利用声音能量的发电机和声音传感器制造技术

本发明专利技术提供一种利用声音能量的发电机和声音传感器，所述发电机将摩擦电纳米发电部件设置在声谐振腔的空腔中，声谐振腔的中空腔体能够收集外界声波，并使声波在空腔中产生谐振和汇聚形成驻波，在摩擦电纳米发电部件的弹性膜结构两侧形成声压差，在第一电极层与摩擦层的接触分离过程中对外输出电信号。发电机中，无需额外设置振动膜，减少不必要的声能损失，提高了声能利用效率。利用这种发电机还可以作为声音传感器，无需为传感器提供电源，是一种自驱动无源声传感器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种发电机，特别涉及一种利用声音能量的发电机，以及应用该发电机的声音传感器。
技术介绍
当电子电路的能量消耗从毫瓦级降至微瓦级时，为电路提供能量不再需要电网或电池，而是利用周围的各种环境能源，比如动能(风、波、重力、振动等)、电磁能(光、电磁波等)、热能(太阳热能、地热、温度变化、燃烧等)、原子能(原子核能、放射性衰变等)或生物能(生物燃料、生物质能等)，通过光伏、热电、压电、电磁等各种物理或化学效应将环境能量转换成可以使用的电能，为电子电路供电。由于能量采集器工作时不需要消耗任何燃料或物质，并且理论上说可以为各种低功耗电子器件提供取之不尽的能量，因此，得到了广泛的关注，并且国内外研究者展开了相应研究工作。目前，大多的研究集中在太阳能、振动、热能和生物电方面的研究，根据能量源形式的不同，研发了不同的能量采集器件。在日常生活中，我们处在讲话、噪音或音乐等声音的包围之中，在周围空气中传播的纵向声波即压缩波产生于偏离平衡压力的交变压力波，这种波导致局部区域的压缩和稀薄化，如果能够把讲话、音乐或各种噪音发出的声音能量转化为电能，将推动能量采集技术更广泛应用，目前，还没有能够收集环境中这种声音的能量并且转变为电能的器件。特别是对环境中这种声音的传感，目前广泛应用的驻极式/电容式传感器具有频率范围宽、灵敏度高、失真小等特点，但仍然必须依靠直流电源才能进行阻抗变换，即需要外部电源为声传感器供电，不仅使传感器的使用不方便，而且应用范围受到限制。
技术实现思路
本专利技术提供一种能够高效收集声音能量的发电机，可以将环境中普遍存在的声音能量进行收集并转化为电能。本专利技术提供一种利用声音能量的发电机，包括声谐振腔和摩擦电纳米发电部件，其中，所述摩擦电纳米发电部件设置在所述声谐振腔的空腔中，所述摩擦电纳米发电部件的弹性膜一侧为声谐振腔的空腔，另一侧为密封空腔；所述弹性膜在声压差的作用下振动，使摩擦电纳米发电部件产生电能。优选的，所述摩擦电纳米发电部件包括第一电极层、第二电极层以及摩擦层，其中，所述第一电极层的下表面与摩擦层的上表面面对面设置，所述第一电极层与摩擦层之间设置间距为d的间隙；所述摩擦层的下表面接触设置第二电极层；当所述声音经过所述声谐振腔汇聚，在声压驱动下所述第一电极层的下表面与所述摩擦层的上表面能够互相接触和分离，在所述第一电极层与第二电极层之间形成电势差。优选的，所述第一电极层为弹性膜，所述第二电极层与摩擦层形成的整体为非弹性膜；或者，所述第一电极层为非弹性膜，所述第二电极层与摩擦层形成的整体为弹性膜；或者所述第一电极层以及所述第二电极层与摩擦层形成的整体为弹性膜；所述非弹性膜上设置有若干个通孔。优选的，所述摩擦电纳米发电部件设置在所述声谐振腔的基频汇聚点或者倍频汇聚点。优选的，所述利用声音能量的发电机包括一个所述摩擦电纳米发电部件；所述声谐振腔为锥壳状。优选的，所述弹性膜与所述声谐振腔外壁的部分内表面形成所述密封空腔。优选的，所述声谐振腔的开口为方形、圆形或椭圆形。优选的，包括至少一个所述摩擦电纳米发电部件；所述声谐振腔为柱体壳状，外壁上具有至少一个开口。优选的，所述声谐振腔的开口为方形、圆形或椭圆形。优选的，多个所述摩擦电纳米发电部件沿着所述声谐振腔内表面同轴的柱体排列；所述弹性膜为所述密封空腔的外壁。优选的，在所述声谐振腔的空腔中形成一个或多个所述密封空腔，多个所述密封空腔与多个摩擦电纳米发电部件的弹性膜一一对应。优选的，所述声谐振腔为圆柱体壳状或者棱柱体壳状。优选的，所述摩擦电纳米发电部件的个数与所述声谐振腔的外壁上设置的开口个数相匹配。优选的，所述第一电极层下表面和所述摩擦层上表面的材料具有摩擦电极序差巳优选的，所述摩擦层材料为下列聚合物绝缘材料中的一种或几种:聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯。优选的,所述第一电极层和第二电极层的材料为金属材料、金属合金材料、导电氧化物或者导电有机物。优选的，所述第一电极层与摩擦层之间设置间隙的间距范围为0.优选的，所述摩擦层与第二电极层形成弹性膜，所述弹性膜的厚度范围为0.0lmm-0.1mm0优选的，所述第一电极层为弹性膜，所述弹性膜的厚度范围为0.lmm-0.5mm。优选的，在所述非弹性膜上设置的通孔占据面积与所述非弹性膜的面积的比为0.1-0.5 ο优选的，所述第一电极层的内表面设置有接触层，声压的驱动使所述接触层与摩擦层之间能够互相接触和分离。优选的，在所述摩擦层的上表面、所述第一电极层的下表面和/或所述接触层的下表面全部或部分分布有纳米、微米或次微米量级的微结构。相应的,本专利技术还提供一种声音传感器，包括上述任一项所述的发电机。与现有技术相比，本专利技术的利用声音能量的发电机具有下列优点:本专利技术的发电机中，将摩擦电纳米发电部件设置在声谐振腔的空腔中，声谐振腔的中空腔体能够收集外界声波，并使声波在空腔中产生谐振和汇聚，在声谐振腔中形成驻波，在摩擦电纳米发电部件的弹性膜结构两侧形成声压差，在第一电极层与摩擦层的接触分离过程中对外输出电信号。发电机中，无需额外设置振动膜，减少不必要的声能损失，提高了声能利用效率，即使在较弱声场条件下，也可产生电输出。发电机作为声音传感器，利用了声音自身的能量，无需为传感器提供电源，实现了声音的无源传感，使传感器的应用不再受到电源寿命或者工作环境等条件的限制。摩擦电纳米发电部件在声谐振腔中不同汇聚点，可以有效地响应声音中的基频或其他倍频能量成分。本专利技术的发电机和传感器可以应用在日常生活中各类声音例如讲话、噪音或音乐等的能量采集、转换以及传感。同样，可广泛收集道路、桥梁和铁路等环境的声能，转换为电能为各种检测传感等电子器件供电，或者对收集声音进行分析处理，监测道路、桥梁和铁路的运行状态。【附图说明】通过附图所示，本专利技术的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本专利技术的主旨。图1为本专利技术利用声音能量的发电机中声谐振腔为锥壳状的结构示意图；图2为本专利技术利用声音能量的发电机中声谐振腔为柱壳状的结构示意图。【具体实施方式】下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用声音能量的发电机，其特征在于，包括声谐振腔和摩擦电纳米发电部件，其中，所述摩擦电纳米发电部件设置在所述声谐振腔的空腔中，所述摩擦电纳米发电部件的弹性膜一侧为声谐振腔的空腔，另一侧为密封空腔；所述弹性膜在声压差的作用下振动，使摩擦电纳米发电部件产生电能。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王中林，杨进，陈俊，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11