[發明專利]基于壓電和摩擦電耦合的柔性微型能量采集器及制備方法有效

申請號：	201310429871.0	申請日：	2013-09-18
公開（公告）號：	CN103532430A	公開（公告）日：	2014-01-22
發明（設計）人：	楊斌;王興昭;劉景全;朱紅英;楊春生	申請（專利權）人：	上海交通大學
主分類號：	H02N2/18	分類號：	H02N2/18;H02N1/04;B32B3/30
代理公司：	上海漢聲知識產權代理有限公司 31236	代理人：	郭國中
地址：	200240 ***	國省代碼：	上海;31
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摘要：
搜索關鍵詞：	基于壓電摩擦耦合柔性微型能量采集制備方法
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【說明書】：

技術領域

本發明涉及的是一種能源技術領域的器件，更具體地說，同時涉及壓電和摩擦電耦合柔性微型能量采集器及其制備方法。

背景技術

近年來隨著微機械加工技術及無線傳感技術的迅速發展，對微型能量采集器的性能和應用范圍提出新的要求和挑戰。基于靜電和壓電的微型振動能量采集器，作為一種新型的自供能微能源器件，能夠將所處環境下能量采集器發生的形變通過壓電效應將振動能轉化為電能，同時利用摩擦起電和靜電感應原理而產生摩擦電，提供給微型電子器件，在新能源備受關注的現時期受到更多的廣泛研究。

目前，采用MEMS技術制備的壓電能量采集器，大部分為剛性結構，且采集的振動頻率較高。同時目前微型靜電能量采集器采用硅基工藝，需要大型設備和特殊工藝，加工成本過高，不利于能量采集器的商業化。柔性的壓電能量采集器所用的壓電材料大部分為PVDF及其二元聚合物，其介彈性系數不如剛性壓電材料如PZT高，明顯降低能量采集器的共振頻率。摩擦電和靜電是一種非常普遍現象，存在于我們日常生活中，通過利用摩擦起電和靜電感應原理從而摩擦產生電能或將日常生活中不規則的動能轉化為電能，從而實現微型電子器件的供電問題。

對現有技術文獻的檢索發現，HAN?MengDi在《Nano?letters》撰文“Frequency-Multiplication?High-Output?Triboelectric?Nanogenerator?for?Sustainably?Powering?Biomedical?Microsystems”(“用于持續供電生物醫學微系統的倍頻高輸出靜電納米能量采集器”《納米快報》)。該文對具有納米結構的摩擦電能量采集器進行設計及性能測試。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術存在的不足，提出一種對稱結構耦合摩擦電和壓電兩種轉換機制的柔性微型能量采集器及其制備方法。本發明實質是通過耦合兩種機制的能量采集器，大大提高器件的轉換效率，改善器件的輸出性能。整個能量采集器則依靠摩擦電的充電泵效應和壓電效應，將帶有金屬電極的聚合物摩擦層和壓電層貼合在以前組成器件，在外力作用下器件產生形變，導致兩層聚合物薄膜之間發生相互摩擦，從而產生電荷分離形成電勢差，兩個金屬基板作為能量采集器的電能輸出端，通過靜電感應在表面生成感應電荷，感應電荷在摩擦電電勢驅動下流經供能的微電子器件而形成電流。同時在壓電層的上下兩層金屬電極在器件形變下產生輸出電壓，作為電能輸出端。該器件是一種對稱的三明治結構，通過簡單加工工藝實現一種高效轉換的能量采集器，拓寬器件的應用范圍。

根據本發明的一個方面，提供一種基于壓電和摩擦電耦合的柔性微型能量采集器，包括：壓電層、第一電極層、第二電極層、摩擦層、襯底層；

壓電層的上下兩側從內向外均依次設置有第一電極層、摩擦層、第二電極層、襯底層；

摩擦層包括帶有微米級結構的凸塊。

優選地，為由位于中心的壓電層對應的上下對稱結構。

優選地，摩擦層為陣列的帶有微米或納米級的凸塊的柔性聚合物，其中，凸塊為圓柱形、錐形、或四面體形這些突起結構。

優選地，摩擦層包括相連接的內層和外層，其中，內層為摩擦電摩擦層，摩擦電摩擦層為帶有微小凸塊的柔性聚合物，外層為金屬層或者聚合物層。

優選地，第一電極層、第二電極層為：

-Au、或Al這些金屬；或者

-ITO（氧化銦錫）、碳納米管、或石墨烯這些導電層。

優選地，壓電層為具有柔性的壓電材料或沉積在柔性襯底上壓電材料。

優選地，壓電層為通過旋涂或靜電紡絲工藝制備的PVDF（聚偏氟乙烯）及其二元聚合物P(VDF-TrFE)膜。

優選地，襯底層為parylene（聚對二甲苯）層、PDMS（聚二甲基硅氧烷）層、PET（聚對苯二甲酸乙二酯）層、PI（聚酰亞胺）層、或PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）層；摩擦層為PDMS層。