[发明专利]一种机械能与电能转换装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械能与电能转换装置，尤其是一种基于固体纳米孔的机械能与电能相互转换装置，属于能量技术领域。

背景技术

据申请人了解，长期以来，机械能与电能的转换装置主要借助切割磁力线运动。

在日趋紧张的电力供应矛盾下，探索新能源的开发利用领域，寻求新的能源供电方式、方法受到了国内外专家、研究团队的广泛研究。通过电压与压强调制实现机械能与电能的转换是近些年来新兴的研究领域之一，然而由于缺乏直接的转换装置设计、工程应用，相关研究多为理论仿真为主,能量转换效率偏低。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种可以直接通过电压与压强调制实现机械能与电能转换的装置，从而提高能量转换效率、工程的实际应用性。

为了达到以上目的，本发明的机械能与电能转换装置基本技术方案为：包括制有纳米级流体通道（纳米孔或纳米沟道）的片状半导体衬底，所述半导体衬底安置在充斥电解液的腔体中，所述腔体具有分别与半导体衬底两面相对且受压后可相对半导体衬底移动的第一表面和第二表面；所述半导体衬底的两面将腔体分隔，所述第一表面和第二表面分别与连接电源正、负极的正、负外电极板固连。

现有技术加工纳米级流体通道的方法已经成熟，申请号为010101381212.4、200910010025.9以及201110233453.5的中国专利分别公开了基于AFM的纳米沟道加工方法、聚合物平面纳米沟道制作方法和纳米流体通道及其制作方法。这些基于固体材料、尤其是半导体衬底的纳米级（尺度）流体通道，如纳米沟道（nanochannel）、纳米孔（nanopore），在通道内壁表面存在的电荷会吸引相反极性的电荷（或者离子）并排斥同种极性的电荷（或者离子），从而吸引相反极性的电荷（或者离子）聚集。

本发明的原理为：当外部机械压强施压于第一表面或通道第二表面时，将驱使电解液流经纳米级的流体孔。纳米级流体通道内由于内在表面电荷的对同性电荷的屏蔽作用造成的聚集的电荷（或者离子）势必选择性地只允许电解液中相反极性的离子通过，从而使半导体衬底两侧腔体的电解液产生离子浓度梯度，结果在正、负外电极板之间的外回路产生电荷输运，形成电流，实现机械能向电能的转换。反之，当正、负外电极板之间施加电压时，同样由于纳米级（尺度）流体通道对离子的选择性，导致相反极性的离子通过纳米级（尺度）流体通道，这些离子导致电解液流体承受额外的电学力，从而产生流动趋势，实现了电能向机械能的转换。

本发明进一步的完善是

所述半导体衬底为厚度0.5-0.7mm片状硅基晶圆制成的硅基衬底。

所述硅基衬底上分布半径0.05-0.30mm的圆柱型微型凹腔，所述凹腔腔底的厚度为40nm-1um，间隔分布有纳米级流体通道。

所述纳米级流体通道为半径为5±2nm的纳米孔。

所述电解液为KCL或NaCL溶液。

所述电解液的浓度为0.5-1.3mol/L，Ph值为7.5-8.1。

本发明不仅具有结构简单、转换效率高的显著优点，而且实现了清洁资源向电能的转换，有望为日趋紧张的电力供应提供了一种新兴的能源转换途径。同时电能向机械能的转换，可以有效去除、过滤溶液等有毒性污染性带电粒子，为净化水源等污水处理技术提供一种新思路，由此制成的纳米孔发电装置可提供应急充电。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是制作图1硅基衬底的硅晶结构示意图。

图3为图2的局部放大结构示意图。

其中，1为硅基衬底；2为纳米孔；3为电解液；4为上表面；5为上外电极板；6为下表面；7为下外电极板；8为机械压强的施加位置和方向；9为微弱电流测量设备；10为电源。

具体实施方式

本实施例为一种基于纳米孔的机械能与电能的转换装置，其基本的单元结构如图1所示，包括制有纳米级流体通道——纳米孔2的半导体硅基衬底1。该硅基衬底1安置在充斥电解液3的腔体中。腔体3具有分别与硅基衬底1两面相对且受压后可相对硅基衬底1移动的第一表面——下表面6和第二表面——上表面4。硅基衬底1的两面将腔体分隔上、下两腔。下表面6和上表面4分别与连接电源10正、负极的正、负外电极板7、5固连。