CN102340262B - 微型发电器、其制备方法、及发电元件 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种微型发电器，其包括：至少一导电纤维；以及至少一压电陶瓷层，是覆盖于该至少一导电纤维的表面，其中，当施力于该表面覆有压电陶瓷层的导电纤维并使其产生形变时，是产生电能而达到发电效果。本发明亦提供该微型发电器的制备方法以及一种发电元件。

Description

微型发电器、其制备方法、及发电元件

技术领域

本发明是关于一种微型发电器、其制备方法、以及一种发电元件，尤指一种包含并利用压电材料产生电能的微型发电器、其制备方法、以及发电元件。

背景技术

压电效应是材料中一种机械能与电能互换的现象，而压电材料会有压电效应是因为晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。压电材料的应用范围非常广泛，例如：生化医疗用途、风力或潮汐发电装置、无线感应器、个人化电子产品等。目前常见的压电材料包含有陶瓷类的钛酸钡(BaTiO₃，BT)、钛酸铅锆(Pb(Zr_0.53Ti_0.47)O₃，PZT)、单晶类的石英(Quartz)、电气石、罗德盐、钽酸盐、铌酸盐、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)等，或是氧化锌(ZnO)。

微型发电器是利用压电材料的性质，搜集环境中的力学能(如，震动、扭动、挤压等等)，并将此力学能转换成电能，而提供发电效果。

已知的微型发电器的结构通常为平面状结构，例如，上下二个平面电极之间夹置有一层层状压电材料层，而构成一压电性微型发电器。

例如，US3976898中揭露有一种压电发电装置，其是包含有电极-压电层-电极的三明治结构，由机械性的施力而产生电能，来构成其压电发电装置。CN101575082A中揭露有一种风致动发电机，其是包括有夹置于电极层之间的压电层的多层结构，使风振动引起压电层形变而产生电力。

如图1所示，其是一已知压电发电装置10的示意图，该压电发电装置10包括有电极层11以及夹置于电极层11之间的压电材料层12。当下压施力13于该电极层12的表面时，夹置于电极层11之间的压电材料层12可将力学能转换成电能，而达到发电效果。

然而，此种“电极-层状压电材料-电极”所构成的多层结构的发电器通常发电效率不佳(电流密度低)，且制作成本较高，商业利用性较低。因此，本领域亟需发展出一种具有极佳发电效率(具有高电流密度)，且制作成本低廉，具高商业利用性的微型发电器。

发明内容

本发明提供了一种具有新颖结构的微型发电器，其利用了压电材料的性质，搜集环境中的力学能(如，震动、扭动、挤压等等)，并将此力学能转换成电能，而提供发电效果。

本发明的微型发电器是包括：至少一导电纤维；以及至少一压电陶瓷层，是覆盖于该至少一导电纤维的表面，其中，当施力于该表面覆有压电陶瓷层的导电纤维并使其产生形变时，产生电能而达到发电效果。

本发明的微型发电器由于可使用便宜的导电纤维原料进行制造，因此制作成本低，且由于本发明的微型发电器的制备步骤简单，因此容易大量生产。此外，本发明的微型发电器可传导较高的电流密度，是已知技术(例如，“电极-层状压电材料-电极”所构成的多层结构的发电器)所无法达成的。再者，本发明的形状为纤维状的微型发电器(即，表面覆有压电层的纤维)，可应用范围相较于已知层状发电器更佳广泛。例如，可将本发明的纤维状微型发电器进行织造成为具有发电性质的织布，或是视各种使用情形而进行调整，成为各种型态的发电装置。因此，本发明的微型发电器的应用范围相较于已知层状发电器更广泛许多。

本发明的微型发电器中，该导电纤维较佳是碳纤维、导电聚酯纤维、或不锈钢纤维、铜线、银线等一般金属线，更佳为碳纤维。碳纤维为容易取得的材料，因此可降低本发明的微型发电器的生产成本。并且，由于碳纤维导电性佳，相较于导电聚酯纤维可承受更高的电流密度，提升微型发电器的发电效率。此外，碳纤维相较于金属线更具韧性佳的优点。

本发明的微型发电器中，所包含的导电纤维的数目较佳是为1以上，且该每一导电纤维的表面较佳皆覆盖有一压电陶瓷层。本发明的微型发电器中，导电纤维的数目越多，微型发电器整体可输出的电流越大。

本发明的微型发电器中，该导电纤维的直径较佳可为0.5μm至100μm。

本发明的微型发电器中，该压电陶瓷层的材料较佳可选自由：钛酸钡(BaTiO₃，BT)、钛酸铅锆(Pb(Zr_0.53Ti_0.47)O₃，PZT)、石英(Quartz)、电气石、罗德盐、钽酸盐、铌酸盐、氮化铝(A1N)、氮化镓(GaN)、及氧化锌(ZnO)所组成的群组，更佳可为氧化锌(ZnO)。

本发明的微型发电器中，该压电陶瓷层的厚度较佳可为至之间。

本发明更提供一种微型发电器的制备方法，包括步骤：(A)提供至少一导电纤维；以及(B)形成一压电陶瓷层于该至少一导电纤维的表面，其中，当施力于该表面覆有压电陶瓷层的导电纤维并使其产生形变时，是产生电能而达到发电效果。

本发明的微型发电器的制备方法由于使用了便宜的导电纤维原料进行制造，因此生产成本低。且由于步骤简单，故有利于大量生产。此外，利用本发明的方法所制得的微型发电器可传导较高的电流密度，是已知技术所无法达成的。再者，本发明的方法所制得的微型发电器的形状为纤维状，因此可应用范围相较于已知层状发电器更加广泛。例如，可将本发明的方法所制得的纤维状微型发电器进行织造成为具有发电性质的织布，或是视各种使用情形而进行调整，成为各种型态的发电装置。

本发明的微型发电器的制备方法中，该导电纤维较佳是碳纤维、导电聚酯纤维、或不锈钢纤维、铜线、银线等一般金属线，更佳为碳纤维。碳纤维为容易取得的材料，因此可降低本发明的微型发电器的生产成本。并且，由于碳纤维导电性佳，相较于导电聚酯纤维可承受更高的电流密度，提升微型发电器的电效率。此外，碳纤维相较于金属线更具韧性佳的优点。

本发明的微型发电器的制备方法中，该导电纤维的直径较佳可为0.5μm至100μm。

本发明的微型发电器的制备方法中，该步骤(B)中的压电陶瓷层较佳可经由使用原子层沉积法(atomic layer deposition)、溶胶凝胶法(solgel)、化学气相沉积法(CVD)形成于该至少一导电纤维的表面，更佳是使用原子层沉积法。

本发明的微型发电器的制备方法中，该压电陶瓷层的材料较佳可选自由：钛酸钡(BaTiO₃，BT)、钛酸铅锆(Pb(Zr_0.53Ti_0.47)O₃，PZT)、石英(Quartz)、电气石、罗德盐、钽酸盐、铌酸盐、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、及氧化锌(ZnO)所组成的群组，更佳可为氧化锌(ZnO)。

本发明又提供一种发电元件，其包括：至少一导电纤维；至少一压电陶瓷层，是覆盖于该至少一导电纤维的表面；至少一电极，是连接至该覆有压电陶瓷层的导电纤维的两端；以及一基板，是用以固定该电极以及所述表面覆有压电陶瓷层的导电纤维；其中，当施力于该发电元件并使其产生形变时，是产生电能而达到发电效果。

本发明的发电元件由于使用了便宜的导电纤维原料，因此生产成本低。且由于本发明的发电元件的制备步骤简单，故有利于大量生产。此外，利用本发明的方法所制得的发电元件可传导较高的电流密度，是已知技术所无法达成的。

本发明的发电元件中，该压电陶瓷层的材料较佳可选自由：钛酸钡(BaTiO₃，BT)、钛酸铅锆(Pb(Zr_0.53Ti_0.47)O₃，PZT)、石英(Quartz)、电气石、罗德盐、钽酸盐、铌酸盐、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、及氧化锌(ZnO)所组成的群组，更佳可为氧化锌(ZnO)。

本发明的发电元件中，该导电纤维较佳可为碳纤维、导电聚酯纤维、或不锈钢纤维、铜线、银线等一般金属线，更佳为碳纤维。碳纤维为容易取得的材料，因此可降低本发明的微型发电器的生产成本。并且，由于碳纤维导电性佳，相较于导电聚酯纤维可承受更高的电流密度，提升微型发电器的发电效率。此外，碳纤维相较于金属线更具韧性佳的优点。

本发明的发电元件中，该导电纤维的直径较佳可为0.5μm至100μm。本发明的发电元件中，该压电陶瓷层的厚度较佳可为至之间。

附图说明

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下，其中：

图1是一已知压电发电装置的示意图。

图2A至2E是本发明实施例1的制备流程图。

图3是本发明测试例的电流测试结果图。

图4是本发明测试例的电流测试结果图。

图5是本发明比较例的元件的示意图。

图6是本发明比较例的元件电流测试结果图。

具体实施方式

实施例1

如图2A至2C所示，首先，(A)提供多个碳纤维21(图2A)。接着，(B)使用原子层沉积法(atomic layer deposition)于所述碳纤维21表面形成厚度约的氧化锌(ZnO)压电陶瓷层22，以得到本实施例的微型发电器20，即表面覆有氧化锌压电陶瓷层22的碳纤维21(图2B)。接着，于该表面覆有氧化锌压电陶瓷层22的碳纤维21(即，微型发电器20)的两端形成金属层23(可由涂布银胶或其它导电胶来形成，或使用电镀方法)，以使其固定于一具可挠性的基板24上。金属层23同时也作为电极。最后，于该表面覆有氧化锌压电陶瓷层22的碳纤维21上涂布一层胶水25(是以树脂为材料)，胶水25风干后可做为保护层，阻绝外界灰尘、水气等干扰。注意，为达到保护功能，胶水25较佳需覆盖金属层23与该表面覆有氧化锌压电陶瓷层22的碳纤维21的相接处，但不可完全覆盖金属层23(也就是电极)，否则无法与外界电路结合。如此，则得到本实施例的发电元件2(图2D)。如图2B所示，本实施例的微型发电器20包括有多个碳纤维21(导电纤维)、以及覆于碳纤维21表面的氧化锌(ZnO)压电陶瓷层22。其中，如图2E所示，当施力于本实施例的发电元件2，使该微型发电器20(表面覆有压电陶瓷层22的碳纤维21)产生形变时，是产生电能而达到发电效果。

实施例2

本实施例的发电元件是如实施例1中所描述的相同步骤进行制备，但其中，步骤(B)是以溶胶凝胶法(sol gel)代替原子层沉积法，并以导电聚酯纤维取代碳纤维来进行制备。

测试例1

取实施例1所制得的微型发电元件2进行电流测试，其结果如图3所示。经由实验测试电流结果可知，本发明所制得的微型发电元件所得到的输出电流约为2.13×10^-9安培。其中碳纤维的直径约为5×10⁶米(公尺)。以此换算出的电流密度约为1.08×10⁷nA/cm²，是远大于已知的氧化锌微型发电元件。在此，需知道的是，电流测试所得到的输出电流是与测试时施力的大小、快慢、方式有关。本测试例中是以手动方式进行施压，故输出电流值的大小有少许差距。若以机械稳定施压，而进行电流测试，则可得到一稳定信号。

测试例2

本实施例所示的工艺，可轻易并联更多压电纤维，倍数提高输出电流。如图4所示，以与实施例1相同工艺但使用更多数量的碳纤维所制得的另一微型发电元件(图未示)进行电流测试，所得到的最大输出电流即可提高至30×10^-9安培，。注意图4中仅约4秒时产生的30nA信号为真实信号，其余扰动都是不规则的背景信号。图3与图4的电流噪声值有所差异，这是因为不同元件具有不同的本质电性(电阻、电容等)，因此对量测系统施加的背景交流信号亦有不同反应。

比较例

如图5所示，将多个碳纤维21以金属层23固定于一可挠式基板24上以制造一元件3。本比较例中，多个碳纤维21的表面并没有涂布压电陶瓷层，因此元件3是单纯由碳纤维21(以及电极等)构成的元件。

将此元件3进行电流测试，其结果如图6所示。此元件的噪声值约与测试例2的元件相等，由结果可看出此元件3并没有压电效果。这证明了本发明实施例1与实施例2的微型发电器20经测试得到的输出电流确实来自压电材料(压电陶瓷层)，而并非是因待测物形变，或系统、环境因素等而侦测到的错误信号。

综上所述，本发明的微型发电器及/或微型发电元件由于可使用便宜的导电纤维原料进行制造，因此制作成本低，且由于本发明的微型发电器及/或微型发电元件的制备步骤简单，因此容易大量生产。此外，经由本发明的电流测试结果可知，本发明的微型发电器及/或微型发电元件可传导较高的电流密度，是已知技术(例如，“电极-层状压电材料-电极”所构成的多层结构的发电器)所无法达成的。再者，本发明的形状为纤维状的微型发电器(即，表面覆有压电层的碳纤维)，可应用范围相较于已知层状发电器更加广泛。例如，可将本发明的纤维状微型发电器进行织造成为具有发电性质的织布，或是视各种使用情形而进行调整，成为各种型态的发电装置。因此，本发明的微型发电器的应用范围相较于已知层状发电器更广泛许多。

上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种微型发电器，其包括：

至少一导电纤维，其中，该导电纤维是直径为0.5μm至100μm的碳纤维；以及

至少一压电陶瓷层，覆盖于该至少一导电纤维的表面，

其中，当施力于该表面覆盖有压电陶瓷层的导电纤维并使其产生形变时，产生电能而达到发电效果。

2.如权利要求1所述的微型发电器，其中，该微型发电器所包含的该导电纤维的数目是为1以上，且该每一导电纤维的表面皆覆盖有一压电陶瓷层。

3.如权利要求1所述的微型发电器，其中，该压电陶瓷层的材料为氧化锌。

4.如权利要求1所述的微型发电器，其中，该压电陶瓷层的厚度为至之间。

5.一种微型发电器的制备方法，包括步骤：

(A)提供至少一导电纤维，其中，该导电纤维是直径为0.5μm至100μm的碳纤维；以及

(B)形成一压电陶瓷层于该至少一导电纤维的表面，

其中，当施力于该表面覆有压电陶瓷层的导电纤维并使其产生形变时，产生电能而达到发电效果。

6.如权利要求5所述的微型发电器的制备方法，其中，该步骤(B)中的压电陶瓷层是经由使用原子层沉积法而形成于该至少一碳纤维的表面。

7.如权利要求5所述的微型发电器的制备方法，其中，该压电陶瓷层的材料为氧化锌。

8.一种发电元件，其包括：

具可挠性的一基板；

至少一导电纤维，位在该基板上，其中，该导电纤维是直径为0.5μm至100μm的碳纤维；

至少一压电陶瓷层，覆盖于该至少一导电纤维的表面；

一第一电极，形成在该基板上，连接至该覆有压电陶瓷层的导电纤维的一端；以及

一第二电极，形成在该基板上，连接至该覆有压电陶瓷层的导电纤维的另一端；

其中，当施力于该发电元件并使其产生形变时，产生电能而达到发电效果。

9.如权利要求8所述的发电元件，其中，该压电陶瓷层的材料为氧化锌。

10.如权利要求8所述的发电元件，其中，该压电陶瓷层的厚度为至之间。