利用聲音能量的發(fā)電機(jī)和聲音傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)電機(jī)，特別涉及一種利用聲音能量的發(fā)電機(jī)，以及應(yīng)用該發(fā)電機(jī)的聲音傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)電子電路的能量消耗從毫瓦級(jí)降至微瓦級(jí)時(shí)，為電路提供能量不再需要電網(wǎng)或電池，而是利用周圍的各種環(huán)境能源，比如動(dòng)能(風(fēng)、波、重力、振動(dòng)等)、電磁能(光、電磁波等)、熱能(太陽(yáng)熱能、地?zé)?、溫度變化、燃燒?、原子能(原子核能、放射性衰變等)或生物能(生物燃料、生物質(zhì)能等)，通過(guò)光伏、熱電、壓電、電磁等各種物理或化學(xué)效應(yīng)將環(huán)境能量轉(zhuǎn)換成可以使用的電能，為電子電路供電。由于能量采集器工作時(shí)不需要消耗任何燃料或物質(zhì)，并且理論上說(shuō)可以為各種低功耗電子器件提供取之不盡的能量，因此，得到了廣泛的關(guān)注，并且國(guó)內(nèi)外研究者展開了相應(yīng)研究工作。
[0003]目前，大多的研究集中在太陽(yáng)能、振動(dòng)、熱能和生物電方面的研究，根據(jù)能量源形式的不同，研發(fā)了不同的能量采集器件。在日常生活中，我們處在講話、噪音或音樂等聲音的包圍之中，在周圍空氣中傳播的縱向聲波即壓縮波產(chǎn)生于偏離平衡壓力的交變壓力波，這種波導(dǎo)致局部區(qū)域的壓縮和稀薄化，如果能夠把講話、音樂或各種噪音發(fā)出的聲音能量轉(zhuǎn)化為電能，將推動(dòng)能量采集技術(shù)更廣泛應(yīng)用，目前，還沒有能夠收集環(huán)境中這種聲音的能量并且轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?。特別是對(duì)環(huán)境中這種聲音的傳感，目前廣泛應(yīng)用的駐極式/電容式傳感器具有頻率范圍寬、靈敏度高、失真小等特點(diǎn)，但仍然必須依靠直流電源才能進(jìn)行阻抗變換，即需要外部電源為聲傳感器供電，不僅使傳感器的使用不方便，而且應(yīng)用范圍受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種能夠高效收集聲音能量的發(fā)電機(jī)，可以將環(huán)境中普遍存在的聲音能量進(jìn)行收集并轉(zhuǎn)化為電能。
[0005]本發(fā)明提供一種利用聲音能量的發(fā)電機(jī)，包括聲諧振腔和摩擦電納米發(fā)電部件，其中，所述摩擦電納米發(fā)電部件設(shè)置在所述聲諧振腔的空腔中，所述摩擦電納米發(fā)電部件的彈性膜一側(cè)為聲諧振腔的空腔，另一側(cè)為密封空腔；所述彈性膜在聲壓差的作用下振動(dòng)，使摩擦電納米發(fā)電部件產(chǎn)生電能。
[0006]優(yōu)選的，所述摩擦電納米發(fā)電部件包括第一電極層、第二電極層以及摩擦層，其中，
[0007]所述第一電極層的下表面與摩擦層的上表面面對(duì)面設(shè)置，所述第一電極層與摩擦層之間設(shè)置間距為d的間隙；
[0008]所述摩擦層的下表面接觸設(shè)置第二電極層；
[0009]當(dāng)所述聲音經(jīng)過(guò)所述聲諧振腔匯聚，在聲壓驅(qū)動(dòng)下所述第一電極層的下表面與所述摩擦層的上表面能夠互相接觸和分離，在所述第一電極層與第二電極層之間形成電勢(shì)差。
[0010]優(yōu)選的，所述第一電極層為彈性膜，所述第二電極層與摩擦層形成的整體為非彈性膜；
[0011]或者，所述第一電極層為非彈性膜，所述第二電極層與摩擦層形成的整體為彈性膜；
[0012]或者所述第一電極層以及所述第二電極層與摩擦層形成的整體為彈性膜；
[0013]所述非彈性膜上設(shè)置有若干個(gè)通孔。
[0014]優(yōu)選的，所述摩擦電納米發(fā)電部件設(shè)置在所述聲諧振腔的基頻匯聚點(diǎn)或者倍頻匯聚點(diǎn)。
[0015]優(yōu)選的，所述利用聲音能量的發(fā)電機(jī)包括一個(gè)所述摩擦電納米發(fā)電部件；所述聲諧振腔為錐殼狀。
[0016]優(yōu)選的，所述彈性膜與所述聲諧振腔外壁的部分內(nèi)表面形成所述密封空腔。
[0017]優(yōu)選的，所述聲諧振腔的開口為方形、圓形或橢圓形。
[0018]優(yōu)選的，包括至少一個(gè)所述摩擦電納米發(fā)電部件；所述聲諧振腔為柱體殼狀，外壁上具有至少一個(gè)開口。
[0019]優(yōu)選的，所述聲諧振腔的開口為方形、圓形或橢圓形。
[0020]優(yōu)選的，多個(gè)所述摩擦電納米發(fā)電部件沿著所述聲諧振腔內(nèi)表面同軸的柱體排列；所述彈性膜為所述密封空腔的外壁。
[0021]優(yōu)選的，在所述聲諧振腔的空腔中形成一個(gè)或多個(gè)所述密封空腔，多個(gè)所述密封空腔與多個(gè)摩擦電納米發(fā)電部件的彈性膜一一對(duì)應(yīng)。
[0022]優(yōu)選的，所述聲諧振腔為圓柱體殼狀或者棱柱體殼狀。
[0023]優(yōu)選的，所述摩擦電納米發(fā)電部件的個(gè)數(shù)與所述聲諧振腔的外壁上設(shè)置的開口個(gè)數(shù)相匹配。
[0024]優(yōu)選的，所述第一電極層下表面和所述摩擦層上表面的材料具有摩擦電極序差巳
[0025]優(yōu)選的，所述摩擦層材料為下列聚合物絕緣材料中的一種或幾種:聚甲基丙烯酸甲酯、尼龍、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、聚氯丁二烯、天然橡膠、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯。
[0026]優(yōu)選的,所述第一電極層和第二電極層的材料為金屬材料、金屬合金材料、導(dǎo)電氧化物或者導(dǎo)電有機(jī)物。
[0027]優(yōu)選的，所述第一電極層與摩擦層之間設(shè)置間隙的間距范圍為0.
[0028]優(yōu)選的，所述摩擦層與第二電極層形成彈性膜，所述彈性膜的厚度范圍為0.0lmm-0.1mm0
[0029]優(yōu)選的，所述第一電極層為彈性膜，所述彈性膜的厚度范圍為0.lmm-0.5mm。
[0030]優(yōu)選的，在所述非彈性膜上設(shè)置的通孔占據(jù)面積與所述非彈性膜的面積的比為0.1-0.5 ο
[0031]優(yōu)選的，所述第一電極層的內(nèi)表面設(shè)置有接觸層，聲壓的驅(qū)動(dòng)使所述接觸層與摩擦層之間能夠互相接觸和分離。
[0032]優(yōu)選的，在所述摩擦層的上表面、所述第一電極層的下表面和/或所述接觸層的下表面全部或部分分布有納米、微米或次微米量級(jí)的微結(jié)構(gòu)。
[0033]相應(yīng)的,本發(fā)明還提供一種聲音傳感器，包括上述任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)。
[0034]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的利用聲音能量的發(fā)電機(jī)具有下列優(yōu)點(diǎn):
[0035]本發(fā)明的發(fā)電機(jī)中，將摩擦電納米發(fā)電部件設(shè)置在聲諧振腔的空腔中，聲諧振腔的中空腔體能夠收集外界聲波，并使聲波在空腔中產(chǎn)生諧振和匯聚，在聲諧振腔中形成駐波，在摩擦電納米發(fā)電部件的彈性膜結(jié)構(gòu)兩側(cè)形成聲壓差，在第一電極層與摩擦層的接觸分離過(guò)程中對(duì)外輸出電信號(hào)。發(fā)電機(jī)中，無(wú)需額外設(shè)置振動(dòng)膜，減少不必要的聲能損失，提高了聲能利用效率，即使在較弱聲場(chǎng)條件下，也可產(chǎn)生電輸出。
[0036]發(fā)電機(jī)作為聲音傳感器，利用了聲音自身的能量，無(wú)需為傳感器提供電源，實(shí)現(xiàn)了聲音的無(wú)源傳感，使傳感器的應(yīng)用不再受到電源壽命或者工作環(huán)境等條件的限制。
[0037]摩擦電納米發(fā)電部件在聲諧振腔中不同匯聚點(diǎn)，可以有效地響應(yīng)聲音中的基頻或其他倍頻能量成分。
[0038]本發(fā)明的發(fā)電機(jī)和傳感器可以應(yīng)用在日常生活中各類聲音例如講話、噪音或音樂等的能量采集、轉(zhuǎn)換以及傳感。同樣，可廣泛收集道路、橋梁和鐵路等環(huán)境的聲能，轉(zhuǎn)換為電能為各種檢測(cè)傳感等電子器件供電，或者對(duì)收集聲音進(jìn)行分析處理，監(jiān)測(cè)道路、橋梁和鐵路的運(yùn)行狀態(tài)。
【附圖說(shuō)明】
[0039]通過(guò)附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實(shí)際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。
[0040]圖1為本發(fā)明利用聲音能量的發(fā)電機(jī)中聲諧振腔為錐殼狀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖2為本發(fā)明利用聲音能量的發(fā)電機(jī)中聲諧振腔為柱殼狀的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普