扬声器与传声器 ＠ ｓ ＠圃 ＠０， 囿响 咖６＠ ＠ 响⑥响Ｂ 文章编号：１００２—８６８４（２０１０）０９—００１７—０４ 压电驻极体材料与电声器件 吴宗汉 ，欧阳小禾 ，朱彪 ・产品介绍・ （１．东南大学物理系，江苏南京２１００９６；２．深圳豪恩声学股份有限公司，广东深圳５１８１０９） 【摘 要】含封闭孔洞结构的聚合物薄膜经过适当的电极化处理后表现出突出的压电活性。由于它同时具有压电 材料和驻极体的特点，被命名为压电驻极体。说明了压电驻极体薄膜的制各方法，以及在传声器上的应用，并给出 了制备样品的电声参数：采用的压电驻极体薄膜的准静态压电系数ｄ 为２００ ｐＣ／Ｎ，其制成的传声器灵敏度 为一６１，７４ ｄＢ，与理论计算结果相符。新型的压电传声器的优点在于其设计简单，体积小，可靠性高和成本低，同时外 观和尺寸有较大可变空间范围。 【关键词】压电驻极体；传声器；电声器件 【中图分类号】ＴＮ６４１；ＴＮ６４３ 【文献标识码】Ａ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｅｔ ｎａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｏｕｓｆｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ ＷＵ Ｚｏｎｇｈａｎ１，ＯＵＹＡＮＧ Ｘｉａｏｈｅ ，ＺＨＵ Ｂｉａｏ０ （１．Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｈｏｒｎ Ａｕｄｉｏ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１８１０９，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａｆｔｅｒ ｐｒｏｐｅｒ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｃｈａｒｇｉｎｇ，ｐｏｌｙｍｅｒ ｆｏａｍｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｏ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａ１．Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒ ｆｏａｍｓ ｃｏｍｂｉｎｅ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ｈｒ ｓｔｅｒｅｓｉｓ ｌｏｏｐ） ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｅｔｓ（ｓｕｒｐｌｕｓ ｃｈａｒｇｅｓ），ｔｈｅｙ ａｒｅ ｎａｍｅｄ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｅｔ．Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｅｔ ｆｉｌｍｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ ａｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｓｕｃｈ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ，ｔｈｅ ｑｕａｓｉ－ｓｔａｔｉｃ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄ３３ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｅｔ ｆｉｌｍｓ ａｒｅ ２００ ｐＣ／Ｎ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｓｕｃｈ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ ｉｓ－６１．７４ ｄＢ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ ｖａｌｕｅｓ．Ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｎｅｗ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｔｈｅｉｒ ｓｉｍｐｌｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｓｍａｌｌ ｄｉｚｅ，ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ａ ｌａｒｇｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｓｈａｐｅｓ ａｎｄ ｓｉｚｅｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｅｔ；ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ；ｅｌｅｃｔｒｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｄｅｖｉｃｅ １ 引言 目前的电声领域内，传声器与扬声器大多采用电 容式或动圈式结构，其典型应用为驻极体电容式传声 器与动圄式扬声器。这两种结构，其零件均需要精密加 工，组装时的公差配合也要求十分严谨。在当代便携式 设备越来越小型化的趋势下，加大了零件加工难度，提 高了组装精度，甚至达到一个性能与结构瓶颈的地步； 同时，精密配合的电声器件，其恶劣条件下的可靠性也 受到质疑，而且对电容式电声器件来说，必须要有一定 体积的音腔，这对器件的微型化是一个制约。 压电驻极体电声器件利用压电效应进行声电／电 声变换，其声电／电声转换器为一片３０－８０ Ｉｘｍ厚的多 证，方便大规模生产的需求ｆ１－４］。 多孔聚合物压电驻极体薄膜能达到非常高的压电 系数，比ＰＶＤＦ铁电聚合物及其共聚物的压电活性高 １个量级；其次，薄膜的厚度可以做到很小，易于满足 对几何尺寸的要求，且原料的来源广泛，材料成本与加 工制备均较压电陶瓷与铁电单晶材料容易许多。 利用压电驻极体制成的电声器件，可广泛应用于 电声、水声、超声与医疗等领域。 ２ 压电效应 某些介质在机械力作用下产生电极化和发生电极 化的变化，这样的性质称为压电效应。电极化的改变导 致介质的束缚电荷的变化，例如，在与极化方向垂直的 孔聚合物压电驻极体薄膜，相对电容式／动圈式结构复 两面出现等量反号的束缚电荷变化，这种由于压力造 成了电荷的变化，就是压电性的由来。介质具有压电性 的条件是其结构不具有对称中心，在３２类点群中有 杂且精度要求极高的零件配合设计，大大减小了电声 器件的体积；同时，零件数目大为减少，可靠性得到保 电声投・２ｏ１０年第３４卷第０９期Ｉｌ７ｌ 扬声器与传声器 ⑥凹 ＠圈０８＠ｏ，囿响 呦６＠ ⑨ 晌⑨响＠ ２０类不具有对称中心。属于这２０类点群的电介质才 可能成为压电材料、不具有对称中心晶胞在应力作用 铅一钛酸铅『（１一ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ。，３Ｎｂ ３）０ 一Ｘ—ＰｂＴｉＯ３】（ＰＭＮ－ ）的研究非常引人关注，其压电性能已经远远高于 下出现电极化和表面束缚电荷的示意图如图１所示。 ３ 压电材料与压电驻极体材料 ２０世纪５Ｏ年代初出现了钛锆酸铅系，其化学式 为Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１一ｘＯ）３，简称为ＰＺＴ，是应用最广泛的压电 陶瓷。钛锆酸铅结构不稳定，晶格常数随成分变化。除 了改变Ｚｒ／Ｔｉ比改变压电性能外，还可通过添加元素 的方法使压电陶瓷改性，如Ｂａ ，ｓｒ２＋，ｓｎ“，ｈ ，Ｂｉ ，ｓｎ 等。随着科技的发展，压电聚合物得到了应用，其中， 常用的有：聚偏二氟乙烯（ＰＶＤＦ），它是（ＣＨ，ＣＦ，）ｎ形 成链状化合物，ｎ（＞１０ ｏｏｏ）为聚合度。从结构分析得知 这种材料中晶相和非晶相的体积各约占５０％。ＰＶＤＦ 有Ｏｔ，ｐ， 和８ ４种常见的晶型。另外还有Ｐ（ＶＤＦ— ＴｒＦＥ），它是偏二氟乙烯（ＶＤＦ）和三氟乙烯（ＴｒＦＥ）的共 聚物，可以看作是ＰＶＤＦ中的ＶＤＦ单体部分被ＴｒＦＥ 单体取代所形成。２Ｏ世纪末研发成功的聚丙烯蜂窝膜 （ｃｅｌｌｕｌａｒ ＰＰ）是一种闭孔型新结构功能电介质材料，它 具有可大面积成膜、柔顺性好、质轻、声阻抗与水及人 体相匹配、低介电常数、无毒和价廉等优点。作为非极 性材料的ＰＰ蜂窝膜，其压电系数比传统的极性聚合 物聚偏氟乙烯的相应系数高出一个数量级以上［３－５］。 压电复合材料是由两相或多相材料复合而成，通 常见到的是由压电陶瓷（例如ＰＺＴ，ＰｂＴｉＯ，）和聚合物 （例如聚偏二氟乙烯或环氧树脂）组成的两相复合材 料。这种材料兼有压电陶瓷和聚合材料的优点，与传 统的压电陶瓷（或与压电单晶）相比，它具有更好的柔 顺性和机械加工性能，克服了易碎和不易加工的缺 点，且密度Ｐ小，声速 低（声阻抗力 小），易与空 气、水及生物组织实现声阻抗匹配。与聚合物压电材 料相比，它具有较高的压电常数和机电耦合系数，因 此灵敏度很高。压电复合材料还具有单相材料所没有 的新特性。 近年来，对新的压电晶体弛豫型铁电单晶铌镁酸 ｆ ・声技蠢２０１０年第３４卷第０９期 ＰＺＴ系压电陶瓷，将是新一代超声换能器和高性能微 位移和微驱动器的理想材料。表ｌ列出了传统超声换 能器用ＰＺＴ陶瓷与新型ＰＭＮ—ＰＴ压电单晶的材料性能 对比问。 表１ ＰＺＴ陶瓷与新型ＰＭＮ—ＰＴ压电单晶的材料性能对比 ４ 多孔压电驻极体薄膜的制备 图２所示的多孔蜂窝结构的聚丙烯（ＰＰ）膜在外 电场的作用下，在孔隙的上下两面可聚集不同极性的 电荷，形成类似偶极分子的电荷泡。这些电荷泡在外 电场的作用下会在材料的内表面形成有序的排列。当 材料压缩或膨胀时，电荷泡将发生非均匀形变，类似于 空间电荷电场相对于薄膜的位移。这时，如薄膜的上下 面镀有金属电极，则在外电路上就可检测出相对于上 述应变的开路电压或短路电流信号。聚丙烯蜂窝膜是一 类典型的具有闭合型空洞结构的空间电荷型聚合物 压电材料，其结构和压电效应产生机制示于图２。 （１）膨化。ＰＰ蜂窝膜采用加温、变化压力的膨化 工艺，具体步骤如下：充氮容器在室温环境下，经过高 压处理一段时间后，在高温下退火，跟着在短时间内将 压强骤降为一个大气压强，然后让其缓慢冷却下来。 （２）极化。ＰＰ蜂窝膜的充电采用栅控电晕充电或 接触式充电进行。其中接触式充电，由于膜片表面的 不均匀性，无法保证充电的一致性，目前多采用栅控 电晕充电。 （３）镀膜。采用电晕充电的样品经极化后，需在常 温常压下储存一段时间再双面蒸镀电极。 （４）二次膨化处理。真空蒸镀后进行二次膨化处 理，增加膜片厚度与降低杨氏模量。 （５）切割成设计的形状。 ５ 压电驻极体传声器的制备 ５．１传声器设计与测试方法 笔者制成的压电驻极体传声器如图３～４所示，它 包括一片制备好的多孔压电驻极体薄膜，膜两面蒸镀 了铝作为电极。薄膜通过导电胶均匀贴敷在金属板表 面上，金属板背面通过铜环与ＪＦＥＴ的栅极连接；薄膜 的另一面与外壳接触来接地１７－９］。 压电驻极体薄膜接受到外界的声音信号，通过压 电效应将声信号转换为电信号。电信号由铜环传人 卜ＦＥＴ，再经过阻抗变换输出信号。 压电驻极体传声器与传统驻极体电容式传声器 相同，参照ＧＢ／Ｔ ｘＸＸｘ一２０ｏ８《传声器测量方法》送 审稿（代替ＧＢ／Ｔ ９４０１－－１９８８《传声器测量方法》）标 扬声器与传声器 ⑥凹固 ＠囿 ＠０， 囿闶固 呦６＠０，⑥ ⑨响匡 准，采用的测试条件为：全消声室、远场、使用丹麦产 Ｂ＆Ｋ３５６０电声分析仪。用压电驻极体材料——蜂窝 ＰＰ制成传声器，取膜厚５５ ｍ，０．３ ｃｍ 面积的材料，使 其两面金属化，并安装在一个金属小腔体内，该传声 器的极头电容为８～ｌ１ ｐＦ，金属腔体可起屏蔽作用。 笔者测量了灵敏度、频率响应、信噪比、ＴＨＤ等 特性。 ５．２试验结果 测得的压电驻极体传声器的灵敏度（１ ｋＨｚ）、频率 响应图如图５所示。 测得的信噪比曲线如图６所示。测得的总谐波失 真（ＴＨＤ）几乎与声压成正比，１６４ ｄＢ时小于１％。带 有前置放大器的单层膜ＭＩＣ Ａ计权噪声电压分别为 ３．Ｏ Ｖ，由这些值可得其总的等效噪声级（ＥＮＬ）为 ３７ ｄＢ（Ａ）。 ６讨论与分析 压电驻极体传声器的灵敏度 为 Ｍ＝ｄ （１） ｎ 式中， 。和 分别是蜂窝膜中所有固体和气体的总厚 度； 和 。分别是绝对和相对介电常数。传声器膜片 Ｒ＝３ ｍｍ、面积Ａ＝３０ｍｍ ；总厚度为ｓ＝５５ ｍ，ＰＰ膜厚度 堕妻羹堂型 垒蔓丝堂蔓 塑回 扬声器与传声器 ⑥ 印 ＠囿 ＠０，囿响圃咖６＠ ⑥ 响⑥响＠ 为ｓ１＝２６ ｍ，气隙厚度为ｓ２＝２９ ｉｘｍ；６＝２．３５， ３＝２００ ｐＣ／Ｎ。 灵敏度为 Ｍ＝ｄ３３ｘ（ｓｌ＋ＥＸｓ２）／（ｅｘ８ｏ）＝０．９０５（ｍＶ／Ｐａ） （２） 参考文献 ［１】ＨＩＬＬＥＮＢＲＡＮＤ Ｊ，ＳＥＳＳＬＥＲ Ｇ Ｍ．Ｈｉｇｈ—ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｐｉｅｚｏ－ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔａｃｋｅｄ ｃｅｌｌｕｌａｒ ｐｏｌｙｍｅｒ ｆｉｌｍｓ 电容为 ［Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｉｒｃａ，２００４，１ １６ Ｃ＝Ａｘｓｘ￣ＪＳ＝ｌ１（ｐＦ） 相近。 （３） （６）：３２６７－３２７０． 灵敏度理论计算值与测试结果（一６１．７４ ｄＢ）非常 【２］ＨＩＬＬＥＮＢＲＡＮＤ Ｊ，ＳＥＳＳＬＥＲ Ｇ Ｍ，ＺＨＡＮＧ Ｘ．Ｖｅｒｉｌｆｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄ３３－ｅｏｅｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｃｅｌｌｕｌａｒ ｅｌｅｃ－ 从上述结果可看到，压电驻极体传声器的灵敏度 ｔｒｅｔｆｉｌｍｓ［Ｊ］．Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．，２００５。９８（６）：Ｏ６４１０５一ｌ＿ｏ６４ｌ０５－５． 与传统驻极体传声器的要求（１０ ｍＶ／Ｐａ）还有一段距 离。可通过几个途径提高：第一种方法为多层膜工艺， 即几层ＰＰ膜串联或并联，串联的目的在于增加膜片 厚度，并联在于增加电量，最终目的在于提高ｄ 系数。 ＝ 号等 ㈩ 式中，占为固体电介质材料的相对介电常数；ｓ，和ｓ，分 别为固体层和气隙层的总厚度，显然蜂窝薄膜厚度 ｓ ＋ｓ２，ｓ ２ｆ是第ｉ个气隙层的厚度， ｓ： ＝ｓ ， 是第 层表面的电荷密度，ｙ是蜂窝薄膜材料的杨氏模量。 第二种方法是通过改变传声器结构设计，增大膜 片的面积。 蜂窝ＰＰ膜的最大缺点在于驻极体电荷的不稳 定，在制备时ｄ，，峰值能达到１ ０００ ｐＣ／Ｎ，但在热环境 下损失很大；ＰＰ膜在７０℃时开始软化，其杨氏模量与 电荷发生剧烈变化，无法正常工作。 目前也有一些其他材料的尝试，如 ＦＥ，ＦＥＰ／ ＦＩＦＥ复合膜等，取得了一些可喜的进展１１Ｏ－ｌｌ】。 ７ 结论 对于传声器来讲，驻极体电容式结构需要较大的 空气共振腔，其传声器的体积无法做到很小；且传声 器的灵敏度等电声性能，受到驻极体电荷稳定性与空 气共振腔等声学结构的影响，对性能的提升造成天然 的瓶颈。这也有望用于传声器阵列中 。 压电驻极体式传声器利用压电效应进行声电变 换，取消了空气共振腔的设计，大大减小了传声器的 体积；在性能上，压电材料的力电／声电转换性能稳定 （在多孔聚合物上表现为，薄膜内部的电荷稳定、不容 易丢失）；同时，由于取消了电容式的声电变换结构， 使零件数目减少，制造工艺简单化，成本低廉。这些特 性均使压电驻极体传声器具有广泛的应用范围与推 广价值。 ｊ ■Ｊ｜ｌ投蠢２０１０５第３４＝ｔ￣０９ｍ ［３１ ＢＡＵＥＲ Ｓ，ＧＥＲＨＡＲＤ—ＭＵＬＴＨＡＵ Ｒ，ＳＥＳＳＬＥＲ Ｇ Ｍ． Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｅｔｓ：Ｓｏｆｔ ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ ｆｏａｍｓ ｆｏｒ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ【Ｊ】． Ｐｈｙｓ．Ｔｏｄａｙ，２００４，５７（２）：３７—４３． 【４Ｊ ＺＨＡＮＧ Ｘ，ＨＩＬＬＥＮＢＲＡＮＤ Ｊ，ＳＥＳＳＬＥＲ Ｇ Ｍ．Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｓｔａｂｌｅ ｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ ｆｅｒｒｏｅｌｅｅｔｒｅｔｓ ｗｉｔｈ ｈｉｓｈ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｉｒｃ ｃｏ— ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ［］Ｊ．Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．，２００６，８４：１３９－１４３． 【５Ｊ ＺＨＡＮＧ Ｘ，ＨＩＬＬＥＮＢＲＡＮＤ Ｊ，ＳＥＳＳＬＥＲ Ｇ Ｍ．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｃｅｌｌｕｌａｒ ｐｏｌｙｍｅｒｓ ｂｙ ａ ｄ０ｕｂｌｅ—ｅｘ． ｐａｎｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ册．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄ：Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ２００４，３７（１５）：２１４６－２１５０． ［６】靳洪允．压电材料的结构及其性能研究 江苏陶瓷，２００５， ３８（４）：－６１１． 【７Ｊ吴宗汉，欧阳小禾．一种压电传声器及声电转换器：中国， ２００７２０１７１８３３．ＸｌＰ］．２００７－－０９－０７． ［８］吴宗汉，欧阳小禾．一种超薄压电传声器：中国，２００８２００９ ３７４４．２【ＰＪ．２００８－０４－３０． ［９］吴宗汉，欧阳小禾．新型声电转换器及一种传声器：中国， ２００８１００６７１７６．３［Ｐ］．２００８－０５－２０． 【１ ０】吴宗汉．零部件材质物性对ＥＣＭ特性影响分析叨．电声 技术，２００９，３３（５）：２１－２２． 【１１】吴宗汉．振膜系统材料特性对传声器相关特性影响分析 叨．电声技术２００９，３３（１０）：１７—１９． 【１ ２］樊伟，刘庆华．传声器阵列语音增强新方法与仿真实验团． 电声技术，２００９，３３（１０）：６１－－６５． 【责任编辑】史丽丽 【收稿１３期】２０１０－０３—１５ 专业音响ｚ稻 公 舔 巷蕊誉蕊亳 承接工程秘 鞠 嚣甏辫｜ 啊■盔盈罂璺曰Ｍ ，蕾嘧琏氆嘲圈