CN103227227B - 基于碳纳米管和放电回路的光供能采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于碳纳米管和放电回路的光供能采集器，由悬臂梁结构和放电回路构成。悬臂梁结构包括：基底支撑、下电极、压电层、上电极、吸光层，采用碳纳米管作为吸光层，压电材料构成压电层，金属材料构成上下电极。放电回路包括：接触电极，负载，连接导线，接触电极连接负载一端，负载另一端连接上电极，构成放电回路，并输出电压。本发明利用碳纳米管的光热和光电效应，同时利用放电回路，保持了采集器的持续交流信号输出。
Description
技术领域
本发明属于无线传感器领域，具体涉及太阳能自供电技术。
背景技术
无线传感器是目前传感器领域的研究热点之一，其中无线传感器的自供能问题始终是无线传感器发展的关键问题。基于各种能量的能量采集器被设计出来，例如：光能、热能、机械能、电磁能、风能、核能等，这些能量几乎都可以经过相应的能量采集器转换成电能给无线传感器供电。
太阳能是一次能源，又是可再生能源，资源丰富，免费利用，无需运输，对环境无任何污染。对太阳能的能量采集仍然是目前对无线传感器自供电的主要方式之一。目前使用广泛的是太阳能电池，它是一种可以将光能量转换成电信号的光电元件，运用P型与N型半导体接合而成。半导体最基本的材料是硅。基本原理为：当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，产生电子空穴对，这些电子和空穴会受到内建电场的影响，分别被N型及P型半导体吸引，聚集在两端。外部用电极连接起来，就可形成一个回路，输出电压。比较典型的太阳能电池有：晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池、光化学太阳能电池、燃料敏化太阳能电池、多层薄膜太阳能电池等。目前市场上的单晶和多晶太阳能电池的平均效率约为20%，相当于入射的太阳光只有20%可以转换成电能，其余80%浪费成热能损耗掉了。希望可以有效抑制能带内或者能带间的能量释放，避免太阳能电池内无用的热能产生，提高太阳能电池的效率。
随着微纳技术的发展，希望可以运用新型的纳米材料或元件结构设计，减少能量损失，达到简化加工工艺，增加转换效率的目的。
发明内容
本发明的目的正是为了引入纳米新材料和新型元件结构设计的思路，简化加工工艺，有望解决目前太阳能电池能量浪费的难题，提出一种基于碳纳米管和放电回路的光供能采集器。
本发明采用以下技术方案来实现：
本发明提出的一种基于碳纳米管和放电回路的光供能采集器，该采集器由基于碳纳米管的悬臂梁结构和放电回路构成；所述悬臂梁结构包括端部的基底支撑以及与基地支撑连接并悬空伸出的悬臂，悬臂的中间是压电材料构成的压电层，压电层上下分别是金属材料制成的上电极和下电极，吸光层制备于上电极上，采用碳纳米管作为吸光层；所述放电回路包括接触电极、负载和连接导线，接触电极为悬臂的悬空端下方，两者距离为h，接触电极连接负载一端，负载另一端连接上电极，构成放电回路，输出电压；太阳光照射到吸光层，吸光层由于光热和光电效应，使得这种悬臂梁采集器结构产生自往复运动。当悬臂梁向下变形时，下电极与接触电极接触，由于正压电效应累积在上电极和下电极的电荷通过放电回路输出。放电回路的作用是：形成对悬臂梁的交流激励，增大悬臂梁的振幅。本发明利用碳纳米管的光热和光电效应，同时利用放电回路，保持了采集器的持续交流信号输出。
本发明采用碳纳米管材料作为吸光层，一方面，当碳纳米管吸收光子能量后，温度迅速升高，由于变化的焦耳热，碳纳米管会伸展、弯曲以及收缩。另一方面：碳纳米管在光照射下，光生载流子分离，其内部存在电荷的非均匀分布，导致静电场的形成，同时光生载流子分离和复合动态变化，从而引起碳纳米管的动态变化。碳纳米管这种在光能作用下，产生热能和静电能的特性，可使碳纳米管-压电材料悬臂梁结构产生自往复运动。
这种在直流光照下的自恢复振动幅值较小，产生的电功率很小；为了实现自往复运动的高振幅，故设计了放电回路，以形成对悬臂梁的交流激励，增大悬臂梁的振幅。悬臂梁最初位于水平平衡位置，当光照射悬臂梁结构时，由于碳纳米管光热和光静电效应，悬臂梁变形。当向下变形时，下电极和输出电压回路结构中的接触电极连通，由于压电效应，积聚在压电材料上层的电荷被释放，电荷释放后，悬臂梁结构回复到水平位置，再向上变形，再回复到水平位置。由于压电效应产生的电荷聚集-释放过程，相当于对悬臂梁结构的外部激励，可有效保证悬臂梁结构的自往复运动。
本发明利用碳纳米管的光热和光电效应实现自往复运动，通过放电回路给悬臂梁结构外部激励，保证了悬臂梁的大变形，可以保持采集器的持续交流信号输出，其结构简单，加工工艺简化，可以是实现较好的光供能采集。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明的碳纳米管自往复运动位移示意图；
图3是本发明的悬臂梁变形与输出电压关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述：
参见图1，本发明设计的基于碳纳米管和放电回路的太阳能自供电采集器结构包括：悬臂梁结构和放电回路。其中悬臂梁结构包括：基底支撑1-1，以及由下至上由下电极-2、压电层1-3、上电极1-4、吸光层1-5构成的悬臂，悬臂一端连接基底支撑1-1，另一端悬空。放电回路包括：支撑1-6，接触电极1-7，放电回路负载1-8，连接导线1-9。接触电极1-7制作在制成1-6上，位于悬臂的悬空端的下方，与其保持距离为h，此距离为微米量级，可根据悬臂梁的结构进行优化设计。接触电极连接负载1-8一端，负载另一端连接上电极1-4，构成放电回路。
本采集器结构的制作工艺：
选择硅片作为基底支撑，利用剥离工艺形成下电极；再利用溶胶-凝胶法形成压电层；再利用剥离工艺在压电层上面形成上电极；再利用反应离子刻蚀工艺形成悬臂梁结构；再将制备好的碳纳米管转移到上电极上，形成基于碳纳米管的悬臂梁结构。
选择硅片作为放电回路接触电极的支撑；再在硅片上采用剥离工艺形成接触电极。通过微加工工艺制备连接导线，外接负载电阻，在负载电阻两端输出电压。
如图2所示：悬臂梁结构最初处于平衡位置B，当光照射悬臂梁结构时，由于碳纳米管光热和光静电效应，悬臂梁变形。当变形到位置A(与平衡位置B的距离为h)时，下电极和输出电压回路结构中的接触电极连通，由于压电效应，积聚在压电材料上层的电荷被释放，电荷释放后，悬臂梁结构从位置C—B—A—B—C，循环往复运动。
悬臂梁端部变形和输出电压随时间变化的关系如图3所示。悬臂梁端部变形到位置A时，下电极和输出电压回路结构中的接触电极连通，输出电压。悬臂梁端部再从A变形到B，再变形到C，再回到B，在变形到A，又输出电压，形成周期性的电压输出。悬臂梁由于压电效应产生的电荷聚集-释放过程，相当于对悬臂梁结构的外部激励，可有效保证悬臂梁结构的自往复运动。
Claims (1)
1.基于碳纳米管和放电回路的光供能采集器，其特征在于：该采集器由基于碳纳米管的悬臂梁结构和放电回路构成；所述悬臂梁结构包括端部的基底支撑以及与基底支撑连接并悬空伸出的悬臂，悬臂的中间是压电材料构成的压电层，压电层上下分别是金属材料制成的上电极和下电极，吸光层制备于上电极上，采用碳纳米管作为吸光层；所述放电回路包括接触电极、负载和连接导线，接触电极位于悬臂的悬空端下方，两者距离为h，此距离为微米量级，接触电极连接负载一端，负载另一端连接上电极，构成放电回路，输出电压；当太阳光照射到吸光层，吸光层由于光热和光电效应，使得悬臂产生自往复运动，当悬臂向下变形时，下电极与接触电极接触，由于正压电效应累积在上电极和下电极的电荷通过放电回路输出，放电回路形成对悬臂梁的交流激励，增大悬臂梁的振幅；选择硅片作为基底支撑；
所述采集器利用碳纳米管的光热和光电效应，同时利用放电回路，保持了采集器的持续交流信号输出。
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