[發明專利]基于潤濕梯度表面的液滴自驅動能量轉換裝置及制備方法

在審

• 申請號: 201710835730.7
• 申請日: 2017-09-16
• 公開（公告）號: CN107482953A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 邱丹丹
• 申請（專利權）人: 邱丹丹
• 主分類號: H02N3/00
• 分類號: H02N3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及能量轉化裝置，特別是涉及基于潤濕梯度表面的液滴自驅動能量轉換裝置。

背景技術

能量轉換技術在人們的日常生產和生活中不斷更新，最早使用的能量轉換裝置可追溯到風車、船帆、水輪時代。隨著電能的出現及廣泛使用，基于環境能量轉換成電能的能量轉換裝置不斷出現，批量化的環境能量轉化成電能裝置有風力發電機、水力發電機、地熱發電機、太陽能發電機等發電裝置。大功率環境能量轉化成電能的裝置極大推動了社會進步，而由于其體積大、不易挪移等缺陷，無法滿足逐漸增多的野外等惡劣環境下運行的低功耗器件要求。

隨著微電子技術的日趨成熟，無線傳感網絡、可穿戴器件、微流控芯片等高新技術產品迅速發展，這類器件或系統通常耗能低至微瓦到納瓦量級，但應用環境比較苛刻，對供能元件在工作環境、成本、使用壽命等方面提出了更高的要求，特別是微流控芯片對供能元件的無電磁污染等要求。基于液滴移動的能量轉換技術應運而生，因其清潔無污染、重復性好、便攜化難度低等優勢，有望成為這類器件或系統功能元件的備選技術。而此能量轉換裝置難以實現與微流控芯片系統的集成，阻礙了微流控芯片系統的自供電的進程，不能滿足社會發展的更高需求。

綜上所述，針對現有技術的缺陷，特別需要基于潤濕梯度表面的液滴自驅動能量轉換裝置，以解決現有技術的不足。

發明內容

針對上述存在的技術問題和能量轉換裝置的缺陷，本發明提出了基于潤濕梯度表面的液滴自驅動能量轉換裝置，結構簡潔、操作方便、便于攜帶，能夠滿足野外環境下運行的低功耗器件的需求。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

基于潤濕梯度表面的液滴自驅動能量轉換裝置，該裝置的電極區域自下而上包括襯底基片、氧化層、電極層和電介質層，潤濕梯度表面的親水區域由均勻的電介質層條紋組成，潤濕梯度表面實現正、負電極的分離的疏水區域由均勻的硅納米針組成，電極層被電介質層所覆蓋，通過調節親水區域與疏水區域的面積比實現固體潤濕梯度表面結構的變化進而驅動表面液滴的定向移動，液滴自驅動改變固-液接觸界面上形成的雙電層面積，并誘導正負電極電介質層表面的電荷重新分布，進而實現兩電極端的電壓輸出。

進一步，所述的親水區域與疏水區域均根據Cassie-Baxter模型，通過調節電介質層條紋及硅納米針結構的面積比，設計若干具有潤濕差異的表面潤濕區域，并將這些潤濕區域按接觸角遞減的順序相連形成能量轉換裝置的潤濕梯度表面。

進一步，每個潤濕區域末端采用表面覆蓋有電介質層的垂直電極引線分別與正、負電極相連，且相鄰潤濕區域分別連接不同的電極，以形成梳狀電極的能量轉換裝置。

進一步，所述的電介質層可采用的材質為氧化硅、氮化硅，單個潤濕區域的長度不大于3mm。

本發明還涉及基于潤濕梯度表面的液滴自驅動能量轉換裝置的制備方法，該方法包括以下步驟：

(a)高溫氧化襯底層，并采用金屬濺射工藝在氧化層表面濺射一層金屬電極層；

(b)采用化學氣相沉積工藝在電極層沉積一層電介質層膜；

(c)通過紫外光刻進行圖形轉移，并采用干法刻蝕工藝依次刻蝕電介質層、電極層；

(d)采用反應離子刻蝕技術，刻蝕襯底表面氧化層；

(e)采用深反應離子刻蝕技術，在硅襯底表面刻蝕納米硅針結構；

(f)去膠工藝。

進一步，疏水區域、親水區域、電極層表面均進行硅烷化疏水處理，有效避免殘余水膜對后續液滴能量轉換電能輸出的影響。

本發明的有益效果是：本發明采用液滴自驅動的整個過程，首次實現了固-液系統表面自由能轉化到液滴動能，液滴動能再轉化到電能的能量轉換過程，此能量轉換裝置將能量轉換技術與液滴自驅動技術結合，可實現基于液滴移動的微流控芯片系統自供電功能，滿足野外環境下運行的低功耗器件的需求，設計新穎，是一種很好的創新方案。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式來詳細說明本發明：

圖1本發明的結構示意圖；

圖2本發明的工藝流程圖；

圖3本發明的表面掃描電子顯微鏡(SEM)圖；

圖4本發明以四潤濕區域為例，所選不同潤濕區域的靜態接觸角變化圖；

圖5本發明的表面液滴自驅動及能量轉換裝置輸出電壓圖；

具體實施方式

為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。