CN114679030B - 一种基于磁弹效应的柔性微型发电机及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于磁弹效应的柔性微型发电机及其制备方法，属于磁性器件技术领域。所述柔性微型发电机包括柔性基片，形成于柔性基片之上的底电极，形成于底电极之上的感应线圈，形成于感应线圈内部的磁芯，形成于感应线圈之上的顶电极，形成于顶电极之上的磁弹性层；感应线圈为线圈层和绝缘层薄膜交替堆叠得到的多层结构，所述线圈层为圆形螺旋状结构或者方形螺旋状结构，相邻的线圈层通过金属柱连接，以形成螺旋结构的感应线圈；磁芯位于螺旋结构的感应线圈的中心。本发明通过在感应线圈中设置磁芯层，使得感应线圈中的磁通量增大，减小磁能的损失，有效提升发电机的发电效率。

Description

一种基于磁弹效应的柔性微型发电机及其制备方法

技术领域

本发明属于磁性器件技术领域，具体涉及一种基于磁弹效应的柔性微型发电机及其制备方法。

背景技术

随着芯片技术的不断发展和医疗水平的不断提高，越来越多的微电子器件和芯片被用于生物医疗，如各类生物传感器、纳米机器人等。由于这些器件的体积较小，有的甚至还在人体内，如何给这些器件供能成为了急需解决的问题。现有给生物电子器件供能的方式有压电效应和摩擦起电等，但这两种方式的缺点为换能效率较低，且对环境要求较高，需要对其进行额外的防水封装，使用极为不便。

磁弹效应是指材料在外力作用下发生形变后，其磁性能也会随之改变的现象。因此，可利用这种效应制成柔性微型生物发电机。利用柔性的磁弹材料和线圈制成可穿戴的设备，当人体运动时，就会带动磁弹材料发生形变，导致磁弹材料周围的磁场发生变化，线圈中的磁通量也随之发生变化，根据法拉第电磁感应定律，线圈两端就会产生感应电动势，从而达到发电的目的。相较于压电效应和摩擦起电效应，采用磁弹效应制作的发电机发电效率更高，且磁场不会被汗液等影响，因此不需要额外的防水封装。同时，该发电机可制作成柔性器件，穿戴更舒适。

目前有许多科研人员对磁弹发电机进行了研究。Yihao Zhou等人提出了一种利用硅胶和磁性材料混合制作磁弹材料，并利用液态金属(如镓)制作柔性线圈的方法，实现了较高的发电效率。但由于线圈中没有磁芯，导致磁力线有一部分并没有从线圈中穿过去，从而降低了发电效率。如果采用常规的金属磁芯，则会极大地增大器件整体的弹性模量，降低器件的柔性。因此，设计并制作一种能聚集磁力线的柔性高磁导率磁芯并应用于磁弹发电机具有重要作用。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的问题，提出了一种基于磁弹效应的柔性微型发电机及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于磁弹效应的柔性微型发电机，包括柔性基片，形成于柔性基片之上的底电极，形成于底电极之上的感应线圈，形成于感应线圈内部的磁芯，形成于感应线圈之上的顶电极，形成于顶电极之上的磁弹性层；

所述感应线圈为线圈层和绝缘层薄膜交替堆叠得到的多层结构，所述线圈层为圆形螺旋状结构或者方形螺旋状结构，相邻的线圈层通过金属柱连接，以形成螺旋结构的感应线圈，即多层线圈层中电流的方向一致；

所述磁芯位于螺旋结构的感应线圈的中心；

磁弹性层材料发生形变，引起磁场变化，进而在感应线圈中产生感应电动势。

进一步的，所述感应线圈为(线圈层/绝缘层/磁芯层/绝缘层)n的多层结构，n为正整数。

进一步的，所述柔性基片为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯，优选为聚二甲基硅氧烷。

进一步的，所述底电极、顶电极和线圈层的材料为铜、金、银或铂，所述绝缘层薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯。

优选地，所述底电极和顶电极的材料为金，所述线圈层的材料为铜，所述绝缘层薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷。

进一步的，所述磁芯材料为高磁导率材料和柔性高分子材料混合而成，其中，高磁导率材料的质量百分比为60wt％～95wt％，柔性高分子材料的质量百分比为5wt％～40wt％。

具体地，所述高磁导率材料为坡莫合金、坡莫钼合金或锰锌铁氧体，优选为坡莫钼合金。

具体地，所述柔性高分子材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯，优选为聚二甲基硅氧烷。

进一步的，所述磁弹性层为柔性高分子材料和永磁材料混合而成，其中，柔性高分子材料的质量百分比为40wt％～80wt％，永磁材料的质量百分比为20wt％～60wt％。

具体地，所述柔性高分子材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯，优选为聚二甲基硅氧烷。

具体地，所述永磁材料为钕铁硼、钐钴合金、钐钴氮合金或铁氧体永磁材料，优选为钡铁氧体。

优选地，所述柔性基片的厚度为2～8mm，所述线圈层、绝缘层的厚度为5～20μm，所述磁芯厚度为20～800μm，所述线圈层中导线的宽度为0.5～5mm，所述磁芯与感应线圈之间的距离为0.5～5mm。

优选地，所述线圈层中线圈的匝数为2～10匝，所述线圈层和绝缘层的层数为2～10层。

本发明还提供了一种基于磁弹效应的柔性微型发电机的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按照体积比为(5～20)：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌5～15min，置于加热台上加热5～30min直至混合物固化，固化完成后裁剪得到PDMS柔性基片，柔性基片的边长为10～100mm、厚度为2～8mm；

步骤2、按照体积比为(5～20)：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌5～15min，得到聚二甲基硅氧烷混合物；称取坡莫钼合金粉末，使得坡莫钼合金粉末的质量百分比为60wt％～95wt％、聚二甲基硅氧烷混合物的质量百分比为5wt％～40wt％，将称取的坡莫钼合金粉末加入聚二甲基硅氧烷混合物中，搅拌2～8min，得到的混合物置于加热台上加热5～20min直至混合物固化，固化完成后裁剪得到磁芯，磁芯的边长为5～50mm、厚度为20～800μm；

步骤3、采用等离子清洗机分别对柔性基片与磁芯的一面进行等离子轰击，所用气体为氧气，功率为50～300W，时间为30～300s，然后将柔性基片被轰击后的一面与磁芯被轰击后的一面贴合，贴合时间为2～10min，实现磁芯与柔性基片的固定；

步骤4、采用磁控溅射法在磁芯周围区域的基片上生长底电极，并生长一层线圈层，底电极厚度为5～20μm，线圈厚度为5～20μm；

步骤5、按照体积比为(5～20)：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌5～15min，得到聚二甲基硅氧烷混合物；采用旋涂法将聚二甲基硅氧烷混合物涂覆至步骤4的线圈层上，形成绝缘层，绝缘层厚度为5～20μm，然后置于加热台上加热5～30min直至涂覆层固化；

步骤6、重复步骤4和步骤5生长线圈层并旋涂绝缘层的步骤2～10次，在最后一层线圈层上采用磁控溅射法生长厚度为5～20μm的顶电极后再旋涂绝缘层；

步骤7、按照体积比为(5～20)：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌5～15min，得到聚二甲基硅氧烷混合物；称取钡铁氧体永磁粉末，使得聚二甲基硅氧烷混合物的质量百分比为40wt％～80wt％、钡铁氧体永磁粉末的质量百分比为20wt％～60wt％，然后将称取的钡铁氧体永磁粉末与聚二甲基硅氧烷混合物混合，搅拌2～8min，得到的混合物置于加热台上加热5～20min直至混合物固化，固化完成后裁剪得到磁弹性层，磁弹性层的边长为10～100mm、厚度为2～8mm；

步骤8、采用等离子清洗机分别对绝缘层和磁弹性层的一面进行等离子轰击，所用气体为氧气，功率为50～300W，时间为30～300s，然后将绝缘层被轰击后的一面与磁弹性层被轰击后的一面贴合，贴合时间为2～10min，完成柔性微型发电机的制备。

本发明还提供了上述柔性微型发电机在生物微电子等领域中的应用。

本发明提供的一种基于磁弹效应的柔性微型发电机及其制备方法，通过在感应线圈中设置磁芯层，使得感应线圈中的磁通量增大，进而提升发电机的发电效率。当人体运动时，磁弹材料受到外应力后发生形变，其内部的磁化强度发生变化，导致感应线圈中的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，线圈两端就会产生感应电动势，从而达到发电的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种基于磁弹效应的柔性微型发电机，通过在感应线圈中设置磁芯层，使得感应线圈中的磁通量增大，减小磁能的损失，有效提升发电机的发电效率。

2、本发明提供的一种基于磁弹效应的柔性微型发电机，采用高磁导率材料和柔性高分子材料混合形成磁芯层，极大提高了磁芯的柔性，便于制作成便携式的可穿戴设备，且体积小质量轻，对人体的正常活动基本无影响。

附图说明

图1为实施例1的基于磁弹效应的柔性微型发电机的主视图；其中，1为柔性基片，2为绝缘层，3为金属柱，4为顶电极，5为磁弹性层，6为底电极，7为感应线圈，8为磁芯；

图2为实施例1的基于磁弹效应的柔性微型发电机的俯视图；

图3为实施例1的基于磁弹效应的柔性微型发电机中，单层线圈层和磁芯层的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

实施例1

一种基于磁弹效应的柔性微型发电机，包括聚二甲基硅氧烷柔性基片，形成于柔性基片之上的金底电极，形成于底电极之上的感应线圈，形成于感应线圈内部的、由坡莫钼合金和聚二甲基硅氧烷混合而成的磁芯，形成于感应线圈之上的金顶电极，形成于顶电极之上的、由钡铁氧体和聚二甲基硅氧烷混合而成的磁弹性层；

所述感应线圈为由线圈层和绝缘层薄膜交替堆叠得到的多层结构，所述线圈层为铜线圈层，所述绝缘层为聚二甲基硅氧烷，所述线圈层为方形螺旋状结构，相邻的线圈层通过铜金属柱连接，以形成螺旋结构的感应线圈，即多层线圈层中电流的方向一致；

所述磁芯位于螺旋结构的感应线圈的中心。

本实施例提供了一种基于磁弹效应的柔性微型发电机的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按照体积比为10：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌10min，置于加热台上加热10min直至混合物固化，固化完成后裁剪得到PDMS柔性基片，柔性基片的边长为100mm、厚度为5mm；

步骤2、按照体积比为10：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌10min，得到聚二甲基硅氧烷混合物；称取坡莫钼合金粉末，使得坡莫钼合金粉末的质量百分比为70wt％、聚二甲基硅氧烷混合物的质量百分比为30wt％，将称取的坡莫钼合金粉末加入聚二甲基硅氧烷混合物中，搅拌5min，得到的混合物置于加热台上加热8min直至混合物固化，固化完成后裁剪得到磁芯，磁芯的边长为40mm、厚度为200μm；

步骤3、采用等离子清洗机分别对柔性基片与磁芯的一面进行等离子轰击，所用气体为氧气，功率为100W，时间为60s，然后将柔性基片被轰击后的一面与磁芯被轰击后的一面贴合，贴合时间为8min，实现磁芯与柔性基片的固定；

步骤4、采用磁控溅射法在磁芯周围区域的基片上生长底电极，并生长一层线圈层，底电极厚度为10μm，线圈厚度为20μm；

步骤5、按照体积比为10：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌10min，得到聚二甲基硅氧烷混合物；采用旋涂法将聚二甲基硅氧烷混合物涂覆至步骤4的线圈层上，形成绝缘层，绝缘层厚度为20μm，然后置于加热台上加热10min直至涂覆层固化；

步骤6、重复步骤4和步骤5生长线圈层并旋涂绝缘层的步骤8次，在最后一层线圈层上采用磁控溅射法生长厚度为10μm的顶电极后再旋涂绝缘层；

步骤7、按照体积比为10：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌10min，得到聚二甲基硅氧烷混合物；称取钡铁氧体永磁粉末，使得聚二甲基硅氧烷混合物的质量百分比为60wt％、钡铁氧体永磁粉末的质量百分比为40wt％，然后将称取的钡铁氧体永磁粉末与聚二甲基硅氧烷混合物混合，搅拌5min，得到的混合物置于加热台上加热8min直至混合物固化，固化完成后裁剪得到磁弹性层，磁弹性层的边长为100mm、厚度为5mm；

步骤8、采用等离子清洗机分别对绝缘层和磁弹性层的一面进行等离子轰击，所用气体为氧气，功率为100W，时间为60s，然后将绝缘层被轰击后的一面与磁弹性层被轰击后的一面贴合，贴合时间为8min，完成柔性微型发电机的制备。

实施例1制备得到的磁芯的相对磁导率约为1.8，无磁芯的相对磁导率为1，经过仿真计算可以得出，实施例1通过在发电机中引入磁芯，相对于没有磁芯的发电机，其磁通量增加约20％，显著提高了发电效率。

实施例2

一种基于磁弹效应的柔性微型发电机，包括聚二甲基硅氧烷柔性基片，形成于柔性基片之上的金底电极，形成于底电极之上的感应线圈，形成于感应线圈之上的金顶电极，形成于顶电极之上的由钡铁氧体和聚二甲基硅氧烷混合而成的磁弹性层；

所述感应线圈为(线圈层/绝缘层/磁芯层/绝缘层)₈的多层结构，所述线圈层为铜线圈层，所述绝缘层为聚二甲基硅氧烷，所述磁芯层为坡莫钼合金和聚二甲基硅氧烷混合而成，所述线圈层为方形螺旋状结构，相邻的线圈层通过铜金属柱连接，以形成螺旋结构的感应线圈，即多层线圈层中电流的方向一致；

所述磁芯位于线圈层与线圈层之间。

本实施例提供了一种基于磁弹效应的柔性微型发电机的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按照体积比为10：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌10min，置于加热台上加热10min直至混合物固化，固化完成后裁剪得到PDMS柔性基片，柔性基片的边长为100mm、厚度为5mm；

步骤2、采用磁控溅射法在磁芯周围区域的基片上生长底电极，并生长一层线圈层，底电极厚度为10μm，线圈厚度为20μm；

步骤3、按照体积比为10：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌10min，得到聚二甲基硅氧烷混合物；采用旋涂法将聚二甲基硅氧烷混合物涂覆至步骤2的线圈层上，形成绝缘层，绝缘层厚度为20μm，然后置于加热台上加热10min直至涂覆层固化；

步骤4、按照体积比为10：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌10min，得到聚二甲基硅氧烷混合物；称取坡莫钼合金粉末，使得坡莫钼合金粉末的质量百分比为70wt％、聚二甲基硅氧烷混合物的质量百分比为30wt％，将称取的坡莫钼合金粉末加入聚二甲基硅氧烷混合物中，搅拌5min，采用旋涂法将混合物涂覆至步骤3的绝缘层上，形成磁芯层，磁芯层厚度为20μm，然后置于加热台上加热10min直至涂覆层固化，再涂覆一层厚度为20μm的绝缘层，然后置于加热台上加热10min直至涂覆层固化；

步骤5、重复步骤2、步骤3和步骤4生长线圈层并旋涂绝缘层、磁芯层、绝缘层的步骤8次，在最后一层线圈层上采用磁控溅射法生长厚度为20μm的顶电极后再旋涂绝缘层；

步骤6、按照体积比为10：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌10min，得到聚二甲基硅氧烷混合物；称取钡铁氧体永磁粉末，使得聚二甲基硅氧烷混合物的质量百分比为60wt％、钡铁氧体永磁粉末的质量百分比为40wt％，然后将称取的钡铁氧体永磁粉末与聚二甲基硅氧烷混合物混合，搅拌5min，得到的混合物置于加热台上加热8min直至混合物固化，固化完成后裁剪得到磁弹性层，磁弹性层的边长为100mm、厚度为5mm；

步骤7、采用等离子清洗机分别对绝缘层和磁弹性层的一面进行等离子轰击，所用气体为氧气，功率为100W，时间为60s，然后将绝缘层被轰击后的一面与磁弹性层被轰击后的一面贴合，贴合时间为8min，完成柔性微型发电机的制备。

Claims (5)

1.一种基于磁弹效应的柔性微型发电机，其特征在于，包括柔性基片，形成于柔性基片之上的底电极，形成于底电极之上的感应线圈，形成于感应线圈内部的磁芯，形成于感应线圈之上的顶电极，形成于顶电极之上的磁弹性层；

所述感应线圈为线圈层和绝缘层薄膜交替堆叠得到的多层结构，所述线圈层为圆形螺旋状结构或者方形螺旋状结构，相邻的线圈层通过金属柱连接，以形成螺旋结构的感应线圈；

所述磁芯位于螺旋结构的感应线圈的中心；

所述磁芯材料为高磁导率材料和柔性高分子材料混合而成，其中，高磁导率材料的质量百分比为60wt％～95wt％，柔性高分子材料的质量百分比为5wt％～40wt％；所述高磁导率材料为坡莫合金、坡莫钼合金或锰锌铁氧体，所述柔性高分子材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯；

所述磁弹性层为柔性高分子材料和永磁材料混合而成，其中，柔性高分子材料的质量百分比为40wt％～80wt％，永磁材料的质量百分比为20wt％～60wt％；所述柔性高分子材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯，所述永磁材料为钕铁硼、钐钴合金、钐钴氮合金或铁氧体永磁材料。

2.根据权利要求1所述的基于磁弹效应的柔性微型发电机，其特征在于，所述柔性基片为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯，所述底电极、顶电极和线圈层的材料为铜、金、银或铂，所述绝缘层薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯。

3.根据权利要求1所述的基于磁弹效应的柔性微型发电机，其特征在于，所述柔性基片的厚度为2～8mm，所述线圈层、绝缘层的厚度为5～20μm，所述磁芯厚度为20～800μm，所述磁芯与感应线圈之间的距离为0.5～5mm。

4.根据权利要求1所述的基于磁弹效应的柔性微型发电机，其特征在于，所述线圈层中线圈的匝数为2～10匝，所述线圈层和绝缘层的层数为2～10层。

5.一种基于磁弹效应的柔性微型发电机的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、按照体积比为(5～20)：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌5～15min，置于加热台上加热5～30min直至混合物固化，固化完成后裁剪得到PDMS柔性基片，柔性基片的边长为10～100mm、厚度为2～8mm；

步骤2、按照体积比为(5～20)：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌5～15min，得到聚二甲基硅氧烷混合物；称取坡莫钼合金粉末，使得坡莫钼合金粉末的质量百分比为60wt％～95wt％、聚二甲基硅氧烷混合物的质量百分比为5wt％～40wt％，将称取的坡莫钼合金粉末加入聚二甲基硅氧烷混合物中，搅拌2～8min，得到的混合物置于加热台上加热5～20min直至混合物固化，固化完成后裁剪得到磁芯，磁芯的边长为5～50mm、厚度为20～800μm；

步骤3、采用等离子清洗机分别对柔性基片与磁芯的一面进行等离子轰击，所用气体为氧气，功率为50～300W，时间为30～300s，然后将柔性基片被轰击后的一面与磁芯被轰击后的一面贴合，贴合时间为2～10min，实现磁芯与柔性基片的固定；

步骤4、采用磁控溅射法在磁芯周围区域的基片上生长底电极，并生长一层线圈层，底电极厚度为5～20μm，线圈厚度为5～20μm；

步骤5、按照体积比为(5～20)：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌5～15min，得到聚二甲基硅氧烷混合物；采用旋涂法将聚二甲基硅氧烷混合物涂覆至步骤4的线圈层上，形成绝缘层，绝缘层厚度为5～20μm，然后置于加热台上加热5～30min直至涂覆层固化；

步骤6、重复步骤4和步骤5生长线圈层并旋涂绝缘层的步骤2～10次，在最后一层线圈层上采用磁控溅射法生长厚度为5～20μm的顶电极后再旋涂绝缘层；

步骤7、按照体积比为(5～20)：1的比例将聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂混合，搅拌5～15min，得到聚二甲基硅氧烷混合物；称取钡铁氧体永磁粉末，使得聚二甲基硅氧烷混合物的质量百分比为40wt％～80wt％、钡铁氧体永磁粉末的质量百分比为20wt％～60wt％，然后将称取的钡铁氧体永磁粉末与聚二甲基硅氧烷混合物混合，搅拌2～8min，得到的混合物置于加热台上加热5～20min直至混合物固化，固化完成后裁剪得到磁弹性层，磁弹性层的边长为10～100mm、厚度为2～8mm；

步骤8、采用等离子清洗机分别对绝缘层和磁弹性层的一面进行等离子轰击，所用气体为氧气，功率为50～300W，时间为30～300s，然后将绝缘层被轰击后的一面与磁弹性层被轰击后的一面贴合，贴合时间为2～10min，完成柔性微型发电机的制备。