CN103107737B - 压电摩擦复合式微纳发电机及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及MEMS集成加工领域，具体涉及一种基于压电摩擦复合式微纳发电机及其制备方法，采用压电薄膜构成压电型发电机，利用压电薄膜金属电极与其它柔性聚合物材料对电荷束缚能力的差异构成摩擦型发电机。同传统的压电型发电机、摩擦型发电机相比，将压电与摩擦复合，并通过合理的外电路连接方式，可以高效地为电容充电，并提供高达百伏的电压输出。综上所述，本发明提出的压电摩擦复合式微纳发电机及其制备方法成本低、产率高、工艺简单，而且具有高电压输出和很强的充电能力。发电机结构包括：压电薄膜、压电薄膜电极、具有微纳复合结构的柔性聚合物材料、聚合物材料电极。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS集成加工领域，具体涉及一种基于压电摩擦复合式微纳发电机及其制备方法。
背景技术
微机电系统（Micro-electro-mechanicalsystem,MEMS）是一门新兴的多领域交叉学科，近年来发展十分迅速，受到了国内外的广泛关注。对于各种MEMS器件，一般都需要电源供能，然而传统的供能方式如电池、传输线已无法满足小型化的需求。近年来，纳米发电机的发展为MEMS器件提供了一种新的供能方式。根据不同的工作原理，纳米发电机可以分为压电型、热释电型、摩擦型等几类。其中压电型和摩擦型均是将外界的振动能转化成电能。
对于压电型纳米发电机，王中林教授研究小组利用氧化锌纳米线成功制备了压电型纳米发电机[Wang,Z.L.etal.Science,vol.312,pp.5771,2006；朱光等，纳米发电机及其制造方法，中国发明专利，申请号:201210116881.4；李梦轲等，一种纳米发电机，中国发明专利，申请号:200910188057.8；王中林等，纳米发电机、纳米发电组件及其自供电系统，中国发明专利，申请号:201210142387]。压电型纳米发电机具有较好的转移电荷能力，对电容的充电速度较快，但是其输出电压有限（约为几十伏），在一定程度上限制了其充电能力。
相比于压电型纳米发电机，摩擦型纳米发电机利用不同材料得失电子能力的差异，通过摩擦使不同材料表面带有异种电荷，当不同表面产生相对运动时，由于两表面间电容值的变化，外电路中会有电荷流动，从而达到发电的效果。通过拱形结构使两表面迅速分离[Wang,S.,Lin,L.andWang,Z.L.NanoLetters,vol.12,pp.6339,2012]，可以得到高电压输出的摩擦型纳米发电机，其输出电压峰值高达几百伏，但是摩擦型纳米发电机的等效内阻很大，单层摩擦结构对电容的充电能力并不强。
发明内容
本发明的目的在于提供一种摩擦压电复合式微纳发电机及其制备方法，采用压电薄膜构成压电型发电机，利用压电薄膜金属电极与其它柔性聚合物材料对电荷束缚能力的差异构成摩擦型发电机。同传统的压电型发电机、摩擦型发电机相比，将压电与摩擦复合，并通过合理的外电路连接方式，可以高效地为电容充电，并提供高达百伏的电压输出。综上所述，本发明提出的压电摩擦复合式微纳发电机及其制备方法成本低、产率高、工艺简单，而且具有高电压输出和很强的充电能力。
为达到上述目的，本发明提供了一种压电摩擦复合式微纳发电机，该结构包括：压电薄膜、压电薄膜电极、具有微纳复合结构的柔性聚合物材料、聚合物材料电极。所述压电薄膜为聚偏氟乙烯（polyvinylidenefluoride,PVDF）；所述压电薄膜电极为金属铝或其它具有较强带正电能力的金属如镍、铜、银；所述具有微纳复合结构的柔性聚合物材料为聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane,PDMS）与聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethyleneterephthalate,PET）的键合结构；所述聚合物材料电极为半导体材料包括铟锡金属氧化物（ITO）或其它导电性好的金属如金、银、铂、铜、铝等。
所述的微纳复合结构的柔性聚合物材料包括微米结构与纳米结构，其中微米结构为金字塔形阵列或沟槽栅状阵列或半球形阵列，特征尺寸为1μm-200μm，间距为1μm-50μm；纳米结构为纳米毛刺或纳米筛孔，特征尺寸为2nm-1000nm，间距2nm-500nm。
本发明还提供了一种纳米发电机制造方法，包括以下步骤：
1）、通过旋涂或自流平的方法，将PVDF溶液覆盖于硅基片或其它水平表面上，加热PVDF溶液，制成PVDF薄膜；
2）、在强电场下极化PVDF薄膜使其具有压电性；
3）、通过蒸发或溅射工艺，在PVDF薄膜两侧制作电极；
4）、通过光刻、湿法腐蚀或干法刻蚀，在硅基片或玻璃基片上制作微米结构；
5）、通过优化的深反应离子刻蚀工艺，在微米结构表面上制作具有高深宽比和高密度的纳米结构，并通过后处理工艺降低结构表面的表面能；
6）、通过PDMS铸膜转印工艺，制备具有微纳复合结构的PDMS柔性薄膜；
7)、通过加热，将具有微纳复合结构的PDMS薄膜与PET薄膜键合；
8）、通过蒸发或溅射或化学气相沉积工艺，在PET薄膜表面制作电极；
9）、将带电极的PVDF压电薄膜与带电极的PDMS-PET键合结构组装并封装。
所述步骤1）中，PVDF溶液的溶质为PVDF粉末，溶剂为N,N-二甲基甲酰胺（N，N-dimethylformamide，DMF），溶质质量分数为5%-20%，加热温度为80-130℃，时间为2小时-4小时。
所述步骤2）中，极化电场强度为50kV/cm-1500kV/cm。
所述步骤3）中，电极为具有较强带正电能力的金属如铝、镍、铜、银等。
所述步骤4）中，微米结构的特征尺寸为1μm-200μm，间距为1μm-50μm。
所述步骤5）中，纳米结构的特征尺寸为2nm-1000μm，间距为2nm-500nm；制备纳米结构的工艺参数为：线圈功率为800W–900W，压强为20mTorr-30mTorr，刻蚀气体SF6流量为20sccm–45sccm，钝化气体C4F8或O2流量为30sccm-50sccm，其中SF6和C4F8气体流量比为1:1-1:2，平板功率为6W-12W，刻蚀/钝化时间比为10s:10s-4s:4s，刻蚀/钝化循环60-200次；后处理工艺参数为：线圈功率为800W-900W，压强为20mTorr-30mTorr，刻蚀气体SF6流量为0sccm，钝化气体C4F8或O2流量为30sccm-50sccm，平板功率为6W-12W，刻蚀/钝化时间比为0s:10s-0s:4s，刻蚀/钝化循环1-20次。
所述步骤7）中，加热温度为50-100℃，时间为30分钟-2小时。
所述步骤8）中，电极为半导体材料包括铟锡金属氧化物（ITO）或其它导电性好的金属如金、银、铂、铜、铝等。
以上所述制备步骤，其工艺顺序并非固定不变，根据实际需要可调整工艺顺序或删减工艺步骤。
采用上述步骤所制备的压电摩擦复合式微纳发电机其输出电压在大于等于10伏，优选大于等于50伏，最好大于等于一百伏，单次转移电荷能力大于等于10纳库，优选大于等于50纳库，最好大于等于100纳库。
本发明所提供的压电摩擦复合式微纳发电机可以应用于以下领域：
1、结合该复合式微纳发电机高输出电压、高电荷转移能力的特点，可以将本发明所设计的器件与便携式电子设备如手机、MP3等相集成，结合相应处理电路，为便携式电子设备充电。
2、将本发明所设计的器件置于机械运动普遍的场合，如鞋底、路面、轮胎、鼠标、键盘等，可以有效地采集环境中的机械能，并将其转换成电能以供利用。
3、压电摩擦复合式结构使该微纳发电机对外界振动十分敏感，可以作为自驱动传感器用于检测外界环境的变化，如液体泄漏、结构突变等。
本发明提供的压电摩擦复合式微纳发电机的优点在于：
1、本发明提出的压电摩擦复合式发电机，与单纯的压电型发电机、摩擦型发电机相比，在输出电压、充电能力方面都有了提升，实现了压电型发电机与摩擦型发电机的优势互补。
2、本发明提出的压电摩擦复合式发电机，其摩擦表面采用具有微纳复合结构的柔性聚合物材料，提高了表面粗糙度，从而提高了器件的输出性能。
3、本发明提出的制造方法工艺简单、成本低、生产周期短，结合铸膜转印工艺，可以大批量大面积制备具有微纳复合结构的PDMS薄膜
附图说明
图1为本发明的压电摩擦复合式微纳发电机结构示意图。
图2为本发明的PVDF压电薄膜扫描电镜照片。
图3为本发明的具有微纳复合结构的模具扫描电镜照片。
图4（a）为本发明的微纳发电机的输出电压波形。
图4（b）为本发明的微纳发电机为电容充电的波形。
具体实施方式
下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围不受这些实施例的限制，本发明的范围在权利要求书中提出。
下面结合附图1-图4阐述本发明提供的压电摩擦复合式微纳发电机及其制备方法的具体步骤。
参照图1，图1为本发明的压电摩擦复合式发电机结构示意图，其结构包括：PVDF压电薄膜1，压电薄膜电极2，具有微纳复合结构的PDMS薄膜3，PET薄膜4，聚合物材料电极5。参照图2，图2为本发明的PVDF压电薄膜扫描电镜照片。参照图3，图3为本发明的具有微纳复合结构的模具扫描电镜照片。参照图4，图4（a）为本发明的微纳发电机的输出电压波形，图4（b）为本发明的微纳发电机为电容充电的波形。则图1所示结构的制备步骤如下：
步骤1：通过旋涂或自流平的方法，将PVDF溶液覆盖于硅基片或其它水平表面上，加热PVDF溶液，制成PVDF薄膜1，加热温度为80-130℃，时间为2小时-4小时；
步骤2：在强电场下极化PVDF薄膜使其具有压电性，电场强度为50kV/cm-1500kV/cm；
步骤3：通过蒸发或溅射工艺，在PVDF薄膜两侧制作金属电极2；
步骤4：通过光刻、湿法腐蚀或干法刻蚀，在硅基片或玻璃基片上制作微米结构，微米结构包括金字塔形阵列或沟槽栅状阵列或半球形阵列，特征尺寸为1μm-200μm，间距1μm-50μm；
步骤5：通过优化的深反应离子刻蚀工艺，在微米结构表面上制作具有高深宽比和高密度的纳米结构，纳米结构包括纳米毛刺或纳米筛孔，特征尺寸为2nm-1000nm，间距2nm-500nm；
步骤:6：通过PDMS铸膜转印工艺，制备具有微纳复合结构的PDMS柔性薄膜3；
步骤7：通过加热，将具有微纳复合结构的PDMS薄膜3与PET薄膜4键合，加热温度为50-100℃，时间为30分钟-2小时；
步骤8：通过蒸发或溅射或化学气相沉积工艺，在PET层表面制作电极5；
步骤9：将带有电极的PVDF压电薄膜与带电极的PDMS-PET键合结构组装并封装。
参照图4(a),采用以上步骤所制备出的压电摩擦复合式微纳发电机在5Hz的外加振动下，输出电压峰峰值为90.4V。参照图4(b)，该压电摩擦复合式微纳发电机在10Hz的外加振动下，在120s内可将1μF的电容充电至19.4V。
以上对本发明所提供的一种压电摩擦复合式微纳发电机及其制备方法进行了详细介绍，以上参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种压电摩擦复合式微纳发电机，其特征在于,结构包括：压电薄膜、压电薄膜电极、具有微纳复合结构的柔性聚合物材料以及聚合物材料电极；其中：
所述具有微纳复合结构的柔性聚合物材料为微米结构和纳米结构并存的聚二甲基硅氧烷与聚对苯二甲酸乙二醇酯的键合结构；其中：
所述微米结构为金字塔形阵列或沟槽栅状阵列或半球形阵列，特征尺寸为1μm-200μm，间距为1μm-50μm；所述纳米结构为纳米毛刺或纳米筛孔，特征尺寸为2nm-1000nm，间距2nm-500nm。
2.根据权利要求1所述的一种压电摩擦复合式微纳发电机，其特征在于,所述压电薄膜为聚偏氟乙烯；所述压电薄膜电极为金属铝、镍、铜和/或银；所述聚合物材料电极为半导体材料或者包括金、银、铂、铜和/或铝在内的金属。
3.根据权利要求2所述的一种压电摩擦复合式微纳发电机，其特征在于,所述压电薄膜电极在聚偏氟乙烯薄膜两侧，所述半导体材料为铟锡金属氧化物（ITO）。
4.一种如权利要求1-3之一所述的压电摩擦复合式微纳发电机的制备方法，其特征在于,包括以下步骤：
1）、通过旋涂或自流平的方法，将PVDF溶液覆盖于硅基片或其它水平表面上，加热PVDF溶液，制成PVDF薄膜；
2）、在强电场下极化PVDF薄膜使其具有压电性；
3）、通过蒸发或溅射工艺，在PVDF薄膜两侧制作电极；
4）、通过光刻、湿法腐蚀或干法刻蚀，在硅基片或玻璃基片上制作微米结构；
5）、通过深反应离子刻蚀工艺，在微米结构表面上制作具有高深宽比和高密度的纳米结构，并通过后处理工艺降低结构表面的表面能；
6）、通过PDMS铸膜转印工艺，制备具有微纳复合结构的PDMS柔性薄膜；
7)、通过加热，将具有微纳复合结构的PDMS薄膜与PET薄膜键合；
8）、通过蒸发或溅射或化学气相沉积工艺，在PET薄膜表面制作电极；
9）、将带电极的PVDF压电薄膜与带电极的PDMS-PET键合结构组装并封装。
5.如权利要求4所述的压电摩擦复合式微纳发电机的制备方法，其特征在于：
所述步骤1）中，PVDF溶液的溶质为PVDF粉末，溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，溶质质量分数为5%-20%，加热温度为80℃-130℃，时间为2h-4h；
所述步骤2）中，极化电场强度为50kV/cm-1500kV/cm；
所述步骤3）中，电极为金属铝、镍、铜和/或银。
6.如权利要求4所述的压电摩擦复合式微纳发电机的制备方法，其特征在于：
所述步骤4）中，微米结构的特征尺寸为1μm-200μm，间距为1μm-50μm；
所述步骤5）中，纳米结构的特征尺寸为2nm-1000μm，间距为2nm-500nm；制备纳米结构的工艺参数为：线圈功率为800W-900W，压强为20mTorr-30mTorr，刻蚀气体SF6流量为20sccm-45sccm，钝化气体C4F8或O2流量为30sccm-50sccm，其中SF6和C4F8气体流量比为1:1-1:2，平板功率为6W-12W，刻蚀/钝化时间比为10s:10s-4s:4s，刻蚀/钝化循环60-200次；后处理工艺参数为：线圈功率为800W-900W，压强为20mTorr-30mTorr，刻蚀气体SF6流量为0sccm，钝化气体C4F8或O2流量为30sccm-50sccm，平板功率为6W-12W，刻蚀/钝化时间比为0s:10s-0s:4s，刻蚀/钝化循环1-20次。
7.如权利要求4所述的压电摩擦复合式微纳发电机的制备方法，其特征在于：
所述步骤7）中，加热温度为50℃-100℃，时间为30min-2h；
所述步骤8）中，电极为半导体材料或者包括金、银、铂、铜和/或铝在内的金属。
8.一种包含权利要求1-3之一所述的压电摩擦复合式微纳发电机的设备，其特征在于，设备包括：
（1）便携式电子充电设备，所述充电设备为手机或者MP3；
（2）置于环境中收集机械能的吸能装置，所述吸能装置为鞋底、路面、轮胎、鼠标或者键盘；
（3）自驱动环境监测装置，所述监测装置为液体泄漏监测装置或者结构突变监测装置。
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Effective date of registration: 20190709 Address after: 100871 No. 5 Summer Palace Road, Zhongguancun, Haidian District, Beijing Patentee after: Peking University Address before: 100871 Red Third Floor 105, Peking University Patentee before: Science & Technology Development Deparatment, Peking University |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20151209 Termination date: 20200123 |