收发一体式石墨烯声传感器的制作方法

本发明涉及一种高性能收发一体式石墨烯声传感器，可应用于医学成像、检测、电子产品通讯等方面。

背景技术：

声传感器是一种可以将声音信号与电信号相互转化的换能器。利用声传感器，可以接收自然界中的声音信号并将其转化为电信号，进一步转化为其他物理信号，如超声测距仪；也可以将电信号转化为声音信号，如扬声器。目前广泛使用在消费电子产品领域中的声传感器有电容式麦克风，其利用电容原理，将下极板固定，将可振动的薄膜制作为上极板。保证极间电压不变，当薄膜感受到外界声波时，会发生相应的振动，接着偏离原平衡位置，改变两极板间距离，使电容值发生改变。

电容式麦克风在接收声音信号方面有着较好的性能，但是其在发声方面存在不足。给上极板(薄膜)的电信号激励不能过大，使得薄膜的振幅很小，转化的声音信号不能满足要求，所以这也限制了电容式麦克风的收发一体的功能，此外，由于目前电容式麦克风使用薄膜材料的限制，使得其在频率响应方面，无法满足一些产品的要求。

技术实现要素：

本发明就是要克服现有技术的不足，提供一种高性能收发一体的石墨烯声传感器。

为达到上述目的，本发明设计了一种收发一体的石墨烯声传感器，包括从上至下依次布置的上极板、电磁线圈和下极板，其中与上下极板与电磁线圈接触部分设有绝缘层，且所述上极板附着有石墨烯薄膜层，其特殊之处在于：所述下极板包括支撑板和铜基底，所述铜基底与绝缘层接触，还包括通过选择开关接入上下极板的声音接收电路和声音发射电路，所述声音接收电路接入直流稳压电源，产生的电压信号通过放大电路输出；所述声音发射电路串联进直流稳压电源和交流电源，其中交流电源通过放大器接入有电磁线圈。

进一步地，所述声音接收电路和声音发射电路共用直流稳压电源，所述交流电源由选择开关接入。

进一步地，所述石墨烯薄膜层的半径为1mm，厚度为50μm。该薄膜的中心频率可达520khz，可以提高传感器的频响带宽。

进一步地，所述绝缘层为环状结构，外径与石墨烯薄膜半径相等，内径为0.6mm，由pvc树脂制成，该结构不仅可以起到支撑绝缘的作用，还可以避免对磁路的阻碍，是电磁线圈发挥最大的作用。

进一步地，所述电磁线圈有由多匝线径相同的漆包线组成，整体为环状结构，该环状结构的外径为1mm，内径为0.4mm，厚度为100μm。该环状电磁线圈在通入电流后，可在线圈内部产生较强的磁场，提高传感器的信号输出。

进一步地，所述下极板的支撑板外径为1mm，铜基底厚度为50μm，支撑板厚度100μm。

本发明利用高物理性能的石墨烯薄膜作为振动膜，使声传感器实现更宽的频率响应，设计了收发一体电路，可以随时切换收发状态，本发明不仅可以接收更宽频率范围的声音信号，并且在引入电磁线圈后，提高石墨烯薄膜的振辐，使传感器输出的声压级在输入电压一定时得到提高，可以实现高灵敏度的信号发射，满足更高的发射要求，本发明独特的结构布置配合收发一体电路，完全实现了高效收发声音信号的功能。

和现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

(1)该声传感器可以高性能地接收和发射声音于一体，采用电磁激励，尤其在发声方面的效果优于普通电容式麦克风。

(2)使用了石墨烯薄膜，使得该声传感器不仅可探测人耳能听到的声音，还能对超声波进行探测。

(3)结合相关手段，该传感器可单独使用，用于电子产品通讯、微小检测等领域，也可被制成传感器阵列用来测距、成像、工业无损检测等。

附图说明

图1为本发明整体结构分层图；

图2为本发明控制流程图；

图3为本发明电路原理示意图。

图中：上极板1、基底1.1、石墨烯薄膜层1.2、电磁线圈2、绝缘层3、下极板4、铜制极板4.1、支撑板4.2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

见图1，本发明为高性能收发一体式石墨烯薄膜声传感器，包括上极板1、电磁线圈2、绝缘层3和下极板4，电磁线圈2位于上极板1和下极板4之间，与上下极板接触部分都有绝缘层；上极板包括基底1.1和基底附着的石墨烯薄膜层1.2；下极板4为铜制极板4.1和支撑板4.2，支撑板4.2下布设对应的信号放大电路单元。本具体实施中，基底1.1为sio2基底，石墨烯薄膜半径为1mm、厚度为50μm，其一角可以连接外部电路；绝缘层3均为一圆环，外径与薄膜半径相等，内径为0.6mm，由pvc树脂制成，可起绝缘以及支撑的作用。第一绝缘层位于上极板与电磁线圈之间，第二绝缘层位于电磁线圈2与下极板4之间，电磁线圈2由多匝线径相同的漆包线组成，其可看为一圆环，外径为1mm，内径为0.4mm，厚度为100μm。下极板为铜基底与支撑板外径为1mm，铜基底厚度为50μm，支撑板4.2厚度100μm，铜基底上一角可连接外部电路，具体是接支流源负极。本设计中支撑板均为pcb板。

见图2，本发明在接收声音信号时，具体实施为：上极板与下极板之间施加直流恒定电压，当薄膜受到一定声压时，产生振动，极间距离发生变化，电容发生变化，由于电压不变，所以会产生交变信号，经放大电路可输出满足要求的电信号；在发出声音信号时，具体实施为：上极板与下极板之间施加直流恒定电压和一个交流电信号，交流信号通过可导电的石墨烯薄膜时会产生电磁场，并且交流信号通过放大电路接入电磁线圈，产生交变电磁力使薄膜上下振幅变大，产生满足要求的声音信号。电磁线圈绝缘，材料为铜，螺旋状绕制。

图3是电路原理图，图中，电路由电容c、电阻r1、直流电源dc、交流电源ac放大器、电磁线圈、电源开关s1和选择开关spdt1组成。c电容表示电路连接的上极板和下极板，当用于接收声音信号时，s1闭合，spdt1拨到1，电路中仅接入直流稳压源dc，此时c电容发生变化，会导致电阻r1处存在交变电信号，经放大器a1可以输出给控制器；当用于发射声音信号时，s1闭合，spdt1拨到2，电路中接入直流稳压源dc和交流电源ac，交流电源ac发出一交流电信号，该信号通过电容c，使上极板产生振动并且产生电磁力，交流电信号通过放大器a2接入电磁线圈，产生较强的电磁力。从而与上极板相互作用，使薄膜的振幅提高，产生较强的声音信号，使整个声传感器具有了收发一体，高性能信号输出的能力。具体为石墨烯薄膜在通入交流信号后，会产生磁场，此时电磁线圈中通入放大的交流信号，在一个信号周期内石墨烯薄膜与电磁线圈会产生周期性的相互作用力，吸引力或者斥力，由于电磁线圈位置固定，此时薄膜周期性振动。

应用本发明时，放大电路单元a1的信号输出可连接基于stm32的控制器，利用该控制器可实时监测电容的变化，接受声音时，采集到的电信号经过处理可用于控制执行机构。在传感器发声时，也可控制交流电信号的输出，进一步对声传感器的发出声音的频率和声压级进行控制，得到满足要求的声音信号。

技术特征：

1.一种收发一体的石墨烯声传感器，包括从上至下依次布置的上极板、电磁线圈和下极板，其中与上下极板与电磁线圈接触部分设有绝缘层，且所述上极板附着有石墨烯薄膜层，其特征在于：所述下极板包括支撑板和铜基底，所述铜基底与绝缘层接触，还包括通过选择开关接入上下极板的声音接收电路和声音发射电路，所述声音接收电路接入直流稳压电源，产生的电压信号通过放大电路输出；所述声音发射电路串联进直流稳压电源和交流电源，其中交流电源通过放大器接入有电磁线圈。

2.根据权利要求1所述的收发一体的石墨烯声传感器，其特征在于：所述声音接收电路和声音发射电路共用直流稳压电源，所述交流电源由选择开关接入。

3.根据权利要求1所述的收发一体的石墨烯声传感器，其特征在于：所述石墨烯薄膜层的半径为1mm，厚度为50μm。该薄膜的中心频率可达520khz，可以提高传感器的频响带宽。

4.根据权利要求1所述的收发一体的石墨烯声传感器，其特征在于：所述绝缘层为环状结构，外径与石墨烯薄膜半径相等，内径为0.6mm，由pvc树脂制成，该结构不仅可以起到支撑绝缘的作用，还可以避免对磁路的阻碍，是电磁线圈发挥最大的作用。

5.根据权利要求1所述的收发一体的石墨烯声传感器，其特征在于：所述电磁线圈有由多匝线径相同的漆包线组成，整体为环状结构，该环状结构的外径为1mm，内径为0.4mm，厚度为100μm。该环状电磁线圈在通入电流后，可在线圈内部产生较强的磁场，提高传感器的信号输出。

6.根据权利要求1所述的收发一体的石墨烯声传感器，其特征在于：所述下极板的支撑板外径为1mm，铜基底厚度为50μm，支撑板厚度100μm。

技术总结
本发明设计了一种收发一体的石墨烯声传感器，包括从上至下依次布置的上极板、电磁线圈和下极板，其中与上下极板与电磁线圈接触部分设有绝缘层，且所述上极板附着有石墨烯薄膜层，所述下极板包括支撑板和铜基底，所述铜基底与绝缘层接触，还包括通过选择开关接入上下极板的声音接收电路和声音发射电路，所述声音接收电路接入直流稳压电源，产生的电压信号通过放大电路输出；所述声音发射电路串联进直流稳压电源和交流电源，其中交流电源通过放大器接入有电磁线圈。本发明独特的结构布置配合收发一体电路，完全实现了高效收发声音信号的功能。

技术研发人员：郭新华;安佳宝
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2019.07.23
技术公布日：2019.11.15