CN101295941B - 交流纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明是将氧化锌纳米棒阵列与微电机结构相结合，利用氧化锌纳米棒受力弯曲变形所产生压电效应，将作用在微电机结构上的机械振动能转换成电能，构成交流纳米发电机。再利用串联多个这种发电机或二极管—电容升压装置，将微小电压升高至一定的电压。本发明可向一般电子电路提供所需电源，应用于不能使用蓄电池或其电源的场合。
Description
技术领域
本发明是将氧化锌纳米棒阵列与微电机结构相结合，利用氧化锌纳米棒受力弯曲变形所产生压电效应，将作用在微电机结构上的机械振动能转换成电能，构成交流纳米发电机。
背景技术
纳米发电机是利用氧化锌纳米棒弯曲变形后产生的压电效应，再利用一定结构的微电机将纳米棒阵列产生的微弱电流收集起来，形成一定强度的交流电流。一根纳米棒产生的电流和电压都很小，电压一般在几十毫伏，电流在皮安左右，远不足以驱动通常的电子系统。增加电流可通过纳米棒阵列并联的方法，扩大面积，增加参与的纳米棒数量。增加电压除通常简单的串联方法外，还可以用二极管与电容器的组合，利用二极管的单向导电性和电容的电荷储存能力，将交流电压升高。
研究发现，垂直生长的氧化锌纳米棒在受到侧向外力作用弯曲时具有压电特性，如图1所示。氧化锌纳米棒的横截面为正六边形。当纳米棒受力被压弯时，向外部份受到拉伸，向内部份受到挤压。由压电原理知道，拉伸和挤压将产生方向相反的电场。也就是沿轴向方向在中分面两侧将产生方向相反的两个电场。所以无论向何方向弯曲，横截面上部始终为正电位，下部为负电位，长衬底相连接为零电位。截面上部的正电位大小与纳米棒弯曲的程度成正比例，弯曲越大，电位越高。根据研究，长度在l微米左右，直径在40至80纳米的氧化锌纳米棒的电压在扣除由于接触生成的肖特基二极管上的正向压降外，输出电压在5至50微伏之间，内阻在几十到几百kQ左右。
微电机(MEMS)是一种在硅或其他材料上用微制造技术制成的机械结构，它本身可以是电子元件，或者和其他电子元器件集成在一起。技术上，它是在半导体集成电路制造工艺中，用与其兼容的微机械制造工艺，将不需要的地方刻蚀掉或者加入另外的层构成微机械或微电一机结合的器件。将微电机中的一部份根据需要加工成与外界振动能发生共振的结构，如膜、簧片等等，形成能在微电机中发生相对运动的部份，再与氧化锌纳米棒结合，就可将振动机械能转化成电能，形成非常小的纳米发电机。可应用于不能使用蓄电池或其他电源的场合。但是这样的纳米发电机产生的无论是电压还是电流都非常小。原理上，增大面积或采用并联的方法可以增加电流，采用串联的方式可以增加电压。同时还有其他一些方法能提高电压。例如上面提到的二极管与电容给合成的无源电压提升方法。
发明内容
本发明包括两部份：一是将氧化锌纳米棒阵列与微电机结构相结合构成一种微小的交流发电机。它包含上电极，氧化锌纳米棒阵列，绝缘垫，防过载垫，中电极，下电极，如图2所示。另一部份是将该发电机与含有肖特基二极管和电容的基材集成在一起，构成一个能推动电子电路的实用电源，如图3所示。在交流发电机中，中间电极含有能与外界振动发生共振的结构；上下两电极与中间电极的距离小于纳米棒的长度，可以压迫多数纳米棒弯曲。由于压电效应，上下两电极与中间电极之间会产生电压。如果上下两部份纳米棒数量与压迫程度大致相当，在外界没有振动时，则上下两电极之间没有电压差。当外界有振动时，由于中间的电极能随外界振动发生共振，而上下两电极相对静止，不能与外界振动发生共振，于是中间电极与上下两电极发生相对运动。当共振部份向下运动时，下面的氧化锌纳米棒阵列因为受到更多的压迫产生更高的电压，同时上面的氧化锌纳米棒阵列由于松弛而降低原来电压，于是在上下电极之间便形成下正上负的电压差。当中间电极向上运动时，上纳米棒阵列受到更多的压迫产生更高的电压，而下面纳米棒阵列松弛降低了电压，从而形成上正下负的电压差。所以，当结构在共振时，上下两电极间可产生频率与共振频率一致的交流电压。在上下两氧化锌阵纳米棒列中有防过载垫。防过载垫的作用是当振动过大时，防过载垫能防止中间电极过度运动而造成氧化锌纳米棒损坏。在中间电极上还有若干通孔，以减小空气阻力带来的能量损耗。
附图说明
图l氧化锌纳米棒弯曲后产生的电位差
图2氧化纳米交流发电机结构示意图
图3具有升压装置的氧化锌纳米交流发电机
图4能与外界振动发生共振的簧片
图5能与外界振动发生共振的膜
图6含有氧化锌薄膜层的中间电极
图7在含有氧化锌薄膜层上生长氧化锌纳米棒阵列
图8含有氧化锌薄膜层、绝缘垫和防过载垫的上下电极
图9含有二极管和电容的基材
图中：101-基材；102-未被压弯的氧化锌纳米棒；103 -在侧向外力作用下弯曲的纳米棒；F-侧向外力；+V -正电压；-V -负电压；OV-零电压；201-上电极；202-下电极；203 -中间电极；204-氧化锌薄膜层；205-防过载垫；206-氧化锌纳米棒；207-绝缘垫；301-基材；302-氧化锌纳米发电机；303-电容；304-二极管；305-连线；401-能与外界共振的簧片；501-能与外界共振的膜的横载面；502-能与外界共振的膜顶视图；503 -过孔；601-中间电极基材；602 -氧化锌薄层；701-氧化锌纳米棒阵列；702 -氧化锌层；703 -中间电极基材；801-上电极；802 -下电极；803 -氧化锌薄膜层；804-绝缘垫；805-防过载垫；901-含有二极管和电容的半导体基材；902 -电容器；903 -二极管。
具体实施方式
1．首先在某种基材，如硅片上用干法或湿法刻蚀出能与外界机械振动发生共振的结构，如簧片，膜等等，如图4、5所示。
2．为与氧化锌纳米棒形成欧姆接触，该基材可以是高掺杂的硅片或其他半导体片，也可以是在普通半导体片上用某种方法，如真空溅射，气相蒸发或液相法生长的氧化锌薄膜，如图6所示。
3．在该薄膜上用气相法或液相法生长出基本整齐的，长度在l到几微米的氧化锌纳米棒阵列，如图7所示。
4．在另外两片基材上的一面刻蚀出光滑凹凸的结构。为形成欧姆接触，可同样使用高掺杂半导体片或用2中所用的方法生成氧化锌薄膜。同时，在该基材上还需形成防过载垫。防过载垫的材料可以为任意绝缘材料。两片基材如图8所示。
5．采用某种方法，如热压法或粘接法，将生长有氧化锌纳米棒阵列的共振结构和两片基材键合在一起，形成交流纳米发电机，如图2所示。
6．在半导体基材上做出肖特基二极管与电容器的Villard升压器，如图9所示。
7．将多个纳米交流发电机组装集成为具有一定功率输出的纳米交流发电机，如图3所示。
Claims (6)
1.一种交流纳米发电机，其特征是：利用氧化锌纳米棒阵列与微电机结构的结合，所述交流纳米发电机包括：上电极、中电极和下电极，所述中电极的两侧生长有氧化锌纳米棒阵列；所述中电极作为与外界发生共振的部分，与该纳米发电机其他部分产生相对运动，同时拉伸和挤压两侧的氧化锌纳米棒。
2.根据权利要求1所记述的发电机，其特征是：所述中电极为簧片或膜。
3.根据权利要求2所记述的发电机，其特征是：所述上电极和下电极的材料为硅。
4.根据权利要求3所记述的发电机，其特征是：所述上电极和下电极的硅片刻蚀有帮助氧化锌纳米棒弯曲的微凹凸结构。
5.根据权利要求4所记述的发电机，其特征是：在上下两氧化锌纳米棒阵列中有防过载垫。
6.根据权利要求5所记述的发电机，其特征是：氧化锌纳米棒与各电极之间形成的是欧姆接触。
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