CN102647110B - 一种磁力驱动的纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种依靠磁力驱动的纳米发电机及制备方法。本发明的磁力驱动的无线纳米发电机的结构是：在至少一个基片上有两个相互绝缘的电极，在两个相互绝缘的电极上设置至少一条线状的压电材料一端，其中两个相互绝缘的电极分别处于线状压电材料与基片面平行的轴面的上方和下方，线状压电材料的另一端外伸于基片之外，并在线状压电材料的外伸端点处固定设有一个用磁性材料构成的微小颗粒，在这个微小颗粒外的附近设置有一个磁场强度可周期改变的磁场。

Description

一种磁力驱动的纳米发电机

技术领域

本发明涉及一种纳米发电机及这种发电机的制备方法，特别是一种依靠磁力驱动的纳米发电机及制备方法。

背景技术

纳米发电机是美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等在2006年首次提出并研制成功的基于纳米级压电材料的发电装置。参见：王中林，宋金辉，Science，April 2006，Vol 312，No.5771；王旭东，宋金辉，Science，April 2007，Vol 316，No.5821；秦勇，王旭东，Nature，February 2008，Vol451，No.7180。这一装置可以整合纳米器件，为其它纳米器件提供能量，实现真正意义上的纳米系统。纳米发电机可以收集各种形式的机械能：比如人体运动、肌肉收缩等所产生的能量；声波引发震动产生的能量；体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量等等，并最终将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，从而让无纳米器件或纳米机器人实现能量自供。纳米发电机目前虽然仍没有投入到实际应用但其无论在生物医学、军事、无线通信和无线传感等方面广泛的应用前景是显而易见的。

目前，用于制作纳米发电机的材料主要分两种，分别是压电半导体与铁电材料。最初而且也是应用最多的是氧化锌纳米线，氧化锌作为一种半导体材料具有优异的光学、生物学性能。以它为核心制制作的纳米发电机既能靠其压电性能实现机械能向电能的转换，又能依靠其生物相容性把器件植入到生物体内。铁电材料普遍具有较高的压电系数，用它来制作的纳米发电机会有更高的输出电压。

纳米发电机虽然都是依靠机械能到电能的转化向外输出能量，但是由于机械能有着各种各样的表现形式，所以纳米发电机的驱动方式也有很多种。目前，已经出现的驱动方式主要有以下几种：1、依靠两片基底摩擦使基底上的纳米线弯曲，从而产生压电势。参见：秦勇，王旭东，Nature，February 2008，Vol 451，No.7180。2、弯曲弹性基底使处于拉伸面的压电材料拉伸，从而产生压电势。参见：朱光，杨如森，Nano Letters，July 2010，Vol 10，8。3、直接挤压使压电材料压缩，从而产生压电势。参见：胡友凡，张扬，徐晨，Nano Letters，November 2010，Vol10，No.12。4、超声波驱动产生压电势。参见：王旭东，Nano Letters，May 2007，Vol 7，No.8。

发明内容

本发明提供一种制备工艺简单，制造成本低廉，重复性好，输出能量密度大，可在磁场力作用下实现无线驱动的压电材料纳米发电机，同时提供了这种电机的制备方法。

本发明的磁力驱动的无线纳米发电机为：在至少一个基片上有两个相互间绝缘的电极，在两个相互间绝缘的电极上置有至少一条线状的压电材料一端，其中两个相互绝缘的电极分别和线状压电材料上与基片面平行的轴面的上方和下方相接触，线状压电材料的另一端外伸于基片之外，并在线状压电材料的外伸端点处固定设有一个用磁性材料构成的微小颗粒，在这个微小颗粒外的附近设置有一个磁场强度可周期改变的磁场。本发明的发电机中所用的线状的压电材料可以是：氧化锌或锆钛酸铅或铌酸锂或硫化镉或聚偏氟乙烯或钡钛氧或偏锡酸锌或锆钛酸钡钙，等。本发明的线状压电材料的外伸端点处固定设有一个用磁性材料构成的微小颗粒是指用磁性材料粉末，如氧化铁或与粘结材料制备的小颗粒；本发明的磁场强度可周期性的磁砀可以是一个安装于机械装置上的可使其与用磁性材料构成的微小颗粒间距离发生周期性改变的恒磁铁或电磁铁，也可以是固定设置在用磁性材料构成的微小颗粒外一定距离处的其磁场强度可周期性改变的电磁铁，所设置的磁场强度可周期改变的磁场位置应满足当该磁场发生改变引起线状压电材料弯曲变形时，线状压电材料与两个电极的接触点分别处于拉伸面和压缩面。需说明的是基片上的所设置的两个相互间绝缘的电极可以是两电极间沿线状压电材料长度方向有一个间隔，也可是位于线状压电材料的同一长度位置。在前一种情况下这个两电极与压电材料的接触位置分别是：一个接触位置在线状压电材料与基片面平行的轴面的上方，而另一个接触位置在前一个接触位置外的另一位置的与基片面平行的轴面的下方；在后述的情况下这个两电极与压电材料的接触位置分别是位于压电材料的同一长度处且在线状压电材料与基片面平行的轴面的上方和下方。

本发明的这种纳米发电机在使用时，当所设的磁场改变其磁场强度时，可对线状的压电材料外伸端上所固定的由磁性材料构成的小颗粒形成周期性吸引，使线状的压电材料发生周期性的弯曲，在线状压电材料与两个电极相接触处分别产生拉伸和压缩，形成压电效应，产生电能。

本发明的磁力驱动的无线纳米发电机可以由多个前述的磁力驱动的无线纳米发电机叠加而成。这里所述的叠加是指由前述的数个甚至是多个发电机组合，使其产生的电压或/和电流能叠加的装置。

本发明的磁力驱动的无线纳米发电机的制备方法可以是在基片上形成第一条电极，然后把一根线状压电材料一端的一部分于基片上的第一电极接触，再用第二个电极将线状压电材料的另一部分接触，并使线状压电材料固定于基片上，线状压电材料的中另一端悬空外伸在基片外，再在外伸的氧化锌微米线尖端固定一个由磁性材料构成的颗粒，最后在在磁性材料制成的颗粒外的附近设置有一个磁场强度可周期改变的磁场，得到所需发电机。本发明的制备方法中线状压电材料在基片上的固定可以采用胶粘结的方法，也可采用机械装置夹紧。

本发明的一个实施例的结构为：在两个由绝缘材料制成的基片上设有条形的电极及引出导线，一条氧化锌微米线的一端分别垂直置于第一基片上的第一电极上和第二基片上的第二电极上，并且氧化锌微米线与两个电极接触点间存在绝缘空间，氧化锌微米线的另一端悬空外伸，并在其外伸端点处固定设有一个用磁性材料构成的微小颗粒，在这个微小颗粒外的下方且与氧化锌微米线及基片面相垂直方向设置有一个磁场强度可周期改变的磁体。本发明的这一实施例在使用时，当所设的磁场改变其磁场强度时，可对氧化锌微米线的外伸端上所固定的由磁性材料构成的小颗粒形成周期性吸引，使线状的氧化锌微米线发生周期性的弯曲，在氧化锌微米线与两个电极相接触处分别产生拉伸和压缩，形成压电效应，产生电能。

本发明的一种磁力驱动的无线纳米发电机可以由多个前述的单个磁力驱动的无线纳米发电机叠加而成。

磁力驱动的无线纳米发电机的制备方法是：在分别在两个由绝缘材料制成的第一和第二基片上形成条形电极，然后把一根氧化锌微米线置于第一基片上，并且使氧化锌微米线的一部分悬空外伸在第一基片外部，氧化锌微米线的另一部分处于第一基片之上，并且氧化锌微米线有一部分与第一基片上第一条形电极接触，而氧化锌微米线的末端位于第一条形电极之外，再将第二基片置于第一基片上，使第一基片与第二基片上两条银电极平行或大致平行不相交，分别在第一电极与第二电极上引出导线，挤压第一基片与第二基片使氧化锌微米线与两电极紧密接触，且使整条氧化锌微米线与第一电极和第二电极垂直或大致垂直，用绝缘胶将第一基片与第二基片固定，再在外伸的氧化锌微米线尖端制出一个由磁性材料构成的颗粒，最后在在磁性材料制成的颗粒外且与氧化锌微米线及基片面的下方或上方设置有一个磁场强度可周期改变的磁场，得到所需发电机。

本发明的优点在于：

1、本发明首次提出了一种依靠磁力驱动的无线纳米发电机。以往的纳米发电机不论使用什么材料都需要一种需要接触的驱动方式，而本发明却可以在封闭系统外部依靠磁场力向封闭系统的内部提供电能。

2、本发明的无线纳米发电机的核心压电材料采用的是氧化锌。氧化锌具有优异的生物相容性，所以以此材料制作的器件可以安全的在动物体内工作而不会对身体造成损害。

3、本发明的无线驱动纳米发电机的设计方案精巧，制备方法较为简便，工艺要求不高。

附图说明

附图1为氧化锌微米线制备装置示意图，图1中1为用于生长氧化锌微米线的基底材料，在本发明的实施例中采用了氧化铝陶瓷片；2为位于盛放反应粉末的反应容器，它可以是一个反应舟；3为流入制备装置的保护气体；在图中1的左边为用于支撑氧化铝陶瓷片的支撑物，它可以是一个反扣着的反应舟。

附图2为生长出氧化锌微米线的氧化铝陶瓷片和其上的氧化锌微米线光学照片。

附图3：为本发明的氧化锌微米线无线驱动纳米发电器件结构示意图。其中：a图为整体发电器件的示意图；b为外伸的氧化锌微米线端部及固定于其上的磁性材料构成的微小颗粒的局部放大示意图，图中：4为第一基片上的条形银电极；5为第二基片上的条形银电极；6为氧化锌微米线；7为微小磁性颗粒。

附图4：为本发明的发电机整体结构示意及工作状态示意图，图中：即通过外设的一个磁铁8周期性地靠近或离开氧化锌微米线端部上设置的磁性颗粒，使氧化锌微米线发生周期性弯曲产生电流。

附图5为本发明的发电机电信号输出的测试图，其中：a图为电流输出信号，图中位于虚线左边的曲线是本发明的发电机器件与测量系统正向连接得到的电流输出信号，位于虚线右边信号是器件与测量系统反向连接得到的电流输出信号；b图为电压输出信号，图中位于虚线左边的曲线是本发明的发电机器件与测量系统正向连接得到的电压输出信号，位于虚线右边信号是器件与测量系统反向连接得到的电压输出信号。

附图6为由20个图4所示的发电器件叠加形成的二维发电器件阵列的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例解说：

一、本发明的发电机制备

1.1氧化锌微米线的制备

本发明的实施例中制备所用氧化锌微米线的装置示意如附图1所示。图中：1为氧化铝陶瓷片，用作生长氧化锌微米线阵列的基底。2是用于放置反应源粉体的反应舟，其上侧边加盖有陶瓷盖，3为送入的氩气与氧气的混合气体。在制备过程中所用的氧化锌碳热还原反应的反应源是氧化锌粉与石墨粉的混合粉体，所用的氧化锌与石墨的混合比例为3g∶0.6g。

将氧化锌和石墨粉混合均匀后放置在反应舟2中。炉体加热温度为1200℃，3位置表示氩气与氧气通气方向，氩气与氧气的流量分别为90sccm和10sccm。为了保证锌蒸气浓度和反应气浓度足够高，炉体内保持17.6托的压强。如此制成如附图2所示为氧化锌微米线。

当然本发明也可采用其它的现有技术制备出氧化锌微米线。

1.2发电器件的制备

将两片玻璃片先后经无水乙醇、丙酮与蒸馏水用超声清洗15分钟，取出后用气枪吹干。然后分别滴加光刻胶在两片玻璃片上旋涂。将两片旋涂好光刻胶的玻璃片放置于热板上90摄氏度前烘两分钟。光刻胶烘干后置于光刻机下曝光，通过掩模板得到电极图形，随后重新置于热板上在110摄氏度后烘2分钟，显影后得到电极图形，然后通过磁控溅射溅射条形银电极，剥离后，得到在分别在第一玻璃基片边缘的第一条形银电极和第二玻璃基片边缘的第二条形银电极。

然后取一氧化锌微米线，将其置于第一基片上，并且使氧化锌微米线三分之二悬空露在第一基片外部，另三分之一的一部分与第一基片上第一银电极接触，并使整条氧化锌微米线与第一基片上条形银电极垂直。将第二基片置于第一基片上，使第二基片上条形银电极覆盖在氧化锌微米线上，并且使第一基片与第二基片上两条银电极平行。挤压第一基片与第二基片使氧化锌微米线与分别第一、第二电极紧密接触，氧化锌微米线与第一第二电极接触的部位之间的部分互不相连，也就是这个区域保持绝缘。用改性聚合丙烯酸脂(即AB胶)粘合第一基片与第二基片，待AB胶凝固，撤去压力。

将石蜡在100摄氏度融化，然后在石蜡中添加磁性粉末，如：铁粉或钴粉或镍粉或四氧化三铁粉，等。本实施例中用的是铁粉，添加的铁粉比例为：10％-70％(体积比)。石蜡与铁粉混合均匀后降温至室温，期间持续搅拌保持混合均匀。在体式显微镜下用探针均匀分出大约100微米直径石蜡与磁性粉末的混合物颗粒。然后将三分之二悬空在外的氧化锌微米线搭在旋涂好光刻胶的第三片玻璃片上。使用探针将石蜡与磁性粉末混合物颗粒挑放在氧化锌微米线尖端。然后，将三片玻璃片、氧化锌微米线、混合物颗粒整体移至到热板上以100摄氏度加热，使铁粉石蜡颗粒再次融化，用带有磁性粉末的石蜡将氧化锌微米线的尖端包裹。取下样品冷却至室温使石蜡凝固。滴加丙酮溶解在第三片玻璃片上的光刻胶使磁性颗粒与玻璃片分离，最后，再次加热融化磁性粉末与石蜡的混合颗粒，依靠石蜡表面张力使石蜡团成球状，冷却后在两个条形电极上连接导线，完成器件的制备。

在具体制备过程中也可在末固化的树脂材料类的高分子物质中添加磁性粉末，并混均，再用混有磁性粉末的树脂材料在外伸的氧化锌微米线尖端制成一个球或类球状的颗粒。

再在图3a示的装置外伸的氧化锌微米线尖端的微小颗粒下面设置一个可周期性改变磁场强度的磁场，例如一个安装于机械装置上的可使其与用磁性材料构成的微小颗粒间距离发生周期性改变的恒磁铁或电磁铁，或者是固定设置在用磁性材料构成的微小颗粒外一定距离处的其磁场强度可周期性改变的电磁铁，形成如图4所示的装置，这样就构成了本发明的发电机器件。

二、氧化锌微米线无线驱动纳米发电机的测试。

用本发明的氧化锌微米线驱动的纳米发电机可将由周期性改变的磁场转变为氧化锌微米线弯曲的机械能，并通过氧化锌微米线弯曲产生电能发电。附图4既为发电机驱动的示意图，用周期变化的磁场使氧化锌微米线周期性弯曲与恢复，依靠氧化锌微米线拉伸面与压缩面产生的压电电势对外输出电信号。其产生的电信号参见附图5。用于驱动的磁场以每分钟43个周次的变化频率使氧化锌微米线周期性弯曲，在附图5a是氧化锌微米线无线驱动纳米发电机的电流输出信号，输出电流大小在30皮安(pA)，左右两边分别是器件与测量系统正向连接与反向连接的输出信号，从附图5a中看出当器件导线与测量系统反向连接后输出的电流峰形状由先上后下转为先下后上。附图5b是氧化锌微米线无线驱动纳米发电机的电压输出信号，输出电压为60微伏，与电流测量相同，当器件反向连接到测量系统时，输出电压信号也会反向。电压与电流频率与磁铁往返的频率相同。

由前述内容可知本发明的单个发电机的制备与效果，如果将数个前述的单个发电机进行叠加，即可将从单个的发电机二维电机阵列的扩展，以获得更大的电压或更大的电流，其装置参见附图6。图6中展示了二维氧化锌微米线阵列器件的示意图，显见这样的器件将能提供更加可观的能量输出。

以上仅为本发明的一个具体实施例，但本发明不受这一具体实施例结构的限制。

Claims (6)

1.一种磁力驱动的无线纳米发电机，其特征在于在至少一个基片上有两个相互间绝缘的电极，在两个相互间绝缘的电极上置有至少一条线状的压电材料一端，其中两个相互绝缘的电极分别和线状压电材料上与基片面平行的轴面的上方和下方相接触，线状压电材料的另一端外伸于基片之外，并在线状压电材料的外伸端点处固定设有一个用磁性材料构成的微小颗粒，在这个微小颗粒外的附近设置有一个磁场强度可周期改变的磁场。

2.一种磁力驱动的无线纳米发电机，其特征在于由多个权利要求1所述的磁力驱动的无线纳米发电机叠加而成。

3.一种如权利要求1或2所述的磁力驱动的无线纳米发电机的制备方法，特征在于：在基片上形成第一电极，然后把一根线状压电材料的端部与基片上的第一电极接触，再将线状压电材料中间部分与第二电极相接触，并使线状压电材料固定于基片上，线状压电材料的另一端悬空外伸在基片外，再在外伸的氧化锌微米线尖端固定一个由磁性材料构成的颗粒，最后在磁性材料制成的颗粒外的附近设置有一个磁场强度可周期改变的磁场，得到所需发电机。

4.一种磁力驱动的无线纳米发电机，其特征在于：在两个由绝缘材料制成的基片上设有条形的电极及引出导线，一条氧化锌微米线的一端分别垂直置于第一基片上的第一电极上和第二基片上的第二电极上，并且氧化锌微米线与两个电极接触点间存在绝缘空间，氧化锌微米线的另一端悬空外伸，并在其外伸端点处固定设有一个用磁性材料构成的微小颗粒，在这个微小颗粒外的下方且与氧化锌微米线及基片面相垂直方向设置有一个磁场强度可周期改变的磁体。

5.一种磁力驱动的无线纳米发电机，其特征在于由多个权利要求4所述的磁力驱动的无线纳米发电机叠加而成。

6.一种如权利要求4所述的磁力驱动的无线纳米发电机的制备方法，特征在于：在分别在两个由绝缘材料制成的第一和第二基片上形成第一电极和第二电极，然后把一根氧化锌微米线置于第一基片上，并且使氧化锌微米线的一部分悬空外伸在第一基片外部，氧化锌微米线的另一部分处于第一基片之上，并且氧化锌微米线有一部分与第一基片上第一电极接触，而氧化锌微米线的末端位于第一电极之外，再将第二基片置于第一基片上，使第一基片与第二基片上的第一、第二电极平行或大致平行不相交，分别在第一电极与第二电极上引出导线，挤压第一基片与第二基片使氧化锌微米线与两电极紧密接触，且使整条氧化锌微米线与第一电极和第二电极垂直或大致垂直，用绝缘胶将第一基片与第二基片固定，再在外伸的氧化锌微米线尖端制出一个由磁性材料构成的颗粒，最后在磁性材料制成的颗粒外且位于氧化锌微米线和基片面的下方或基片面的上方设置有一个磁场强度可周期改变的磁场，得到所需器件发电机。