CN103346695A - 一种r型复合式微纳发电机 - Google Patents

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张海霞
韩梦迪
张晓升
孟博
刘雯
孙旭明
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Abstract

本发明涉及微加工与微能源领域，具体涉及一种r型复合式微纳发电机，由可从完全释放状态变换为完全压缩状态的两组结构组成，结构一由压电薄膜及压电薄膜两侧的压电薄膜电极组成；结构二由薄膜及在薄膜一侧的电极组成，所述结构二中的薄膜与结构一中的任意一侧的压电薄膜电极相对，本发明提供的压电摩擦复合式微纳发电机的优点在于：实现了二者的优势互补，实现了高输出电压与高充电能力；将压电微纳发电机置于具有微纳复合结构的摩擦衬底上，通过摩擦产生的电荷影响压电输出，实现了压电性能的提升；摩擦上表面采用具有纳米结构的金属材料，摩擦下表面采用具有微纳复合结构的柔性聚合物材料，提高了表面粗糙度，极大增加了摩擦的有效面积。

Description

一种r型复合式微纳发电机
技术领域
本发明涉及微加工与微能源领域，具体涉及一种r型复合式微纳发电机。
背景技术
随着科学技术的进步，对能源的需求也越来越迫切。传统的能源如煤、石油、天然气等不仅会对环境造成污染，还面临着消耗殆尽的问题。因此寻找新能源、清洁能源引起了广泛关注。机械振动广泛稳定地存在于环境中，目前已经有多种方法能够将环境中的机械振动转换为电能，从而为各种微电子器件供能。例如，王中林教授研究小组利用氧化锌纳米线成功制备了压电型微纳发电机[Wang,Z.L.et al.Science,vol.312,pp.5771,2006]。近年来，基于摩擦特性的微纳发电机得到广泛研究与关注[Wang，Z.L.et al.Nano energy,vol.1,pp.328,2012]。
但是，基于压电特性的纳米发电机输出电压并不高，基于摩擦特性的微纳发电机输出电流很小、脉冲宽度窄，不利于为器件充电供能。将多种能量收集方式复合，进行优势互补，是提高输出性能的主要方法。目前已经有研究将各种微纳发电机与太阳能电池、生物燃料电池等相结合，同时收集自然界中的多种能量。以上几种复合方式只是单纯的将两种器件叠加，其输出不会互相影响，降低了复合的意义。因此，提出一种简单有效的复合方式，并通过复合式能量采集提高原有器件的输出性能，是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型结构的复合式微纳发电机,通过独特的结构设计增强压电薄膜在受到外界机械作用时产生的形变。与此同时，将压电特性与摩擦特性复合，有效地利用了压电薄膜形变过程中与基底摩擦产生的电荷，并通过摩擦产生的电荷增强原有压电输出。通过在表面制备微米、纳米结构，增大摩擦有效面积，进一步提高输出。为达到上述目的，本发明采取了如下技术方案：由可从完全释放状态变换为完全压缩状态的两组结构组成，即由结构一和结构二组成；其中，在所述完全释放状态时结构一与结构二仅一端闭合，在所述完全压缩状态时结构一与结构二完全闭合。
结构一由压电薄膜及压电薄膜两侧的压电薄膜电极组成；结构二由薄膜及在薄膜一侧的电极组成，所述结构二中的薄膜与结构一中的任意一侧的压电薄膜电极相对。
压电薄膜为聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride,PVDF）或混有钛酸钡（BaTiO3）颗粒的有机物薄膜或混有氧化锌(ZnO)纳米结构的有机物薄膜。
压电薄膜电极为金属铝。
薄膜为聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane,PDMS）或聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate,PET）或聚对二甲苯（parylene）。
薄膜电极为铟锡金属氧化物（ITO）或金或银或铂或铜或铝。
压电薄膜的厚度为1μm-500μm，压电薄膜电极中纳米结构特征尺寸为10nm-500nm。
薄膜表面具有微米结构或纳米结构或微米纳米复合结构。
微米结构为金字塔形阵列或沟槽栅状阵列或半球形阵列，特征尺寸为1μm-200μm，间距为1μm-50μm；纳米结构为纳米毛刺或纳米筛孔，特征尺寸为2nm-1000nm，间距2nm-500nm。
本发明提供的压电摩擦复合式微纳发电机的优点在于：
1、本发明提出的r型结构复合式微纳发电机，下摩擦表面为平面，且在实际应用过程中可将下摩擦表面任意替换为其它材料，易于将该微纳发电机与其它器件进行集成。
2、本发明提出的r型结构复合式微纳发电机，将压电微纳发电机与摩擦微纳发电机相结合，实现了二者的优势互补，实现了高输出电压与高充电能力。
3、本发明提出的r型结构复合式微纳发电机，将压电微纳发电机置于具有微纳复合结构的摩擦衬底上，通过摩擦产生的电荷影响压电输出，实现了压电性能的提升。
4、本发明提出的r型结构复合式微纳发电机，摩擦上表面采用具有纳米结构的金属材料，摩擦下表面采用具有微纳复合结构的柔性聚合物材料，提高了表面粗糙度，极大增加了摩擦的有效面积。
本发明提出的制造方法工艺简单、成本低、生产周期短，结合铸膜转印工艺，可以大批量大面积制备具有微纳复合结构的有机物薄膜，结合水浴加热的方法，可以大批量大面积制备具有纳米结构的金属Al电极。
附图说明
图1为本发明的r型结构复合式微纳发电机结构示意图;
图2为本发明的r型结构复合式微纳发电机初始状态及完全释放状态结构示意图;
图3为本发明的r型结构复合式微纳发电机形变过程结构示意图;
图4为本发明的r型结构复合式微纳发电机完全压缩状态结构示意图;
图5为本发明的具有纳米结构的电极扫描电镜照片;
图6为本发明的具有微纳复合结构的柔性聚合物材料扫描电镜照片。
具体实施方式
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例：参照图1，图1为本发明的r型结构复合式微纳发电机结构示意图，其结构一包括PVDF压电薄膜1，具有纳米结构的压电薄膜电极2，结构二包括具有微纳复合结构的PDMS薄膜3，PDMS薄膜电极4。
参照图2，图2为本发明的r型结构复合式微纳发电机初始状态及完全释放状态结构示意图，在此状态下，PVDF压电薄膜1、压电薄膜电极2与PDMS薄膜3构成的电容结构均达到电学平衡状态，无电学输出。参照图3，图3为本发明的r型结构复合式微纳发电机形变过程结构示意图，在此状态下，PVDF压电薄膜1由于形变产生的压电势驱动外电路电子流动，压电薄膜电极2与PDMS薄膜3构成的电容结构，由于等效电容值发生变化使外电路电子流动。参照图4，图4为本发明的r型结构复合式微纳发电机完全压缩状态结构示意图，在此状态下，PVDF压电薄膜1、压电薄膜电极2与PDMS薄膜3构成的电容结构均达到电学平衡状态，无电学输出。在实际工作过程中，该r型结构复合式微纳发电机按照图2、图3、图4、图3、图2所示结构周期性变化，产生交流电学输出。
PVDF压电薄膜1的厚度为1μm-500μm，压电薄膜电极2其特征尺寸为10nm-500nm。
PDMS薄膜3为微米结构或纳米结构，微米结构为金字塔形阵列或沟槽栅状阵列或半球形阵列，特征尺寸为1μm-200μm，间距为1μm-50μm；纳米结构为纳米毛刺或纳米筛孔，特征尺寸为2nm-1000nm，间距2nm-500nm。
本发明所提供的r型结构复合式微纳发电机可以应用于以下领域：
1、结合该r型结构复合式微纳发电机高输出性能的特点，可以将本发明所设计的器件作为常用消费电子器件的驱动电源使用。例如采用该微纳发电机直接驱动发光二极管（Light emitting diode，LED）、液晶显示屏（Liquid crystaldisplay，LCD）。
2、结合该r型结构复合式微纳发电机的结构特点，可以将本发明所设计的器件集成在其它设备中，并经过整流桥为电容充电，从而有效地收集日常生活中产生的机械能。例如将该微纳发电机置于各类设备键盘的内部/底部或者结合其他开关类器件，收集日常工作过程中的机械能，并将其转化成电能存储。
3、该r型结构复合式微纳发电机的输出信号与外加力的大小有关，可用作自驱动力学传感器。较大的力会使r型结构有较大的形变，与此同时，会有更大的面积进行摩擦，从而产生高的输出。
以上对本发明所提供的一种r型结构复合式微纳发电机进行了详细介绍，以上参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种r型复合式微纳发电机，其特征在于:由可从完全释放状态变换为完全压缩状态的两组结构组成，即由结构一和结构二组成；其中，在所述完全释放状态时结构一与结构二仅一端闭合，在所述完全压缩状态时结构一与结构二完全闭合。
2.根据权利要求1所述的一种r型复合式微纳发电机，其特征在于：结构一由压电薄膜及压电薄膜两侧的压电薄膜电极组成；结构二由薄膜及在薄膜一侧的电极组成，所述结构二中的薄膜与结构一中的任意一侧的压电薄膜电极相对。
3.根据权利要求2所述的一种r型复合式微纳发电机，其特征在于：压电薄膜为聚偏氟乙烯或混有钛酸钡颗粒的有机物薄膜或混有氧化锌纳米结构的有机物薄膜。
4.根据权利要求2所述的一种r型复合式微纳发电机，其特征在于：压电薄膜电极为金属铝。
5.根据权利要求2所述的一种r型复合式微纳发电机，其特征在于：薄膜为聚二甲基硅氧烷或聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚对二甲苯。
6.根据权利要求2所述的一种r型复合式微纳发电机，其特征在于：薄膜电极为铟锡金属氧化物或金或银或铂或铜或铝。
7.根据权利要求2所述的一种r型复合式微纳发电机，其特征在于：压电薄膜的厚度为1μm-500μm，压电薄膜电极中纳米结构特征尺寸为10nm-500nm。
8.根据权利要求2所述的一种r型复合式微纳发电机，其特征在于：薄膜具有微米结构或纳米结构或微米纳米复合结构。
9.根据权利要求9所述的一种r型复合式微纳发电机，其特征在于：微米结构为金字塔形阵列或沟槽栅状阵列或半球形阵列，特征尺寸为1μm-200μm，间距为1μm-50μm；纳米结构为纳米毛刺或纳米筛孔，特征尺寸为2nm-1000nm，间距2nm-500nm。
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