CN109449280B - 一种微机电换能器及其制备方法 - Google Patents

一种微机电换能器及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109449280B
CN109449280B CN201811326697.6A CN201811326697A CN109449280B CN 109449280 B CN109449280 B CN 109449280B CN 201811326697 A CN201811326697 A CN 201811326697A CN 109449280 B CN109449280 B CN 109449280B
Authority
CN
China
Prior art keywords
micro
electromechanical transducer
layer
pressure
crack
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811326697.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109449280A (zh
Inventor
韩志武
王可军
张俊秋
刘林鹏
宋洪烈
陈道兵
孙涛
张斌杰
王大凯
孟宪存
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jilin University
Original Assignee
Jilin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jilin University filed Critical Jilin University
Priority to CN201811326697.6A priority Critical patent/CN109449280B/zh
Publication of CN109449280A publication Critical patent/CN109449280A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109449280B publication Critical patent/CN109449280B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/03—Assembling devices that include piezoelectric or electrostrictive parts
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/308—Membrane type

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种微机电换能器及其制备方法，所述微机电换能器包括：固化层，所述固化层上设置有若干个裂纹和若干个压敏元件，所述压敏元件位于所述裂纹的尖端应力场中。由于将压敏元件设置在裂纹的尖端应力场中，并利用微振动时，裂纹受力变形导致裂纹尖端应力场内应力急剧放大，将应力信号高效的转化为电信号，从而提高了微机电换能器的机电转化效率。

Description

一种微机电换能器及其制备方法
技术领域
本发明涉及微能源技术领域，尤其涉及的是一种微机电换能器及其制备方法。
背景技术
基于压敏材料的纳米发电机能够将周围环境运动物体所具有的机械能转化成电能。现有技术中，提高微机电换能器件的机电转化效率主要是通过提高压电材料的压电系数来实现的，但是提高效果甚微。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种微机电换能器及其制备方法，旨在解决现有技术中微机电换能器件的机电转化效率低的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种微机电换能器，其中，包括：固化层，所述固化层上设置有若干个裂纹和若干个压敏元件，所述压敏元件位于所述裂纹的尖端应力场中。
所述的微机电换能器，其中，所述压敏元件通过将压电薄膜两侧分别连接电极后封装而成。
所述的微机电换能器，其中，所述压电薄膜采用聚偏氟乙烯、氧化锌、PbTiO3系压电材料、压电晶体或压电陶瓷中的一种或多种制成。
所述的微机电换能器，其中，所述电极通过将电极材料沉积、蒸镀、溅镀或刷涂在所述压电薄膜上。
所述的微机电换能器，其中，所述电极材料采用铜、银、钛、金、铝、铟锡氧化物、石墨烯或石墨中的一种或多种。
所述的微机电换能器，其中，所述固化层采用环氧树脂、硅氧烷或紫外固化胶中的一种或多种制成。
所述的微机电换能器，其中，所述裂纹的宽度为20-200μm。
所述的微机电换能器，其中，所述固化层上设置有止裂保护层。
所述的微机电换能器，其中，所述止裂保护层为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。
一种如上述所述的微机电换能器的微机电换能器的制备方法，其中，包括以下步骤：
在若干个金属片上分别涂覆第一可固化层；
将若干个压敏元件分别贴在第一可固化层的边缘；
将第一可固化层贴有压敏元件的一边竖直放入第二可固化层中；
固化第一可固化层和第二可固化层形成固化层；
去除金属片形成裂纹，得到微机电换能器。
有益效果：由于将压敏元件设置在裂纹的尖端应力场中，并利用微振动时，裂纹受力变形导致裂纹尖端应力场内应力急剧放大，将应力信号高效的转化为电信号，从而提高了微机电换能器的机电转化效率。
附图说明
图1是本发明中微机电换能器的俯视图。
图2是图1中A处的放大图。
图3是本发明中微机电换能器的第一侧视图。
图4是本发明中微机电换能器的第二侧视图。
图5是本发明金属片和第一可固化层的结构示意图。
图6是本发明第一可固化层和压敏元件的结构示意图。
图7是本发明金属片和第二可固化层的结构示意图。
图8是本发明中裂纹的第一结构示意图。
图9是本发明中裂纹的第二结构示意图。
图10是本发明微机电换能器和对比实施例一、对比实施例二的测试结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请同时参阅图1-图10，本发明提供了一种微机电换能器的较佳实施例。
如图1-图2所示，本发明中的一种微机电换能器，包括：固化层10，所述固化层10上设置有若干个裂纹11和若干个压敏元件20，所述压敏元件20位于所述裂纹11的尖端应力场12中。
值得说明的是，裂纹11的尖端应力场12呈∞形分布在裂纹11的尖端，∞包括左部和右部，左部、右部分别位于裂纹11尖端的左侧、右侧，在一个裂缝周围可以设置一个压敏元件20或多个压敏元件20，采用一个压敏元件20时可以设置在左部或右部中；采用多个压敏元件20时，可以均分设置在左部或右部中。当固化层10呈圆形时，若干个裂纹11可以沿圆的径向分布，可以收集来自不同方向的机械能。当固化层10呈矩形时，若干个裂纹11平行排列在固化层10上。
本发明中的一种微机电换能器可以采用如下步骤制备：
步骤S100、在若干个金属片40上分别涂覆第一可固化层10a（如图5所示）；
步骤S200、将若干个压敏元件20分别贴在第一可固化层10a的边缘（如图6所示）；
步骤S300、将第一可固化层10a贴有压敏元件20的一边竖直放入第二可固化层10b中（如图7所示）；
步骤S400、固化第一可固化层10a和第二可固化层10b形成固化层10；
步骤S500、去除金属片40形成裂纹11（如图8和图9所示），得到微机电换能器。
本发明提供的微机电换能器，由于将压敏元件20设置在裂纹11的尖端应力场12中，并利用微振动时，裂纹11受力变形导致裂纹11尖端应力场12内应力急剧放大，将应力信号高效的转化为电信号，从而提高了微机电换能器的机电转化效率。
在本发明的一个较佳实施例中，所述步骤S100中的金属片40的厚度与裂纹11的宽度一致，金属片40的厚度可以设置为20-200μm。金属片40的长度与裂纹11的长度一致，金属片40的宽度与裂纹11的高度一致。金属片40的长度可以根据需要设置，例如，设置成1000μm-10000μm，较佳地，设置成5000μm。金属片40的宽度也可以根据需要设置，例如，设置成200μm-2000μm，较佳地，设置成1000μm。
金属片40可以采用铝片、铜片或铁片等，当然金属片40可以采用其它材质代替，只要便于去除即可。金属片40的四周呈圆弧状，即金属片40的四个侧面呈圆弧状，当然，较佳的是，金属片40的宽边的侧面为圆弧状，在形成裂纹11时，裂纹11尖端形成圆弧形，圆弧形的裂纹11尖端不容易被撕裂，有利于提高裂纹11的使用寿命。较佳的，圆弧为半圆，裂纹11尖端的曲率半径为金属片40厚度的一半。
第一可固化层10a可以采用环氧树脂、硅氧烷或紫外固化胶等固化材料中的一种或多种；环氧树脂可以采用环氧树脂AB胶水，硅氧烷可以采用聚二甲基硅氧烷。
在涂覆第一可固化层10a后，可进行预固化，预固化的方式可以根据第一可固化层10a的固化材料来确定，例如，当采用环氧树脂时，可以采用加热的方式，为了方便将压敏元件20贴在第一可固化层10a上，可以在30-50℃下加热1-5小时以提高环氧树脂的粘附性。当然，第一可固化层10a的固化材料采用紫外固化胶时，可以采用紫外照射的方式固化，为了便于将压敏元件20贴在第一可固化层10a上，无需将第一可固化层10a的固化材料完全固化，只需要将液态的固化材料固化到具有一定的粘附性。
所述第一可固化层10a的厚度为20-200μm，第一可固化层10a的厚度关系到裂纹11尖端与压敏元件20之间的距离，为了使压敏元件20位于裂纹11尖端的应力场12中，根据需要设置第一可固化层10a的厚度。较佳的，第一可固化层10a的厚度为100μm。
在本发明的一个较佳实施例中，所述压敏元件20通过将压电薄膜21两侧分别连接电极22后封装而成。
具体地，所述压电薄膜21采用聚偏氟乙烯、氧化锌、PbTiO3系压电材料、压电晶体或压电陶瓷中的一种或多种制成。常见的压电晶体还有：闪锌矿、方硼石、电气石、红锌矿、GaAs、钛酸钡及其衍生结构晶体、KH2PO4、NaKC4H4O6·4H2O(罗息盐)、食糖等。常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3(A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价)型化合物，如:Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等组成的三元系。如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠(Na0.5·K0.5·NbO3)和偏铌酸锶钡(Bax·Sr1-x·Nb2O5)等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。
所述电极22通过将电极材料沉积、蒸镀、溅镀或刷涂在所述压电薄膜21上。所述电极材料采用铜、银、钛、金、铝、铟锡氧化物、石墨烯或石墨中的一种或多种。封装方式采用PET膜封装。
封装好的压敏元件20呈长条形。在将压敏元件20贴在第一可固化层10a的边缘时，具体是沿第一可固化层10a的宽边粘贴（这里第一可固化层10a的长宽与金属片40的长宽一致）上。压电薄膜21的长度小于第一可固化层10a的宽度，而压敏元件20的长度（包含压电薄膜21的长度和电极22的长度）大于第一可固化层10a的宽度，便于电极22凸出与第二可固化层10b而与后续的电路连接。
将压敏元件20贴在第一可固化层10a的边缘，压敏元件20并不是全部贴在第一可固化层10a上的，而是部分贴在第一可固化层10a上，另一部分凸出于第一可固化层10a之外，这样压敏元件20位于应力场12的中间位置，由于处于应力场12中的应变较剧烈，便于提高压敏元件20的机电转化效率。当然可以在金属片40的两侧均涂覆第一可固化层10a，并分别贴压敏元件20，可以通过两个压敏元件20进行测量，进一步提高机电转化效率。
在本发明的一个较佳实施例中，步骤S300具体为：将第一可固化层10a的宽边竖直放入第二可固化层10b中（如图7所示），第二可固化层10b可以采用培养皿装载，具体地，采用聚苯乙烯培养皿。将压敏元件20置于培养皿的中心位置，也就是说将第一可固化层10a的一个宽边置于培养皿的中心位置，而另一个宽边置于培养皿的边缘。固化后，压敏元件20就位于第二可固化层10b的中心。
第二可固化层10b采用环氧树脂、硅氧烷或紫外固化胶等固化材料中的一种或多种，第二可固化层10b的固化材料可以与第一可固化层10a的固化材料相同，也可以与第一可固化层10a的固化材料不同，较佳的，第二可固化层10b的固化材料可以与第一可固化层10a的固化材料相同。第二可固化层10b的厚度不大于第一可固化层10a的宽度，较佳的，第二可固化层10b的厚度与第一可固化层10a的宽度一致。
步骤S400中固化第一可固化层10a和第二可固化层10b形成固化层。第二可固化层10b的固化也可以根据固化材料来确定，例如，当采用环氧树脂时，可以采用加热的方式，可以在30-50℃下加热15-30小时以使第一可固化层10a和第二可固化层10b完全固化。
在步骤S500中金属片40可以采用铝片，所述去除金属片40步骤具体为：采用氯化铁溶液去除铝片。
具体地，氯化铁溶液为浓度为5mol/L的氯化铁溶液。目的是将固定在环氧树脂中铝片全部腐蚀掉从而形成裂纹11。在去除铝片后，从聚苯乙烯培养皿中脱模，并进行剪裁，就可以得到微机电换能器。这里的剪裁可以根据需要剪裁成一定形状。
所述步骤S500还包括在固化层10上封装止裂保护层3，即将止裂保护层3设置在固化层10上，止裂保护层3采用聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。当有微弱的机械能作用在微机电换能器上时，裂纹11尾部两侧发生变形，位于裂纹11尾部上方的止裂保护层发生弯曲（如图3所示），此时止裂保护层不影响微机电换能器的能量转化效率。相反，当外部机械刺激较强时保护层处于拉伸状态（如图4所示），限制裂纹11尖端的能量集中强度。从而很好的防止因裂纹11尖端应力集中效应过强而导致的元件的断裂。
对比实施例一，与上述微机电换能器的较佳实施例不同的是，改变压敏元件20粘贴位置，将压敏元件20贴在裂纹11的中部而不是尖端。
对比实施例二，与上述微机电换能器的较佳实施例不同的是，不设置裂纹11。
在机械振动激励下，本发明微机电换能器的较佳实施例的微机电换能器可以输出电能（如图10所示的测试电压线B所示），而对比实施例一和对比实施例二无法输出电能（如图10所示的测试电压线C和测试电压线D所示）。
本发明还提供了一种如上述所述的微机电换能器的微机电换能器的制备方法的较佳实施例：
本发明实施例所述一种如上述所述的微机电换能器的微机电换能器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S100、在若干个金属片40上分别涂覆第一可固化层10a，具体如上所述。
步骤S200、将若干个压敏元件20分别贴在第一可固化层10a的边缘，具体如上所述。
步骤S300、将第一可固化层10a贴有压敏元件20的一边竖直放入第二可固化层10b中，具体如上所述。
步骤S400、固化第一可固化层10a和第二可固化层10b形成固化层，具体如上所述。
步骤S500、去除金属片40形成裂纹11，得到微机电换能器，具体如上所述。
所述步骤S500还包括：在固化层10上封装止裂保护层3，具体如上所述。
综上所述，本发明所提供的一种微机电换能器及其制备方法，所述微机电换能器包括：固化层，所述固化层上设置有若干个裂纹和若干个压敏元件，所述压敏元件位于所述裂纹的尖端应力场中。由于将压敏元件设置在裂纹的尖端应力场中，并利用微振动时，裂纹受力变形导致裂纹尖端应力场内应力急剧放大，将应力信号高效的转化为电信号，从而提高了微机电换能器的机电转化效率。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种微机电换能器，其特征在于，包括：固化层，所述固化层内设置有若干个裂纹和若干个压敏元件，所述压敏元件位于所述裂纹的尖端应力场中。
2.根据权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述压敏元件通过将压电薄膜两侧分别连接电极后封装而成。
3.根据权利要求2所述的微机电换能器，其特征在于，所述压电薄膜采用聚偏氟乙烯、氧化锌、PbTiO3系压电材料、压电晶体或压电陶瓷中的一种或多种制成。
4.根据权利要求2所述的微机电换能器，其特征在于，所述电极通过将电极材料沉积、蒸镀、溅镀或刷涂在所述压电薄膜上制成。
5.根据权利要求4所述的微机电换能器，其特征在于，所述电极材料采用铜、银、钛、金、铝、铟锡氧化物、石墨烯或石墨中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述固化层采用环氧树脂、硅氧烷或紫外固化胶中的一种或多种制成。
7.根据权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述裂纹的宽度为20-200μm。
8.根据权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述固化层上设置有止裂保护层。
9.根据权利要求8所述的微机电换能器，其特征在于，所述止裂保护层为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。
10.一种如权利要求1所述的微机电换能器的微机电换能器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在若干个金属片上分别涂覆第一可固化层；
将若干个压敏元件分别贴在第一可固化层的边缘；
将第一可固化层贴有压敏元件的一边竖直放入第二可固化层中；
固化第一可固化层和第二可固化层形成固化层；
去除金属片形成裂纹，得到微机电换能器。
CN201811326697.6A 2018-11-08 2018-11-08 一种微机电换能器及其制备方法 Active CN109449280B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811326697.6A CN109449280B (zh) 2018-11-08 2018-11-08 一种微机电换能器及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811326697.6A CN109449280B (zh) 2018-11-08 2018-11-08 一种微机电换能器及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109449280A CN109449280A (zh) 2019-03-08
CN109449280B true CN109449280B (zh) 2020-05-05

Family

ID=65551608

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811326697.6A Active CN109449280B (zh) 2018-11-08 2018-11-08 一种微机电换能器及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109449280B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111762750A (zh) * 2020-08-03 2020-10-13 苏州大学 集成机械能收集与振动检测功能的微器件及其制备方法
CN112462157B (zh) * 2020-11-12 2023-07-21 苏州大学 提高裂纹传感元件中压电材料输出电荷的方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4999819A (en) * 1990-04-18 1991-03-12 The Pennsylvania Research Corporation Transformed stress direction acoustic transducer
TWI439039B (zh) * 2010-11-02 2014-05-21 壓電發電模組
CN204007950U (zh) * 2014-08-13 2014-12-10 武汉市市政建设集团有限公司 结构裂纹监测装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN109449280A (zh) 2019-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sappati et al. Piezoelectric polymer and paper substrates: a review
Zhao et al. Flexible semitransparent energy harvester with high pressure sensitivity and power density based on laterally aligned PZT single-crystal nanowires
CN109449280B (zh) 一种微机电换能器及其制备方法
CN104734564A (zh) 一种全叉指电极微型压电厚膜振动能量收集器及其制作方法
CN104821372A (zh) 一种剪切型压电复合材料
Hyeon et al. Piezoelectric flexible energy harvester based on BaTiO3 thin film enabled by exfoliating the mica substrate
CN1120874A (zh) 单片预应力陶瓷器件及其制法
CN109341843B (zh) 一种微振动传感器及其制备方法
CN111446359B (zh) 一种压电器件及其制作方法、电子装置及控制方法
JP2003530805A (ja) 圧電セラミックス湾曲変換器並びにその使用方法
US20080211353A1 (en) High temperature bimorph actuator
EP2264802A1 (en) Method for manufacturing a mainly film shaped piezoelectric element
KR101203176B1 (ko) 희생기판을 이용한 플라스틱 압전소자 제조방법, 이에 따라 제조된 플라스틱 압전소자
CN210956725U (zh) 一种单向弯曲的电致伸缩聚合物微驱动器
KR101207075B1 (ko) 플렉서블 나노제너레이터 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터
JPS6288382A (ja) 電歪効果素子
JP2008072081A (ja) 圧電／電歪素子の製造方法
JP5713444B2 (ja) ラム波共鳴圧電駆動型光走査装置
CN106684239A (zh) 拉伸型叠层压电致动器
CN108493324B (zh) 一种双晶片结构压电纤维复合材料及其制备方法
JP5532617B2 (ja) 圧電アクチュエータ
JP2711870B2 (ja) 積層型圧電アクチュエータ
KR101467934B1 (ko) 피에조 파이버 컴포지트 구조체 및 이를 이용한 소자
Asadi et al. Variable distance interdigitated electrodes design to improve the performance of cantilever piezoelectric thin films nanogenerators
KR101629472B1 (ko) 플렉서블 나노제너레이터 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 나노제너레이터

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant