CN105006995B - 基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置及制备方法，所述液滴移动发电的微型能量采集电极装置，自下而上包括衬底基片、电极层、电介质层和疏水层。能量采集电极装置中疏水层一侧为液滴移动通道，且另一侧与电介质接触。电极层嵌置于电介质层内，且与疏水层经电介质层分隔。液滴以初始动能在疏水层界面上移动，当液滴经过嵌入在电介质里的电极时，接触界面的电荷会重新分布，并在电极两端产生一个电势差，此电势差大小与接触界面的面积成正相关。通过液滴移动在电极上产生的电势差实现液滴移动的发电，可以将液滴的动能转化为电能。
Description
技术领域
本发明所涉及的领域是一种基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置，属于能量采集技术领域。
背景技术
能量采集技术在人们的日常生产和生活中不断更新，最早使用的能量采集装置可追溯到风车、船帆、水轮时代。随着电能的出现及广泛使用，基于环境能量转换成电能的能量采集装置不断出现，批量化的环境能量转化成电能装置有风力发电机、水力发电机、地热发电机、太阳能发电机等发电装置。
大功率环境能量转化成电能的装置极大推动了社会进步，而由于其体积大、不易挪移等缺陷，无法满足逐渐增多的野外等恶劣环境下运行的低功耗器件要求。便携式小功率的环境能量转换装置应运而生，先后出现了电磁式、压电式、静电式等能量采集装置，这些能量采集装置多是将环境中运动物体的动能转化为电能，具有独立的能量转换部件，同时需要不断的对能量转换部件进行磁化、充电等过程，后续使用过程中维护工作量大，难以实现便携式能量采集装置的应用。
发明内容
针对上述存在的技术问题和能量采集装置的缺陷，本发明的目的是提出一种能够满足野外环境下运行的低功耗器件的需求，并且结构简洁、操作方便、高功耗、便携式基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置。
本发明采用如下技术方案：一种基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置，该装置至少包括衬底基片、形成于所述衬底基片上与外接负载连接的第一电极和第二电极、覆盖部分所述第一电极和第二电极的电介质层、覆盖所述电介质层的疏水层以及在该疏水层上移动的液滴，所述液滴移动时经过所述第一电极和第二电极。
优选地，所述衬底基片上形成有沟槽，该沟槽包括底部以及与该底部侧边延伸的侧壁；所述第一电极和第二电极一部分在该沟槽的底部和侧壁上内，另一部分自沟槽外的衬底基片引出；所述电介质层以及疏水层依次覆盖在所述沟槽的底部和侧壁上。
本发明还提供一种基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
1)提供一衬底基片；
2)采用溅射工艺在衬底基片上形成金属层，依次采用光刻工艺、金属腐蚀工艺、去胶工艺将衬底基片上多余金属层去除以形成第一电极和第二电极；然后自所述第一电极和第二电极引出导线，两导线用于连接外接负载；
3)采用PECVD沉积工艺在形成有第一电极和第二电极的衬底基片沉积电介质层；所述电介质层覆盖部分所述第一电极和第二电极；
4)采用等离子体沉积工艺在所述电介质层上沉积疏水层。
本发明还提供另一种基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
1)提供一衬底基片；
2)采用湿法腐蚀工艺在该衬底基片指定位置腐蚀出侧壁与底面呈斜度为125.3°的沟槽；
3)采用金属溅射工艺在该沟槽侧壁和底部溅射金属层，依次采用光刻工艺、金属腐蚀工艺、去胶工艺将衬底基片上多余金属层去除以形成第一电极和第二电极；然后自所述第一电极和第二电极引出导线，两导线用于连接外接负载；
4)采用PECVD沉积工艺在沟槽侧壁和底部沉积电介质层；
5)采用等离子体沉积工艺在所述电介质层上沉积形成疏水层。
本发明还提供再一种基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置的制备方法，该制备方法包括以下步骤：：
1)提供一衬底基片；
2)依次采用光刻工艺、深反应离子刻蚀工艺在所述硅衬底基片上制备侧壁垂直于底面的沟槽；
3)采用金属溅射工艺在该沟槽侧壁和底部溅射溅射金属层，依次采用光刻工艺、金属腐蚀工艺、去胶工艺将衬底基片上多余金属层去除以形成第一电极和第二电极；然后自所述第一电极和第二电极引出导线，两导线用于连接外接负载；
4)采用PECVD沉积工艺在沟槽侧壁和底部沉积电介质层；
5)采用等离子体沉积工艺在所述电介质层上沉积形成疏水层。
本发明的有益效果在于：所述能量采集电极装置，简化了独立的能量转化部件，将其与电极合并，减少了对能量采集部件的磁化、充电等过程，同时避免了大功率发电装置的体积大、不易挪移的缺陷；又能满足野外等恶劣环境下运行的低功耗器件供电需求，真正实现结构简洁、操作方便、高功率、便携式基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置，实现了通过液滴移动来将液滴势能转化为电能的装置。
附图说明
图1为本发明实施例一基于液滴移动发电能量采集电极装置。
图2为本发明实施例二基于液滴移动发电的包括沟槽结构能量采集电极装置。
图3为本发明实施例三基于液滴移动发电的包括沟槽结构能量采集电极装置。
元件标号说明
衬底 1
电介质层 3、6、9
疏水层 4、7、10
电极 2、5、8
液滴 11
θ 装置与水平面的
夹角
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
一种基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置，该装置至少包括衬底基片、形成于所述衬底基片上与外接负载连接的第一电极和第二电极、覆盖部分所述第一电极和第二电极的电介质层、覆盖所述电介质层的疏水层以及在该疏水层上移动的液滴，所述液滴移动时经过所述第一电极和第二电极。
作为一种实施例，所述衬底基片上形成有沟槽，该沟槽包括底部以及与该底部侧边延伸的侧壁；所述第一电极和第二电极一部分在该沟槽的底部和侧壁上内，另一部分自沟槽外的衬底基片引出；所述电介质层以及疏水层依次覆盖在所述沟槽的底部和侧壁上。所述沟槽的横截面为倒梯形或矩形。
本发明还提供一种基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
1)提供一衬底基片；
2)采用溅射工艺在衬底基片上形成金属层，依次采用光刻工艺、金属腐蚀工艺、去胶工艺将衬底基片上多余金属层去除以形成第一电极和第二电极；然后自所述第一电极和第二电极引出导线，两导线用于连接外接负载；
3)采用PECVD沉积工艺在形成有第一电极和第二电极的衬底基片沉积电介质层；所述电介质层覆盖部分所述第一电极和第二电极；
4)采用等离子体沉积工艺在所述电介质层上沉积疏水层。
本发明还提供另一种基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
1)提供一衬底基片；
2)采用湿法腐蚀工艺在该衬底基片指定位置腐蚀出侧壁与底面呈斜度为125.3°的沟槽；
3)采用金属溅射工艺在该沟槽侧壁和底部溅射金属层，依次采用光刻工艺、金属腐蚀工艺、去胶工艺将衬底基片上多余金属层去除以形成第一电极和第二电极；然后自所述第一电极和第二电极引出导线，两导线用于连接外接负载；
4)采用PECVD沉积工艺在沟槽侧壁和底部沉积电介质层；
5)采用等离子体沉积工艺在所述电介质层上沉积形成疏水层。
本发明还提供再一种基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置的制备方法，该制备方法包括以下步骤：：
1)提供一衬底基片；
2)依次采用光刻工艺、深反应离子刻蚀工艺在所述硅衬底基片上制备侧壁垂直于底面的沟槽；
3)采用金属溅射工艺在该沟槽侧壁和底部溅射金属层，依次采用光刻工艺、金属腐蚀工艺、去胶工艺将衬底基片上多余金属层去除以形成第一电极和第二电极；然后自所述第一电极和第二电极引出导线，两导线用于连接外接负载；
4)采用PECVD沉积工艺在沟槽侧壁和底部沉积电介质层；
5)采用等离子体沉积工艺在所述电介质层上沉积形成疏水层。
本发明中，液滴以初始动能在疏水层界面上移动，当液滴经过嵌入在电介质里的电极时，接触界面的电荷会重新分布，并在电极两端上产生一个电势差，此电势差大小与液滴接触界面的面积成正相关。
本发明的实施例可以简称为平板结构、斜沟槽结构和垂直沟槽结构的三种能量采集电极装置结构。液滴在三种结构的电极装置移动时，与疏水层直接接触，电介质层置于疏水层和电极层(即第一电极和第二电极)之间。三种结构电极装置的金属层(电极层)可以使用溅射或者蒸发等工艺制备，金属电极同时也作为连接外接负载的引出电极。本实施例中，采用化学气相沉积、等离子体沉积等工艺在金属层上沉积电介质层，电介质层的材料可以为氮化硅或氧化硅。本实施例中，电极层、电介质层及疏水层厚度根据设计参数调节。
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明公开了一种基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置，如图1所示，并根据液滴移动位置设计平板结构的电极装置，组成部分自下而上均包括硅衬底基片1、电极层(金属层)2、电介质层3、疏水层4，其中电极层2被电介质层3完全覆盖。本实施例中，所述电极层材质是电阻率较小的金薄膜；所述电介质层材质是氮化硅，疏水层材质是聚四氟乙烯。下面通过具体实施例对本发明的三种能量采集电极装置结构进一步说明。
实施例一
1)准备4英寸硅衬底基片1，用乙醇对其表面进行清洗，并烘干；
2)如图1所示，在制备平板结构能量采集电极装置时，金属电极采用金属溅射工艺在硅衬底基片1上溅射一层50nmTi/W过渡层，再溅射厚度为150nm的金膜作为电极，并引出导线，两导线用于连接外接负载；
3)依次采用光刻工艺、金腐蚀工艺、去胶工艺将基片上多余金属层去除；
4)平板电介质层3采用PECVD沉积工艺在衬底基片1上沉积厚度为290nm的氮化硅层，并用等离子体沉积工艺在平板电介质层3沉积聚四氟乙烯作为平板疏水层4。
实施例二
1)准备4英寸的硅衬底基片，用乙醇对其表面进行清洗，并烘干；
2)如图2所示，在制备斜沟槽结构能量采集电极装置时，斜沟槽采用湿法腐蚀工艺在衬底基片指定位置腐蚀出斜度为54.7°的斜沟槽，金属电极采用金属溅射工艺在斜沟槽侧壁和底部溅射一层50nmTi/W过渡层，再溅射厚度为150nm的金介质作为电极，并引出导线，两导线用于连接外接负载；
3)依次采用光刻工艺、金腐蚀工艺、去胶工艺将衬底基片上多余金属层去除；
4)斜沟槽电介质层6采用PECVD沉积工艺在沟槽侧壁和底部沉积厚度为290nm的氮化硅层，并用等离子体沉积工艺在斜沟槽电介质层6沉积聚四氟乙烯作为斜沟槽疏水层7。
实施例三
1)准备4英寸硅衬底基片，采用乙醇对其表面进行清洗，并烘干；
2)如图3所示，在制备垂直沟槽结构能量采集电极装置时，垂直沟槽依次采用光刻工艺、深反应离子刻蚀工艺在硅衬底基片1上制备垂直沟槽，金属垂直沟槽电极层8采用金属溅射工艺在垂直沟槽侧壁和底部溅射一层50nmTi/W过渡层，再溅射厚度为150nm的金介质作为电极，并引出导线，两导线用于连接外接负载；
3)依次采用光刻工艺、金腐蚀工艺、去胶工艺将衬底基片1上多余金属层去除；
4)垂直沟槽电介质层9采用PECVD沉积工艺在沟槽侧壁和底部沉积厚度为290nm的氮化硅层，并用等离子体沉积工艺在垂直沟槽电介质层9沉积聚四氟乙烯作为垂直沟槽疏水层10。
本发明液滴移动发电的微型能量采集电极装置的能量收集方法具体如下：
1)将液滴移动发电的微型能量采集电极装置以θ倾斜角放置，保证滴在能量采集电极结构上的液滴在自身重力作用向下移动，且液滴经过电极层的两个金属电极；
2)调节移液泵注射器针头至电极正上方，注射器加满水；
3)两个金属电极与外接电负载或电能存储装置相连，开动移液泵，就能将液滴重力势能转化为电能。
本发明有益效果在于：所述能量采集电极装置，简化了独立的能量转化部件，将其与电极合并，减少了对能量采集部件的磁化、充电等过程，同时避免了大功率发电装置的体积大、不易挪移的缺陷；又能满足野外等恶劣环境下运行的低功耗器件供电需求，真正实现结构简洁、操作方便、高功率、便携式基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置，实现了通过液滴移动来将液滴势能转化为电能的装置。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置，其特征在于：该装置至少包括衬底基片、形成于所述衬底基片上与外接负载连接的第一电极和第二电极、覆盖部分所述第一电极和第二电极的电介质层、覆盖所述电介质层的疏水层以及在该疏水层上移动的液滴，所述液滴移动时经过所述第一电极和第二电极；所述衬底基片上形成有沟槽，该沟槽包括底部以及与该底部侧边延伸的侧壁；所述第一电极和第二电极一部分在该沟槽的底部和侧壁上内，另一部分自沟槽外的衬底基片引出；所述电介质层以及疏水层依次覆盖在所述沟槽的底部和侧壁上。
2.根据权利要求1所述的基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置，其特征在于：所述沟槽的横截面为倒梯形。
3.根据权利要求1所述的基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置，其特征在于：所述沟槽的横截面为矩形。
4.根据权利要求1所述的基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置，其特征在于：所述衬底基片上、第一电极和第二电极下还设有Ti/W过渡层。
5.一种基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置的制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下步骤：
1)提供一衬底基片；
2)采用溅射工艺在衬底基片上形成金属层，依次采用光刻工艺、金属腐蚀工艺、去胶工艺将衬底基片上多余金属层去除以形成第一电极和第二电极；然后自所述第一电极和第二电极引出导线，两导线用于连接外接负载；
3)采用PECVD沉积工艺在形成有第一电极和第二电极的衬底基片沉积电介质层；所述电介质层覆盖部分所述第一电极和第二电极；
4)采用等离子体沉积工艺在所述电介质层上沉积疏水层。
6.根据权利要求5所述的基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置的制备方法，其特征在于：在所述步骤1)后还包括用乙醇对衬底基片表面进行清洗，并烘干的步骤。
7.根据权利要求5所述的基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置的制备方法，其特征在于：采用溅射工艺在衬底基片上形成金属层之前还包括采用金属溅射工艺在衬底基片上溅射一层Ti/W过渡层的步骤。
8.一种基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)提供一衬底基片；
2)采用湿法腐蚀工艺在该衬底基片指定位置腐蚀出侧壁与底面呈斜度为125.3°的沟槽；
3)采用金属溅射工艺在该沟槽侧壁和底部溅射金属层，依次采用光刻工艺、金属腐蚀工艺、去胶工艺将衬底基片上多余金属层去除以形成第一电极和第二电极；然后自所述第一电极和第二电极引出导线，两导线用于连接外接负载；
4)采用PECVD沉积工艺在沟槽侧壁和底部沉积电介质层；
5)采用等离子体沉积工艺在所述电介质层上沉积形成疏水层。
9.一种基于液滴移动发电的微型能量采集电极装置的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)提供一衬底基片；
2)依次采用光刻工艺、深反应离子刻蚀工艺在所述衬底基片上制备侧壁垂直于底面的沟槽；
3)采用金属溅射工艺在该沟槽侧壁和底部溅射溅射金属层，依次采用光刻工艺、金属腐蚀工艺、去胶工艺将衬底基片上多余金属层去除以形成第一电极和第二电极；然后自所述第一电极和第二电极引出导线，两导线用于连接外接负载；
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