專利名稱：一種基于微穿孔板結構的噪聲發(fā)電器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及降噪技術與能量收集技術領域，是一種基于微穿孔板結構的噪聲發(fā)電器件。
背景技術：
噪聲對人們的正常作息，機器設備的使用壽命以及軍事裝備的生存能力都有著很大的影響。常用的降噪方法主要有吸聲材料法和吸聲結構法。吸聲材料法通常是指利用多孔性吸聲材料降低噪音的方法，主要包括有機纖維、無機纖維、金屬纖維、泡沫金屬、泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫聚合物等；吸聲結構法主要是使用亥姆霍茲共振器以及在其基礎上發(fā)展得到的微孔板等共振吸聲結構來吸聲降噪。吸聲材料對中低頻噪聲的吸收效果較差，而共振吸聲結構則對其有很好的吸收，適當設計共振結構的參數，可以實現微穿孔板降噪結構的寬頻噪聲吸收。目前制作微穿孔板主要采用的是機械加工方法，小孔孔徑難以進一步縮小，當制備的小孔密度較高時，制作成本高，誤差大，共振腔吸聲帶寬小，難以滿足實際應用的需要。另一方面，隨著各種微傳感器、微執(zhí)行器和其它微系統(tǒng)的不斷發(fā)展，人們希望能夠將微能源以某種方式與各種微器件集成起來。使用微電子機械系統(tǒng)技術(MEMS)研究和制造降噪與聲能收集器件，就是為了將環(huán)境中的聲能轉化為電能，為微型系統(tǒng)收集能量。目前振動能量收集器件主要采用懸臂梁、薄膜、靜電、納米線陣列等特殊結構，然而這些器件在設計的時候往往只是注重能量收集，而沒能兼顧到吸聲降噪的需要。噪聲吸收的實質是聲能逐漸衰減和轉化的過程。在現有吸聲結構的基礎上，增加將噪聲的聲能轉化為電能的部分，則可以提高聲能的轉化，提升結構的降噪性能。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決現有技術存在的問題，提供一種既能有效降低噪音，又能實現噪聲能量向電能的轉化，降噪與能量收集二者互相促進的基于微穿孔板結構的噪聲發(fā)電器件。為了實現上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是:—種基于微穿孔板結構的噪聲發(fā)電器件，包括微穿孔硅片(I)、導電支架(2)、敏感壓電薄膜(3)、引出電極(4)、薄膜支撐體(5);其微穿孔硅片(I)和薄膜支撐體(5)分別封閉式固接于筒狀導電支架(2)兩端，共同圍成一封閉空間，形成共振腔；微穿孔硅片(I)上設有多個均布的通孔，微穿孔硅片(I)固置于導電支架(2)的上方，朝向聲波入射的方向；薄膜支撐體(5)固置于導電支架(2)的下方，處于共振腔的底部；多個敏感壓電薄膜(3)固接于薄膜支撐體(5)內側面，排成陣列；多個敏感壓電薄膜⑶的上下表面分別與引出電極⑷電連接，多個引出電極⑷分別與外電路電連接，將電荷傳導出去；微穿孔硅片(I)、導電支架(2)、敏感壓電薄膜(3)與薄膜支撐體(5)共同圍成的封閉空間，使之成為微穿孔硅片(I)的共振吸聲結構；敏感壓電薄膜(3)、引出電極(4)與薄膜支撐體(5)構成薄膜式振動能量收集結構。所述的降噪與能量收集器件，其所述敏感壓電薄膜(3)，為壓電材料層；引出電極(4)包括上、下電極，上電極的下表面與敏感壓電薄膜(3)的上表面相連接，敏感壓電薄膜(3)的下表面與下電極的上表面相連接，敏感壓電薄膜(3)在兩個電極層之間，將二者隔開；敏感壓電薄膜(3)、引出電極(4)形成上下兩層為導電體，中間層為壓電體的夾層結構；每個敏感壓電薄膜(3)下方的薄膜支撐體(5)硅材料被刻蝕掉，使敏感壓電薄膜
(3)形成懸空的薄膜結構。所述的降噪與能量收集器件，其所述微穿孔硅片(I)的通孔為圓形、方形或三角形其中之一或它們的組合；根據不同的需要，通孔的直徑為從數十微米到數個厘米之間。所述的降噪與能量收集器件，其所述導電支架(2)為任意形狀的空心筒狀支撐體，微穿孔硅片(I)和薄膜支撐體(5)的周邊形狀與導電支架(2)的橫截面相適配。所述的降噪與能量收集器件，其所述敏感壓電薄膜(3)為方形、圓形或三角形其中之一。所述的降噪與能量收集器件，其所述敏感壓電薄膜(3)、引出電極(4)形成的夾層結構，是在薄膜支撐體(5)上分別采用磁控濺射技術依次淀積下電極層、壓電材料層和上電極層，分步制備而成。所述的降噪與能量收集器件，其所述薄膜支撐體(5)的上表面與引出電極(4)下電極的下表面相連，作為敏感壓電薄膜(3)的支撐。本發(fā)明的優(yōu)點:采用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術制作，結構簡單，能批量制備，可實現寬頻帶的噪聲吸收，可同時實現吸聲降噪與振動能量收集兩種功能，且二者相互促進。本發(fā)明所述的降噪與聲能收集器件可以廣泛地應用于噪聲控制、微系統(tǒng)與物聯網等領域。


圖1為本發(fā)明所述的一種基于微穿孔板結構的噪聲發(fā)電器件的結構示意圖；圖2為本發(fā)明所述的一種基于微穿孔板結構的噪聲發(fā)電器件的俯視圖；圖3為本發(fā)明所述的一種基于微穿孔板結構的噪聲發(fā)電器件的側面圖；圖4為本發(fā)明所述的一種基于微穿孔板結構的噪聲發(fā)電器件的仰視圖。
具體實施例方式本發(fā)明的一種基于微穿孔板結構的噪聲發(fā)電器件:聲音經過微穿孔板進入共振腔內，引起腔內空氣振動而減少對外的聲能反射；同時腔內振動的空氣引起底板上敏感壓電薄膜的振動，從而產生極化電荷，并通過上下電極將電荷從壓電薄膜表面收集出來。具體原理如下:將小孔看作一個細管，管兩端之間加一個壓差，引起管內氣體流動，根據小管聲阻抗率公式可得
權利要求
1.一種基于微穿孔板結構的噪聲發(fā)電器件，包括微穿孔硅片(I)、導電支架(2)、敏感壓電薄膜(3)、引出電極(4)、薄膜支撐體(5);其特征是:微穿孔硅片⑴和薄膜支撐體(5)分別封閉式固接于筒狀導電支架(2)兩端，共同圍成一封閉空間，形成共振腔；微穿孔硅片(I)上設有多個均布的通孔，微穿孔硅片(I)固置于導電支架(2)的上方，朝向聲波入射的方向；薄膜支撐體(5)固置于導電支架(2)的下方，處于共振腔的底部； 多個敏感壓電薄膜(3)固接于薄膜支撐體(5)內側面，排成陣列；多個敏感壓電薄膜(3)的上下表面分別與引出電極⑷電連接，多個引出電極⑷分別與外電路電連接，將電荷傳導出去； 微穿孔硅片(I)、導電支架(2)、敏感壓電薄膜(3)與薄膜支撐體(5)共同圍成的封閉空間，使之成為微穿孔硅片(I)的共振吸聲結構；敏感壓電薄膜(3)、引出電極(4)與薄膜支撐體(5)構成薄膜式振動能量收集結構。
2.根據權利要求1所述的降噪與能量收集器件，其特征是:所述敏感壓電薄膜(3)，為壓電材料層；引出電極( 4)包括上、下電極，上電極的下表面與敏感壓電薄膜(3)的上表面相連接，敏感壓電薄膜(3)的下表面與下電極的上表面相連接，敏感壓電薄膜(3)在兩個電極層之間，將二者隔開；敏感壓電薄膜(3)、引出電極(4)形成上下兩層為導電體，中間層為壓電體的夾層結構； 每個敏感壓電薄膜(3)下方的薄膜支撐體(5)娃材料被刻蝕掉,使敏感壓電薄膜(3)形成懸空的薄膜結構。
3.根據權利要求1所述的降噪與能量收集器件，其特征是:所述微穿孔硅片(I)的通孔為圓形、方形或三角形其中之一或它們的組合；根據不同的需要，通孔的直徑為從數十微米到數個厘米之間。
4.根據權利要求1所述的降噪與能量收集器件，其特征是:所述導電支架(2)為任意形狀的空心筒狀支撐體，微穿孔硅片(I)和薄膜支撐體(5)的周邊形狀與導電支架(2)的橫截面相適配。
5.根據權利要求1或2所述的降噪與能量收集器件，其特征是:所述敏感壓電薄膜(3)為方形、圓形或三角形其中之一。
6.根據權利要求1或2所述的降噪與能量收集器件，其特征是:所述敏感壓電薄膜(3)、引出電極(4)形成的夾層結構，是在薄膜支撐體(5)上分別采用磁控濺射技術依次淀積下電極層、壓電材料層和上電極層，分步制備而成。
7.根據權利要求1所述的降噪與能量收集器件，其特征是:所述薄膜支撐體(5)的上表面與引出電極(4)下電極的下表面相連，作為敏感壓電薄膜(3)的支撐。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微穿孔板結構的噪聲發(fā)電器件，涉及降噪技術與能量收集技術，包括微穿孔硅片、導電支架、敏感壓電薄膜、引出電極、薄膜支撐體。微穿孔硅片是吸聲降噪的結構；導電支架既可形成共振吸聲結構所需的空腔，又可作為連接壓電薄膜上電極的結構；下方具有壓電薄膜的硅片一方面將共振腔封閉，另一方面硅片上懸空的壓電薄膜能夠在聲波的作用下不斷振動，產生極化電荷，并通過上下兩層薄膜電極將電荷收集起來。本發(fā)明利用微機械電子加工技術，將硅片制作成微穿孔板結構以降低噪聲，同時將噪聲中所包含的聲能作為能量收集器件的能量來源，將聲能轉化為電能，使降噪與發(fā)電互為促進，具有結構簡單、可批量制備的特點。
文檔編號H02N2/18GK103219918SQ20121001954
公開日2013年7月24日 申請日期2012年1月20日 優(yōu)先權日2012年1月20日
發(fā)明者趙湛, 吳少華, 杜利東, 郭麗君, 方震 申請人:中國科學院電子學研究所