CN102751434A - 一种基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件制备方法。该方法包括电极制备、铌酸钾钠前躯体配制、采用静电纺丝法制备铌酸钾钠纳米纤维与铌酸钾钠纳米发电机组建与封装等步骤。该方法实现了大面积制备铌酸钾钠纳米纤维，将铌酸钾钠纳米纤维用于组建机电转换元件，既可以保证元件具有较高的电输出能，又避免了对坏境和人体的毒害。
Description
【技术领域】
本发明属于无铅压电纳米材料与器件技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件制备方法。
【背景技术】
压电材料具有独特的机电能量转换特性，近年来已被广泛应用于换能器、驱动器和传感器等领域。随着器件尺寸微型化和集成化的发展趋势，一维纳米材料由于其独特的物理、化学等性质，受到了广泛的关注。利用一维压电纳米材料的机电转换特性，可实现对环境中微小机械振动能量的收集及其向电能的转换，推动了自供电微纳电子元件的开发与应用。美国佐治亚理工学院王中林教授（G Zhu,R Yang,S Wang，“Flexible High-OutputNanogenerator Based on Lateral ZnO Nanowire Array”，《Nano letters》，10：3151–3155(2010)）开发了一系列基于ZnO纳米线的压电纳米发电机，例如一种采用柔性衬底制备的高电输出ZnO基纳米发电机。然而，ZnO材料的压电性能较差，导致纳米线单元的机电转换效率和电输出能力较低，制约了ZnO基纳米发电机的发展潜力。研制具有高机电转换效率的一维压电纳米材料，对提高纳米发电机的能量转换效率和电输出能力具有重要意义。2010年陈曦等人（X Chen,S Xu,N Yao，“1.6 Volt Nanogenerator forMechanical Energy Harvesting Using PZT Nanofibers”，《Nano.Letters》，10:2133–2137(2010)）报道了钙钛矿结构Pb(Zr,Ti)O3(PZT)一维纳米材料的机电转换性能，其输出电压高达1.6V。然而，PZT中含有毒的铅元素，对环境和人体均具有严重的伤害，且限制了该元件在医疗器件领域的应用。铌酸钾钠((K0.5Na0.5)NbO3，KNN)具有较高的机电耦合系数和较低的介电常数，是最具潜力的无铅压电材料之一，极有希望取代ZnO成为组装机电转换元件的功能单元。目前KNN一维纳米材料的合成方法主要包括水热法和熔盐法，虽然获得的纳米棒为单晶结构，但纳米棒长度有限，不利于纳米发电机的构建，且材料产量低、重复性差制约了元件的批量生产。因此，本发明人提出采用静电纺丝技术在预定图案基片上大面积制备KNN无铅压电纳米纤维，设计并组装一种可批量生产且具有高电输出的KNN纳米纤维机电转换元件。
【发明内容】
[要解决的技术问题]
本发明的目的是提供一种基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件制备方法。
[技术方案]
本发明是通过下述技术方案实现的。
本发明涉及一种基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件制备方法。
该机电转换元件方法的步骤如下：
步骤A：电极的制备
1）光刻掩膜板制作：采用L-edit软件设计叉指电极预定图案，并使用Cr层光刻掩模板，例如南京清微电子技术有限责任公司制作的Cr层光刻掩模板，其中单个叉指电极图案尺寸为1cm×1cm，其叉指条纹宽度10~50μm与间距100~1000μm，其叉指条纹数量10~50个，所述叉指电极图案均匀地重复排布在边长70mm的正方形范围内，保证相邻叉指电极图案间距不小于2mm。
所述的L-edit软件是目前通常使用的Tanner Tools Pro工具软件中的一个软件包，可以在同一窗口中进行版图设计、设计规则检查、网表提取、标准单元自动布局与连线等工作。
采用L-edit软件设计的机电转换元件叉指电极图形见附图1。
优选地，所述叉指条纹宽度20~30μm与间距200~800μm。
2)基片清洗：将直径98~102mm、氧化层厚度950~1050nm的P100抛光氧化硅片先后用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗10~30min，然后在温度40~60℃的空气中烘干20~30min。
P100抛光氧化硅片是目前市场上销售的产品，例如上海黄埔新能源硅业公司生产的P100氧化硅片。
P100抛光氧化硅片清洗所使用的清洗剂是分析纯丙酮、分析纯无水乙醇和去离子水。
超声清洗所使用的超声仪是目前市场上销售的产品，例如张家港克力超声电器有限公司生产的KLY一体式单槽超声波清洗机，其功率通常是40W～100W。
3)旋涂光刻胶：在步骤2)得到的烘干基片上旋涂一层光刻胶，然后在温度98~102℃下烘1~3min，再放上步骤1）制作的光刻掩膜板，将所述的叉指电极图案与所述的基片对齐。
根据本发明，所述的光刻胶是AZ5214-E、A21500、A26112等类型光刻胶，它们都是目前市场上销售的产品。
进行旋涂的滴加光刻胶体积通常是50-500μL；优选地是80-400μL；更优选地是100-200μL。
符合本发明要求的旋涂光刻胶的匀胶机应该具有低速500-800转/分时间可控，高速2000~4000转/分时间可控等基本参数。所述的匀胶机是目前市场上销售的产品，例如中国中科院微电子研究所生产的KW-4A型匀胶机。
烘干时所使用的设备例如是目前市场上销售的热板炉等类似设备。
4)掩膜曝光：步骤3）得到的旋涂光刻胶基片在光刻机上进行掩膜曝光2~6s，接着在温度98~102℃下烘干1~3min，再在室温下冷却1~3min，然后进行无掩膜曝光5~10s，在两次曝光后接着在显影液中显影40~90s，其后用超纯水冲净，吹干后待用。
本发明使用的光刻机是目前市场上销售的产品，例如ABM.lnc（中国区分公司）生产的深/中紫外光刻机。
烘干时所使用的设备例如是目前市场上销售的热板炉等类似设备。
所述的显影液是目前市场上以
等销售的显影液，它们是用TMAH(四甲基氢氧化铵)按照标准配方配制的。
所述的超纯水应该理解是符合中国国家实验室用水规格GB6682-92。
5)溅射：采用标准直流磁控溅射技术，在Ar气氛与80W溅射功率的条件下先后溅射Ti和Au，它们的沉积厚度分别是20~40nm Ti和30~100nmAu。
磁控溅射是电子在电场作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。磁控溅射设备一般根据所采用的电源的不同又可分为直流溅射和射频溅射两种。直流磁控溅射的特点是在阳极基片和阴极靶之间加一个直流电压，阳离子在电场的作用下轰击靶材，它的溅射速率一般都比较大。磁控溅射的特点是成膜速率高，基片温度低，膜的粘附性好，可实现大面积镀膜。
本发明采用的直流磁控溅射设备是目前市场上销售的设备，例如中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的JGPH50型高真空磁控溅射设备。
优选地，Ti和Au的沉积厚度分别是16~20nm Ti和32~40nmAu。
6)超声剥离：在溅射沉积后接着浸入丙酮中，并在常温下超声剥离40~90s，得到具有预定图案的叉指电极。
本发明使用的丙酮溶剂是分析纯丙酮。
超声剥离所使用的超声仪是目前市场上销售的产品，例如张家港克力超声电器有限公司生产的KLY一体式单槽超声波清洗机，其功率通常控制在40W～100W。
步骤B：铌酸钾钠(KNN)前躯体的配制：
1)将0.1~0.3重量份醋酸钾与0.05~0.16重量份三水醋酸钠溶于4~6重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合物中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后滴加1~2重量份乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌5~15h，得到溶液A。
所述醋酸钾的纯度至少是92%，三水醋酸钠的纯度至少是99%。
优选地，将0.14~0.24重量份醋酸钾与0.08~0.12重量份三水醋酸钠溶于3.2~2.8重量份乙二醇甲醚与0.45~0.55重量份冰乙酸混合物中。
2)在干燥氮气保护下，将0.5~1重量份乙醇铌溶于4~6重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合物中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后加入1重量份乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌5~15h，得到溶液B。
所述乙醇铌的纯度至少是99.99%。
3)利用溶胶回流装置，在温度60~100°C与干燥氮气的条件下，将所述的溶液A与所述的溶液B按照体积比1:1混合，磁力搅拌60~120min后得到一种均匀铌酸钾钠溶胶。
所述的溶胶回流装置是目前市场上销售的回流装置，例如从中华玻璃网可以购买到的各种型号的回流装置。
优选地，在温度70~90°C与干燥氮气的条件下，将所述的溶液A与所述的溶液B在磁力搅拌下进行混合80~100min。
4)将上述铌酸钾钠溶胶在温度30℃恒温条件下静置7~14天。
优选地，所述的铌酸钾钠溶胶在温度30℃恒温条件下静置9~12天。
5)往1~10重量份静置铌酸钾钠溶胶中加入0.5~2重量份聚乙烯吡咯烷酮，在常温下进行磁力搅拌10~15h，得到一种铌酸钾钠电纺前躯体液。
所述聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的纯度是分析纯的，其分子量为1300000。
优选地，由1~2重量份静置铌酸钾钠溶胶与0.8~1.5重量份聚乙烯吡咯烷酮得到铌酸钾钠电纺前躯体液。
步骤C：采用静电纺丝法大面积制备铌酸钾钠纳米纤维：
1)将上述铌酸钾钠电纺前驱体液注入注射器中，并将其装入注射泵，该泵的推进速度设定为0.2mL/h~0.4mL/h，将所述注射器针尖接至高压电源正极端，采用100mm×100mm导电铜板接至高压电源负极端，使用绝缘夹具将步骤A）获得的具有预定图案的叉指电极固定于导电铜板表面，使所述注射器针尖与所述基片表面垂直，并且它们的间距为8~12cm，控制静电纺丝环境温度为25~35°C，湿度为35%~45%。
所述的注射泵是目前市场上销售的产品，例如保定兰格恒流泵有限公司生产的LSP02-1B型双通道精密注射泵。
静电纺丝制备KNN纳米纤维的设备示意图见附图2。
2)接通直流电源，并开启注射泵的推进装置，开始纳米纤维的静电纺丝；控制电压12~14kV，控制纺丝时间为30~90min，使基片表面被白色纳米纤维完全覆盖；然后关闭直流电源，并停止注射泵的推进，将基片自接收铜板表面取下，置于干燥环境中。
所述直流电源的电压是6~14V。
优选地，所述静电纺丝时间为45~70min。
所述的干燥环境应该理解是其环境水含量以体积计小于0.1%的空间。
3)将覆盖纳米纤维的基片在空气中首先以5℃/min速率升温至350-450℃并在此温度下保温30~90min使聚乙烯吡咯烷酮和有机溶剂燃烧分解，再以5℃/min速率升温至550~750℃，在这个温度下保温30~60min，对所述的纳米纤维进行烧结处理，使产物晶化，获得覆盖铌酸钾钠纳米纤维预定图案的基片。
所述基片进行加热所使用的加热设备是目前市场上销售的管式炉，将覆盖纳米纤维的基片置于所述管式炉加热区的中心位置进行加热。
根据本发明，所述的烧结处理使产物晶化应该理解是一种过程，即通过加热使固态分子（或原子）获得足够的能量，使彼此相互吸引增强而发生迁移，于是粉末体会发生颗粒黏结，获得一定强度并导致致密化和再结晶。
优选地，覆盖纳米纤维的基片在空气中以5°C/min的速率升温至400~450℃，在此温度下保温60~80min，然后再以5°C/min的速率升温至600~750℃，在这个温度的条件下进行烧结40~50min。
采用X射线衍射法测定了KNN纳米纤维的物相，X射线衍射法测定使用的德国布鲁克D8Advance X射线衍射仪，扫描速率为0.02°/步，扫描范围是20°~80°，扫描速度是4°/min。
本发明的KNN纳米纤维的X射线衍射图谱见附图3。由附图3的结果可以看出，本发明所得到的KNN纳米纤维衍射图谱与标准的PDF卡片符合的很好，证明其纤维是正交相铌酸钾钠纳米纤维。
采用TEM（透射电子显微镜）和SAED（选区电子衍射）测定了KNN纳米纤维。TEM和SAED测定使用的是美国FEI分公司生产的Tecnai G20型透射电子显微镜，加速电压：200kV；点分辨率：0.25nm；线分辨率：0.15nm。
KNN纳米纤维的TEM和SAED结果见附图4，由附图4的结果可以看出，本发明所得到的KNN纳米纤维是多晶正交钙钛矿结构。
步骤D：铌酸钾钠纳米发电机组建与封装：
1)将覆盖在所述基片电极焊点处的纳米纤维清除，并将所述基片按照电极图案裁剪成独立单元，利用电烙铁将直径0.2mm金丝导线焊接至各单元两侧电极焊点处。
使用沾酒精的棉球可以清除覆盖在所述基片电极焊点处的纳米纤维。
所述的电烙铁是目前市场上销售的产品，例如蓝带工具贸易（苏州）有限公司生产的优力士电烙铁。
2)将聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）基本组分与固化剂按照其质量比10∶1混合均匀，其混合物静置脱气。
在本发明中，所述聚二甲基硅氧烷基本组分与固化剂都应该理解是一种在目前市场上以Sylgard 184型PDMS销售的产品（Dow Corning，Midland,MI,USA），例如东莞市圣发电子材料有限公司生产的DC184型硅橡胶。
3)将上述聚二甲基硅氧烷混合物缓慢倾倒至高度可调的金属槽阵列内，将带引线的基片依次浸入所述的聚二甲基硅氧烷混合物中，聚二甲基硅氧烷混合物厚度控制在1~10mm，并将引线留出。
单个金属槽的尺寸通常为1.5cm×1.5cm。
4)将金属槽阵列置于真空干燥箱中，在温度78~82℃与1~5×10-3Pa压力下处理后再在常压下使聚二甲基硅氧烷固化22~26h，然后使真空干燥箱恢复至常温常压，从金属槽内取出封装元件。
5)将所述封装元件置于温度78~82℃与常压条件下，在电极两端施加120~140V/cm直流电压使纳米纤维极化22~26h，于是得到铌酸钾钠纳米纤维基纳米发电机元件。
优选地，所述的封装元件在电极两端施加10~20kV/cm直流电压下使纳米纤维极化23~25h。
采用本发明方法得到的铌酸钾钠纳米纤维基纳米发电机元件的结构(a)和实物(b)图见附图5。
采用本发明方法得到的铌酸钾钠纳米纤维基机电转换元件具有很好的压电转换性能，较高的输出电压，并且可实现大批量的生产。采用美国生产的MKⅢ动态热力学分析仪进行测试，具体地参见陈曦等人在《Nano.Letters》，10:2133–2137（2010）中描述的测试方法测定其电性能。叉指电极间距为100um、200μm、400μm、600μm、800μm、1000um的机电转换元件的电输出曲线见附图6、7、8、9、10与11，由这些附图可以看出输出电压呈现一定的增长趋势，且输出电压可以达到290mV，具有很高的研究价值。
[有益效果]
本发明的有益效果是：
KNN是一种优异的无铅压电材料，本发明首次将KNN纳米纤维用于组建机电转换元件，既可以保证元件具有较高的电输出能，又避免了对坏境和人体的毒害；
静电纺丝方法制备的纳米纤维长径比高，通过烧结处理可同步实现纳米纤维的晶化及其与电极图案的连接，设备及制备工艺简单，成本低廉，可用于元件的批量生产；
纳米发电机输出的电能为瞬态电动势输出，需经过储能元件实现对外电路的持续供电。本发明的制备方法与现有的硅基集成电路制造工艺兼容，有助于机电转换元件、储能元件和所需供电的器件在同一芯片上的集成，从而获得完整的自供电微纳电子器件。
【附图说明】
图1是L-edit中设计的机电转换元件叉指电极图形。
图2表示静电纺丝制备KNN纳米纤维的设备示意图；
1是注射泵；2是接受板；3是预定图案基片；4是高压电源。
图3是KNN纳米纤维的X射线衍射图谱。
图4是KNN纳米纤维的TEM和SAED结果。
图5是KNN纳米纤维机电转换元件的结构(a)和实物(b)图。
图6是叉指间距为200μm的机电转换元件的电输出曲线。
图7是叉指间距为400μm的机电转换元件的电输出曲线。
图8是叉指间距为600μm的机电转换元件的电输出曲线。
图9是叉指间距为800μm的机电转换元件的电输出曲线。
图10是叉指间距为100μm的机电转换元件的电输出曲线。
图11是叉指间距为1000μm的机电转换元件的电输出曲线。
【具体实施方式】
通过下述实施例将更好地理解本发明。
实施例1：基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件的制备
该制备方法的步骤如下：
步骤A：电极的制备
1）光刻掩膜板制作：采用美国Tanner公司公司销售的L-edit软件设计叉指电极预定图案，使用南京清微电子技术有限责任公司制作的光刻掩膜板，其中单个叉指电极图案尺寸为1cm×1cm，其叉指条纹宽度10μm与间距200μm，其叉指条纹数量20个，所述叉指电极图案均匀地重复排布在边长70mm的正方形范围内，保证相邻叉指电极图案间距不小于2mm；
2）基片清洗：将直径100mm、氧化层厚度1000nm的P100抛光氧化硅片先后用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗15min，然后在温度40℃的空气中烘干30min；
3）旋涂光刻胶：使用中国中科院微电子研究生产的KW-4A型匀胶机，在步骤2)得到的烘干基片上滴加体积为100μL光刻胶，进行旋涂，然后在温度100℃下烘2min，再放上步骤1）制作的光刻掩膜板，将所述的叉指电极图案与所述的基片对齐；
4）掩膜曝光：步骤3）得到的旋涂光刻胶基片在ABM.lnc（中国区分公司）生产的深/中紫外光刻机上进行掩膜曝光2s，接着在温度100℃下烘干2min，再在室温下冷却2min，然后进行无掩膜曝光10s，在两次曝光后接着在
显影液中显影50s，其后用超纯水冲净，吹干后待用；
5）溅射：采用标准直流磁控溅射技术，使用中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的JGPH50型高真空磁控溅射仪，在Ar气氛、与80W溅射功率、本底真空度4×10-4Pa、溅射气压1Pa、靶基距4cm的条件下先后溅射Ti和Au，它们的沉积厚度分别是30nm Ti和40nmAu；
6）超声剥离：在溅射沉积后接着浸入丙酮中，并在常温下超声剥离50s，得到具有预定图案的叉指电极。
步骤B：铌酸钾钠前躯体的配制：
1）将0.12重量份醋酸钾与0.16重量份三水醋酸钠溶于4.0重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合物中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后滴加1.0重量份乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌10h，得到溶液A；
2）在干燥氮气保护下，将0.6重量份乙醇铌溶于4.0重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合液中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后加入1重量份乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌10h，得到溶液B；
3）利用市售的溶胶回流装置，在温度80°C与干燥氮气的条件下，将所述的溶液A与所述的溶液B按照体积比1:1混合，磁力搅拌90min后得到一种均匀铌酸钾钠溶胶；
4）将上述铌酸钾钠溶胶在温度30℃恒温条件下静置7天；
5）往1.0重量份静置铌酸钾钠溶胶中加入0.5重量份聚乙烯吡咯烷酮，在常温下进行磁力搅拌12h，得到一种铌酸钾钠电纺前躯体液。
步骤C：采用静电纺丝法大面积制备铌酸钾钠纳米纤维：
1）将上述铌酸钾钠电纺前驱体液注入注射器中，并将其装入注射泵，该泵的推进速度设定为0.2mL/h，将所述注射器针尖接至高压电源正极端，采用100mm×100mm导电铜板接至高压电源负极端，使用绝缘夹具将步骤A）获得的具有预定图案的叉指电极固定于导电铜板表面，使所述注射器针尖与所述基片表面垂直，并且它们的间距为10cm，控制静电纺丝环境温度为25°C，湿度为35%；
2）接通直流电源，并开启注射泵的推进装置，开始纳米纤维的静电纺丝；控制电压12kV；控制纺丝时间为60min，使基片表面被白色纳米纤维完全覆盖；然后关闭高压电源，并停止注射泵的推进，将基片自接收铜板表面取下，置于干燥环境中；
3）将覆盖纳米纤维的基片在空气中首先以5°C/min的速率升温至400℃，保温60min使聚乙烯吡咯烷酮和有机溶剂燃烧分解，再以5°C/min的速率升温至650℃，在这个温度下保温30min对纳米纤维进行烧结处理，使产物晶化，获得覆盖铌酸钾钠纳米纤维预定图案的基片。
步骤D：铌酸钾钠纳米发电机组建与封装：
1）将覆盖在所述基片电极焊点处的纳米纤维清除，并将所述基片按照电极图案裁剪成独立单元，利用电烙铁将直径0.2mm金丝导线焊接至各单元两侧电极焊点处；
2）将聚二甲基硅氧烷基本组分与固化剂按照质量比10∶1混合均匀，其混合物静置脱气；
3）将所述聚二甲基硅氧烷混合物缓慢倾倒至高度可调的金属槽阵列内，将带引线的基片依次浸入所述的聚二甲基硅氧烷混合物中，聚二甲基硅氧烷混合物厚度控制在5mm，并将引线留出；
4）将金属槽阵列置于真空干燥箱中，在温度80℃与1×10-3Pa压力下处理后再在常压下使聚二甲基硅氧烷固化22h，然后使真空干燥箱恢复至常温常压，从金属槽内取出封装元件；
5）将所述封装元件置于温度80℃与常压条件下，在电极两端施加130V/cm直流电压使纳米纤维极化24h，于是得到铌酸钾钠纳米纤维基纳米发电机元件。
采用本申请说明书描述的方法测定了本实施例所得到铌酸钾钠纳米纤维基纳米发电机元件的性能，其结果如图6所示，输出电压能达到115mV。并且具有很好的重复性。
实施例2：基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件的制备
该制备方法的步骤如下：
步骤A：电极的制备
1）光刻掩膜板制作：采用美国Tanner公司公司销售的L-edit软件设计叉指电极预定图案，使用南京清微电子技术有限责任公司订制光刻掩膜板，其中单个叉指电极图案尺寸为1cm×1cm，其叉指条纹宽度20μm与间距400μm，其叉指条纹数量50个，所述叉指电极图案均匀地重复排布在边长70mm的正方形范围内，保证相邻叉指电极图案间距不小于2mm；
2）基片清洗：将直径99mm、氧化层厚度950nm的P100抛光氧化硅片先后用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗30min，然后在温度50℃的空气中烘干22min；
3）旋涂光刻胶：使用中国中科院微电子研究所生产的KW-4A型匀胶机，在步骤2)得到的烘干基片上滴加体积为200μL光刻胶，进行旋涂，然后在温度100℃下烘3min，再放上步骤1）制作的光刻掩膜板，将所述的叉指电极图案与所述的基片对齐；
4）掩膜曝光：步骤3）得到的旋涂光刻胶基片在ABM.lnc（中国区分公司）生产的深/中紫外光刻机上进行掩膜曝光4s，接着在温度100℃下烘干3min，再在室温下冷却3min，然后进行无掩膜曝光8s，在两次曝光后接着在型号为的显影液中显影90s，其后用超纯水冲净，吹干后待用；
5）溅射：采用标准直流磁控溅射技术，使用中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的JGPH50型高真空磁控溅射仪，在Ar气氛、与80W溅射功率、本底真空度4×10-4Pa、溅射气压1Pa、靶基距4cm的条件下先后溅射Ti和Au，它们的沉积厚度分别是25nm Ti和50nmAu；
6）超声剥离：在溅射沉积后接着浸入丙酮中，并在常温下超声剥离60s，得到具有预定图案的叉指电极。
步骤B：铌酸钾钠前躯体的配制：
1）将0.25重量份醋酸钾与0.10重量份三水醋酸钠溶于3.8重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合物中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后滴加1.2重量份乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌6h，得到溶液A；
2）在干燥氮气保护下，将1.0重量份乙醇铌溶于4.8重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合液中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后加入1重量份乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌8h，得到溶液B；
3）利用自组装的溶胶回流装置，在温度100°C与干燥氮气的条件下，将所述的溶液A与所述的溶液B按照体积比1:1混合，磁力搅拌120min后得到一种均匀铌酸钾钠溶胶；
4）将上述铌酸钾钠溶胶在温度30℃恒温条件下静置12天；
5）往8.5重量份静置铌酸钾钠溶胶中加入0.8重量份聚乙烯吡咯烷酮，在常温下进行磁力搅拌15h，得到一种铌酸钾钠电纺前躯体液。
步骤C：采用静电纺丝法大面积制备铌酸钾钠纳米纤维：
1）将上述铌酸钾钠电纺前驱体液注入注射器中，并将其装入注射泵，该泵的推进速度设定为0.3mL/h，将所述注射器针尖接至高压电源正极端，采用100mm×100mm导电铜板接至高压电源负极端，使用绝缘夹具将步骤A）获得的具有预定图案的叉指电极固定于导电铜板表面，使所述注射器针尖与所述基片表面垂直，并且它们的间距为12cm，控制静电纺丝环境温度为30°C，湿度为42%；
2）接通直流电源，并开启注射泵的推进装置，开始纳米纤维的静电纺丝；控制电压14V；控制纺丝时间为90min，使基片表面被白色纳米纤维完全覆盖；然后关闭高压电源，并停止注射泵的推进，将基片自接收铜板表面取下，置于干燥环境中；
3）将覆盖纳米纤维的基片在空气中首先以5°C/min的速率升温至450℃，保温70min使聚乙烯吡咯烷酮和有机溶剂燃烧分解，再以5°C/min的速率升温至750℃，在这个温度下保温50min对纳米纤维进行烧结处理，使产物晶化，获得覆盖铌酸钾钠纳米纤维预定图案的基片。
步骤D：铌酸钾钠纳米发电机组建与封装：
1）将覆盖在所述基片电极焊点处的纳米纤维清除，并将所述基片按照电极图案裁剪成独立单元，利用焊线机将直径0.2mm金丝导线焊接至各单元两侧电极焊点处；
2）将聚二甲基硅氧烷基本组分与固化剂按照质量比10∶1混合均匀，其混合物静置脱气；
3）将所述聚二甲基硅氧烷混合物缓慢倾倒至高度可调的金属槽阵列内，将带引线的基片依次浸入所述的聚二甲基硅氧烷混合物中，聚二甲基硅氧烷混合物厚度控制在10mm，并将引线留出；
4）将金属槽阵列置于真空干燥箱中，在温度82℃与5×10-3Pa的压力下处理后再在常压下使聚二甲基硅氧烷固化26h，然后使真空干燥箱恢复至常温常压，从金属槽内取出封装元件；
5）将所述封装元件置于温度82℃与常压条件下，在电极两端施加130V/cm直流电压使纳米纤维极化26h，于是得到铌酸钾钠纳米纤维基纳米发电机元件。
采用本申请说明书描述的方法测定了本实施例所得到铌酸钾钠纳米纤维基纳米发电机元件的性能，其结果如图7所示，输出电压能达到190mV，并且具有很好的重复性。
实施例3：基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件的制备
该制备方法的步骤如下：
步骤A：电极的制备
1）光刻掩膜板制作：采用美国Tanner公司公司销售的L-edit软件设计叉指电极预定图案，使用南京清微电子技术有限责任公司订制光刻掩膜板，其中单个叉指电极图案尺寸为1cm×1cm，其叉指条纹宽度30μm与间距600μm，其叉指条纹数量40个，所述叉指电极图案均匀地重复排布在边长70mm的正方形范围内，保证相邻叉指电极图案间距不小于2mm；
2）基片清洗：将直径102mm、氧化层厚度980nm的P100抛光氧化硅片先后用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗20min，然后在温度55℃的空气中烘干26min；
3）旋涂光刻胶：使用中国中科院微电子研究所生产的KW-4A型匀胶机，在步骤2)得到的烘干基片上滴加体积为250μL的光刻胶，进行旋涂，然后在温度98℃下烘1.5min，再放上步骤1）制作的光刻掩膜板，将所述的叉指电极图案与所述的基片对齐；
4）掩膜曝光：步骤3）得到的旋涂光刻胶基片在ABM.lnc（中国区分公司）生产的深/中紫外光刻机上进行掩膜曝光5s，接着在温度98℃下烘干1.5min，再在室温下冷却1.5min，然后进行无掩膜曝光6s，在两次曝光后接着在型号为
的显影液中显影60s，其后用超纯水冲净，吹干后待用；
5）溅射：采用标准直流磁控溅射技术，使用中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的JGPH50型高真空磁控溅射仪，在Ar气氛、与80W溅射功率、本底真空度4×10-4Pa、溅射气压1Pa、靶基距4cm的条件下先后溅射Ti和Au，它们的沉积厚度分别是35nm Ti和65nmAu；
6）超声剥离：在溅射沉积后接着浸入丙酮中，并在常温下超声剥离60s，得到具有预定图案的叉指电极。
步骤B：铌酸钾钠前躯体的配制：
1）将0.3重量份醋酸钾与0.08重量份三水醋酸钠溶于5.2重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合物中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后滴加1.6重量份乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌6h，得到溶液A；
2）在干燥氮气保护下，将0.5重量份乙醇铌溶于5.2重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合液中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后加入1重量份乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌6h，得到溶液B；
3）利用自组装的溶胶回流装置，在温度90°C与干燥氮气的条件下，将所述的溶液A与所述的溶液B按照体积比1:1混合，磁力搅拌110min后得到一种均匀铌酸钾钠溶胶；
4）将上述铌酸钾钠溶胶在温度30℃恒温条件下静置10天；
5）往9.0重量份静置铌酸钾钠溶胶中加入1.2重量份聚乙烯吡咯烷酮，在常温下进行磁力搅拌14h，得到一种铌酸钾钠电纺前躯体液。
步骤C：采用静电纺丝法大面积制备铌酸钾钠纳米纤维：
1）将上述铌酸钾钠电纺前驱体液注入注射器中，并将其装入注射泵，该泵的推进速度设定为0.4mL/h，将所述注射器针尖接至高压电源正极端，采用100mm×100mm导电铜板接至高压电源负极端，使用绝缘夹具将步骤A）获得的具有预定图案的叉指电极固定于导电铜板表面，使所述注射器针尖与所述基片表面垂直，并且它们的间距为9cm，控制静电纺丝环境温度为28°C，湿度为45%；
2）接通直流电源，并开启注射泵的推进装置，开始纳米纤维的静电纺丝；控制电压12V；控制纺丝时间为45min，使基片表面被白色纳米纤维完全覆盖；然后关闭高压电源，并停止注射泵的推进，将基片自接收铜板表面取下，置于干燥环境中；
3）将覆盖纳米纤维的基片在空气中首先以5°C/min的速率升温至425℃，保温80min使聚乙烯吡咯烷酮和有机溶剂燃烧分解，再以5°C/min的速率升温至700℃，在这个温度下保温40min对纳米纤维进行烧结处理，使产物晶化，获得覆盖铌酸钾钠纳米纤维预定图案的基片。
步骤D：铌酸钾钠纳米发电机组建与封装：
1）将覆盖在所述基片电极焊点处的纳米纤维清除，并将所述基片按照电极图案裁剪成独立单元，利用电烙铁将直径0.2mm金丝导线焊接至各单元两侧电极焊点处；
2）将聚二甲基硅氧烷基本组分与固化剂按照质量比10∶1混合均匀，其混合物静置脱气；
3）将烘干的聚二甲基硅氧烷混合物缓慢倾倒至高度可调的金属槽阵列内，将带引线的基片依次浸入所述的聚二甲基硅氧烷混合物中，聚二甲基硅氧烷混合物厚度控制在8mm，并将引线留出；
4）将金属槽阵列置于真空干燥箱中，在温度80℃与4×10-3Pa压力下处理后再在常压下使聚二甲基硅氧烷固化23h，然后使真空干燥箱恢复至常温常压，从金属槽内取出封装元件；
5）将所述封装元件置于温度80℃与常压条件下，在电极两端施加130V/cm直流电压使纳米纤维极化24h，于是得到铌酸钾钠纳米纤维基纳米发电机元件。
采用本申请说明书描述的方法测定了本实施例所得到铌酸钾钠纳米纤维基纳米发电机元件的性能，其结果如图8所示，输出电压能达到225mV，并且具有很好的重复性。
实施例4：基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件的制备
该制备方法的步骤如下：
步骤A：电极的制备
1）光刻掩膜板制作：采用美国Tanner公司公司销售的L-edit软件设计叉指电极预定图案，使用南京清微电子技术有限责任公司订制光刻掩膜板，其中单个叉指电极图案尺寸为1cm×1cm，其叉指条纹宽度30μm与间距800μm，其叉指条纹数量30个，所述叉指电极图案均匀地重复排布在边长70mm的正方形范围内，保证相邻叉指电极图案间距不小于2mm；
2）基片清洗：将直径102mm、氧化层厚度1020nm的P100抛光氧化硅片先后用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗25min，然后在温度45℃的空气中烘干28min；
3）旋涂光刻胶：使用中国中科院微电子研究所生产的KW-4A型匀胶机，在步骤2)得到的烘干基片上滴加体积为150μL光刻胶，进行旋涂，然后在温度99℃下烘2.5min，再放上步骤1）制作的光刻掩膜板，将所述的叉指电极图案与所述的基片对齐；
4）掩膜曝光：步骤3）得到的旋涂光刻胶基片在ABM.lnc（中国区分公司）生产的深/中紫外光刻机上进行掩膜曝光3s，接着在温度99℃下烘干2.5min，再在室温下冷却2.5min，然后进行无掩膜曝光5s，在两次曝光后接着在型号为
的显影液中显影80s，其后用超纯水冲净，吹干后待用；
5）溅射：采用标准直流磁控溅射技术，使用中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的JGPH50型高真空磁控溅射仪，在Ar气氛、与80W溅射功率、本底真空度4×10-4Pa、溅射气压1Pa、靶基距4cm的条件下先后溅射Ti和Au，它们的沉积厚度分别是20nm Ti和30nmAu；
6）超声剥离：在溅射沉积后接着浸入丙酮中，并在常温下超声剥离80s，得到具有预定图案的叉指电极。
步骤B：铌酸钾钠前躯体的配制：
1）将0.15重量份醋酸钾与0.13重量份三水醋酸钠溶于5.8重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合物中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后滴加1.8重量份乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌15h，得到溶液A；
2）在干燥氮气保护下，将0.8重量份乙醇铌溶于5.8重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合液中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后加入1重量份乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌15h，得到溶液B；
3）利用自组装的溶胶回流装置，在温度75°C与干燥氮气的条件下，将所述的溶液A与所述的溶液B按照体积比1∶1混合，磁力搅拌80min后得到一种均匀铌酸钾钠溶胶；
4）将上述铌酸钾钠溶胶在温度30℃恒温条件下静置8天；
5）往10重量份静置铌酸钾钠溶胶中加入1.6重量份聚乙烯吡咯烷酮，在常温下进行磁力搅拌10h，得到一种铌酸钾钠电纺前躯体液。
步骤C：采用静电纺丝法大面积制备铌酸钾钠纳米纤维：
1）将上述铌酸钾钠电纺前驱体液注入注射器中，并将其装入注射泵，该泵的推进速度设定为0.2mL/h，将所述注射器针尖接至高压电源正极端，采用100mm×100mm导电铜板接至高压电源负极端，使用绝缘夹具将步骤A）获得的具有预定图案的叉指电极固定于导电铜板表面，使所述注射器针尖与所述基片表面垂直，并且它们的间距为10cm，控制静电纺丝环境温度为32°C，湿度为38%；
2）接通直流电源，并开启注射泵的推进装置，开始纳米纤维的静电纺丝；控制电压14kV；控制纺丝时间为80min，使基片表面被白色纳米纤维完全覆盖；然后关闭高压电源，并停止注射泵的推进，将基片自接收铜板表面取下，置于干燥环境中；
3）将覆盖纳米纤维的基片在空气中首先以5°C/min的速率升温至350℃，保温55min使聚乙烯吡咯烷酮和有机溶剂燃烧分解，再以5°C/min的速率升温至600℃，在这个温度下保温55min对纳米纤维进行烧结处理，使产物晶化，获得覆盖铌酸钾钠纳米纤维预定图案的基片。
步骤D：铌酸钾钠纳米发电机组建与封装：
1）将覆盖在所述基片电极焊点处的纳米纤维清除，并将所述基片按照电极图案裁剪成独立单元，利用电烙铁将直径0.2mm金丝导线焊接至各单元两侧电极焊点处；
2）将聚二甲基硅氧烷基本组分与固化剂按照质量比10∶1混合均匀，其混合物静置脱气；
3）将烘干的聚二甲基硅氧烷混合物缓慢倾倒至高度可调的金属槽阵列内，将带引线的基片依次浸入所述的聚二甲基硅氧烷混合物中，聚二甲基硅氧烷混合物厚度控制在4mm，并将引线留出；
4）将金属槽阵列置于真空干燥箱中，在温度82℃与3×10-3Pa压力下处理后再在常压下使聚二甲基硅氧烷固化25h，然后使真空干燥箱恢复至常温常压，从金属槽内取出封装元件；
5）将所述封装元件置于温度82℃与常压条件下，在电极两端施加130V/cm直流电压使纳米纤维极化25h，于是得到铌酸钾钠纳米纤维基纳米发电机元件。
采用本申请说明书描述的方法测定了本实施例所得到铌酸钾钠纳米纤维基纳米发电机元件的性能，其结果如图9所示，输出电压能达到250mV，并且具有很好的重复性。
实施例5：基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件的制备
该制备方法的步骤如下：
步骤A：电极的制备
1）光刻掩膜板制作：采用美国Tanner公司公司销售的L-edit软件设计叉指电极预定图案，使用南京清微电子技术有限责任公司订制光刻掩膜板，其中单个叉指电极图案尺寸为1cm×1cm，其叉指条纹宽度50μm与间距100μm，其叉指条纹数量10个，所述叉指电极图案均匀地重复排布在边长70mm的正方形范围内，保证相邻叉指电极图案间距不小于2mm；
2）基片清洗：将直径98mm、氧化层厚度1050nm的P100抛光氧化硅片先后用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗60min，然后在温度60℃的空气中烘干20min；
3）旋涂光刻胶：使用中国中科院微电子研究所生产的KW-4A型匀胶机，在步骤2)得到的烘干基片上滴加体积为150μL光刻胶，进行旋涂，然后在温度102℃下烘1.0min，再放上步骤1）制作的光刻掩膜板，将所述的叉指电极图案与所述的基片对齐；
4）掩膜曝光：步骤3）得到的旋涂光刻胶基片在ABM.lnc（中国区分公司）生产的深/中紫外光刻机上进行掩膜曝光6s，接着在温度102℃下烘干1.0min，再在室温下冷却1.0min，然后进行无掩膜曝光6s，在两次曝光后接着在型号为
的显影液中显影40s，其后用超纯水冲净，吹干后待用；
5）溅射：采用标准直流磁控溅射技术，使用中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的JGPH50型高真空磁控溅射仪，在Ar气氛、与80W溅射功率、本底真空度4×10-4Pa、溅射气压1Pa、靶基距4cm的条件下先后溅射Ti和Au，它们的沉积厚度分别是40nm Ti和100nmAu；
6）超声剥离：在溅射沉积后接着浸入丙酮中，并在常温下超声剥离40s，得到具有预定图案的叉指电极。
步骤B：铌酸钾钠前躯体的配制：
1）将0.10重量份醋酸钾与0.05重量份三水醋酸钠溶于6.0重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合物中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后滴加2.0重量份乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌5h，得到溶液A；
2）在干燥氮气保护下，将0.8重量份乙醇铌溶于6.0重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合液中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后加入1重量份乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌5h，得到溶液B；
3）利用自组装的溶胶回流装置，在温度60°C与干燥氮气的条件下，将所述的溶液A与所述的溶液B按照体积比1∶1混合，磁力搅拌60min后得到一种均匀铌酸钾钠溶胶；
4）将上述铌酸钾钠溶胶在温度30℃恒温条件下静置14天；
5）往5重量份静置铌酸钾钠溶胶中加入2.0重量份聚乙烯吡咯烷酮，在常温下进行磁力搅拌12h，得到一种铌酸钾钠电纺前躯体液。
步骤C：采用静电纺丝法大面积制备铌酸钾钠纳米纤维：
1）将上述铌酸钾钠电纺前驱体液注入注射器中，并将其装入注射泵，该泵的推进速度设定为0.3mL/h，将所述注射器针尖接至高压电源正极端，采用100mm×100mm导电铜板接至高压电源负极端，使用绝缘夹具将步骤A）获得的具有预定图案的叉指电极固定于导电铜板表面，使所述注射器针尖与所述基片表面垂直，并且它们的间距为8cm，控制静电纺丝环境温度为35°C，湿度为40%；
2）接通直流电源，并开启注射泵的推进装置，开始纳米纤维的静电纺丝；控制电压13kV；控制纺丝时间为30min，使基片表面被白色纳米纤维完全覆盖；然后关闭高压电源，并停止注射泵的推进，将基片自接收铜板表面取下，置于干燥环境中；
3）将覆盖纳米纤维的基片在空气中首先以5°C/min的速率升温至380℃，保温30min使聚乙烯吡咯烷酮和有机溶剂燃烧分解，再以5°C/min的速率升温至550℃，在这个温度下保温60min对纳米纤维进行烧结处理，使产物晶化，获得覆盖铌酸钾钠纳米纤维预定图案的基片。
步骤D：铌酸钾钠纳米发电机组建与封装：
1）将覆盖在所述基片电极焊点处的纳米纤维清除，并将所述基片按照电极图案裁剪成独立单元，利用电烙铁将直径0.2mm金丝导线焊接至各单元两侧电极焊点处；
2）将聚二甲基硅氧烷基本组分与固化剂按照质量比10∶1混合均匀，其混合物静置脱气；
3）将烘干的聚二甲基硅氧烷混合物缓慢倾倒至高度可调的金属槽阵列内，将带引线的基片依次浸入所述的聚二甲基硅氧烷混合物中，聚二甲基硅氧烷混合物厚度控制在1mm，并将引线留出；
4）将金属槽阵列置于真空干燥箱中，在温度78℃与2×10-3Pa压力下处理后再在常压下使聚二甲基硅氧烷固化23h，然后使真空干燥箱恢复至常温常压，从金属槽内取出封装元件；
5）将所述封装元件置于温度78℃与常压条件下，在电极两端施加135V/cm直流电压使纳米纤维极化22h，于是得到铌酸钾钠纳米纤维基纳米发电机元件。
采用本申请说明书描述的方法测定了本实施例所得到铌酸钾钠纳米纤维基纳米发电机元件的性能，输出电压能达到75mV，并且具有很好的重复性。
实施例6：基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件的制备
该制备方法的步骤如下：
步骤A：电极的制备
1）光刻掩膜板制作：采用美国Tanner公司公司销售的L-edit软件设计叉指电极预定图案，使用南京清微电子技术有限责任公司订制光刻掩膜板，其中单个叉指电极图案尺寸为1cm×1cm，其叉指条纹宽度40μm与间距1000μm，其叉指条纹数量30个，所述叉指电极图案均匀地重复排布在边长70mm的正方形范围内，保证相邻叉指电极图案间距不小于2mm；
2）基片清洗：将直径100mm、氧化层厚度1000nm的P100抛光氧化硅片先后用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗20min，然后在温度50℃的空气中烘干25min；
3）旋涂光刻胶：使用中国中科院微电子研究所生产的KW-4A型匀胶机，在步骤2)得到的烘干基片上滴加体积为150μL光刻胶，进行旋涂，然后在温度101℃下烘2min，再放上步骤1）制作的光刻掩膜板，将所述的叉指电极图案与所述的基片对齐；
4）掩膜曝光：步骤3）得到的旋涂光刻胶基片在ABM.lnc（中国区分公司）生产的深/中紫外光刻机上进行掩膜曝光3s，接着在温度101℃下烘干2.0min，再在室温下冷却2.0min，然后进行无掩膜曝光8s，在两次曝光后接着在型号为
的显影液中显影65s，其后用超纯水冲净，吹干后待用；
5）溅射：采用标准直流磁控溅射技术，使用中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的JGPH50型高真空磁控溅射仪，在Ar气氛、与80W溅射功率、本底真空度4×10-4Pa、溅射气压1Pa、靶基距4cm的条件下先后溅射Ti和Au，它们的沉积厚度分别是30nm Ti和80nmAu；
6）超声剥离：在溅射沉积后接着浸入丙酮中，并在常温下超声剥离90s，得到具有预定图案的叉指电极。
步骤B：铌酸钾钠前躯体的配制：
1）将0.20重量份醋酸钾与0.10重量份三水醋酸钠溶于5.0重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合物中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后滴加1.5重量份乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌8h，得到溶液A；
2）在干燥氮气保护下，将0.6重量份乙醇铌溶于5.0重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合液中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后加入1重量份乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌12h，得到溶液B；
3）利用自组装的溶胶回流装置，在温度80°C与干燥氮气的条件下，将所述的溶液A与所述的溶液B按照体积比1:1混合，磁力搅拌70min后得到一种均匀铌酸钾钠溶胶；
4）将上述铌酸钾钠溶胶在温度30℃恒温条件下静置10天；
5）往3重量份静置铌酸钾钠溶胶中加入1.0重量份聚乙烯吡咯烷酮，在常温下进行磁力搅拌14h，得到一种铌酸钾钠电纺前躯体液。
步骤C：采用静电纺丝法大面积制备铌酸钾钠纳米纤维：
1）将上述铌酸钾钠电纺前驱体液注入注射器中，并将其装入注射泵，该泵的推进速度设定为0.2mL/h，将所述注射器针尖接至高压电源正极端，采用100mm×100mm导电铜板接至高压电源负极端，使用绝缘夹具将步骤A）获得的具有预定图案的叉指电极固定于导电铜板表面，使所述注射器针尖与所述基片表面垂直，并且它们的间距为9cm，控制静电纺丝环境温度为30°C，湿度为42%；
2）接通直流电源，并开启注射泵的推进装置，开始纳米纤维的静电纺丝；控制电压14kV；控制纺丝时间为45min，使基片表面被白色纳米纤维完全覆盖；然后关闭高压电源，并停止注射泵的推进，将基片自接收铜板表面取下，置于干燥环境中；
3）将覆盖纳米纤维的基片在空气中首先以5°C/min的速率升温至400℃，保温90min使聚乙烯吡咯烷酮和有机溶剂燃烧分解，再以5°C/min的速率升温至680℃，在这个温度下保温45min对纳米纤维进行烧结处理，使产物晶化，获得覆盖铌酸钾钠纳米纤维预定图案的基片。
步骤D：铌酸钾钠纳米发电机组建与封装：
1）将覆盖在所述基片电极焊点处的纳米纤维清除，并将所述基片按照电极图案裁剪成独立单元，利用电烙铁将直径0.2mm金丝导线焊接至各单元两侧电极焊点处；
2）将聚二甲基硅氧烷的基本组分与固化剂按照质量比10∶1混合均匀，其混合物静置脱气；
3）将烘干的聚二甲基硅氧烷混合物缓慢倾倒至高度可调的金属槽阵列内，将带引线的基片依次浸入所述的聚二甲基硅氧烷混合物中，聚二甲基硅氧烷混合物厚度控制在3mm，并将引线留出；
4）将金属槽阵列置于真空干燥箱中，在温度82℃与3×10-3Pa压力下处理后再在常压下使聚二甲基硅氧烷固化24h，然后使真空干燥箱恢复至常温常压，从金属槽内取出封装元件；
5）将所述封装元件置于温度82℃与常压条件下，在电极两端施加130V/cm直流电压使纳米纤维极化23h，于是得到铌酸钾钠纳米纤维基纳米发电机元件。
采用本申请说明书描述的方法测定了本实施例所得到铌酸钾钠纳米纤维基纳米发电机元件的性能，输出电压能达到290mV，相对于前面小间距叉指100um、200um、400um、600um、800um而言，输出电压呈现增长趋势，并且具有很好的重复性。
Claims (10)
1.一种基于铌酸钾钠无铅压电纳米纤维的机电转换元件制备方法，其特征在于该方法的步骤如下：
步骤A：电极的制备
1)光刻掩膜板制作：采用L-edit软件设计叉指电极预定图案，并采用L-edit软件设计叉指电极预定图案，并使用Cr层光刻掩模板，其中单个叉指电极图案尺寸为1cm×1cm，其叉指条纹宽度10~50μm与间距100~1000μm，其叉指条纹数量10~50个，所述叉指电极图案均匀地重复排布在边长70mm的正方形范围内，保证相邻叉指电极图案间距不小于2mm；
2)基片清洗：将直径98~102mm、氧化层厚度950~1050nm的P100抛光氧化硅片先后用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗10~30min，然后在温度40~60℃的空气中烘干20~30min；
3)旋涂光刻胶：在步骤2)得到的烘干基片上旋涂一层光刻胶，然后在温度98~102℃下烘1~3min，再放上步骤1）制作的光刻掩膜板，将所述的叉指电极图案与所述的基片对齐；
4)掩膜曝光：步骤3）得到的旋涂光刻胶基片在光刻机上进行掩膜曝光2~6s，接着在温度98~102℃下烘干1~3min，再在室温下冷却1~3min，然后进行无掩膜曝光5~10s，在两次曝光后接着在显影液中显影40~90s，其后用超纯水冲净，吹干后待用；
5)溅射：采用标准直流磁控溅射技术，在Ar气氛与80W溅射功率的条件下先后溅射Ti和Au，它们的沉积厚度分别是20~40nm Ti和30~100nmAu；
6)超声剥离：在溅射沉积后接着浸入丙酮中，并在常温下超声剥离40~90s，得到具有预定图案的叉指电极；
步骤B：铌酸钾钠前躯体的配制：
1)将0.1~0.3重量份醋酸钾与0.05~0.16重量份三水醋酸钠溶于4~6重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合物中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后滴加1~2重量乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌5~15h，得到溶液A；
2)在干燥氮气保护下，将0.5~1重量份乙醇铌溶于4~6重量份乙二醇甲醚与冰乙酸混合物中，乙二醇甲醚与冰乙酸的摩尔比为5:1，然后加入1重量份乙酰丙酮，在密封后进行磁力搅拌5~15h，得到溶液B；
3)利用溶胶回流装置，在温度60~100°C与干燥氮气的条件下，将所述的溶液A与所述的溶液B按照体积比1:1混合，磁力搅拌60~120min后得到一种均匀铌酸钾钠溶胶；
4)将上述铌酸钾钠溶胶在温度30℃恒温条件下静置7~14天；
5)往1~10重量份静置铌酸钾钠溶胶中加入0.5~2重量份聚乙烯吡咯烷酮，在常温下进行磁力搅拌10~15h，得到一种铌酸钾钠电纺前躯体液；
步骤C：采用静电纺丝法大面积制备铌酸钾钠纳米纤维：
1)将上述铌酸钾钠电纺前驱体液注入注射器中，并将其装入注射泵，该泵的推进速度设定为0.2mL/h~0.4mL/h，将所述注射器针尖接至高压电源正极端，采用100mm×100mm导电铜板接至高压电源负极端，使用绝缘夹具将步骤A）获得的具有预定图案的叉指电极固定于导电铜板表面，使所述注射器针尖与所述基片表面垂直，并且它们的间距为8~12cm，控制静电纺丝环境温度为25~35°C，湿度为35%~45%；
2)接通直流电源，并开启注射泵的推进装置，开始纳米纤维的静电纺丝；控制电压12~14kV，控制纺丝时间为30~90min，使基片表面被白色纳米纤维完全覆盖；然后关闭直流电源，并停止注射泵的推进，将基片自接收铜板表面取下，置于干燥环境中；
3)将覆盖纳米纤维的基片在空气中首先以5°C/min的速率升温至350~450℃并在此温度下保温30~90min使聚乙烯吡咯烷酮和有机溶剂燃烧分解，再以5℃/min的速率升温至550~750℃，在这个温度下保温30~60min对纳米纤维进行烧结处理，使产物晶化，获得覆盖铌酸钾钠纳米纤维预定图案的基片；
步骤D：铌酸钾钠纳米发电机组建与封装：
1)将覆盖在所述基片电极焊点处的纳米纤维清除，并将所述基片按照电极图案裁剪成独立单元，利用电烙铁将直径0.2mm金丝导线焊接至各单元两侧电极焊点处；
2)将聚二甲基硅氧烷基本组分与固化剂按质量比10∶1混合均匀，其混合物静置脱气；
3)将上述聚二甲基硅氧烷混合物缓慢倾倒至高度可调的金属槽阵列内，将带引线的基片依次浸入所述的聚二甲基硅氧烷混合物中，聚二甲基硅氧烷混合物厚度控制在1~10mm，并将引线留出；
4)将金属槽阵列置于真空干燥箱中，在温度78~82℃与1~5×10-3Pa压力下处理后再在常压下使聚二甲基硅氧烷固化22~26h，然后使真空干燥箱恢复至常温常压，从金属槽内取出封装元件；
5)将所述封装元件置于温度78~82℃与常压条件下，在电极两端施加120~140V/cm直流电压使纳米纤维极化22~26h，于是得到铌酸钾钠纳米纤维基纳米发电机元件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述叉指条纹宽度20~30μm与间距200~800μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的光刻胶是AZ5214-E、A21500或A26112光刻胶。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的显影液是
或
显影液。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的铌酸钾钠溶胶在温度30℃恒温条件下静置9~12天。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于由1~2重量份静置铌酸钾钠溶胶与0.8~1.5重量份聚乙烯吡咯烷酮得到铌酸钾钠电纺前躯体液。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述直流电源的电压是120~130V/cm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述静电纺丝时间为45~70min。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于覆盖纳米纤维的基片在温度600~650℃的条件下进行烧结40~50min。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的封装元件在电极两端施加10~20kV/cm直流电压下使纳米纤维极化23~25h。
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