上的导电导热膜可以为任何具有导电导热性能的膜。例如，导电导热膜可以为石墨烯膜。

石墨烯是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的电学和热学特性。石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm²/(V·s)，这一数值超过了硅材料的10倍。在低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm²/(V·s)。与很多材料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50K至500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm²/(V·s)左右。石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，高于单壁碳纳米管(3500W/mK)和多壁碳纳米管(3000W/mK)。当石墨烯作为载体时，导热系数也可达600W/mK。

石墨烯的常规生产方法可以包括机械剥离法、氧化还原法、外延生长法、化学气相沉积法。其中，化学气相沉积法是使用含碳有机气体为原料进行气相沉积制得石墨烯薄膜的方法。在本发明实施例中，例如，可以采用化学气相沉积法在泡沫金属基底上沉积形成石墨烯膜。

可选地，导电导热膜也可以为由碳纳米管形成的膜状结构。例如，可以通过在泡沫金属基底上沉积大量碳纳米管来形成声波感测组件200。

综上所述，本发明实施例提供的声学传感器包括：基板100；与基板100电连接的声波感测组件200，该声波感测组件200为多孔结构体，该多孔结构体包括泡沫金属基底以及设置在泡沫金属基底上的导电导热膜，其中，在电源经由基板100对声波感测组件200施加恒定电压时，声波感测组件200根据所接收到的声波而产生电信号。通过给声波感测组件200施加恒定电压，在其受到声波激励时，泡沫金属基底上的导电导热膜会由于声波引起空气密度变化而导致温度变化，进而引起导电导热膜内部电子运动状态发生变化并产生额外的电势，通过检测该额外的电势能够实现对声波的检测，该声学传感器的结构简单，降低了声学传感器出现故障的风险，保证了声学传感器的可靠性。

图3为本发明另一实施例提供的声学传感器的结构示意图，如图3所示，与图1中提供的声学传感器相比，声学传感器还包括信号采集组件500，信号采集组件500与声波感测组件200电连接，并且用于采集声波感测组件200所产生的电信号。

例如，信号采集组件500可以通过测量电极接触部400与声波感测组件200电连接。测量电极接触部400与电压电极接触部300类似，测量电极接触部400可以采用导电银浆形成。测量电极接触部400是用于实现信号采集组件500与声波感测组件200电连接，因此测量电极接触部400与基板100之间没有直接电连接。

在图3中尽管示出了测量电极接触部400位于声波感测组件200上下两端，但是不发明对此不做限制，测量电极接触部400也可以位于声波感测组件200的其他位置，只要测量电极接触部400与基板100之间没有直接电连接即可。

信号采集组件500可以为惠斯通电桥电路。图4中示出了采用惠斯通电桥电路采集声波感测组件200的输出信号的等效电路图。在图4中，S表示声波感测组件200，由于声波感测组件200的泡沫金属基底的电阻通常非常小，因此声波感测组件200的电阻主要由导电导热膜的电阻构成，V_B为偏置电压，三个电阻R1、R2和R3为平衡匹配电阻，阻值与导电导热膜的阻值相同，此时导电导热膜阻值变化引起电桥不平衡，从而得到输出电压信号。该电压信号经过滤波器(由电容C_F和电阻R_F组成)滤波后输出为V_S，进而声音采集卡在采集到V_S后得到声音信号。

具体地，设定导电导热膜在平衡状态下的阻值为R，在受到声音激励后的阻值为R+ΔR，R1＝R2＝R3＝R，因此惠斯通电桥桥臂输出电压为：

在该实施例中，声波感测组件200可以为薄片形状。如图5所示，声波感测组件200在垂直于基板100所在平面的方向上的尺寸远小于声波感测组件200在平行于基板100所在平面的方向上的尺寸。在这种情况下，声波沿不同方向入射到声波感测组件200上会产生不同大小的电压输出，当声波垂直于基板100所在平面入射时，导电导热膜表面的热量损失最大，此时输出信号最大，而从平行于基板100所在平面入射时，输出信号最小。

如图6所示，实线表示声音入射方向与基板100所在平面平行(即，入射角为90°)时的测量响应电压与频率关系，虚线表示声音入射方向与基板100所在平面垂直(即，入射角为0°)时的测量响应电压与频率关系，图6中的测量响应电压为测量得到的声波传感器响应于入射声音所产生的电压的有效值(单位为V_rms)，频率为入射声音的频率。从而，声波传感器实现了指向性。声波传感器的指向性指的是声波传感器从不同的方向拾取声音。在实际应用中，确定所使用的声波传感器的指向性至关重要，通过选用具有合适指向性的声波传感器并进行适当设置，可以降低声音的反馈并且提高拾音效果。

综上所述，在声学传感器中进一步设置了信号采集组件500，通过给声波感测组件200施加恒定电压，在其受到声波激励时，泡沫金属基底上的导电导热膜会由于声波引起空气密度变化而导致温度变化，进而引起导电导热膜内部电子运动状态发生变化并产生额外的电势，通过信号采集组件500检测该额外的电势能够实现对声波的检测，该声学传感器的结构简单，降低了声学传感器出现故障的风险，保证了声学传感器的可靠性。

图7为本发明又一实施例提供的声学传感器的结构示意图，如图7所示，与图1中提供的声学传感器相比，声学传感器还包括罩设在声波感测组件200周围的防尘组件600，防尘组件600用于防止外界污染物进入声波感测组件200中。

本发明实施例中的声波感测组件200为多孔结构体，在使用中，外界污染物(例如，灰尘)可能进入多孔结构体的空隙中，从而影响声学传感器的性能。因此，可以在声波感测组件200周围罩设防尘组件600，以防止外界污染物进入声波感测组件200中。防尘组件600可以为允许声波进入的网格状结构，其材质可以为金属或者塑料等等，本发明对此不做限制。

尽管在图7中示出了将基板100和声波感测组件200一起设置在防尘组件600内部，但是本发明不限于此，在实际应用中，除了声波感测组件200之外的其他组件可以设置在防尘组件600的内部或外部。

综上所述，通过在声波感测组件200周围罩设防尘组件600，进一步降低了声学传感器出现故障的风险，保证了声学传感器的可靠性。

图8为本发明一实施例提供的声学传感器的制造方法的流程示意图，如图8所示，该制造方法包括：

步骤801、设置基板。

可以设置基板，基板本身绝缘，基板设置有用于施加电压的导电引线。

步骤802、形成与基板电连接的声波感测组件。

其中，该声波感测组件为多孔结构体，该多孔结构体包括泡沫金属基底以及设置在泡沫金属基底上的导电导热膜，

首先形成如本发明前述实施例中所述的声波感测组件，然后将该声波感测组件通过例如导电银浆的导电接触部与基板电连接。从而可以通过基板对声波感测组件施加恒定电压，在声波感测组件受到声波激励时，声波感测组件根据所接收到的声波而产生电信号。

综上所述，通过本实施例提供的声学传感器的制造方法，可以形成本发明前述实施例中提供的声学传感器。通过给声波感测组件施加恒定电压，在其受到声波激励时，泡沫金属基底上的导电导热膜会由于声波引起空气密度变化而导致温度变化，进而引起导电导热膜内部电子运动状态发生变化并产生额外的电势，通过检测该额外的电势能够实现对声波的检测，该声学传感器的结构简单，降低了声学传感器出现故障的风险，保证了声学传感器的可靠性。

图9为本发明另一实施例提供的声学传感器的制造方法的流程示意图，导电导热膜可以为石墨烯膜，如图9所示，该制造方法包括：

步骤901、设置基板。

本步骤901与步骤801类似，在此不再赘述。

步骤902、设置泡沫金属基底。

可以形成本发明前述实施例中所述的泡沫金属基底，该泡沫金属基底的材质例如可以为铝、镍、铜或其合金。

步骤903、在泡沫金属基底上沉积石墨烯膜，得到声波感测组件。

可以通过化学气相沉积在泡沫金属基底上沉积石墨烯膜，借助泡沫金属基底的三维多孔骨架，可以生长成三维网络的石墨烯膜结构，从而得到由泡沫金属基底和石墨烯膜构成的声波感测组件。

步骤904、将声波感测组件与基板电连接。

可以通过例如导电银浆的导电接触部将声波感测组件与基板电连接。从而电源可以通过基板对声波感测组件施加恒定电压，在声波感测组件受到声波激励时，声波感测组件根据所接收到的声波而产生电信号。

综上所述，通过本实施例提供的声学传感器的制造方法，可以形成本发明前述实施例中提供的声学传感器。通过给声波感测组件施加恒定电压，在其受到声波激励时，泡沫金属基底上的石墨烯膜会由于声波引起空气密度变化而导致温度变化，进而引起石墨烯膜内部电子运动状态发生变化并产生额外的电势，通过检测该额外的电势能够实现对声波的检测，该声学传感器的结构简单，降低了声学传感器出现故障的风险，保证了声学传感器的可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种声学传感器，其特征在于，包括：

基板；

与所述基板电连接的声波感测组件，所述声波感测组件为多孔结构体，所述多孔结构体中存在空气间隙，所述多孔结构体包括泡沫金属基底以及设置在所述泡沫金属基底上的导电导热膜，

其中，在电源经由所述基板对所述声波感测组件施加恒定电压时，所述电压施加在所述导电导热膜上，当存在外界声波激励时，引起所述多孔结构体的空隙中的空气的密度变化，所述空气的密度变化引起所述导电导热膜的温度变化，所述导电导热膜的温度变化引起其内部电子运动状态发生变化，产生额外的电势，所述电势用于进行声波的检测；

所述声波感测组件的形状包括如下至少一种：立方体、圆柱体、薄片型、球体。

2.根据权利要求1所述的声学传感器，其特征在于，所述声波感测组件通过导电银浆与所述基板电连接。

3.根据权利要求1所述的声学传感器，其特征在于，还包括：

信号采集组件，所述信号采集组件与所述声波感测组件电连接，并且用于采集所述声波感测组件所产生的电信号。

4.根据权利要求3所述的声学传感器，其特征在于，所述信号采集组件为惠斯通电桥电路。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的声学传感器，其特征在于，所述导电导热膜为石墨烯膜。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的声学传感器，其特征在于，所述多孔结构体的孔隙率为10%至90%。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的声学传感器，其特征在于，还包括：

罩设在所述声波感测组件周围的防尘组件，所述防尘组件用于防止外界污染物进入所述声波感测组件中。

8.一种声学传感器的制造方法，其特征在于，包括：

设置基板；

形成与所述基板电连接的声波感测组件，所述声波感测组件为多孔结构体，所述多孔结构体中存在空气间隙，所述多孔结构体包括泡沫金属基底以及设置在所述泡沫金属基底上的导电导热膜；

其中，在经由电源对所述声波感测组件施加恒定电压时，所述电压施加在所述导电导热膜上，当存在外界声波激励时，引起所述多孔结构体的空隙中的空气的密度变化，所述空气的密度变化引起所述导电导热膜的温度变化，所述导电导热膜的温度变化引起其内部电子运动状态发生变化，产生额外的电势，所述电势用于进行声波的检测；

9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述导电导热膜为石墨烯膜；

所述形成与所述基板电连接的声波感测组件，包括：

设置所述泡沫金属基底；

在所述泡沫金属基底上沉积石墨烯膜，得到所述声波感测组件；

将所述声波感测组件与所述基板电连接。