[發明專利]一種基于納米壓印制備封閉多孔壓電駐極體俘能器的方法

在審

• 申請號: 201711240330.8
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN108063183A
• 公開（公告）日: 2018-05-22
• 發明（設計）人: 邵金友;陳小亮;李祥明;田洪淼;王超;王春慧;陳小明
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01L41/277
• 分類號: H01L41/277;H01L41/312;H01L41/333
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種基于納米壓印制備封閉多孔壓電駐極體俘能器的方法，先進行壓印模具的制備及處理，再進行壓電駐極體薄膜制備，然后進行壓印及脫模，得到壓電駐極體的孔狀薄膜；再將多張孔狀薄膜鍵合形成多層封閉多孔膜；進行電暈駐極，最后進行多層封閉多孔膜兩端濺射工作電極，本發明封閉孔腔室能夠極大提高電荷存儲強度和穩定性，多層孔結構能提高力電轉換效率，提高俘能器輸出。

技術領域

本發明屬于微納制造技術領域，具體涉及一種基于納米壓印制備封閉多孔壓電駐極體俘能器的方法。

背景技術

隨著新材料的開發及納米制造技術的進步，柔性電子技術與納米科技相結合取得了快速發展，新一代電子器件朝著柔性化、多功能、微型化發展，多種高靈敏度微納米傳感器、柔性發光顯示器、柔性晶體管陣列等相繼開發出來，在信息交流，健康診斷，環境監測等方面發揮重要作用。同時，可穿戴電子的數量也日益增長，這些數量龐大的柔性電子器件的可持續供電成為一個新的挑戰。目前，利用壓電效應和摩擦電效應可以將人體運動、機械振動、流體等自然存在的機械能轉化為電能給柔性器件供電，有望實現無需外接電源的自驅動納米器件。摩擦納米發電機利用一對摩擦副接觸分離實現俘能，需要特殊的封裝結構，且輸出不穩定，容易受環境濕度等因素影響；柔性壓電俘能器為一體式薄膜形結構，結構簡單，輸出穩定，但柔性壓電材料內部極化強度不高，輸出有限，難以有效驅動微電子器件。多孔壓電駐極體材料利用孔洞內長期保存的注入電荷可以有效將機械能轉變為電能，在宏觀上展現出良好的壓電性能，可以通過空間駐極在材料內部獲得很高的極化強度，克服了傳統壓電聚合物輸出不高的問題，且結構簡單，柔性好，非常適合集成到自驅動柔性電子系統中，具有廣闊的應用前景。

為了制造多孔壓電駐極體薄膜，最常用的方法是將駐極體薄膜從常溫升高到材料熔融溫區，使用壓力膨化工藝使駐極體孔洞膜的厚度隨著熱處理溫度的升高而逐漸增大，再進一步高壓電暈駐極，將空間電荷注入到膨化產生的孔洞中獲得強壓電性。此種壓力膨化工藝常用于聚丙烯孔洞膜的成形，對材料有選擇性，難以適用于其他駐極體材料；且工藝難以有效控制孔洞的尺寸，多孔膜往往呈現層狀分布，形成的孔洞沒有形成有效的封閉腔室，因此電暈極化后形成的空間電荷容易受濕度等環境因素影響，影響輸出穩定性。此外，多孔結構駐極體孔洞尺寸、密度及分布方式會影響結構內部電場分布和材料整體的彈性模量，從而影響電荷捕獲密度和力電轉換性能。因此，需要開發一種新的駐極體聚合物材料多孔制造工藝，實現多種駐極體材料不同封閉孔尺寸大小的制造，優化多孔駐極體空間電荷捕獲強度和力電轉換效率，實現柔性高性能多孔壓電駐極體俘能器的高效制造。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于納米壓印制備封閉多孔壓電駐極體俘能器的方法，封閉孔腔室能夠極大提高電荷存儲強度和穩定性，多層孔結構能提高力電轉換效率，提高俘能器輸出。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種基于納米壓印制備封閉多孔壓電駐極體俘能器的方法，包括以下步驟：

第一步，壓印模具的制備及處理：壓印模具1采用光刻和刻蝕的工藝，在硅片上制作微孔陣列，進行低表面能處理，防止脫模時損傷微陣列結構；

第二步，壓電駐極體薄膜制備：基材2采用柔性聚酰亞胺膜(PI膜)，利用勻膠機在基材2表面旋涂一層厚度為微米級別的壓電駐極體溶液并在熱板上把殘余溶劑蒸干，形成壓電駐極體薄膜3；

第三步，壓印及脫模：在烘箱中，以15Mpa的壓力將第一步處理后的壓印模具1壓在第二步制備的壓電駐極體薄膜3上，并把烘箱溫度升至壓電駐極體的融化態溫度，20-40分鐘后，冷卻至室溫，脫模，得到留在基材2上的壓電駐極體的孔狀薄膜4，接著將壓電駐極體的孔狀薄膜4從基材2上剝離，得到分離的壓電駐極體的孔狀薄膜4；

第四步，多張孔狀薄膜鍵合形成多層封閉多孔膜：將多張第三步制備的孔狀薄膜4和連接封裝用的駐極體平膜5在豎直方向對準后，加熱至駐極體材料玻璃態轉換溫度后使用鍵合機鍵合，形成一整塊多層封閉多孔膜；