[发明专利]一种基于二维薄膜的高灵敏度微型自供电声电转换器

说明书

本发明提出的一种基于二维薄膜的高灵敏度微型自供电声电转换器，包括依次层叠的衬底、由多个电极形成的电极层和具有压电效应或类压电效应的二维薄膜；通过对所述衬底的选择性刻蚀在衬底内形成多个彼此独立且大小不一的空腔，所述电极层内各电极位于衬底上未设置空腔的范围。本发明通过二维薄膜下的一定体积的空腔，使声波能够在空腔内充分反射从而能在二维薄膜的两侧共同对其作用，增大振幅，同时利用部分二维薄膜存在的压电效应或类压电效应，将声信号转换为电信号，以实现声电转换功能，具有突出的灵敏度和自供电特点，在可穿戴电子领域特别是人工耳蜗应用方面具有突出应用前景。

技术领域

本发明属于声电转换器技术领域，具体涉及一种基于二维薄膜的高灵敏度微型自供电声电转换器。

背景技术

随着电子产品技术的发展进步，声电转换器在各类电子设备中应用广泛。

作为一种能量转换器，目前电容式声电转换是较为广泛使用的一类。电容式声电转换器由振膜、壳体、后极板和绝缘体组成。振膜一般是导电体，借助于膜环或直接张紧在壳体的顶端，与后极板保持平行并有微小间距形成一个平行板电容器，设该平行板电容器的电容量为C₀，在声波作用下振膜产生振动产生电容变化量ΔC₀，当平行板电容器两端加有极化电压E0时，平行板电容器充上电荷Q＝E₀*C₀，由于电荷Q是常量，声压作用后的电容量变化就转变成电压量变化而实现声电变换。振膜一般采用金属或高分子材料。但金属材料振膜在高频和高声压条件下使用仍不尽人意，且抗腐蚀性差，无法全天候使用；同时高分子材料面临着易老化和脆裂问题，导致稳定性和使用寿命有待提升。

随着可穿戴技术需求的不断增大，微型化、柔性化与可植入性成为了目前声电转换装置的瓶颈问题，尤其是人工耳蜗领域。而传统的电容式声电转换装置由于其电容极板间过于狭窄的间隔面临着难以微型化的问题。虽然国外有学者提出基于压电薄膜聚偏氟乙烯(PVDF)的声电转换器件，然而PVDF薄膜厚度仍为40微米，声灵敏度有待提升。对于高分子材料而言，由于其特性导致难以在柔性衬底上有适用。所以目前而言，对于微型声电转换器，如何进一步缩小化，且具有柔性与可植入性，成为了亟待解决的关键问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于二维薄膜的高灵敏度微型自供电声电转换器，本发明通过使用具有压电性质的二维薄膜作为声电转换器的核心，结合其不同悬空面积以达到广波段的声音捕获，提升声电转换效率，由于二维薄膜具有极强的可延展性，无论是硬质基底还是柔性基底都能较好的工作，能够广泛应用在微型、柔性化声电转换领域。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种基于二维薄膜的高灵敏度微型自供电声电转换器，其特征在于，包括依次层叠的衬底、电极层和具有压电效应或类压电效应的二维薄膜；衬底内形成有多个彼此独立且大小不一的空腔，所述电极层内各电极位于衬底上未设置空腔的范围。

本发明特点及有益效果：

本发明对于如何实现声电转换器的微型化与柔性化提出了一种全新的解决方案。其原理是结合二维薄膜下的一定体积的空腔，即共鸣腔，使声波能够在腔体内充分反射从而能在二维薄膜的两侧共同对其作用，增大振幅，同时利用二维薄膜存在的压电效应或类压电效应，将声信号转换为电信号，以实现声电转换功能。此外，二维材料自身也有着极大的优势，首先可以降低声电转换器的重量，有利于其微型化发展，此外二维薄膜自身具有极强的可延展性，无论是在硬质基底还是在柔性基底都能较好的工作，有望实现在柔性和可穿戴领域的应用，同时，二维薄膜极薄的厚度能进一步提升声电转换的灵敏度，其压电效应有望实现自供电功能。本发明声电转换器的制备工艺与传统硅基工艺相容，能够结合集成电路工艺实现声电转换产品的微型化，例如在人工耳蜗领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于二维薄膜的高灵敏度微型自供电声电转换器的剖视图。