CN107246909A - 石墨烯声传感器阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯声传感器阵列，包括上极板、下极板和绝缘层，上极板包括支撑板和支撑板上沉积的石墨烯薄膜层，支撑板上均匀布设通孔阵列；下极板和上极板尺寸一致，下极板包括上支撑板、布线板和下支撑板，上支撑板上表面布设与通孔阵列对应的金属触点阵列，下支撑板下表面布设与金属触点阵列对应的放大电路单元阵列，布线板上所设布线用来将金属触点和放大电路单元一一对应连接；绝缘层位于上极板和下极板间，且与上极板和下极板均接触。本发明将多个石墨烯声传感器集成成声传感器阵列，协同工作更容易捕捉纯净的声音信号，声传感器阵列可进行声源定位，石墨烯的加入可捕捉超越人耳听力上限的超声波。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯声传感器阵列，可应用于工业无损检测。
背景技术
麦克风是一种将声音信号转换为电信号的换能器。通过它可以采集自然界中的声音信号并将其转化为数字信号，以便于后续的滤波、放大等处理。目前广泛使用在消费电子产品领域中的为电容式驻极体麦克风，其基于电容原理，将上下极板间距的改变转换为电压值的变化。声波的振动会引起上极板（振动膜）的振动，从而导致振动膜偏离原平衡位置。由于下极板是固定的，所以声波的振动会引起上下极板间的距离发生变化，导致电容值改变。驻极体麦克风采用了可保持永久电荷的驻极体薄膜作为上极板，因此不需要对电容器供电。但是由于放大电路的存在，驻极体麦克风仍需要低压进行供电。
驻极体麦克风因其低廉的价格被广泛使用，但是其本身性能存在缺陷。在复杂声学环境下，噪声总是来自四面八方，并且噪声信号与语音信号在频谱上往往是相互交叠的，再加上回波和混响的影响，利用单个驻极体麦克风捕捉相对纯净的声音信号是极其困难的。单个麦克风为了全面获取声源的信息，只能采取多次扫描的方式，但是受限于麦克风数量，这个过程往往需要很长的时间。另外，由于驻极体薄膜的限制，驻极体麦克风的频率响应带宽也是有限的，无法对超越人耳听力极限的超声波信号进行处理。
发明内容
本发明的目的是提供一种石墨烯声传感器阵列。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
石墨烯声传感器阵列，包括上极板、下极板和绝缘层，其中：
上极板包括支撑板和支撑板上沉积的石墨烯薄膜层，支撑板上均匀布设通孔阵列；
下极板和上极板尺寸一致，下极板包括上支撑板、布线板和下支撑板，上支撑板上表面布设与通孔阵列对应的金属触点阵列，下支撑板下表面布设与金属触点阵列对应的放大电路单元阵列，布线板上所设布线用来将金属触点和放大电路单元一一对应连接；
绝缘层上也布设有通孔阵列，该通孔阵列与支撑板上通孔阵列相对应；绝缘层位于上极板和下极板间，且与上极板和下极板均接触。
进一步的，支撑板为PCB板。
进一步的，上极板支撑板一角设有与石墨烯薄膜层连接的稳压电路。
进一步的，支撑板、布线板和下支撑板均为PCB板。
本发明将多个石墨烯声传感器集成成声传感器阵列，协同工作可以更容易捕捉纯净的声音信号，类似人类的双耳效应。声传感器阵列可进行声源定位，石墨烯的加入可提高声传感器阵列频率响应的带宽，使其可以捕捉超越人耳听力上限（20K Hz）的超声波。
和现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
（1）人耳能听到的声音频率范围内，追踪声音的效果优于普通电容式驻极体麦克风。
（2）人耳能听到的声音频率范围外，得益于石墨烯薄膜优异的区域质量密度与力学性能，此声传感器阵列能追踪超声波。
（3）通过相关算法，可利用声传感器阵列进行声源定位、声音成像及工业无损检测。
附图说明
图1为本发明整体结构及应用示意图；
图2为本发明具体的分层结构图；
图3为上极板的平面示意图；
图4为上极板的立体示意图；
图5为下极板上表面的平面示意图；
图6为下级板下表面的平面示意图；
图7为放大电路单元的电路原理图。
图中，1-上极板，101-镀金支撑板，1011-基板，1012-镀金层，102-通孔，103-石墨烯薄膜层，2-下极板，201-金属触点，202-放大电路单元，3-绝缘层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
见图1~2，本发明石墨烯声传感器阵列包括上极板1、下极板2和绝缘层3，绝缘层3位于上极板1和下极板2之间，且与上极板1和下极板2均接触。见图3~4，上极板1包括镀金支撑板101和镀金支撑板101镀金面上转移沉积生长的石墨烯薄膜层103。本具体实施中，镀金支撑板101为厚度2mm、边长120mm的镀金PCB板，其上均匀布设有16×16的通孔阵列，各通孔102孔径为5mm，相邻通孔102的孔心间距为7mm。采用“转移”的方法使镍基石墨烯“生长”在PCB板镀金面上，生长成为石墨烯薄膜层103。上极板1一角设有与石墨烯薄膜层103连接的供电电路，供电电路连接外部电源，可使石墨烯薄膜层103上电压恒定。
下极板2和上极板1尺寸一致，下极板2包括上支撑板、布线板和下支撑板，本具体实施中，上支撑板、布线板和下支撑板均为PCB板，其中，布线板采用两层PCB板。上支撑板上表面布设16×16的金属触点阵列，见图5，金属触点阵列与通孔阵列匹配，即金属触点阵列中金属触点201的尺寸和位置与通孔阵列中通孔102匹配。当上极板1和下极板2合并时，上极板1上石墨烯薄膜层103与下极板2上金属触点阵列构成16×16的电容阵列。下支撑板下表面布设与金属触点阵列对应的放大电路单元阵列，见图6，通过布线板上布线将金属触点201与放大电路单元202连接一一对应连接。
绝缘层3位于上极板1和下极板2间，且与上极板1和下极板2均接触，绝缘层3上开设有通孔阵列，绝缘层3上通孔阵列与上极板1上通孔阵列相适应，即绝缘层3和上极板1上通孔阵列的位置和尺寸相适应。
图7是放大电路单元的电路原理图，图中，C1表示电容阵列中的一个电容，直流电源BT1表示施加于石墨烯薄膜层103上的外置电源。当电容C1改变时，由于电压恒定，电容C1上电荷重新分布，进而产生电流。电阻R1将电流转换为电压，并通过MOS管Q1将电压放大并输出。
见图1，应用本发明时，放大电路单元的输出连接基于STM32的控制器，当外部声源引起石墨烯薄膜层103的振动，石墨烯薄膜层103上各点的位移不同，导致电容阵列各电容值的变化不同。将不同点处的电容值变化情况传送到基于STM32的控制器，控制器用来对石墨烯声传感器阵列输出的电信号进行处理，包括选择信号、过滤背景噪音、放大信号等，从而还原出声源；再经信号采集单元采集信号，并将采集信号显示于显示单元。
Claims (4)
1.石墨烯声传感器阵列，其特征是：
包括上极板、下极板和绝缘层，其中：
上极板包括支撑板和支撑板上沉积的石墨烯薄膜层，支撑板上均匀布设通孔阵列；
下极板和上极板尺寸一致，下极板包括上支撑板、布线板和下支撑板，上支撑板上表面布设与通孔阵列对应的金属触点阵列，下支撑板下表面布设与金属触点阵列对应的放大电路单元阵列，布线板上所设布线用来将金属触点和放大电路单元一一对应连接；
绝缘层上也布设有通孔阵列，该通孔阵列与支撑板上通孔阵列相对应；绝缘层位于上极板和下极板间，且与上极板和下极板均接触。
2.如权利要求1所述的石墨烯声传感器阵列，其特征是：
所述的支撑板为PCB板。
3.如权利要求1所述的石墨烯声传感器阵列，其特征是：
所述的支撑板一角设有与石墨烯薄膜层连接的稳压电路。
4.如权利要求1所述的石墨烯声传感器阵列，其特征是：
所述的上支撑板、布线板和下支撑板均为PCB板。
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