[发明专利]微型发电器、其制备方法、及发电元件

说明书

技术领域

本发明是关于一种微型发电器、其制备方法、以及一种发电元件，尤指一种包含并利用压电材料产生电能的微型发电器、其制备方法、以及发电元件。

背景技术

压电效应是材料中一种机械能与电能互换的现象，而压电材料会有压电效应是因为晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。压电材料的应用范围非常广泛，例如：生化医疗用途、风力或潮汐发电装置、无线感应器、个人化电子产品等。目前常见的压电材料包含有陶瓷类的钛酸钡(BaTiO₃，BT)、钛酸铅锆(Pb(Zr_0.53Ti_0.47)O₃，PZT)、单晶类的石英(Quartz)、电气石、罗德盐、钽酸盐、铌酸盐、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)等，或是氧化锌(ZnO)。

微型发电器是利用压电材料的性质，搜集环境中的力学能(如，震动、扭动、挤压等等)，并将此力学能转换成电能，而提供发电效果。

已知的微型发电器的结构通常为平面状结构，例如，上下二个平面电极之间夹置有一层层状压电材料层，而构成一压电性微型发电器。

例如，US3976898中揭露有一种压电发电装置，其是包含有电极-压电层-电极的三明治结构，由机械性的施力而产生电能，来构成其压电发电装置。CN101575082A中揭露有一种风致动发电机，其是包括有夹置于电极层之间的压电层的多层结构，使风振动引起压电层形变而产生电力。

如图1所示，其是一已知压电发电装置10的示意图，该压电发电装置10包括有电极层11以及夹置于电极层11之间的压电材料层12。当下压施力13于该电极层12的表面时，夹置于电极层11之间的压电材料层12可将力学能转换成电能，而达到发电效果。

然而，此种“电极-层状压电材料-电极”所构成的多层结构的发电器通常发电效率不佳(电流密度低)，且制作成本较高，商业利用性较低。因此，本领域亟需发展出一种具有极佳发电效率(具有高电流密度)，且制作成本低廉，具高商业利用性的微型发电器。

发明内容

本发明提供了一种具有新颖结构的微型发电器，其利用了压电材料的性质，搜集环境中的力学能(如，震动、扭动、挤压等等)，并将此力学能转换成电能，而提供发电效果。

本发明的微型发电器是包括：至少一导电纤维；以及至少一压电陶瓷层，是覆盖于该至少一导电纤维的表面，其中，当施力于该表面覆有压电陶瓷层的导电纤维并使其产生形变时，产生电能而达到发电效果。

本发明的微型发电器由于可使用便宜的导电纤维原料进行制造，因此制作成本低，且由于本发明的微型发电器的制备步骤简单，因此容易大量生产。此外，本发明的微型发电器可传导较高的电流密度，是已知技术(例如，“电极-层状压电材料-电极”所构成的多层结构的发电器)所无法达成的。再者，本发明的形状为纤维状的微型发电器(即，表面覆有压电层的纤维)，可应用范围相较于已知层状发电器更佳广泛。例如，可将本发明的纤维状微型发电器进行织造成为具有发电性质的织布，或是视各种使用情形而进行调整，成为各种型态的发电装置。因此，本发明的微型发电器的应用范围相较于已知层状发电器更广泛许多。

本发明的微型发电器中，该导电纤维较佳是碳纤维、导电聚酯纤维、或不锈钢纤维、铜线、银线等一般金属线，更佳为碳纤维。碳纤维为容易取得的材料，因此可降低本发明的微型发电器的生产成本。并且，由于碳纤维导电性佳，相较于导电聚酯纤维可承受更高的电流密度，提升微型发电器的发电效率。此外，碳纤维相较于金属线更具韧性佳的优点。

本发明的微型发电器中，所包含的导电纤维的数目较佳是为1以上，且该每一导电纤维的表面较佳皆覆盖有一压电陶瓷层。本发明的微型发电器中，导电纤维的数目越多，微型发电器整体可输出的电流越大。

本发明的微型发电器中，该导电纤维的直径较佳可为0.5μm至100μm。

本发明的微型发电器中，该压电陶瓷层的材料较佳可选自由：钛酸钡(BaTiO₃，BT)、钛酸铅锆(Pb(Zr_0.53Ti_0.47)O₃，PZT)、石英(Quartz)、电气石、罗德盐、钽酸盐、铌酸盐、氮化铝(A1N)、氮化镓(GaN)、及氧化锌(ZnO)所组成的群组，更佳可为氧化锌(ZnO)。

本发明的微型发电器中，该压电陶瓷层的厚度较佳可为至之间。