一种基于摩擦发电的声电转换器件及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明基于摩擦发电原理，应用腔体结构提高器件对声音能量的收集与传导性能，有效将声音信号转换为电信号，制作出一种费用低廉、制作简单、灵敏度高的声电转换器件，属于声电转换技术领域。
【背景技术】
[0002]在我们的日常生活中，声波是普遍存在，由于声波的能量密度较低，且容易发生吸收、散射，因此对于声波信号的采集与利用依然是一个吸引人的问题。现在已有的声电转换途径主要是基于压电作用、电磁作用和静电作用，但是这些途径的表现出的声音转换能力非常有限，并且需要高质量的材料，结构复杂。因此，大多已有的声电器件总体上都是工作在从几千赫兹到兆赫兹的高频率范围内，然而对于常见的低频率的声波灵敏度低，这使得以往的器件在大多的情况下都不合适。最近，基于摩擦发电的纳米摩擦发电机的提出成为声电转换的新途径之一，有望在较低的频段实现良好的声电转换。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种成本低廉、制作简单、灵敏度高的声电转换器件。本发明的目的还在于提供一种基于摩擦发电的声电转换器件的制作方法。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:
一种基于摩擦发电的声电转换器件，包括腔体和摩擦电器件，其特征在于所述腔体由大腔体和小腔体连接而成，横向导通，两端分别由超薄有机弹性薄膜和摩擦电器件密封，摩擦电器件的负极是镀有金属膜的多孔板，摩擦电器件正极是一面镀有金属导电膜的PTFE薄膜，PTFE薄膜位于镀有金属膜的多孔板与金属导电膜之间。声波鼓动超薄有机弹性薄膜使腔内气体随之流动，气流作用在摩擦电器件上，透过孔状结构推动PTFE薄膜振动，产生相应的电信号。
[0005]作为优选，所述腔体为刚性材料，优选为有机玻璃板、玻璃板。
[0006]作为优选，所述超薄有机弹性薄膜要具有很好的韧性，优选有橡胶膜、聚乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚偏二氯乙烯膜。
[0007]作为优选，所述腔体内的气体为干燥、惰性气体，优选为氩气、氮气。
[0008]所述基于摩擦发电的声电转换器件的制作步骤为:首先将有机玻璃板切割成所需大小，用胶水将有机玻璃板粘连起来，保证各个接触边缘密封。大腔体由5面板子粘成，底面切割成“回”字形，小腔体4面，然后将两个腔体粘到一起，形成大小腔体横向导通的结构。接着，裁取大小合适的超薄有机弹性薄膜(聚乙烯薄膜)绷紧套在大的通气端口上，并用胶带密封；另一端，小的端口上用胶带将摩擦电器件装上并密封。
[0009]所述摩擦电器件的制作及装配步骤为:首先取一块刚性薄塑料板切割成所需大小，用钻孔器均匀钻小孔。然后采用真空镀膜的方法在一面镀上连续导电的金属膜得到镀有金属膜的多孔板，并用导电银胶从金属膜边角粘上漆包线作为电极。接着裁剪相应大小的PTFE膜，用同样的方法镀上导电金属膜并引出电极。最后，先将有镀有金属膜的多孔板用胶带固定在腔体小的通气端，金属膜朝外，边缘用胶带密封；然后先将PTFE膜的无金属导电膜面在纤维纸上摩擦一会儿，再将PTFE覆盖在多孔板上，同样金属导电膜朝外，边缘用胶带密封。
[0010]测试时，将两个电极接上示波器的探头，超薄有机弹性薄膜接收声音信号。测试单频信号时，随着声音频率的改变，输出相应频率的正弦波，并有一个共振频率的声波产生最高的电压幅值。测试复杂的声音信号时，示波器上能记录与原信号相似的波形，即器件具有录音的功能。
[0011]本发明采用了腔体提高了摩擦电器件对声音信号的响应能力，更好的将声波信号转化为电信号。腔体内惰性气体的选择也有效的保护了摩擦电器件，提高了器件的稳定性和耐久性。该探测器具有制作简单、成本低廉、灵敏度高等优点。
【附图说明】
[0012]图1是本发明的简单结构示意图。
[0013]图2是本发明的工作原理图。
[0014]图3是实施例1所述器件对于100分贝不同频率声音的响应情况。
[0015]在图中1.超薄有机弹性薄膜；2.大腔体；3.小腔体；4.摩擦电器件；5.镀有金属膜的多孔板；6.PTFE薄膜；7.金属导电膜；8.负极导线；9.正极导线。
【具体实施方式】
[0016]如图1所示，一种基于摩擦电的声电转换器件，包括超薄有机弹性薄膜(1)、大腔体(2)、小腔体(3)和摩擦电器件(4)，大腔体(2)的一面设置超薄有机弹性薄膜(1)，与之相对的另一面连通小腔体(3 )，小腔体(3 )的另一端通过摩擦电器件(4 )密封，摩擦电器件(4 )的负极是镀有金属膜的多孔板(5)，摩擦电器件(4)正极是一面镀有金属导电膜(7)的PTFE薄膜(6)，PTFE薄膜(6)位于镀有金属膜的多孔板(5)与金属导电膜(7)之间。大、小腔体内密封一股干燥气体，可以是氮气、氩气、空气等。
[0017]所述超薄有机弹性薄膜(I)是柔韧性好具有良好密闭性能；大腔体(2)和小腔体
(3)所用材料为刚性材料且表面光滑，以便声音的反射和传播；摩擦电器件(4)的负极极面钻有均匀的小孔，从而使内部的气流作用于PTFE薄膜(6)上，使PTFE薄膜(6)振动产生电流。镀有金属膜的多孔板(5)是将钻好小孔后的塑料薄板一面真空镀膜制成，并使用导电银胶粘上漆包线引出负极导线(8);镀有金属膜的多孔板(5)与PTFE薄膜(6)未镀金属面经摩擦而带电荷，金属导电膜(7)用导电银胶粘上漆包线引出正极导线(9)，所述金属导电膜(7)的材质优选良导电性的铝、银或铜。超薄有机弹性薄膜(I)厚度为10微米，PTFE薄膜(6)的厚度为30微米。
[0018]如图2所示，将做好的器件正负极接上示波器的探头，超薄有机弹性薄膜面朝着音响。当声音作用在超薄有机弹性薄上时，薄膜随着声波发生形变并压缩腔内的气体，腔体将这种形变传到摩擦电器件上，从而使PTFE薄膜(6)振动，从而产生相应的电信号。其中形变由大腔体面传递的小腔体面时，小的一面将会有更大的形变，从而实现声音信号的聚集、放大的效果。
[0019]实施案例
器件的制作:首先将厚度为3mm的有机玻璃板切割准备9X8.7cm2的4块、4X3.7cm2的4块、外边9X9cm2内边4X4cm2的“回”字形I块，然后用热胶枪将有机玻璃板粘连起来，保证各个接触边缘密封。大腔体由5面板子粘成，底面是“回”字形，小腔体4面，然后将两个腔体粘到一起，形成大小腔体横向导通的结构。接着，裁取大小为1X 1cm2厚度为10微米的超薄有机弹性薄膜(聚乙烯薄膜)绷紧套在大的通气端口上，并用胶带密封；另一端，小的端口上用胶带将摩擦电器件装上并密封。
[0020]所述摩擦电器件的制作如下:采用真空镀膜的方法，在钻孔的塑料板上和30微米厚度的PTFE薄膜(6)上镀铜，并用万用表检测镀铜后塑料板和PTFE薄膜上金属膜的导电性。将导电性良好的镀铜多孔塑料板和PTFE薄膜裁剪成4X4cm2，再在铜层的边缘点上银胶，并将漆包线固定在银胶上。待银胶自然凝固后，用纤维素纸摩擦PTFE薄膜未镀铜那一表面，待其表面带上足够的电荷后，将摩擦过的那一面与镀有铜的多孔板表面叠在一起。最后用kapton胶带(普通透明胶带效果略差)粘起来，这样就制作出了这个摩擦电器件。
[0021]声电转换:将PTFE薄膜(6)表面的铜膜正极层的正极导线(9)接示波器探头的正极，多孔板的铜膜负极层的负极导线(8)接示波器探头的负极，将超薄有机弹性薄膜(I)朝着音响。用电脑软件控制输出单频的音频信号，用噪音计选定测试距离，确保测试相同分贝(100分贝)时的声音。对应每个频率的声波，示波器上产生一个频率相同的正弦波；对应的每个频率产生的电压也有所不同(如图3所示)。
[0022]将30个商用蓝光LED灯串联制成“NCU”字样，接上器件的正负极。让超薄有机薄膜面朝着音响，放在100分贝处，声音频率为300赫兹。输出声音信号时，器件能持续点亮灯泡。
【主权项】
1.一种基于摩擦发电的声电转换器件，包括腔体和摩擦电器件，其特征在于所述腔体由大腔体和小腔体连接而成，横向导通，两端分别由超薄有机弹性薄膜和摩擦电器件密封，摩擦电器件的负极是镀有金属膜的多孔板，摩擦电器件正极是一面镀有金属导电膜的PTFE薄膜，PTFE薄膜位于镀有金属膜的多孔板与金属导电膜之间。2.根据权利要求1所述的基于摩擦发电的声电转换器件，其特征在于所述腔体由刚性材料制成。3.根据权利要求1所述的基于摩擦发电的声电转换器件，其特征在于所述超薄有机弹性薄膜是橡胶膜、聚乙烯膜、聚氯乙烯膜或聚偏二氯乙烯膜。4.根据权利要求1所述的基于摩擦发电的声电转换器件，其特征在于所述腔体内密封一股干燥气体。5.根据权利要求4所述的基于摩擦发电的声电转换器件，其特征在于包括所述腔体内密封氮气、氩气或空气。6.根据权利要求1所述的基于摩擦发电的声电转换器件，其特征在于镀有金属膜的多孔板是将钻好小孔后的塑料薄板一面真空镀膜制成，并使用导电银胶粘上漆包线引出负极导线。7.根据权利要求1所述的基于摩擦发电的声电转换器件，其特征在于所述金属导电膜用导电银胶粘上漆包线引出正极导线。8.—种权利要求1所述基于摩擦发电的声电转换器件的制作方法，其特征在于:首先用有机玻璃制作横向连接导通的大、小腔体，其中小腔体与大腔体连接处气密，且可以设计多个小的腔体连接在大腔体上，然后在大腔体的通气口用超薄有机弹性薄膜密封，小的通气端使用摩擦电器件、胶带密封。9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于:摩擦电器件镀有金属膜的多孔板、镀有金属导电膜的PTFE薄膜、电极导线装配而成。
【专利摘要】本发明提供了一种基于摩擦发电的声电转换器件，包括腔体和摩擦电器件，其特征是所述腔体由大腔体和小腔体连接而成，横向导通，两端分别由超薄有机弹性薄膜和摩擦电器件密封，摩擦电器件的负极是镀有金属膜的多孔板，摩擦电器件正极是一面镀有金属导电膜的PTFE薄膜，PTFE薄膜位于镀有金属膜的多孔板与金属导电膜之间。本发明采用了腔体提高了摩擦电器件对声音信号的响应能力，更好的将声波信号转化为电信号。
【IPC分类】H04R31/00, H04R9/02
【公开号】CN105208497
【申请号】CN201510483373
【发明人】王立, 蔡峰, 刘世昌, 易常瑞, 王仲平
【申请人】南昌大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年8月10日