CN112583296A - 一种环境电磁场能量收集装置及其制备方法 - Google Patents

一种环境电磁场能量收集装置及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例涉及一种环境电磁场能量收集装置及其制备方法，所述微纳电源系统包括：制备于同一衬底之上的接收电极、桥式整流电路，以及第一测试电极和第二测试电极；所述接收电极的第一输出端与所述桥式整流电路的第一交流输入端通过导电电路电性连接；所述桥式整流电路的第二交流输入端空置；所述桥式整流电路的第一直流输出端与所述第一测试电极通过导电电路电性连接；所述桥式整流电路的第二直流输出端与所述第二测试电极通过导电电路电性相连。

Description

一种环境电磁场能量收集装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及微能源技术领域，尤其涉及一种环境电磁场能量收集装置及其制备方法。
背景技术
电磁场在我们的生活中无处不在，从地球本身存在的电磁场到因为人为工程技术产生的电磁场。近年来由于物联网的不断发展，我们生活环境中的无线射频源也在不断增加，尤其是5G技术的发展导致无线发射基站的大量建立，更是进一步增强了环境中电磁场的强度。这部分电磁场包含大量没有被收集和利用的能量，根据相关研究表明，人口聚集城市的环境电磁场所包含的能量密度可达数十微瓦特每平方米(Ramirez-Vazquez,Raquel,et al."Characterisation of personal exposure to environmental radiofrequencyelectromagnetic fields in Albacete(Spain)and assessment of risk perception."Environmental research 172(2019):109-116)。这部分能量虽然不能供给大功率型电子设备，但是由于便携式可穿戴电子设备及微弱信号探测等低功率电子设备日益普及，它们对于小型微纳能源的需求也与日俱增。现有技术：基本上都是如何避免环境电磁场对工作设备的干扰，没有想到去收集并利用它？因此如何有效收集并利用环境中电磁场的能量也愈发重要。
因此，如何发展一种结构简单并且适用于小型可穿戴式电子设备的电磁场能量收集装置是本发明重点讨论的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、行之有效的环境电磁场能量收集装置及其制备方法，适用于小型可穿戴式器件及微弱信号探测等低功率电子设备的供电。
第一方面，本发明实施例提供了一种环境电磁场能量收集装置，所述装置包括：制备于同一衬底之上的接收收电极、桥式整流电路，以及第一测试电极和第二测试电极；
所述接收电极的第一输出端与所述桥式整流电路的第一交流输入端通过导电电路电性连接；所述桥式整流电路的第二交流输入端空置；所述桥式整流电路的第一直流输出端与所述第一测试电极通过导电电路电性连接；所述桥式整流电路的第二直流输出端与所述第二测试电极通过导电电路电性相连。
优选的，所述接收电极为图形化的导电膜，包括所述第一输出端。
优选的，所述导电电路为图形化的导电膜。
进一步优选的，所述图形化的导电膜具体包括：铬、钛金、银、铝、铜、镍、铁、铂、铟锡氧(ITO)、铝锌氧(AZO)、镓锌氧(GZO)、氟锡氧(FTO)、银纳米线(Ag NW)、石墨烯或碳纳米管中的任一种或多种介质构成的导电膜。
优选的，所述衬底包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、蓝宝石(Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)、石英玻璃(SiO2)或砷化镓(GaAs)中的任一种材料构成的衬底。
第二方面，本发明实施例提供了一种环境电磁场能量收集装置的制备方法，所述方法包括：
对衬底进行预处理；
在预处理后的衬底上制备接收电极和整流电路，以及第一测试电极与第二测试电极；所述接收电极具有第一输出端，所述整流电路具有第一交流输入端、第二交流输入端、第一直流输出端和第二直流输出端；
在衬底上制备导电介质膜并对所述导电介质膜进行图形化处理，形成导电电路，通过所述导电电路连接所述第一输出端与所述第一交流输入端、所述第一直流输出端与所述第一测试电极、所述第二直流输出端与所述第二测试电极；
在衬底上制备聚合物，以形成所述整流电路的封装层；
去除所述第一测试电极和所述第二测试电极以及接收电极之上覆盖的聚合物。
优选的，所述对衬底进行预处理具体包括：使用丙酮、异丙醇对衬底进行超声清洗，并用氮气吹干。优选的，所述在预处理后的衬底上制备接收电极和整流电路，以及第一测试电极与第二测试电极具体包括：
采用半导体制程工艺，通过曝光、刻蚀、沉积、溅射的处理方式，在预处理后的衬底上制备接收电极和整流电路，以及第一测试电极与第二测试电极。
本发明实施例提供的环境电磁场能量收集装置，为接收电极与整流电路相结合的一体化系统。通过将接收电极和整流电路制作在同一衬底上，降低了制造成本，简化了工艺，实现了环境电磁场能量收集装置的一体化。通过人体作为电磁波传导媒介，将环境中的射频电磁场信号传导给接收电极，经过整流电路之后进而输出直流电信号。整个装置结构简单，工作模式易行。可以对采集到的能量进行收集或者直接给小型低功耗电子器件进行供电，具有很好的实用性、高效性与通用性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的环境电磁场能量收集装置的制备方法流程图；
图2为本发明实施例一提供的环境电磁场能量收集装置制备过程示意图；
图3为本发明实施例一提供的环境电磁场能量收集装置实物图；
图4为本发明实施例一提供的器件组成连接关系示意图；
图5为本发明实施例一提供的环境电磁场能量收集装置在人体与接收电极接触时的直流电压输出曲线图；
图6为本发明实施例一提供的环境电磁场能量收集装置在人体与接收电极接触时的直流电流输出曲线；
图7为本发明实施例一提供的环境电磁场能量收集装置中整流电路的整流特性曲线图；
图8为本发明实施例一提供的环境电磁场能量收集装置在人体与接收电极和有源电子设备同时接触时的直流输出曲线图；
图9为本发明实施例一提供的环境电磁场能量收集装置在人体与有源电子设备接触或不接触时给10微法的超级电容器充电的电压曲线图；
图10为本发明实施例六提供的全柔性环境电磁场能量收集装置的制备过程示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明实施例提供了一种环境电磁场能量收集装置，包括制备于同一衬底之上的接收电极、整流电路，以及第一测试电极和第二测试电极。优选的，整流电路为桥式整流电路。该系统可以同过如下所述的制备方法得到，其具体流程步骤如图1所示，包括：
步骤110，对衬底进行预处理；
具体的，使用丙酮、异丙醇对衬底进行超声清洗，并用高纯氮气吹干。所用衬底包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、蓝宝石(Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)、石英玻璃(SiO2)或砷化镓(GaAs)中的任一种材料构成的衬底。
步骤120，在预处理后的衬底上制备接收电极和整流电路，以及测试电极；
具体的，采用半导体制程工艺，通过曝光、刻蚀、沉积、溅射的处理方式，在预处理后的衬底上制备整流电路和接收电极。
所制备的整流电路具有第一交流输入端、第二交流输入端、第一直流输出端和第二直流输出端；接收电极具有第一输出端；此外，该步骤还同时制备了第一测试电极和第二测试电极。
步骤130，在衬底上制备导电膜并对导电膜进行图形化处理，形成导电电路，通过导电电路连接第一输出端与第一交流输入端、第一直流输出端与第一直流输入端、第二直流输出端与第一测试电极，以及第二直流输入端与第二测试电极；
具体的，导电介质膜具体包括：铬、钛金、银、铝、铜、镍、铁、铂、铟锡氧(ITO)、铝锌氧(AZO)、镓锌氧(GZO)、氟锡氧(FTO)、银纳米线(Ag NW)、石墨烯或碳纳米管中的任一种或多种介质构成的导电介质膜。
步骤140，在衬底上制备聚合物，以形成整流电路的保护层；
具体的，在上述步骤120和130制备得到的样品表面制备聚合物以对样品进行封装保护。所用聚合物包括：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚醋酸乙烯酯(PVA)、聚丙烯酰胺(PAM)或聚偏氟乙烯(PVDF)中的任一种。
步骤150，去除接收电极以及第一测试电极和第二测试电极之上覆盖的聚合物。
将接收电极与测试电极部分上的聚合物去除以方便后续测试与使用。
本发明提出的环境电磁场能量收集装置为接收电极以及整流电路相结合的一体化系统。通过将接收电极、整流电路以及测试电极制作在同一衬底上，降低了制造成本，减小了系统体积，简化了工艺，实现了能量收集装置的一体化。
为了更好地理解本发明的实施方案，下面通过一些具体的实施例，对本发明的制备过程和环境电磁场能量收集装置结构进行进一步详细说明。
实施例一
本实施例提供了一种环境电磁场能量收集装置的制备方法，图2为本发明实施例一提供的环境电磁场能量收集装置制备过程示意图。
准备步骤：准备1000微米厚的石英衬底101，使用丙酮、异丙醇进行超声清洗并用高纯氮气吹干。
步骤一：在石英衬底101的上表面上溅射50纳米厚的金属铬(Cr)膜102。
步骤二：采用曝光工艺和刻蚀技术将金属铬膜进行图形化以形成铬电极103。
步骤三：采用原子层沉积技术在铬电极103上沉积150纳米厚的氧化铝(Al2O3)绝缘层104。
步骤四：在氧化铝绝缘层104之上溅射40纳米的氧化锌薄膜105。
步骤五：采用曝光技术与刻蚀工艺将氧化锌薄膜105图形化以形成整流电路部分的有源层106。
步骤六：采用曝光技术与刻蚀技术将氧化铝绝缘层104图形化以形成整流电路的介电层部分107。
步骤七：在绝缘层107与有源层106之上旋涂正性光刻胶AZ6130并进行图形化以形成溅射阻挡层108。
步骤八：在溅射阻挡层108之上溅射100纳米的透明导电薄膜ITO 109。
步骤九：采用溶脱剥离的工艺将ITO薄膜图形化以形成整流电路的顶电极、接收电极、一体化能量收集装置的电路连接部分以及测试电极110。
步骤十：采用旋涂与加热固化的工艺在一体化能量收集装置表面制备一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜111以作为整流电路的保护层。
最后采用机械剥离的方法将环境电磁场能量收集装置引出电极部分，即第一测试电极、第二测试电极以及接收电极上的PDMS薄膜去除方便后续的测试。
本实施例制备完成的环境电磁场能量收集装置实物图如图3所示。该系统按图中方向自左向右分别为接收电极2、桥式整流电路3以及测试电极4，系统的三个组成部分通过溅射并且图形化的ITO电极实现整体电连接。
图4是该环境电磁场能量收集装置的器件组成连接关系示意图，接收电极2的输出端与桥式整流电路3的交流输入端电性连接，桥式整流电路3的另一交流输入端空置。桥式整流电路3的正负输出端则与测试电极4相连。
图5是该环境电磁场能量收集装置在人体与接收电极接触(手触发)时的电压输出曲线。电压输出在人体与接收电极分离(撤去手触发)之前稳定在1.3伏左右。
图6是该环境电磁场能量收集装置在人体与接收电极接触时的电流输出曲线。电流输出在人体与接收电极分离之前稳定在10-9安培量级左右，比噪音电流信号高出一个量级以上。
图7是该环境电磁场能量收集装置中桥式整流电路部分的整流特性曲线，可以看到该桥式整流电路可以将交流信号很好地整流成为恒定的直流信号。
图8是该环境电磁场能量收集装置在人体与接收电极和有源电子设备同时接触时，该系统输出电流可以达到约10-7安培量级，比人体单独与接收电极接触时的电流输出要高出近两个数量级。
图9为本发明实施例一提供的环境电磁场能量收集装置在人体与有源电子设备接触或不接触时给10微法的超级电容器充电的电压曲线图，，在人体与有源电子设备的共同作用下，该装置的电压输出性能完全可以满足小型用电器的用电需求。
实施例二
本实施例提供了环境电磁场能量收集装置的制备方法，与实施例一的不同之处在于，步骤十二。
步骤十二：采用旋涂与加热固化的工艺在环境电磁场能量收集装置表面制备一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以作为整流电路的封装层。
该环境电磁场能量收集装置在人体与接收电极接触时会产生直流输出。电流输出在人手移开之前稳定在10-9安培量级左右，比噪音电流信号高出一个量级以上。
在人体与接收电极接触时同时与有源电子设备接触时，该系统输出电流可以达到10-7安培量级，比人体与接收电极单独接触时的电流输出要高出两个量级。
实施例三
本实施例提供了一种环境电磁场能量收集装置的制备方法，与实施例一的不同之处在于，步骤十二。
步骤十二：采用旋涂与加热固化的工艺在环境电磁场能量收集装置表面制备一层聚醋酸乙烯酯(PVA)以作为整流电路的封装层。
该环境电磁场能量收集装置在人体与接收电极接触时会产生直流输出。电流输出在人体与接收电极分离之前稳定在10-9安培量级左右，比噪音电流信号高出一个量级以上。
在人体与接收电极接触时同时与有源电子设备接触时，该系统输出电流可以达到10-7安培量级，比人体与接收电极单独接触时的电流输出要高出两个量级。
实施例四
本实施例提供了一种环境电磁场能量收集装置的制备方法，与实施例一的不同之处在于，步骤十二。
步骤十二：采用旋涂与加热固化的工艺在环境电磁场能量收集装置表面制备一层聚丙烯酰胺(PAM)以作为整流电路的封装层。
该环境电磁场能量收集装置在人体与接收电极接触时会产生直流输出。电流输出在人体与接收电极分离之前稳定在10-9安培量级左右，比噪音电流信号高出一个量级以上。在人体与接收电极接触时同时与有源电子设备接触时，该系统输出电流可以达到10-7安培量级，比人体与接收电极单独接触时的电流输出要高出两个量级。
实施例五
本实施例提供了一种环境电磁场能量收集装置的制备方法，与实施例一的不同之处在于，步骤十二。
步骤十二：采用旋涂与加热固化的工艺在环境电磁场能量收集装置表面制备一层聚偏氟乙烯(PVDF)以作为整流电路的封装层。
该环境电磁场能量收集装置在人体与接收电极接触时会产生直流输出。电流输出在人体与接收电极分离之前稳定在10-9安培量级左右，比噪音电流信号高出一个量级以上。在人体与接收电极接触时同时与有源电子设备接触时，该系统输出电流可以达到10-7安培量级，比人体与接收电极单独接触时的电流输出要高出两个量级。
实施例六
本实施例提供了一种全柔性环境电磁场能量收集装置的制备方法，图10为本发明实施例提供的全柔性环境电磁场能量收集装置制备过程示意图。
准备步骤：准备150微米厚的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)衬底101，使用丙酮、异丙醇进行超声清洗并用高纯氮气吹干，随后将PEN衬底放入真空腔内在95℃下热处理12小时，取出后准备使用。
步骤一：采用原子层沉积的方法在PEN衬底101的上表面上溅射50纳米的氧化铝(Al2O3)102。
步骤二：在氧化铝102的表面溅射50纳米的金属铬(Cr)薄膜103。
步骤三：采用曝光工艺与刻蚀技术将金属铬薄膜进行图形化以形成铬电极104。
步骤四：采用原子层沉积技术在铬电极104上沉积150纳米厚的氧化铝(Al2O3)绝缘层105。
步骤五：在氧化铝绝缘层105之上溅射40纳米的氧化锌薄膜106。
步骤六：采用曝光技术与刻蚀工艺将氧化锌薄膜106图形化以形成整流电路部分的有源层107。
步骤七：采用曝光技术与刻蚀技术将氧化铝薄膜105图形化以形成整流电路的介电层部分108。
步骤八：在绝缘层108与有源层107之上旋涂正性光刻胶AZ6130并进行图形化以形成溅射阻挡层109。
步骤九：在溅射阻挡层109之上溅射100纳米的透明导电薄膜ITO 110。
步骤十：采用剥离的工艺将ITO薄膜图形化以形成整流电路的顶电极、接收电极部分以及环境电磁场能量收集装置的电路连接部分111。
步骤十一：采用旋涂与加热固化的工艺在环境电磁场能量收集装置表面制备一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜112以作为整流电路的封装层。
步骤十二：最后采用机械剥离的方法将环境电磁场能量收集装置测试电极以及接收电极部分的PDMS薄膜去除方便后续的测试。
该环境电磁场能量收集装置接收电极通过人体作为媒介的情况下可以将环境中的射频电磁场信号导入整流电路，整流电路可输出直流电信号。电流输出在人体与接收电极分离之前稳定在10-9安培量级左右，比噪音电流信号高出一个量级以上。
在人体直接与有源电子设备接触式，该装置输出电流可以达到10-7安培量级，比人体单独接触接收电极输出电流高出一个量级。
本领域的技术人员可以理解，本发明构成整流电路的有源层材料不限于上述实施例中例举的ZnO、IGZO、Ga2O3，还可以是其它半导体材料，例如并五苯、氢化非晶硅(a-Si:H)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、碳纳米管(CNT)、二硫化钼(MoS2)、铟锌氧(IZO)、锌锡氧(ZTO)、镁锌氧(MZO)或3-己基噻吩(P3HT)等。本发明中的薄膜生长技术包括但不限于原子层沉积、磁控溅射，还可以包括电子束蒸积、激光脉冲沉积、金属有机物化学气相沉积、旋涂、滴涂、喷涂、打印或印刷工艺等。
虽然本发明专利已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明专利并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明专利范围的情况下还包括所做出的各种改变以及变化。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的环境电磁场能量收集装置，为接收电极、测试电极以及整流电路相结合的一体化系统。通过将接收电极、测试电极以及整流电路制作在同一衬底上，降低了制造成本，简化了工艺，实现了系统的一体化。将三者集成制作在同一衬底上，并通过导电薄膜形成电路连接，利用人体作为媒介，收集外界环境中的射频电磁场能量，获得一种新型的一体化能量收集。可以有效减小整个系统的体积，有效提高电源系统的实用性、高效性和通用性，并适于为小型可穿戴式电子器件以及微型传感器等下游微纳电子设备进行供电，实现可持续小型移动电源功能。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种环境电磁场能量收集装置，其特征在于，所述能量收集装置包括：制备于同一衬底之上的接收电极、桥式整流电路，以及第一测试电极和第二测试电极；
所述接收电极的第一输出端与所述桥式整流电路的第一交流输入端通过导电电路电性连接；所述桥式整流电路的第二交流输入端空置；所述桥式整流电路的第一直流输出端与所述第一测试电极通过导电电路电性连接；所述桥式整流电路的第二直流输出端与所述第二测试电极通过导电电路电性相连。
2.根据权利要求1所述的环境电磁场能量收集装置，其特征在于，所述接收电极为图形化的导电膜，包括所述第一输出端。
3.根据权利要求1所述的环境电磁场能量收集装置，其特征在于，所述导电电路为图形化的导电膜。
4.根据权利要求2所述的环境电磁场能量收集装置，其特征在于，所述图形化的导电膜具体包括：铬、钛金、银、铝、铜、镍、铁、铂、铟锡氧(ITO)、铝锌氧(AZO)、镓锌氧(GZO)、氟锡氧(FTO)、银纳米线(Ag NW)、石墨烯或碳纳米管中的任一种或多种介质构成的导电介质膜。
5.根据权利要求1所述的环境电磁场能量收集装置，其特征在于，所述衬底包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、蓝宝石(Al 2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)、石英玻璃(SiO2)或砷化镓(GaAs)中的任一种材料构成的衬底。
6.一种环境电磁场能量收集装置的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
对衬底进行预处理；
在预处理后的衬底上制备接收电极和整流电路，以及第一测试电极与第二测试电极；所述接收电极具有第一输出端，所述整流电路具有第一交流输入端、第二交流输入端、第一直流输出端和第二直流输出端；
在衬底上制备导电介质膜并对所述导电介质膜进行图形化处理，形成导电电路，通过所述导电电路连接所述第一输出端与所述第一交流输入端、所述第一直流输出端与所述第一测试电极、所述第二直流输出端与所述第二测试电极；
在衬底上制备聚合物，以形成所述整流电路的封装层；
去除所述第一测试电极和所述第二测试电极以及接收电极之上覆盖的聚合物。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对衬底进行预处理具体包括：使用丙酮、异丙醇对衬底进行超声清洗，并用氮气吹干。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在预处理后的衬底上制备接收电极和整流电路，以及第一测试电极与第二测试电极具体包括：
采用半导体制程工艺，通过曝光、刻蚀、沉积、溅射的处理方式，在预处理后的衬底上制备接收电极和整流电路，以及第一测试电极与第二测试电极。
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