采集声音能量的发电机和声音传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发电机，特别涉及一种采集声音能量的发电机，以及应用该发电机的声音传感器。
【背景技术】
[0002]声传感器是将声音信号转换为电信号的能量转换器件，目前主要包括:电动式(动圈式、铝带式)，电容麦克风式(直流极化式)、压电式(晶体式、陶瓷式)、以及电磁式、碳粒式、半导体式等。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，即需要外部电源才能保证其优良性能。现有的其他声传感器同样都需要外部电源的驱动来工作。为了解决声传感器的供电问题，现有技术是在外部另外提供电源来为声传感器供电，不仅使传感器的使用不方便，而且应用范围受到限制。
【发明内容】
[0003]本发明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。
[0004]本发明提供一种收集声音能量的发电机，包括Helmholtz共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Helmholtz共振腔的外壁或者开口位置，声音经过Helmholtz共振腔使所述的摩擦电纳米发电部件在声音的作用下产生电能。
[0005]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，
[0006]所述第一电极层的内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；
[0007]所述摩擦层的下表面接触设置第二电极层；
[0008]当所述声音经过所述Helmholtz共振腔的开口，在声压驱动下所述第一电极层的内表面与所述摩擦层的上表面能够互相接触和分离的相对运动，在所述第一电极层与第二电极层之间形成电势差。
[0009]优选的，所述第一电极层为弹性材料和/或第二电极层与摩擦层形成的整体为弹性；
[0010]或者，所述第一电极层与所述摩擦层之间具有弹性机构。
[0011]优选的，所述摩擦电纳米发电部件设置在所述Helmholtz共振腔的外壁，所述第一电极层的外表面为所述Helmholtz共振腔外壁的部分内表面，所述第二电极层为所述Helmholtz共振腔外壁的部分外表面；
[0012]或者，所述第一电极层的外表面为所述Helmholtz共振腔外壁的部分外表面,所述第二电极层为所述Helmholtz共振腔外壁的部分内表面。
[0013]优选的，包括一个所述摩擦电纳米发电部件。
[0014]优选的，所述摩擦电纳米发电部件设置在所述Helmholtz共振腔的开口面对的外壁上。
[0015]优选的，包括两个所述摩擦电纳米发电部件。
[0016]优选的，所述摩擦电纳米发电部件设置在所述Helmholtz共振腔的开口的两侧的外壁上，并且面对面设置。
[0017]优选的，所述摩擦电纳米发电部件设置在所述Helmholtz共振腔的开口处，所述第一电极层、摩擦层和第二电极层均只有一端固定在所述开口处的外壁上，均具有与固定端对应的自由端；
[0018]所述第一电极层远离所述Helmholtz共振腔的空腔；所述第一电极层为弹性材料，摩擦层与第二电极层为非弹性材料。
[0019]优选的，所述第一电极层的自由端设置质量块。
[0020]优选的，所述第一电极层内表面和所述摩擦层上表面的材料具有摩擦电极序差巳
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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0.1mm-0.8_。
[0024]优选的，所述摩擦层的厚度范围为100nm-3mm。
[0025]优选的，所述第一电极层和/或第二电极层的厚度范围为10nm-3mm。
[0026]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。
[0027]优选的，在所述摩擦层的上表面、所述第一电极层的内表面和/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。
[0028]相应的，本发明还提供一种声音传感器，包括上述任一项所述的发电机。
[0029]优选的，由上述发电机形成传感器阵列，其中，多个所述发电机具有不同尺寸的Helmholtz共振腔和摩擦电纳米发电部件。
[0030]与现有技术相比，本发明的采集声音能量的发电机具有下列优点:
[0031]本发明的发电机中，将Helmholtz共振腔与摩擦电纳米发电部件结合，Helmholtz共振腔的中空腔体具有汇聚声能的作用，并且将声音能量传递至摩擦电纳米发电部件的弹性膜结构，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。
[0032]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。
[0033]本发明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、噪音或音乐等声音的采集和利用以及传感。同样，可广泛收集道路、桥梁和铁路等环境的声能，为各种检测传感等电子器件供电或者对声音进行传感。
【附图说明】
[0034]通过附图所示，本发明的上述及其它目的、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，重点在于示出本发明的主旨。
[0035]图1为本发明发电机实施例一的结构示意图；
[0036]图2为本发明发电机实施例二的结构示意图；
[0037]图3本发明发电机实施例三的结构示意图。
【具体实施方式】
[0038]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
[0040]现有的声传感器均需要提供外部电源驱动其工作，使的传感器的应用受到电源的限制，本发明提供一种能够采集声音能量的发电机，这种发电机可以应用在声传感领域，无需为传感器提供电源即可进行传感探测。本发明的发电机的技术方案是将Helmholtz声共振腔和摩擦电纳米发电部件结合，将摩擦电纳米发电部件设置在Helmholtz共振腔的外壁或者开口位置，声音经过声共振腔使所述的摩擦电纳米发电部件在声音的振动下产生电能。利用这种发电机可以作为声音传感器，无需为传感器提供电源，是一种自驱动的声传感器。而且，发电机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。同时，将纳米材料应用在摩擦纳米发电部件中，利用纳米材料优良的机械和电特性，使发电机具有高的声能到电能的转换效率。
[0041]下面结合附图详细介绍