鼓膜式水聽器

為了讓壓電薄膜能處於拉緊的狀態下 進行組合，使得薄膜表面不會產生縐折；

因為這些不必要的縐折會影響水聽器的特 性；所以通常會選擇容易拉緊且不易破損 的薄膜，依照此觀念選擇厚度 25 µm 的 PVDF 壓電薄膜。接著說明鼓膜式水聽器的 製作過程：

(1) 首先以鋁材製作上蓋，塑膠鋼製作下 蓋，圖6 為上下蓋外觀圖。上蓋切除部 分材料用以在後續組合時，放置同軸電 纜與壓電薄膜接合的部分。此處主要的 尺寸為鼓膜式水聽器之開口大小；

(2) 以準分子雷射加工 PVDF 薄膜之兩面 電極，如圖 7（a）所示，實線部分為 正面電極刻除的部分，而虛線部分為背 面電極的刻除部分；圖四（b）為實際 加工後的PVDF 薄膜。此處的加工參數 為上下電極的重合面積，即此水聽器的 感測面積；

(3) 將同軸電纜之心線與地線分別接至 PVDF 薄膜上下電極；

(4) 將壓電薄膜拉緊並以上下蓋夾緊，組 合方式如圖8 所示。

(5) 在薄膜表面噴上一層保護膠；此為一 般電路板防水用之保護膠，在此處用以 避 免 表 面 電 極 剝 落 並 延 長 水 聽 器 壽 命。圖 9 為鼓膜式水聽器完成品外觀 圖。

圖6 鼓膜式水聽器上下蓋外觀圖

（a） （b）

圖7 PVDF 薄膜（a）準分子雷射加工區示 意圖（b）加工後之外觀圖

圖8 鼓膜式水聽器組合示意圖

圖9 鼓膜式水聽器外觀圖

3.3 類針尖式水聽器

類針尖式水聽器，主要參考圖 5 針尖 式水聽器的設計並加以改良：將 PVDF 黏 著在PCB 電路板上，電路板上的銅金屬可 視為背層材料；此外，也將同一種壓電薄 膜厚度的水聽器感測區製作在同一塊電路 板上，為陣列式的感測器。接下來說明製 作步驟，各部分製作及組合情況如圖10 所 示：

(1) 首先於電路板上方雕刻出需要之電極 圖樣，此為下電極。電路板上方最外 層銅箔與電路板下方接通，圖10 中虛 線連接處即為導通，因此整個外部及 電路板下方電極均為接地，有遮蔽

（shielding）減少電磁干擾（EMI）的 作用。

(2) 以準分子雷射加工高分子材料，此為 上電極。

(3) 以酒精去除壓電薄膜之雙面銀電極。

(4) 將壓電薄膜以（1）與（2）中的上下 電極夾合，用 AB 膠黏著，再將前面 提到之高分子材料電極朝向內，貼在 最外層與電路板外部接地之電極接觸 用以遮蔽。

(5) 將同軸電纜之心線與地線分別銲接至 電路板上面。

(6) 最後再以防水膠將此感測器作防水的 工作即完成製作。圖11 為針尖式水聽 器完成品外觀圖。

將同一種厚度之水聽器感測區製作在 同一個電路板上，是為了確保同一水聽器 上之黏貼條件相同，即黏膠厚度相同，可 避免因黏膠厚度不均而造成之實驗量測誤 差。

圖10 針尖式水聽器組合示意圖

圖11 陣列式針尖式水聽器外觀圖

3.4 針尖式水聽器

首先將同軸電纜之心線焊接在一細金 屬圓棒上並將金屬圓棒外圍絕緣，但底部 不絕緣，目的在於只留下底部電極做為感 測面積，再將25 µm 的 PVDF 以鋁蝕刻液 去除單面電極，並以加工後的金屬圓棒黏 附在沒有電極的一面做為 PVDF 的上電 極，再塞入一金屬圓管內，使 PVDF 有電 極的一面與金屬圓管接觸並以 A/B 膠固定 之，之後再將同軸電纜的地線與金屬圓管 相接觸，因為有良好的電磁遮蔽，所以比 較不容易受到外界雜訊的干擾，組合方式 如圖 12 所示，圖 13 則為針尖式水聽器實 體圖與前端細部結構圖。本研究所設計的 針尖式水聽器，感測面積直徑有1 mm、2 mm 兩種。

圖12 針尖式水聽器組合示意圖

圖13 針尖式水聽器實體圖

3.5 球型針尖式水聽器

球型針尖式水聽器與針尖式水聽器的 製作方式相似，不同的地方在於金屬棒前 端改為球面結構，另外為了防止擠壓PVDF 時所產生的皺折，在設計時縮小金屬圓管 前端的開口孔徑，當擠壓 PVDF 時，利用 金屬棒前端與金屬圓管對 PVDF 產生的張 力消除皺折現象，圖14 為球型針尖式水聽 器組合示意圖，圖15 為其實體圖與前端細 部結構圖。本研究所使用的 PVDF 厚度為 25 µm，設計的球面曲率半徑為 0.63 mm，

感測面積開口直徑為1.13 mm。

圖14 球型針尖式水聽器組合示意圖

圖15 球型針尖式水聽器實體圖

3.6 放大電路設計

3.6.1 電壓放大器(Voltage Amplifier)

以 OPA657 製作電壓放大器，此信號 放大器為一個負回授正向放大器，圖16 為 電路示意圖。設計輸入阻抗 R

1

為 10MΩ，

可大幅增加時間常數，達到降低截止頻率 的效果，依此設計之放大倍率為35.3dB(1+

R

3

/ R

2

)，頻寬約為 27.4MHz。C

1

～C

4

主要 目的是將輸入直流電壓源濾波及穩壓。圖 17 為電壓放大器實體圖。

圖16 電壓放大電路示意圖

圖17 電壓放大器實體圖

3.6.2 電荷放大器(Charge Amplifier)

PVDF 壓電薄膜可等效成一電壓產生

器串聯一個電容，如圖18 中以虛線框起部 分，C

s

是壓電薄膜之等效電容，而R

L

為信 號放大器之輸入阻抗，此等效電路即為一 RC 電路，因此當頻率越大時，電壓加載在 R

L

上，信號放大器之電壓值越接近V

S

，反 之，頻率越低，加載在信號放大器的信號 越小，甚至無信號，而截止頻率與 PVDF

壓電薄膜有關。為了解決此一問題，本節 以 AD745 製 作 一 電 荷 放 大 器 (charge amplifier)，電路示意圖如圖 19 所示，圖 20 為電荷放大器實體圖。電荷放大器原理是 將PVDF 壓電薄膜產生的電荷 Q (Q=C

s

V

s

) 轉 移 至 電 容 C

f

上 ， 因 此 得 到 輸 出 電 壓 V

out

=Q/C

f

=C

s

V

s

/C

f

，其中 C

s

/C

f

即為放大倍 率，將1mm 直徑的 PVDF 感測面積等效為 電容300pF，設計電容C

f

為15pF，得到放 大倍率為 26 dB，而截止頻率與設計電容 C

f

，與 PVDF 壓電薄膜無關。圖 21 是以 Mulitsim 模擬所得到的結果。經過實驗證 實在低頻時，電荷放大器量測的到訊號，

而電壓放大器是量測不到的，如圖22。

圖18 等效電路示意圖

圖19 電荷放大器之電路示意圖

圖20 電荷放大器實體圖

圖21 電荷放大器頻率響應圖

圖22 低頻量測結果 四、實驗方法與實驗架構

4.1 水聽器靈敏度量測

本節研究水聽器的靈敏度對頻率的曲 線圖。實驗量測頻率範圍設定在1～20 MHz 之內，由於當作發射聲源的平面式換能器 頻寬有限，所以主要是使用多個換能器進 行實驗量測；實驗方法為在相同掃描深度 之下，先以Precision Acoustics Ltd.（Dorset, UK, www.acoustics.co.uk）製造且已校正的 商用水聽器SN518進行聲壓量測，再將自製 水聽器置入相同聲壓場中進行量測，以標 準參考用的SN518校正之，此實驗方法稱之 為簡單型替代式實驗，實驗架構如圖23所 示。

圖23 靈敏度量測實驗架構圖

首先對類針尖式水聽器量測其靈敏度 曲線，在同一種厚度的壓電薄膜之下，感 測面積大小對靈敏度的影響繪製成圖 24；

縱軸為靈敏度，橫軸為量測頻率。由圖中 可發現，感測面積越大則靈敏度越高；造 成如此的現象可能是來自於：PVDF 水聽器 的感測區會感測到聲壓而產生微小電流，

此電流會經由電極、放大電路、同軸電纜，

最後流至示波器，因此整體水聽器的電容 就會影響輸出電壓，也就是靈敏度曲線；

不同面積的感測區可視為不同的電容，再 加上後端電路的電容，水聽器整體電容也 會隨之不同，所以造成實驗量測出的靈敏 度趨勢。由於曲線在低頻之處會呈現震盪 的現象，與文獻[41]內所實驗量的曲線趨勢 相近，如圖 25；此一震盪現象是因為當針 尖式水聽器在一個聲壓場中，聲波傳至前 端的感測區邊緣後，會隨著表面波傳，而 這類的波傳會對正射入感測區的波造成干 涉影響，所以實際上量得的壓力為兩者的 總和，如圖26 所示；此壓力會隨著頻率而 震盪，即本論文中所量得的曲線趨勢。

圖 27 則為觀察同一種感測面積下，

PVDF 厚度對靈敏度之影響。根據第 2.1 節 模擬的結果，壓電薄膜厚度越大則靈敏度 越大；而實驗結果也證實了模擬的結果。

由針尖式水聽器所有的結果圖中可以觀察 出，靈敏度曲線圖沒有像SN518 商用水聽 器有如此平坦的區域，且會隨著感測面積 加大或是壓電薄膜厚度加大，而使得曲線 在較高頻的區域會陡降的越快，可能原因 是來自於電路板上的銅箔與 PVDF 之聲學 阻抗相差太大，波傳到兩者介面時，因為 反射信號太強，所以降低 PVDF 感測器之 接收頻寬。因此，後面所介紹的鼓膜式水 聽器實驗量測，因為兩邊介質均為水，所 以靈敏度曲線圖會比針尖式水聽器平坦許 多；值得注意的是，雖然靈敏度曲線不是 很平坦，但是仍和商用水聽器處在同一等 級中，所以只要在針尖式水聽器之設計與 製作上做些改進，相信能得到與商用水聽 器相同的特性。

圖24 PVDF 厚度 28 µm 之針尖式水聽器 靈敏度曲線圖

圖25 針尖式水聽器靈敏度曲線圖[41]（感 測區直徑0.6 mm）

圖26 針尖式水聽器接收壓力示意圖[41]

圖27 感測區 4 mm

²

之針尖式水聽器靈敏 度曲線圖

圖28、圖 29 為鼓膜式水聽器實驗結果 整理圖，縱軸為靈敏度，橫軸為量測頻率。

將在同一種開口大小之下，感測面積大小 對靈敏度的影響繪製成圖 28，由圖中可觀 察得知，實驗結果與針尖式水聽器量測到 的結果相同，感測區面積越大則靈敏度越 高。圖29 為固定同一種感測面積，觀察開 口大小對靈敏度的影響，從實驗得到的曲 線圖可得知，鼓膜開口大小對靈敏度的影 響不大。

圖28 開口 30 mm 之鼓膜式水聽器靈敏度 曲線圖

圖29 感測區 9 mm

²

之鼓膜式水聽器靈敏 度曲線圖

圖30 為感測面積直徑 1 mm、2 mm 與 球型針尖式水聽器靈敏度對頻率的曲線 圖，從圖上同樣可以看出直徑2 mm 靈敏度 比1 mm 高，曲線也會有震盪現象。而球型 針尖式水聽器在頻率變高時，靈敏度會隨 著降低，這是因為頻率越高波長越小，所 以波長干涉情況會越嚴重，以致於靈敏度 變低。雖然靈敏度在高頻時比針尖式水聽 器低，卻改善了水聽器的方向性。另外，

圖30 為感測面積直徑 1 mm、2 mm 與 球型針尖式水聽器靈敏度對頻率的曲線 圖，從圖上同樣可以看出直徑2 mm 靈敏度 比1 mm 高，曲線也會有震盪現象。而球型 針尖式水聽器在頻率變高時，靈敏度會隨 著降低，這是因為頻率越高波長越小，所 以波長干涉情況會越嚴重，以致於靈敏度 變低。雖然靈敏度在高頻時比針尖式水聽 器低，卻改善了水聽器的方向性。另外，

在文檔中 水下聲響感測器實作應用整合型研究-子計畫二：PVDF壓電式水中聽音器的研究發展與應用(II) (頁 9-0)