声波传感器及包括其的胎心监测装置的制作方法

本实用新型涉及纳米发电机技术领域，特别涉及一种声波传感器及包括其的胎心监测装置。

背景技术：

目前，在怀孕28周后应对胎心音每日听一次，每次一分钟，以便监测胎儿的健康状况，通过产前对胎心音进行监测能够及时了解胎儿在宫内的健康状况，以便及时发现健康问题。

相关技术中，基于多普勒超声波技术的入侵型胎心监测系统可以拾取胎心胎音信号，虽然入侵式超声波强度比周围噪声信号强，适用于各个阶段，受宫缩影响较小，但是超声波对母体和胎儿都存在伤害，并且不适合长期使用，有待改进。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本实用新型的一个目的在于提出一种声波传感器，该声波传感器可以长期使用，健康安全，而且传感器的灵感度高，成本低，简单易实现。

本实用新型的另一个目的在于提出一种胎心监测装置。

为达到上述目的，本实用新型一方面提出了一种声波传感器，包括：第一高分子聚合物层和发电层，其中，

所述第一高分子聚合物层的表面设有微突起；

所述发电层覆盖于所述第一高分子聚合物层的表面，使得所述微突起与所述发电层之间构成多个腔体，声波进入腔体发生振动时，所述发电层在振动作用下发生形变和/或所述发电层与所述第一高分子聚合物层发生接触分离，输出电信号。

进一步地，所述发电层包括压电层、第一电极层和第二电极层，其中，所述第一电极层和所述第二电极层为分别设置在所述压电层两侧表面的金属层。

进一步地，所述发电层可以为金属薄膜且所述金属薄膜与所述第一高分子聚合物层相对的表面构成摩擦界面。

进一步地，所述发电层可以包括第二高分子聚合物层以及第三电极层，其中，所述第三电极层为设置在所述第二高分子聚合物层远离所述第一高分子聚合物层一侧表面的金属或金属氧化物，所述第二高分子聚合物层与所述第一高分子聚合物层相对的表面构成摩擦界面。

进一步地，还包括：

多个通孔，所述多个通孔设置于所述第一高分子聚合物层上，并且所述多个通孔中至少一个通孔与所述多个腔体中任意一个腔体连通。

进一步地，还包括：

拾音装置，所述拾音装置用于屏蔽噪音。

可选地，所述拾音装置为拾音腔。

可选地，所述第一高分子聚合物层可以为PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)薄膜。

可选地，所述第一高分子聚合物层的厚度可以为5μm-50μm，且通孔的直径可以为50μm-1.5mm。

本实用新型另一方面提出了一种胎心监测装置，包括：

上述的声波传感器，所述声波传感器用于检测胎心音并输出电信号；

信号处理模块，所述信号处理模块与所述声波传感器相连，用于根据所述电信号得到预设时间内胎心音次数。

进一步地，所述信号处理模块包括：

放大电路，所述放大电路与所述声波传感器相连；

滤波电路，所述滤波电路与所述放大电路相连；

模数转换电路，所述模数转换电路与所述滤波电路相连；

电压限定电路，所述电压限定电路与所述模数转换电路相连；

数据处理电路，所述数据处理电路与所述电压限定电路相连。

根据本实用新型提出的声波传感器及包括其的胎心监测装置，通过微突起与发电层之间构成的多个腔体，从而在声波进入腔体发生振动时，发电层在振动作用下发生形变和/或发电层与第一高分子聚合物层发生接触分离，进而输出电信号，不但可以长期使用，健康安全，而且传感器的灵感度高，成本低，简单易实现。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本实用新型一个实施例的声波传感器的结构示意图；

图2为根据本实用新型一个实施例一的声波传感器的结构示意图；

图3为根据本实用新型一个实施例二的声波传感器的结构示意图；

图4为根据本实用新型一个实施例三的声波传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参照附图对本实用新型实施例的声波传感器进行详细描述。图1为根据本实用新型实施例的声波传感器的结构示意图。该声波传感器10包括：第一高分子聚合物层100和发电层200。

其中，如图1所示，第一高分子聚合物层100的表面设有微突起。

发电层200覆盖于第一高分子聚合物层100的表面，使得微突起与发电层之间构成多个腔体(如腔体301所示)，声波进入腔体发生振动时，发电层200在振动作用下发生形变和/或发电层200与第一高分子聚合物层100发生接触分离，输出电信号。本实用新型实施例的声波传感器10能感测声波信号并产生弹性形变，从而输出电信号，不但可以长期使用，健康安全，而且传感器的灵感度高，成本低，简单易实现。

可选地，第一高分子聚合物层可以为PDMS薄膜。可以理解的是，如图1所示，PDMS薄膜的表面可以进行微处理得到微突起，进而PDMS微突起和发电层之间构成腔体。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，如图1所示，本实用新型实施例的声波传感器10还包括：多个通孔(如通孔401所示)。其中，多个通孔设置于第一高分子聚合物层100上，并且多个通孔中至少一个通孔与多个腔体中任意一个腔体连通，如通孔401和腔体301所示。

可选地，第一高分子聚合物层100的厚度可以为5μm-50μm，微突起的尺寸可以为5nm-2.5mm，且通孔的直径可以为50μm-1.5mm。

举例而言，PDMS厚度5μm-50μm，优选微突起的尺寸为纳米/微米级别，PDMS薄膜分布有通孔，通孔尺寸50μm-1.5mm，通孔的分布可以均匀分布或非均匀分布，可以包含一个微孔或多个微孔，优选通体穿孔。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，如图2所示，发电层200包括压电层201、第一电极层202和第二电极层203，其中，第一电极层201和第二电极层202为分别采用涂覆、蒸镀、磁控溅射等方式设置在压电层201两侧表面的金属层。

可以理解的是，如图2所示，在本实用新型的实施例一中，声波传感器10的结构为“电极层-压电层-电极层”结构的纳米压电发电机，如Ag/PVDF压电膜/Ag结构，即压电层201可以为PVDF压电膜，第一电极层202和第二电极层203为分别设置在PVDF压电膜两侧表面的Ag金属层，从而声波经通孔进入腔体中产生振动时，纳米压电发电机在振动作用下发生形变，从而使得声波传感器10输出电信号。其中，第一高分子聚合物层100与Ag金属层在该振动作用下也会发生接触分离摩擦，产生电荷，从而有助于提高声波传感器10的信号输出。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，如图3所示，发电层200可以为金属薄膜204且金属薄膜204与第一高分子聚合物层100相对的表面构成摩擦界面。

可以理解的是，在本实用新型的实施例二中，声波传感器10为高分子聚合物与电极摩擦的纳米摩擦发电机，从而声波经通孔进入腔体产生振动时，第一高分子聚合物层100与作为输出电极的金属薄膜204不断接触分离，输出电信号。本实用新型实施例中的摩擦纳米发电机为单电极结构摩擦发电机，另一个输出电极为大地。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，如图4所示，发电层200可以包括第二高分子聚合物层205以及第三电极层206，其中，第三电极层206为采用涂覆、蒸镀或磁控溅射等方式设置在第二高分子聚合物层205远离第一高分子聚合物层100一侧表面的金属或金属氧化物，第二高分子聚合物层205与第一高分子聚合物层100相对的表面构成摩擦界面。

可以理解的是，在本实用新型的实施例三中，声波传感器10为高分子聚合物与高分子聚合物摩擦的纳米摩擦发电机，例如第二高分子聚合物层205采用BOPP(Biaxially Oriented Polypropylene，双向拉伸聚丙烯薄膜)薄膜，第二高分子聚合物层205与第一高分子聚合物层100相对的表面构成摩擦界面，从而声波经通孔进入腔体产生振动时，两摩擦界面在振动作用下不断接触分离，产生电信号输出。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，本实用新型实施例的声波传感器10还包括：拾音装置。其中，拾音装置用于屏蔽噪音。

可选地，在本实用新型的一个实施例中，拾音装置可以为拾音腔，进而声波传感器10可以设置在拾音腔内，有效屏蔽外界噪声干扰。

下面对实施例的声波传感器的工作原理进行详细的介绍。

举例而言，如图1所示，第一高分子聚合物层100的微突起与发电层200之间构成腔体，腔体与通孔相连，可以形成Helmholtz共振腔，第一高分子聚合物层100、发电层200及通孔之间形成消声结构，声波经通孔进腔体中产生共振，从而激励声波传感器10形变产生电荷。例如，在声波传感器10用于感测胎心音时，本实用新型实施例的声波传感器10中纳米发电机作为胎心监测装置的无源传感器，其可以用于感测胎儿心音的振动，进而对检测电路输出电信号。

根据本实用新型实施例提出的声波传感器，通过微突起与发电层之间构成的多个腔体，从而在声波进入腔体发生振动时，发电层在振动作用下发生形变和/或发电层与第一高分子聚合物层发生接触分离，进而输出电信号，不但可以长期使用，健康安全，而且传感器的灵感度高，成本低，简单易实现。

此外，本实用新型的实施例还提出了一种胎心监测装置，该胎心监测装置包括上述的声波传感器和信号处理模块。其中，声波传感器用于检测胎心音并输出电信号。信号处理模块与声波传感器相连，用于根据电信号得到预设时间内胎心音次数。本实用新型实施例的胎心监测装置可以有效避免多普勒超声波技术对胎儿的健康影响，且可以长期使用，灵敏度高，成本低，有效满足用户的使用要求。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，信号处理模块包括：放大电路、滤波电路、模数转换电路、电压限定电路和数据处理电路。

其中，放大电路与声波传感器相连。滤波电路与放大电路相连。模数转换电路与滤波电路相连。电压限定电路与模数转换电路相连。数据处理电路与电压限定电路相连。

可以理解的是，声波传感器用于将胎心音的振动作用在纳米发电机上的压力转换为电信号，而信号处理模块与声波传感器的输出端相连，以将声波传感器输出的电信号进行转换。具体地，放大电路用于将声波传感器的电信号进行放大，滤波电路用于滤除放大电路输出放大后的电信号中的杂波。模数转换电路用于将滤波后的模拟信号转换为数字信号。

进一步地，电压限定电路用于滤除胎心音产生的电信号之外的电信号。数据处理电路用于根据电压限定电路输出的滤除后的电信号得到预设时间内胎心音次数。

可以理解的是，由于纳米发电机的输出电压与其所受的作用力呈近似正比的关系，除胎心音能使声波传感器输出电信号以外，其它杂音也不可避免的会使声波传感器产生电信号输出，因此利用电压限定电路将胎心音以外的电压输出进行滤除，即用于滤除由胎心音振动而输出的电信号之外的电信号。数据处理电路对接收到的信号进行处理，从而计算出一定时间内胎心音次数，时间可以由本领域技术人员进行设置，在此不作具体限制。

下面对本实用新型实施例的胎心监测装置的工作原理进行详细的介绍。

在使用本实用新型实施例的胎心监测装置时，胎心音的振动会使得声波传感器中产生振动，尤其是在发生共振时，其振动幅度最大，从而激励声波传感器10产生电荷，声波传感器将电信号输出，信号处理模块对接收到的电信号进行处理得到一定时间内胎心音次数，实现对胎儿的健康状况的监测，以便及时发现健康问题。

根据本实用新型实施例提出的胎心监测装置，通过声波传感器对胎心音进行监测，不但可以长期使用，健康安全，而且传感器的灵感度高，成本低，简单易实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。