[发明专利]压电摩擦复合式微纳发电机及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS集成加工领域，具体涉及一种基于压电摩擦复合式微纳发电机及其制备方法。

背景技术

微机电系统（Micro-electro-mechanical system,MEMS）是一门新兴的多领域交叉学科，近年来发展十分迅速，受到了国内外的广泛关注。对于各种MEMS器件，一般都需要电源供能，然而传统的供能方式如电池、传输线已无法满足小型化的需求。近年来，纳米发电机的发展为MEMS器件提供了一种新的供能方式。根据不同的工作原理，纳米发电机可以分为压电型、热释电型、摩擦型等几类。其中压电型和摩擦型均是将外界的振动能转化成电能。

对于压电型纳米发电机，王中林教授研究小组利用氧化锌纳米线成功制备了压电型纳米发电机[Wang,Z.L.et al.Science,vol.312,pp.5771,2006；朱光等，纳米发电机及其制造方法，中国发明专利，申请号:201210116881.4；李梦轲等，一种纳米发电机，中国发明专利，申请号:200910188057.8；王中林等，纳米发电机、纳米发电组件及其自供电系统，中国发明专利，申请号:201210142387]。压电型纳米发电机具有较好的转移电荷能力，对电容的充电速度较快，但是其输出电压有限（约为几十伏），在一定程度上限制了其充电能力。

相比于压电型纳米发电机，摩擦型纳米发电机利用不同材料得失电子能力的差异，通过摩擦使不同材料表面带有异种电荷，当不同表面产生相对运动时，由于两表面间电容值的变化，外电路中会有电荷流动，从而达到发电的效果。通过拱形结构使两表面迅速分离[Wang,S.,Lin,L.and Wang,Z.L.Nano Letters,vol.12,pp.6339,2012]，可以得到高电压输出的摩擦型纳米发电机，其输出电压峰值高达几百伏，但是摩擦型纳米发电机的等效内阻很大，单层摩擦结构对电容的充电能力并不强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种摩擦压电复合式微纳发电机及其制备方法，采用压电薄膜构成压电型发电机，利用压电薄膜金属电极与其它柔性聚合物材料对电荷束缚能力的差异构成摩擦型发电机。同传统的压电型发电机、摩擦型发电机相比，将压电与摩擦复合，并通过合理的外电路连接方式，可以高效地为电容充电，并提供高达百伏的电压输出。综上所述，本发明提出的压电摩擦复合式微纳发电机及其制备方法成本低、产率高、工艺简单，而且具有高电压输出和很强的充电能力。

为达到上述目的，本发明提供了一种压电摩擦复合式微纳发电机，该结构包括：压电薄膜、压电薄膜电极、具有微纳复合结构的柔性聚合物材料、聚合物材料电极。所述压电薄膜为聚偏氟乙烯（polyvinylidenefluoride,PVDF）；所述压电薄膜电极为金属铝或其它具有较强带正电能力的金属如镍、铜、银；所述具有微纳复合结构的柔性聚合物材料为聚二甲基硅氧烷（polydimethyl siloxane,PDMS）与聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate,PET）的键合结构；所述聚合物材料电极为半导体材料包括铟锡金属氧化物（ITO）或其它导电性好的金属如金、银、铂、铜、铝等。

所述的微纳复合结构的柔性聚合物材料包括微米结构与纳米结构，其中微米结构为金字塔形阵列或沟槽栅状阵列或半球形阵列，特征尺寸为1μm-200μm，间距为1μm-50μm；纳米结构为纳米毛刺或纳米筛孔，特征尺寸为2nm-1000nm，间距2nm-500nm。

本发明还提供了一种纳米发电机制造方法，包括以下步骤：

1）、通过旋涂或自流平的方法，将PVDF溶液覆盖于硅基片或其它水平表面上，加热PVDF溶液，制成PVDF薄膜；

2）、在强电场下极化PVDF薄膜使其具有压电性；

3）、通过蒸发或溅射工艺，在PVDF薄膜两侧制作电极；

4）、通过光刻、湿法腐蚀或干法刻蚀，在硅基片或玻璃基片上制作微米结构；

5）、通过优化的深反应离子刻蚀工艺，在微米结构表面上制作具有高深宽比和高密度的纳米结构，并通过后处理工艺降低结构表面的表面能；

6）、通过PDMS铸膜转印工艺，制备具有微纳复合结构的PDMS柔性薄膜；

7)、通过加热，将具有微纳复合结构的PDMS薄膜与PET薄膜键合；

8）、通过蒸发或溅射或化学气相沉积工艺，在PET薄膜表面制作电极；

9）、将带电极的PVDF压电薄膜与带电极的PDMS-PET键合结构组装并封装。