CN105071698B - 基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置及制备方法，所述热电转换能量采集装置包括散热端、上极板、下极板、传热板和超疏水壁面。所述传热板是具有超强导热能力的金属极板，其下表面与外界废热源相连，用于将外部热能传递到传热板上表面的液态水上。能量采集装置的侧壁和顶层内表面均采用超疏水材料，避免传热板上面蒸发的水蒸汽在内壁上冷凝，使水蒸汽集中冷凝在置于顶层内表面的上极板上，上极板与下极板的电介质层上下相对放置。当冷凝在上极板的液滴滴落在电介质层表面时，液滴与电介质层接触界面的电荷会重新分布，并在内外电极两端产生一个瞬时电势差，此电势差实现液滴碰撞发电，可以将外部热能转化为电能。
Description
技术领域
本发明所涉及的领域是一种基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置，属于能量采集技术领域。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)技术的发展，涌现出的低功耗无线传感器件或系统对微电源提出新的要求，这其中包括便携程度、无线远程、脱离冗余电源线及成本考虑。便携式小功率的环境能量采集装置因其能将环境中其他形式的能转换成电能，并可以作为微器件或系统的电源而备受关注。
已报道的能量转换方式有压电式、电磁式、静电式等能量采集装置。其中压电式能量采集装置是通过压电效应来产生电能，因需要特殊的压电材料而提高了成本；电磁式能量采集装置是通过电磁场将外界振动等能量转换为电能，引入的电磁场可能会对器件或系统的无线通信产生干扰；而静电式能量采集装置需要一个外部电源在能量转换的电容两端产生原始电压差，无法满足远程野外的低功耗器件的要求。
发明内容
针对上述技术领域存在的技术问题和能量采集装置的缺陷，本发明公开了一种基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置。
本发明的技术方案实现方式是：一种基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置，该装置包括存放部分液态水的腔体；该腔体包括与外部废热源接触并作为底板的传热板、采用超疏水材料制备的侧板和顶板；所述腔体内的传热板上表面放置有一端与外接金属板导通的下极板；所述顶板上嵌入与所述下极板的电介质层对应的上极板；所述下极板包括衬底、形成于该衬底上的电极层、沉积于该电极层上的电介质层以及沉积在该电介质层上的疏水层；所述上极板包括硅基底、形成于该衬底上周期性分布的疏水区和亲水区；所述疏水去为微纳米硅柱结构；所述亲水区为氧化硅。
本发明还涉及一种基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置的制备方法，该方法包括收容在腔体内的上极板和下极板的制造方法，所述上极板制备包括以下步骤：
1)提供一包含氧化层的硅基底；
2)采用光刻工艺将亲、疏水区分布图形转移到硅基底的氧化层上，并使亲水区的氧化层被光刻胶保护；
3)采用反应离子刻蚀工艺刻蚀疏水区的所述氧化层，然后采用深反应离子刻蚀工艺在已刻蚀掉氧化层的区域形成疏水的微纳米硅柱结构；
4)去除硅基底上光刻胶。
所述下极板制备包括以下步骤：
1)提供一玻璃衬底；
2)在该玻璃衬底上溅射电极层；
3)在所述电极层上沉积电介质层；
4)在所述电介质层上沉积超疏水材料以形成疏水层。
本发明的传热板是具有超强导热能力的金属极板，其下表面与外界废热源相连，用于将外部热能传递到传热板上表面的液态水上。能量采集装置的侧板和顶板内表面均采用超疏水材料，避免传热板上面蒸发的水蒸汽在内壁上冷凝，使水蒸汽集中冷凝在置于顶层内表面的上极板上，上极板与下极板的电介质层上下相对放置。当冷凝在上极板的液滴滴落在电介质层表面时，液滴与电介质层接触界面的电荷会重新分布，并在内外电极两端产生一个瞬时电势差，此电势差实现液滴碰撞发电，可以将外部热能转化为电能。
附图说明
图1为本发明基于热电转换能量采集装置的结构图；
图2为本发明基于热电转换能量采集装置的下极板电极剖面图；
图3为本发明基于热电转换能量采集装置的上极板电极结构图。
元件标号说明
衬底 2
电介质层 3
电极层 4
疏水层 9
传热板 1
侧板 5
顶板 6
散热端 10
亲水区 12
疏水区 11
上极板 7
液滴 8
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。
本发明提供一种基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置，该装置包括存放部分液态水的腔体；该腔体包括与外部废热源接触并作为底板的传热板、采用超疏水材料制备的侧板和顶板；所述腔体内的传热板上表面放置有一端与外接金属板导通的下极板；所述顶板上嵌入与所述下极板对应的上极板；所述下极板包括衬底、形成于该衬底上的电极层、沉积于该电极层上的电介质层以及沉积在该电介质层上的疏水层；所述上极板包括硅基底、形成于该衬底上周期性分布的疏水区和亲水区；所述疏水区为微纳米硅柱结构；所述亲水区为氧化硅。本发明还包括所述腔体外、上极板的上表面设置有散热端。所述散热端包括基板和与基板垂直并平行间隔设置的散热片。
所述传热板用于将外部热源传递到能量采集装置内部，并用液态水作为内部热循环介质，上极板用于定点冷凝传热板上蒸发的水蒸汽，并形成小水滴滴落到下极板的电极上，电极另一端为外接导电性能良好的金属极板。当冷凝在上极板的液滴滴落在下极板的电介质层表面时，液滴与下极板接触界面的电荷会重新分布，并在电极两端产生一个感生电势差，此电势差实现液滴碰撞发电，可以将外部热能转化为电能。
所述的传热板的材料是具有超强导热能力的金属材料极板，其下表面与外部热源相连，上表面放置有下极板及其周围的内部热循环液体介质。本实施例中该液体介质为水。传热板上表面的液态水受热汽化成水蒸汽。
所述的腔体包括超疏水壁面，该超疏水壁面包括能量采集装置的侧板和顶板内表面，壁面材料须具有超疏水特性，降低水蒸汽在壁面上的冷凝，材料可以选取聚四氟乙烯或纳米硅等。
所述上极板是以硅晶元为衬底的亲水域、疏水域周期分布的表面微结构，水蒸汽定点冷凝在亲水区域，形成体积可控的液滴。液滴体积是根据需要设计，液滴脱离上极板前与上极板的接触面积，即为单个圆亲水区面积。
所述的散热端的材料是超强导热能力的金属材料，优选铜材质，并置于上极板上方，水蒸汽在上极板冷凝时释放的热量经散热端传递到外界空气中。
所述的上极板置于能量采集装置的顶板内，表面结构是以硅晶元为衬底的亲水域、疏水区周期性分布，因热循环介质液态水与表面结构的接触角不同而实现水蒸汽定点冷凝。其中上极板制备包括以下步骤：
1)首先准备单面氧化的硅基底；
2)采用光刻工艺将亲、疏水区分布图形转移到硅基底氧化层一面上，使亲水区的氧化层被光刻胶保护。
3)采用反应离子刻蚀工艺刻蚀硅基底疏水区域的氧化层，然后采用深反应离子刻蚀工艺在已刻蚀掉二氧化硅的区域制备微纳米硅柱结构。
4)最后，去除硅基底上的光刻胶。
所述的下极板的电介质层与上极板上下相对放置，保证上极板冷凝的液滴滴落在电介质层表面，下极板电极层的另一端为外接导电性能良好的金属极板。其中下极板制备包括以下步骤：
1)首先，准备玻璃材质或硅材质；
2)在衬底上制备一层厚度大约为50nmTi/W的过渡层(也可以省略该过渡层的制备步骤)，再溅射厚度大约为150nm的金属膜作为电极层，所述电极层的材料优选为金、银或铜；
3)在金属膜部分区域沉积厚度大约为290nm的电介质层，所述的电介质层可以是氮化硅、二氧化硅或有机材质。
4)在金属膜和电介质层上沉积一层聚四氟乙烯薄膜，形成疏水层。
下面结合附图对本发明优选的实施例进一步说明。
如图1所示，一种基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置，包括散热端10、上极板7、衬底2、电介质层3、电极层4、疏水层9、传热板1和超疏水侧板5和顶板6。本实施例中，所述的传热板1是具有超强导热能力的铜板。所述的衬底2与传热板1紧贴放置，避免因与传热板1温差过大而致使水蒸汽大量冷凝在衬底2上，并在衬底2上表面制备能量采集电极，请具体参照附图2所示，其制备工艺可以是以下过程：
1.准备4英寸玻璃材质的衬底2；
2.如图2所示，金属电极采用金属溅射工艺在玻璃衬底上溅射一层50nmTi/W过渡层，再溅射厚度为150nm的金膜作为电极层4，并引出导线，用于输出所采集的电能；
3.电介质层3采用PECVD沉积工艺在衬底上沉积厚度为290nm的氮化硅层或二氧化硅，并用等离子体沉积工艺在电介质层3沉积聚四氟乙烯作为疏水层9；
请参阅图3所示，所述的上极板7被嵌在顶板壁面上，用于定点冷凝传热板1上蒸发的水蒸汽，上极板7是以硅晶元为衬底的亲水区12、疏水区11周期分布的表面微结构，水蒸汽冷凝在亲水区域；并与下极板的电介质层3区域上下对应放置，以保证冷凝的水滴滴落在电介质层3上。所述的散热端10材料是超强导热能力的铜片或铝片，并置于上极板7上方，且与上极板7直接接触。
本实施例中，传热板1下底面放置在外界环境的废热源上，用于将外部废热源传递到装置内部的热循环介质液态水上，液态水汽化成水蒸汽后上升在上极板7冷凝成液滴8；散热端10用于辐射水蒸汽冷凝时释放的热能，以降低上极板7与装置外部的温差。装置侧板5和顶板6内壁采用超疏水材料或结构，避免或减少水蒸汽在壁面上冷凝。冷凝的小水滴8体积增大后滴落在下极板电极疏水层9上，滴落瞬间接触电介质层时，接触界面的面积变化导致电荷重新分布，并在电极两端产生一个瞬时电势差，此电势差实现液滴碰撞发电，可以将外部热能转化为电能。本实施例中，所述的超疏水侧板5和顶板6的内表面可以是有机聚四氟乙烯材料或以硅晶元为衬底的纳米硅结构等。本实施例中，所述的下极板中仅电极一端置于下极板上，另一端连接外部金属极板即可。
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 (10)
1.一种基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置，其特征在于：该装置包括存放部分液态水的腔体；该腔体包括与外部废热源接触并作为底板的传热板、采用超疏水材料制备的侧板和顶板；所述腔体内的传热板上表面放置有一端与外接金属板导通的下极板；所述顶板上嵌入与所述下极板对应的上极板；所述下极板包括衬底、形成于该衬底上的电极层、沉积于该电极层上的电介质层以及沉积在该电介质层上的疏水层；所述上极板包括硅基底、形成于该衬底上周期性分布的疏水区和亲水区；所述疏水区为微纳米硅柱结构；所述亲水区为氧化硅。
2.根据权利要求1所述的基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置，其特征在于：所述传热板为金属板。
3.根据权利要求1所述的基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置，其特征在于：所述超疏水材料选取聚四氟乙烯或纳米硅。
4.根据权利要求1所述的基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置，其特征在于：所述亲水区的体积与液滴体积相关。
5.根据权利要求1所述的基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置，其特征在于：所述腔体外侧上极板的上表面处设置有散热端。
6.根据权利要求5所述的基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置，其特征在于：所述散热端包括基板和与基板垂直并平行间隔设置的散热片。
7.根据权利要求5所述的基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置，其特征在于：所述散热端的材料为金属。
8.一种权利要求1所述的基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置的制备方法，其特征在于：该方法包括收容在腔体内的上极板和下极板的制造方法，所述上极板制备包括以下步骤：
1)提供一包含氧化层的硅基底；
2)采用光刻工艺将亲、疏水区分布图形转移到硅基底的氧化层上，并使亲水区的氧化层被光刻胶保护；
3)采用反应离子刻蚀工艺刻蚀疏水区的所述氧化层，然后采用深反应离子刻蚀工艺在已刻蚀掉氧化层的区域形成疏水的微纳米硅柱结构；
4)去除硅基底上光刻胶；
所述下极板制备包括以下步骤：
1)提供一玻璃衬底；
2)在该玻璃衬底上溅射电极层；
3)在所述电极层上沉积电介质层；
4)在所述电介质层上沉积超疏水材料以形成疏水层。
9.根据权利要求8所述的基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置的制备方法，其特征在于：在步骤1)和步骤2)之间还包括形成Ti/W过渡层的步骤。
10.根据权利要求8所述的基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置的制备方法，其特征在于：所述的电介质层的材料为氮化硅、二氧化硅或有机材质。
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