[发明专利]多层可穿戴压电能量收集器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种多层可穿戴压电能量收集器及其制备方法。该压电能量收集器主要包括多层镀有Au/Gr叉指电极的聚酰亚胺薄膜、多层P(VDF‑TrFE)有序电纺丝薄膜，以及聚二甲基硅氧烷外壳。该器件的制备方法主要包括三点：利用lift‑off工艺将Au/Gr叉指电极图案转移到聚酰亚胺的薄膜基底上；在镀有叉指电极的聚酰亚胺薄膜基底上直接电纺有序的P(VDF‑TrFE)纳米纤维薄膜；将得到的若干个电纺了有序纤维膜的柔性基底取下，并用铜胶带将铜丝与叉指电极的引出电极连接好，然后将若干个单层器件叠加，并且层与层之间正负相连，最后用液态的聚二甲基硅氧烷PDMS封装。本发明制作简单，成本低廉，和单层器件相比，多层器件在相同频率和压力的作用下，单位面积上的输出性能更佳。

技术领域

本发明属于可穿戴器件领域，具体是指一种多层可穿戴压电能量收集器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着移动互联网和智能终端的快速发展，柔性可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。可穿戴设备逐渐向微型化、便携化以及柔性发展，但是这些可穿戴设备的供电元件—充电电池，需要频繁的充电甚至更换，传统电池在某种程度上限制了可穿戴设备的耐久性和柔性。如今新的柔性电池如有机太阳能电池、柔性锂离子电池、柔性摩擦电能量收集器以及柔性压电能量收集器等在可穿戴领域得到了广泛关注。其中，柔性可穿戴压电能量收集器主要可收集生物体的热能和机械能，并将其转化为电能来驱动可穿戴设备。

目前高机电转换效率的压电能量收集器主要基于ZnO，PZT，KNN，BaTiO₃等材料，但是这些无机材料的加工成本太贵，并且受限于无机材料的脆性从而不能承受太大的形变，因此这种能量收集器在可穿戴领域里大大受限。而有机的压电材料以P(VDF-TrFE)代表，它们不仅具有良好的柔韧性、耐腐蚀性、生物兼容性，并且可塑性强。传统的P(VDF-TrFE)压电薄膜的制备过程不仅需要机械拉伸，在后期还需要在高电场下完成极化，制备过程相对复杂。利用静电纺丝技术制备的P(VDF-TrFE)纳米纤维不仅具有压电性，而且可编织在织物里，使其更适合用于柔性可穿戴能量收集器。但是目前基于P(VDF-TrFE)纳米纤维的柔性压电能量收集器的输出电能并不高，如何优化器件参数提升输出电能是亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的问题是提升柔性压电收集器的输出电能，提供了一种多层可穿戴压电能量收集器及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明一方面提供的多层可穿戴压电能量收集器，其特征在于：包括若干器件；所述器件包括聚酰亚胺薄膜、Au/Gr叉指电极、正负引出电极、P(VDF-TrFE)有序电纺丝薄膜、铜丝线和导电铜胶带；

所述Au/Gr叉指电极镀在聚亚酰胺基底薄膜上，其中Cr的厚度为Au的厚度为所述Au/Gr叉指电极的对数为10-20对，叉指之间的间距为200-400μm；所述Au/Gr叉指电极的两端电极作为正负引出电极，其宽度为0.3-0.8cm；所述P(VDF-TrFE)有序电纺丝薄膜纳米纤维的直径为50-500nm，纳米纤维呈平行排列且与水平方向的夹角为≤20°；所述铜丝线作为导线使用，并通过所述导电铜胶带固定在Au/Gr叉指电极的正负引出电极处；

所述若干器件中，每个器件以层的方式叠加，并且层与层之间通过正负引出电极(3)的铜丝线相连，以实现多层器件之间的串联以组装成多层器件；还包括用以封装若干器件的聚二甲基硅氧烷PDMS。

作为优选方案，所述聚酰亚胺薄膜为已商业化的柔性电路用基底薄膜。

本发明另一方面提供一种多层可穿戴压电能量收集器的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

(1)裁剪若干个聚酰亚胺薄膜；所述聚酰亚胺薄膜的长度范围为2cm～5cm，宽度范围为4cm～10cm；