一种摩擦电-压电混合式音叉形声学纳米发电机

本发明涉及声学能量收集与自供能器件，尤其涉及一种摩擦电-压电混合式音叉形声学纳米发电机。

背景技术：

1、随着物联网节点、低功耗传感器和微型电子器件的快速发展，微型化、自供能和长期稳定运行的电源需求持续增加。传统电池供电方式存在寿命有限、维护更换成本高以及废弃电池环境负担等问题，因此，从环境中获取机械、热、光或声学能量并将其转换为电能的能量收集技术受到关注。

2、声波和工业噪声在生产设备、交通设施和封闭腔体结构中广泛存在，但声学能量通常具有幅值有限、频率分布宽、方向不稳定等特点，导致常规声学能量收集装置难以在较宽频段内保持有效输出。摩擦电纳米发电机通常基于摩擦起电与静电感应实现机械能到电能的转换，压电纳米发电机通常基于压电材料在应力作用下产生的极化电荷实现机械能到电能的转换。二者具有不同的输出特性和适用形变方式，若能够在同一声学耦合结构内协同工作，有利于提高声学能量的利用率。

3、现有混合式纳米发电结构多采用平板、薄膜或悬臂梁形式，其声波汇聚能力、频率选择能力和结构集成性仍有提升空间。音叉结构具有成对叉股和明确的谐振特性，能够通过叉股尺寸、材料和附加质量调节固有频率；将多个不同固有频率的音叉结构布置在同一声学腔体内，有望形成宽频声学能量收集。然而，如何使音叉结构的顶部外侧摩擦电振动与顶部内侧压电形变在同一柔性响应振动后并列产生，并使二者的输出通过电源管理电路稳定汇集，仍需进一步改进。

技术实现思路

1、本发明提供一种摩擦电-压电混合式音叉形声学纳米发电机，以克服上述技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种摩擦电-压电混合式音叉形声学纳米发电机，包括锥形渐缩腔体与摩擦电-压电混合式的音叉形声学结构；且所述音叉形声学结构的输出与电源管理电路连接；

4、所述锥形渐缩腔体设有用于汇聚声波的容纳腔；

5、所述音叉形声学结构包括若干音叉结构；

6、各所述音叉结构沿容纳腔的腔体轴向间隔布置，且任意两个相对设置的两个音叉结构构成一组音叉结构组；所述音叉结构组之间的音叉结构长度不同，以分别对应输入容纳腔内声波信号的不同声音频率；

7、所述音叉结构设置在安装底座上，所述安装底座（3）通过预置的支撑件悬空固定于所述容纳腔的内部；且各所述音叉结构的一端固定于安装底座上，音叉结构的另一端悬空于所述容纳腔的内部；所述音叉结构的另一端设有摩擦电-压电混合式结构；

8、所述摩擦电-压电混合式结构包括压电发电单元与摩擦电发电单元；且所述压电发电单元设置于音叉结构的内侧受力区域；所述摩擦电发电单元设置于音叉结构的外侧自由端；所述摩擦电发电单元用于在输入至容纳腔内声波信号的振动条件下输出摩擦电信号；在输入至容纳腔内声波信号的激励下，在音叉结构弯曲形变时，压电发电单元在压电效应下产生极化电荷以输出压电电信号；

9、所述电源管理电路用于获取摩擦电信号与压电电信号的声学能量。

10、进一步的，所述音叉结构包括第一叉股结构与第二叉股结构；

11、所述第一叉股结构与第二叉股结构的一端共同设置在安装底座的固定点位置；且任意相邻的音叉结构中，一个音叉结构的第一叉股结构与另一个音叉结构的第二叉股结构相互平行。

12、进一步的，所述压电发电单元包括压电材料层与压电电极；

13、所述压电材料层的底端面与压电电极的顶端面连接；所述压电材料层的顶端面设有柔性板结构；所述压电电极的底端面设有柔性电路连接板。

14、进一步的，所述压电材料层为锆钛酸铅压电陶瓷、聚偏氟乙烯压电薄膜、铌镁酸铅-钛酸铅压电单晶中的任意一种或其组合。

15、进一步的，所述摩擦电发电单元包括第一摩擦层、第二摩擦层以及分别与所述第一摩擦层与所述第二摩擦层对应设置的摩擦电极；

16、且所述第一摩擦层与所述第二摩擦层由摩擦电序列位置不同的材料形成。

17、进一步的，所述第一摩擦层与所述第二摩擦层的材料组合为聚酯与聚丙烯、聚四氟乙烯与尼龙、聚四氟乙烯与氟化乙烯丙烯共聚物中的任意一种。

18、进一步的，所述锥形渐缩腔体设有声波入口与声波出口；且所述声波入口的截面积大于声波出口截面积；所述锥形渐缩腔体的内壁还设有用于提高声压耦合效率的声波反射层。

19、进一步的，所述音叉结构长度的获取公式为：

20、

21、式中：表示音叉叉股所对应声波信号中声音频率的一阶近似固有频率；表示音叉叉股有效长度即音叉结构长度；e表示音叉结构的材料弹性模量；i表示音叉结构中音叉叉股的截面惯性矩；ρ表示音叉结构的材料密度；a表示音叉结构中音叉叉股的截面积。

22、与现有技术相比，本发明提供了一种摩擦电-压电混合式音叉形声学纳米发电机，有益效果如下：

23、1. 通过锥形渐缩腔体汇聚声波并通过多组音叉结构进行频率选择，使不同频率范围内的声波能够驱动对应音叉结构产生较大幅值振动，有利于拓宽声学能量收集频带；

24、2. 压电发电单元设置于音叉叉股的顶部内侧受力区域，摩擦电发电单元设置于相对音叉结构顶部外侧的相对自由端位置，使同一声学激励引起的柔性响应结构振动分别形成顶部内侧压电形变与顶部外侧摩擦电振动，并并列用于压电转换和摩擦电转换，提高了声-机-电转换路径的利用率；

25、3. 压电输出与摩擦电输出经独立整流后汇入电源管理电路，能够降低两类发电单元输出特性差异对储能节点的影响，便于向低功耗传感器或监测节点提供稳压电能；

26、4. 音叉结构的固有频率能够通过叉股长度、厚度、宽度、材料以及附加质量块进行调节，便于根据工业噪声、设备振动声或封闭腔体噪声等不同声源频率频段进行制定。

1.一种摩擦电-压电混合式音叉形声学纳米发电机，其特征在于，包括锥形渐缩腔体（1）与摩擦电-压电混合式的音叉形声学结构；且所述音叉形声学结构的输出与电源管理电路连接；

2.根据权利要求1所述的一种摩擦电-压电混合式音叉形声学纳米发电机，其特征在于，所述音叉结构（2）包括第一叉股结构（21）与第二叉股结构（22）；

3.根据权利要求2所述的一种摩擦电-压电混合式音叉形声学纳米发电机，其特征在于，所述压电发电单元（5）包括压电材料层（51）与压电电极（52）；

4.根据权利要求3所述的一种摩擦电-压电混合式音叉形声学纳米发电机，其特征在于，所述压电材料层（51）为锆钛酸铅压电陶瓷、聚偏氟乙烯压电薄膜、铌镁酸铅-钛酸铅压电单晶中的任意一种或其组合。

5.根据权利要求4所述的一种摩擦电-压电混合式音叉形声学纳米发电机，其特征在于，所述摩擦电发电单元（4）包括第一摩擦层、第二摩擦层以及分别与所述第一摩擦层与所述第二摩擦层对应设置的摩擦电极；

6.根据权利要求5所述的一种摩擦电-压电混合式音叉形声学纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层与所述第二摩擦层的材料组合为聚酯与聚丙烯、聚四氟乙烯与尼龙、聚四氟乙烯与氟化乙烯丙烯共聚物中的任意一种。

7.根据权利要求6所述的一种摩擦电-压电混合式音叉形声学纳米发电机，其特征在于，所述锥形渐缩腔体（1）设有声波入口（11）与声波出口（12）；且所述声波入口（11）的截面积大于声波出口（12）截面积；所述锥形渐缩腔体（1）的内壁还设有用于提高声压耦合效率的声波反射层。

8.根据权利要求7所述的一种摩擦电-压电混合式音叉形声学纳米发电机，其特征在于，所述音叉结构（2）长度的获取公式为：