CN111313744B - 微米级分离的摩擦纳米发电机和声音传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微米级分离的摩擦纳米发电机和采用其的声音传感器，微米级分离的摩擦纳米发电机包括互相面对面设置的第一电极层和摩擦介质层，互相之间由支撑层分隔，分隔距离为3‑100μm；所述摩擦介质层采用弹性介质材料，在振动作用下，可以与所述第一电极层互相接触分离；由于摩擦起电和静电感应作用，在所述第一电极层上产生摩擦电荷，与外电路或者等电位源连接可以产生电信号输出。这种结构提高了摩擦纳米发电机对微小运动的分辨能力和能量收集效率，实现高灵敏度的微小振动传感，便于集成。其中，第一电极层采用重掺杂硅，可以与硅器件进行集成。
Description
技术领域
本发明涉及发电机领域，尤其涉及一种将施加的机械能转换为电能的微米级分离的摩擦纳米发电机。
背景技术
在本世纪以来，基于移动互联网的便携式和个人电子产品得到了飞速而全面发展，而支撑这种新型信息技术的是近几十年来各类信息传感器的无线移动化、微小型化和智能化。但是传统的电池的寿命是有限的，电池的替换与维护将会带来更高的人工和经济成本，同时替换电池产生的化学品泄漏也会带来环境污染。故而能从工作环境中收集能量转化为驱动它们持续工作所需要的电能成为解决上述问题的最佳方法。
在目前存在的众多环境能量收集方式中，摩擦纳米发电机因其成本低廉、清洁和可持续的将机械能转换成电能的优点而备受关注。摩擦纳米发电机的工作原理是基于摩擦起电和静电感应耦合，其基础理论是麦克斯韦位移电流和电荷的表面变化。作为一种新型的能量收集和传感装置，摩擦纳米发电机的输出性能依赖于其输出功率，其与电荷密度的平方成正比。因此，要进一步使摩擦纳米发电机应用和商业化，就必须提高电荷密度来增大摩擦纳米发电机的输出。
几年来，研究者在摩擦材料选择、表面修饰与改性等方面做了大量研究，将摩擦纳米发电机的摩擦电荷密度从30μC m-2提高到了250μC m-2，但是受限于空气击穿，另一方面，通过理论研究发现摩擦纳米发电机的在空气中的最大电荷密度与介质膜的厚度有关，传统的摩擦纳米发电机的介质层(FEP，PTFE等材料)厚度都超过50μm，相应的理论最大电荷密度约为250μC m-2。虽然最近也有通过高真空的工作环境得到了1003μC m-2的高电荷密度，但是苛刻的工作环境限制了实际的应用；也有通过外接电荷泵和自激励电荷泵实现了较高的表面电荷密度，但是这些系统复杂不利于集成。同时缺乏分离距离对于表面电荷密度影响的理论研究，这些发电机的最大分离距离基本都在毫米或者厘米的级别，这也极大地限制了摩擦纳米发电机的进一步的微电子化，集成化，减小了摩擦纳米发电机对微小运动的分辨能力和能量收集效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种微米级分离的摩擦纳米发电机，提高了摩擦纳米发电机对微小运动的分辨能力和能量收集效率。
为了实现上述目的，本发明提供一微米级分离的摩擦纳米发电机，包括互相面对面设置的第一电极层和摩擦介质层，互相之间由支撑层分隔，分隔距离为3-100μm；所述摩擦介质层采用弹性介质材料，在振动作用下，可以与所述第一电极层互相接触分离；由于摩擦起电和静电感应作用，在所述第一电极层上产生摩擦电荷，与外电路或者等电位源连接可以产生电信号输出。
还提供一种微米级分离的摩擦纳米发电机，包括互相面对面设置的第一电极层和摩擦介质层，互相之间由支撑层分隔，分隔距离为3-100μm；所述摩擦介质层采用弹性介质材料，在所述摩擦介质层背向所述第一电极层的表面上设置第二电极层；在振动作用下，所述摩擦介质层可以与所述第一电极层互相接触分离；由于摩擦起电和静电感应作用，在所述第一电极层和第二电极层之间产生电势差，与外电路连接产生电信号输出。
优选的，所述第一电极层为重掺杂硅，电阻率范围0.001-50(Ω·cm)。
优选的，所述摩擦介质层的材料为聚四氟乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜、尼龙薄膜、聚偏二氟乙烯薄膜、聚全氟乙烯丙烯共聚物薄膜或者硅胶材料
优选的，所述摩擦介质层的厚度范围为30nm-30μm。
优选的，所述支撑层为单晶硅或多晶硅。
优选的，所述支撑层的制备过程为：通过掩膜版在硅晶圆上刻蚀出凹槽，深度为3-100μm，对凹槽底部形成重掺杂作为所述第一电极层，以凹槽的侧壁作为摩擦介质层薄膜的支撑层。
优选的，所述摩擦介质层延伸至凹槽外的部分平面粘接或夹紧。
优选的，所述第二电极层的厚度范围为1-20μm。
优选的，所述摩擦介质层的长度范围为50μm-5mm。
优选的，所述分隔距离为3-20μm。
本发明的技术方案与现有技术相比，有下列优点：
本发明的摩擦纳米发电机，包括互相面对面设置的第一电极层和摩擦介质层，互相之间由支撑层分隔，分隔距离为3-100μm，提高了摩擦纳米发电机对微小运动的分辨能力和能量收集效率，实现高灵敏度的微小振动传感，便于集成。
采用重掺杂硅作为第一电极层，是一种硅基的摩擦纳米发电机，可以与硅器件进行集成，能够使摩擦纳米发电机结构进一步的微电子化，集成化。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为摩擦纳米发电机的结构示意图；
图2为薄膜FEP(厚度50μm)的最大表面电荷密度与分离距离的理论曲线图；
图3为本发明实施例一的微米级分离的摩擦纳米发电机结构示意图；
图4为本发明实施例二的微米级分离的摩擦纳米发电机结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
传统的摩擦纳米发电机最大分离距离通常在毫米厘米级别，其最大电荷密度受限于空气击穿。本发明基于最大电荷密度与分离距离的定量化关系，设计了基于半导体工艺的微米级分离的摩擦纳米发电机来作为能量收集器和自驱动微小振动传感器，它可以提高能量的收集效率，实现高灵敏度的微小振动传感，便于集成。
摩擦纳米发电机基本的结构示意图如图1，介质层2设置在第二电极层3上表面，摩擦介质层2与第一电极层1面对面设置，在机械外力作用下，介质层2与第一电极层互相接触分离，在接触分离过程中，由于摩擦起电和静电感应耦合在第一电极层1与第二电极层3之间形成电势差，可以在外电路中形成电能输出。由此可以得到其电荷密度限制方程
其中d是介质层的厚度，ε0(8.85×10-12F m-1)和εr分别是真空介电常数和介质的相对介电常数，P是大气压，B和C是常数。
通过数学推导，对电荷密度限制方程进行了的详细的分析，得到了最大电荷密度与分离距离的关系，如图2。对于同样的介质层，分离距离小于空气最容易发生的分离距离(xE)时，分离距离越小，最大电荷密度越高。对于同样分离距离和厚度的介质薄膜，介电常数越高，最大电荷密度越高。
例如当选用50μm的FEP作为介质层时，可以求解出相应的xE(24.24μm)和σm(250μC·m-2大于xE)。基于此，设计了基于半导体工艺便于集成的新型微米级分离的摩擦纳米发电机，提高能量的收集效率，实现高灵敏度的微小振动传感。
实施例一：
本实施例中制备了单电极式的微米级分离的摩擦纳米发电机，其结构如图3所示，包括互相面对面设置的第一电极层101和摩擦介质层102，互相之间由支撑层104分隔，分隔距离为3-100μm(优选3-20μm，例如10μm)，摩擦介质层102采用弹性介质材料，在振动作用下，可以与第一电极层101互相接触分离，由于摩擦起电和静电感应作用，在第一电极层101上产生摩擦电荷，与外电路或者等电位源连接可以产生电信号输出。
以重掺杂硅作为第一电极层101，电阻率范围0.001-50(Ω·cm)；超薄聚全氟乙烯丙烯共聚物薄膜(FEP，厚度为30nm-30μm，优选5μm)作为摩擦介质层102，也可选用其它的常见介质材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)薄膜、聚酰亚胺(Kapton)薄膜、尼龙(Ny l on)薄膜、聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜和硅胶等作为摩擦介质层；单晶硅或多晶硅作为支撑层104，通过掩膜版在硅晶圆(锗等其它元素半导体材料或化合物半导体)上刻蚀出边长为50μm-5mm(优选1mm)的正方形凹槽，深度为3-100μm(优选3-20μm，例如10μm)，以硼或磷(或其它常见的掺杂半导体元素，例如氮、硫等)对凹槽底部形成重掺杂作为摩擦电极即第一电极层，以凹槽的侧壁作为介质薄膜的支撑层，摩擦介质层102延伸至凹槽外的部分平面粘接或夹紧，例如采用双面胶105粘贴，以实现第一电极层101与摩擦介质层102的微米级接触分离。
实施例二：
本实施例提供一种接触分离式的微米级分离的摩擦纳米发电机，其结构如图4所示。与实施例一中发电机的结构区别在于，在摩擦介质层202背向第一电极层201的表面上设置第二电极层203，面对面设置的第一电极层201和摩擦介质层202，互相之间由支撑层204分隔，分隔距离为3-100μm，优选为3-20μm，摩擦介质层202采用弹性介质材料，在振动作用下，可以与第一电极层201互相接触分离，由于摩擦起电和静电感应作用，在第一电极层201和第二电极层203之间产生电势差，与外电路连接可以产生电信号输出。
本实施例中可以重掺杂硅作为摩擦电极即第一电极层201，电阻率0.001-50(Ω·cm)；超薄聚四氟乙烯薄膜(FEP)作为摩擦介质层202，厚度范围300nm-30μm，优选5μm；在FEP薄膜背面磁控溅射的铜作为背电极，厚度为1-20μm(优选10μm)；单晶硅或多晶硅作为支撑层204，通过掩膜版在硅晶圆上刻蚀出边长为50μm-5mm(优选1mm)的正方形凹槽，深度为3-100μm(优选为3-20μm，例如10μm)，以硼或磷对凹槽底部形成重掺杂作为摩擦电极，以凹槽的四边作为介质层薄膜的支架，以实现微米级接触分离。
本发明的微米级分离的摩擦纳米发电机，互相接触分离的摩擦介质层与电极层之间的距离在微米量级，可以对微小振动进行响应，因此可以作为声音传感器，对声音进行探测。
由于本发明的发电机可以采用硅基作为第一电极层，是一种硅基的摩擦纳米发电机，可以与硅器件进行集成。硅基工艺技术成熟，易于加工微纳器件；硅片表面平整，利于发电的接触分离；重掺硅作为电极简化发电机结构，有利于系统集成。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (16)
1.一种微米级分离的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括互相面对面设置的第一电极层和摩擦介质层，互相之间由支撑层分隔，分隔距离为3-100μm；所述摩擦介质层采用弹性介质材料，在振动作用下，可以与所述第一电极层互相接触分离；由于摩擦起电和静电感应作用，在所述第一电极层上产生摩擦电荷，与外电路或者等电位源连接可以产生电信号输出；
所述支撑层为单晶硅或多晶硅；
所述支撑层的制备过程为：通过掩膜版在硅晶圆上刻蚀出凹槽，深度为3-100μm，对凹槽底部形成重掺杂作为所述第一电极层，以凹槽的侧壁作为摩擦介质层薄膜的支撑层。
2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层为重掺杂硅，电阻率范围0.001-50(Ω·cm)。
3.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦介质层的材料为聚四氟乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜、尼龙薄膜、聚偏二氟乙烯薄膜、聚全氟乙烯丙烯共聚物薄膜或者硅胶材料。
4.根据权利要求1或3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦介质层的厚度范围为30nm-30μm。
5.根据权利要求1或3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦介质层延伸至凹槽外的部分平面粘接或夹紧。
6.根据权利要求1或3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦介质层的长度范围为50μm-5mm。
7.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述分隔距离为3-20μm。
8.一种微米级分离的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括互相面对面设置的第一电极层和摩擦介质层，互相之间由支撑层分隔，分隔距离为3-100μm；所述摩擦介质层采用弹性介质材料，在所述摩擦介质层背向所述第一电极层的表面上设置第二电极层；在振动作用下，所述摩擦介质层可以与所述第一电极层互相接触分离；由于摩擦起电和静电感应作用，在所述第一电极层和第二电极层之间产生电势差，与外电路连接产生电信号输出；
所述支撑层为单晶硅或多晶硅；
所述支撑层的制备过程为：通过掩膜版在硅晶圆上刻蚀出凹槽，深度为3-100μm，对凹槽底部形成重掺杂作为所述第一电极层，以凹槽的侧壁作为摩擦介质层薄膜的支撑层。
9.根据权利要求8所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层为重掺杂硅，电阻率范围0.001-50(Ω·cm)。
10.根据权利要求8所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦介质层的材料为聚四氟乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜、尼龙薄膜、聚偏二氟乙烯薄膜、聚全氟乙烯丙烯共聚物薄膜或者硅胶材料。
11.根据权利要求8或10所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦介质层的厚度范围为30nm-30μm。
12.根据权利要求8或10所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦介质层延伸至凹槽外的部分平面粘接或夹紧。
13.根据权利要求12所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二电极层的厚度范围为1-20μm。
14.根据权利要求8或10所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦介质层的长度范围为50μm-5mm。
15.根据权利要求8所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述分隔距离为3-20μm。
16.一种声音传感器，其特征在于，包括权利要求1-15任一项所述的微米级分离的摩擦纳米发电机。
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