采集聲音能量的發(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)，特別涉及一種采集聲音能量的發(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]聲傳感器是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件，目前主要包括:電動(dòng)式(動(dòng)圈式、鋁帶式)，電容麥克風(fēng)式(直流極化式)、壓電式(晶體式、陶瓷式)、以及電磁式、碳粒式、半導(dǎo)體式等。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，即需要外部電源才能保證其優(yōu)良性能?，F(xiàn)有的其他聲傳感器同樣都需要外部電源的驅(qū)動(dòng)來工作。為了解決聲傳感器的供電問題，現(xiàn)有技術(shù)是在外部另外提供電源來為聲傳感器供電，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】

[0003]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。
[0004]本發(fā)明提供一種收集聲音能量的發(fā)電機(jī)，包括Helmholtz共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Helmholtz共振腔的外壁或者開口位置，聲音經(jīng)過Helmholtz共振腔使所述的摩擦電納米發(fā)電部件在聲音的作用下產(chǎn)生電能。
[0005]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，
[0006]所述第一電極層的內(nèi)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；
[0007]所述摩擦層的下表面接觸設(shè)置第二電極層；
[0008]當(dāng)所述聲音經(jīng)過所述Helmholtz共振腔的開口，在聲壓驅(qū)動(dòng)下所述第一電極層的內(nèi)表面與所述摩擦層的上表面能夠互相接觸和分離的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在所述第一電極層與第二電極層之間形成電勢(shì)差。
[0009]優(yōu)選的，所述第一電極層為彈性材料和/或第二電極層與摩擦層形成的整體為彈性；
[0010]或者，所述第一電極層與所述摩擦層之間具有彈性機(jī)構(gòu)。
[0011]優(yōu)選的，所述摩擦電納米發(fā)電部件設(shè)置在所述Helmholtz共振腔的外壁，所述第一電極層的外表面為所述Helmholtz共振腔外壁的部分內(nèi)表面，所述第二電極層為所述Helmholtz共振腔外壁的部分外表面；
[0012]或者，所述第一電極層的外表面為所述Helmholtz共振腔外壁的部分外表面,所述第二電極層為所述Helmholtz共振腔外壁的部分內(nèi)表面。
[0013]優(yōu)選的，包括一個(gè)所述摩擦電納米發(fā)電部件。
[0014]優(yōu)選的，所述摩擦電納米發(fā)電部件設(shè)置在所述Helmholtz共振腔的開口面對(duì)的外壁上。
[0015]優(yōu)選的，包括兩個(gè)所述摩擦電納米發(fā)電部件。
[0016]優(yōu)選的，所述摩擦電納米發(fā)電部件設(shè)置在所述Helmholtz共振腔的開口的兩側(cè)的外壁上，并且面對(duì)面設(shè)置。
[0017]優(yōu)選的，所述摩擦電納米發(fā)電部件設(shè)置在所述Helmholtz共振腔的開口處，所述第一電極層、摩擦層和第二電極層均只有一端固定在所述開口處的外壁上，均具有與固定端對(duì)應(yīng)的自由端；
[0018]所述第一電極層遠(yuǎn)離所述Helmholtz共振腔的空腔；所述第一電極層為彈性材料，摩擦層與第二電極層為非彈性材料。
[0019]優(yōu)選的，所述第一電極層的自由端設(shè)置質(zhì)量塊。
[0020]優(yōu)選的，所述第一電極層內(nèi)表面和所述摩擦層上表面的材料具有摩擦電極序差巳
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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0.1mm-0.8_。
[0024]優(yōu)選的，所述摩擦層的厚度范圍為100nm-3mm。
[0025]優(yōu)選的，所述第一電極層和/或第二電極層的厚度范圍為10nm-3mm。
[0026]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。
[0027]優(yōu)選的，在所述摩擦層的上表面、所述第一電極層的內(nèi)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)。
[0028]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)。
[0029]優(yōu)選的，由上述發(fā)電機(jī)形成傳感器陣列，其中，多個(gè)所述發(fā)電機(jī)具有不同尺寸的Helmholtz共振腔和摩擦電納米發(fā)電部件。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的采集聲音能量的發(fā)電機(jī)具有下列優(yōu)點(diǎn):
[0031]本發(fā)明的發(fā)電機(jī)中，將Helmholtz共振腔與摩擦電納米發(fā)電部件結(jié)合，Helmholtz共振腔的中空腔體具有匯聚聲能的作用，并且將聲音能量傳遞至摩擦電納米發(fā)電部件的彈性膜結(jié)構(gòu)，在第一電極層與摩擦層的接觸分離過程中對(duì)外輸出電信號(hào)。發(fā)電機(jī)中，無需額外設(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。
[0032]發(fā)電機(jī)作為聲音傳感器，利用了聲音自身的能量，無需為傳感器提供電源，實(shí)現(xiàn)了聲音的無源傳感，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。
[0033]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、噪音或音樂等聲音的采集和利用以及傳感。同樣，可廣泛收集道路、橋梁和鐵路等環(huán)境的聲能，為各種檢測(cè)傳感等電子器件供電或者對(duì)聲音進(jìn)行傳感。
【附圖說明】
[0034]通過附圖所示，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。
[0035]圖1為本發(fā)明發(fā)電機(jī)實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖2為本發(fā)明發(fā)電機(jī)實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖3本發(fā)明發(fā)電機(jī)實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]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。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0039]其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說明，所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0040]現(xiàn)有的聲傳感器均需要提供外部電源驅(qū)動(dòng)其工作，使的傳感器的應(yīng)用受到電源的限制，本發(fā)明提供一種能夠采集聲音能量的發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)可以應(yīng)用在聲傳感領(lǐng)域，無需為傳感器提供電源即可進(jìn)行傳感探測(cè)。本發(fā)明的發(fā)電機(jī)的技術(shù)方案是將Helmholtz聲共振腔和摩擦電納米發(fā)電部件結(jié)合，將摩擦電納米發(fā)電部件設(shè)置在Helmholtz共振腔的外壁或者開口位置，聲音經(jīng)過聲共振腔使所述的摩擦電納米發(fā)電部件在聲音的振動(dòng)下產(chǎn)生電能。利用這種發(fā)電機(jī)可以作為聲音傳感器，無需為傳感器提供電源，是一種自驅(qū)動(dòng)的聲傳感器。而且，發(fā)電機(jī)無需額外設(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。同時(shí)，將納米材料應(yīng)用在摩擦納米發(fā)電部件中，利用納米材料優(yōu)良的機(jī)械和電特性，使發(fā)電機(jī)具有高的聲能到電能的轉(zhuǎn)換效率。
[0041]下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹