CN103973154B - 一种单摩擦表面微型发电机及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单摩擦表面微型发电机及其制造方法。本发明发电机包括一绝缘基底，所述绝缘基底上表面设有表面摩擦结构层，所述绝缘基底下表面设有第一感应电极，第二感应电极；其中，第一感应电极与作为摩擦表面的表面摩擦结构层位置对应，第二感应电极位于第一感应电极外围且与第一感应电极绝缘分隔。本发明的发电机应用范围广，且制造方法工艺简单、高效、成本低、成品率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种单摩擦表面微型发电机及其制造方法，具体涉及一种基于静电感应原理的单摩擦表面微型发电机。
背景技术
利用微型发电机从生活环境中采集能量，实现对植入式医疗器件、无线传输系统，乃至消费类电子的自供能，无论对器件或设备本身的应用，还是能源可持续发展来说都具有非常重要的意义。基于光电，压电，热电，静电等原理，研究人员制备得到了多种微型发电机，并实现了一定的应用。
基于静电感应原理的微型摩擦发电机可以完成对周围环境机械能的高效率采集，实现高输出功率密度和能量转换效率。一种基于静电感应原理的拱形摩擦纳米发电机[Wang，S.，Lin，L.andWang，Z.L.Nanoscaletriboelectric-effect-enabledenergyconversionforsustainablypoweringportableelectronics.NanoLetters12，6339-6346(2012).]已经通过较为复杂的微纳加工手段制备得到，并可以达到较高的瞬时输出电压。但其通过多层复合薄膜制备拱形结构，制备工艺复杂，成本高昂，同时拱形结构的设计极大局限了其应用范围。
对于触控手机，平板，触控电脑等具备触控屏幕的消费电子设备而言，使用者在日常使用中需要通过不断的触摸来操作设备，在反复的触摸过程中消耗了大量的机械能。在触控屏幕表面集成平面发电装置，将这部分能量采集并转换成电能，对设备进行充电，延长设备使用时间，乃至实现自供能，将具有非常广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单摩擦表面微型发电机及其制造方法，采用单摩擦表面设计，当手或者其他物体触摸摩擦表面时即成为第二个摩擦表面，在触摸过程中产生电荷转移，当手或者其他物体与摩擦表面分离时，即在对应摩擦表面的感应电极与作为近似零电势的另一感应电极之间产生电势差，当两个电极连通时即形成电流，从而将触摸产生的机械能转换成电能。本发明提供的单摩擦表面微型发电机可薄至约10μm，发电机整体透明，具有在触控手机，平板，触控板等消费类电子领域应用的潜力。本发明提出的制造方法具有工艺简单、高效、低成本、高成品率等特点。
本发明提供的单摩擦表面微型摩擦发电机，其结构包括由第一感应电极，第二感应电极，绝缘基底和表面摩擦结构层；其中，第一感应电极与作为摩擦表面的表面摩擦结构层对应(即与摩擦工作区对应)，第二感应电极位于第一感应电极外围且与第一感应电极绝缘分隔，由于第二感应电极距离作为摩擦表面的表面摩擦结构层具有一定间距，受摩擦表面电荷影响微弱，可近似等同于零电势。
上述方案中所述绝缘基底为透明绝缘材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate，PET)，玻璃等，其厚度为5μm-100μm。绝缘基底可适用于任何形状的平滑表面，如平面，拱形面，球面等。
上述方案中所述第一感应电极和第二感应电极为导电性好的透明材料，如铟锡氧化物半导体(ITO)等，其厚度为0.1μm-20μm。
上述方案中所述表面摩擦结构层为光滑表面或具有微纳米阵列结构的表面，对于触控应用，手指优先考虑(其他如带上手套等也可以操作)，其材料为在与手指发生接触后容易产生电荷转移的透明材料(优选是相对易于得到电子的材料，可以产生更大输出电压；但是相对不易于得到电子的材料也可以应用)，如PET，聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)，聚氯乙烯(polyvinylchloride，PVC)，聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)等。
本发明还提供了一种单摩擦表面微型发电机制造方法，包括以下步骤：
a、在绝缘基底下表面淀积或涂布一层透明导电薄膜；
b、通过光刻和化学腐蚀或物理刻蚀将导电薄膜图形化，制备得到第一感应电极和第二感应电极；
c、在绝缘基底上表面加工表面摩擦结构层；其中，第一感应电极与作为摩擦表面的表面摩擦结构层对应，第二感应电极位于第一感应电极外围且与第一感应电极绝缘分隔，由于第二感应电极距离作为摩擦表面的表面摩擦结构层具有一定间距，受摩擦表面电荷影响微弱，可近似等同于零电势；
上述单摩擦表面微型发电机制造方法中：
步骤a中所述绝缘基底为透明绝缘材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate，PET)，聚酰亚胺(polyimide，PI)，玻璃等。
步骤a中所述第一感应电极和第二感应电极为导电性好的透明材料，如ITO等。
步骤e中所述表面摩擦结构层为光滑表面或具有微纳米阵列结构的表面，其材料为在与手指发生接触后容易产生电荷转移的透明材料，如PET，聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)，聚氯乙烯(polyvinylchloride，PVC)，聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)等。
以上所述制备步骤，其工艺顺序并非固定不变，根据实际需要可调整工艺顺序或删减工艺步骤。
本发明提供的单摩擦表面微型发电机其优点在于：
1.本发明提供的单摩擦表面微型发电机与双摩擦表面的摩擦发电机相比，应用范围广。发电机整体透明，可薄至约10μm，具有在触控手机，平板，触控板等消费类电子领域应用的潜力。
2.本发明提出的制造方法工艺简单、高效、成本低、成品率高。
附图说明
图1为本发明提供的一种单摩擦表面微型发电机结构示意图；
图2为本发明提供的金字塔形PDMS阵列扫描电镜照片；
图3为用手指敲击根据实施例1所提供的方法制备得到的单摩擦表面微型发电机其输出电压测试结果示意图；
图4为本发明提供的另一种单摩擦表面微型发电机结构示意图。
其中，1-PET基底，2-第一感应电极，3-第二感应电极，4-金字塔形PDMS阵列(表面摩擦结构层)，5-具有微纳米图形阵列的PET基底。
具体实施方式
下面结合具体实施实例及附图，对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种结构如图1所示的单摩擦表面微型发电机的制造方法。所制备的发电机其结构包括：PET基底1，第一感应电极2，第二感应电极3，金字塔形PDMS阵列4(即表面摩擦结构层)。
其具体制备工艺流程包括：
a、通过溅射或化学气相沉积方法在PET基底1下表面淀积一层ITO薄膜，PET基底厚度在5μm-100μm之间，ITO薄膜厚度厚度为0.1μm-5μm之间。
b、通过光刻和化学腐蚀或物理刻蚀将ITO薄膜图形化，制备得到第一感应电极2和第二感应电极3，第一感应电极为矩形，第二感应电极呈环形包围第一感应电极，第二感应电极与第一感应电极绝缘并具有一定间隔；
c、在PET基底1上表面利用铸膜转印工艺制备得到金字塔形PDMS阵列4，即为表面摩擦结构层，最终制备得到单摩擦表面微型发电机；其中表面摩擦结构层与第一感应电极对应，该摩擦结构层作为摩擦表面接收外界摩擦，由于其距离第二感应电极较远，因而对第二感应电极影响微弱，故第二感应电极可以近似等效于零电势。金字塔形PDMS阵列，其特征尺寸为2μm-50μm，间距为2μm-50μm，扫描电镜照片如图2所示。
通过上述实施方法制备得到的单摩擦表面微型发电机，用手指轻触发电机表面时输出电压测试结果如图3所示。
实施例2
本实施例提供一种结构如图4所示的单摩擦表面微型发电机的制造方法。
其结构包括：具有微纳米图形阵列的基底5(PET层)，第一感应电极2，第二感应电极3。
其具体制备工艺流程包括：
a、通过铸模成型制备得到上表面具有微纳米图形阵列的PET层5，作为表面摩擦结构层，PET层厚度为5μm-100μm；
b、通过溅射或化学气相沉积方法在PET基底5下表面淀积一层ITO薄膜，薄膜厚度在厚度为0.1μm-5μm之间。
c、通过光刻和化学腐蚀或物理刻蚀将ITO薄膜图形化，制备得到第一感应电极2和第二感应电极3，最终制备得到单摩擦表面微型发电机。其中，第一感应电极与作为摩擦表面的表面摩擦结构层对应，第二感应电极位于第一感应电极外围且与第一感应电极绝缘分隔，由于第二感应电极与作为摩擦表面的表面摩擦结构层具有一定间距，受其影响微弱，可近似等效于零电势；第一感应电极为矩形，第二感应电极呈环形包围第一感应电极。
以上对本发明提出的一种单摩擦表面微型发电机及其制备方法进行了详细说明，并通过实例对本发明的原理及实施方式进行了具体诠释，以帮助理解本方面的核心原理及方法。本发明并不限于上述实施方式，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本领域技术人员在不背离本发明的实质内容的前提下，所做的任何改进、替换等均属于本发明范围内。
Claims (9)
1.一种单摩擦表面微型发电机，其特征在于包括一绝缘基底，所述绝缘基底上表面设有表面摩擦结构层，所述绝缘基底下表面设有第一感应电极，第二感应电极；其中，第一感应电极与作为摩擦表面的表面摩擦结构层位置对应，第二感应电极位于第一感应电极外围且与第一感应电极绝缘分隔；其中，所述第二感应电极呈环形包围所述第一感应电极；所述表面摩擦结构层具有微纳米阵列结构或为光滑表面。
2.如权利要求1所述的发电机，其特征在于所述第一感应电极为透明材料感应电极；所述第二感应电极为透明材料感应电极。
3.如权利要求2所述的发电机，其特征在于所述透明材料为ITO；所述绝缘基底为平面、拱形面或球面。
4.如权利要求1所述的发电机，其特征在于所述表面摩擦结构层的材料为接触后易产生电荷转移的透明材料。
5.如权利要求4所述的发电机，其特征在于所述表面摩擦结构层的材料为接触后相对易得电子的透明材料。
6.一种单摩擦表面微型发电机的制造方法，其特征在于选取一上表面具有表面摩擦结构层的绝缘基底或选取一绝缘基底在其上表面制备表面摩擦结构层；在所述绝缘基底下表面制备第一感应电极、第二感应电极；其中，第一感应电极与作为摩擦表面的表面摩擦结构层位置对应，第二感应电极位于第一感应电极外围且与第一感应电极绝缘分隔；所述第二感应电极呈环形包围所述第一感应电极，所述表面摩擦结构层具有微纳米阵列结构或为光滑表面。
7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于所述第一感应电极为透明材料感应电极；所述第二感应电极为透明材料感应电极。
8.如权利要求6或7所述的制造方法，其特征在于所述表面摩擦结构层的材料为接触后易产生电荷转移的透明材料。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于所述表面摩擦结构层的材料为接触后易得电子的透明材料；所述绝缘基底为平面、拱形面或球面。
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