基于压电和摩擦电耦合的柔性微型能量采集器及制备方法

摘要

本发明公开了一种基于压电和摩擦电耦合的柔性微型能量采集器，包括：压电层、第一电极层、第二电极层、摩擦层、衬底层；压电层的上下两侧从内向外均依次设置有第一电极层、摩擦层、第二电极层、衬底层；摩擦层包括带有微米级结构的凸块。本发明还提供相应的制备方法。本发明采用经旋涂、沉积或静电纺丝工艺所得的PVDF等柔性压电材料，采用溅射、旋涂和蒸发等工艺获得各层金属电极层及金属化合物，采用倒模的方法制备柔性聚合物凸块静电摩擦层，同时采用柔性基底聚合物，同时结合压电与摩擦电原理，制作由中心压电层堆成的汉堡结构微型能量采集器。该器件具有结构简单，微细加工实现容易，体积可大可小，频带宽，转换效率高等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种能源技术领域的器件，更具体地说，同时涉及压电和摩擦 电耦合柔性微型能量采集器及其制备方法。

背景技术

近年来随着微机械加工技术及无线传感技术的迅速发展，对微型能量采集器的 性能和应用范围提出新的要求和挑战。基于静电和压电的微型振动能量采集器，作 为一种新型的自供能微能源器件，能够将所处环境下能量采集器发生的形变通过压 电效应将振动能转化为电能，同时利用摩擦起电和静电感应原理而产生摩擦电，提 供给微型电子器件，在新能源备受关注的现时期受到更多的广泛研究。

目前，采用MEMS技术制备的压电能量采集器，大部分为刚性结构，且采集的 振动频率较高。同时目前微型静电能量采集器采用硅基工艺，需要大型设备和特殊 工艺，加工成本过高，不利于能量采集器的商业化。柔性的压电能量采集器所用的 压电材料大部分为PVDF及其二元聚合物，其介弹性系数不如刚性压电材料如PZT 高，明显降低能量采集器的共振频率。摩擦电和静电是一种非常普遍现象，存在于 我们日常生活中，通过利用摩擦起电和静电感应原理从而摩擦产生电能或将日常生 活中不规则的动能转化为电能，从而实现微型电子器件的供电问题。

对现有技术文献的检索发现，HAN MengDi在《Nano letters》撰文 “Frequency-Multiplication High-Output Triboelectric Nanogenerator for  Sustainably Powering Biomedical Microsystems”(“用于持续供电生物医学微 系统的倍频高输出静电纳米能量采集器”《纳米快报》)。该文对具有纳米结构的 摩擦电能量采集器进行设计及性能测试。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种对称结构耦合摩擦 电和压电两种转换机制的柔性微型能量采集器及其制备方法。本发明实质是通过耦 合两种机制的能量采集器，大大提高器件的转换效率，改善器件的输出性能。整个 能量采集器则依靠摩擦电的充电泵效应和压电效应，将带有金属电极的聚合物摩擦 层和压电层贴合在以前组成器件，在外力作用下器件产生形变，导致两层聚合物薄 膜之间发生相互摩擦，从而产生电荷分离形成电势差，两个金属基板作为能量采集 器的电能输出端，通过静电感应在表面生成感应电荷，感应电荷在摩擦电电势驱动 下流经供能的微电子器件而形成电流。同时在压电层的上下两层金属电极在器件形 变下产生输出电压，作为电能输出端。该器件是一种对称的三明治结构，通过简单 加工工艺实现一种高效转换的能量采集器，拓宽器件的应用范围。

根据本发明的一个方面，提供一种基于压电和摩擦电耦合的柔性微型能量采集 器，包括：压电层、第一电极层、第二电极层、摩擦层、衬底层；

压电层的上下两侧从内向外均依次设置有第一电极层、摩擦层、第二电极层、衬底 层；

摩擦层包括带有微米级结构的凸块。

优选地，为由位于中心的压电层对应的上下对称结构。

优选地，摩擦层为阵列的带有微米或纳米级的凸块的柔性聚合物，其中，凸块为圆 柱形、锥形、或四面体形这些突起结构。

优选地，摩擦层包括相连接的内层和外层，其中，内层为摩擦电摩擦层，摩擦电摩 擦层为带有微小凸块的柔性聚合物，外层为金属层或者聚合物层。

优选地，第一电极层、第二电极层为：

-Au、或Al这些金属；或者

-ITO（氧化铟锡）、碳纳米管、或石墨烯这些导电层。

优选地，压电层为具有柔性的压电材料或沉积在柔性衬底上压电材料。

优选地，压电层为通过旋涂或静电纺丝工艺制备的PVDF（聚偏氟乙烯）及其二元聚 合物P(VDF-TrFE)膜。

优选地，衬底层为parylene（聚对二甲苯）层、PDMS（聚二甲基硅氧烷）层、PET （聚对苯二甲酸乙二酯）层、PI（聚酰亚胺）层、或PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）层；摩 擦层为PDMS层。

根据本发明的另一个方面，还提供一种上述的基于压电和摩擦电耦合的柔性微型 能量采集器的制备方法，包括如下步骤：

步骤A：通过模具压模的方法制备带有微小凸块的聚合物作为摩擦层；

步骤B：通过旋涂、静电纺丝及沉积的方法获得柔性压电层；

步骤C：在压电层的上下两侧从内向外均依次设置第一电极层、摩擦层、第二电极 层、衬底层。

优选地，所述步骤A，具体为：

-在硅片上甩光刻胶图形化，得到所需要的图形后对硅湿法刻蚀和DRIE工艺， 形成微小圆柱体结构；或是

-对硅片上的SU8光刻胶光刻，在光刻胶上得到圆柱形凹槽结构，然后将PDMS 旋涂上然后分离得到具有微型圆柱形凸块结构的摩擦层。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：本发明采用三明治对称柔性结构， 耦合压电和摩擦电两种转换机制，在外界环境的作用下，压电层内部产生应力和形 变的变化，在其上下电极有输出电压；静电摩擦层的凸块与电极或其他聚合物在外 界作用下相互摩擦，其上下电极同样有输出电压；由于本发明采用的对称柔性结构， 总共有三组电压输出，一组压电电压，两组摩擦电电压。本发明采用微细加工的方 法进行制作，易于批量生产，易于微型化和阵列，同时由于采用生物兼容型材料进 行加工，可以应用于生物医学器件或植入体内微电子器件进行供能，大大拓宽器件 应用范围。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特 征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的结构示意图。

图中：

1为压电层；

2为电极层；

3为摩擦层；

4为衬底层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

本发明公开了一种基于压电和摩擦电耦合的柔性微型能量采集器及其制备方法。该 采集器包括上下对称的衬底层、摩擦电摩擦层、电极层、压电层；所述衬底层为能量采 集器柔性基底，所述摩擦层为能够摩擦起静电的聚合物。制备时，通过旋涂、沉积或静 电纺丝的方法获得压电聚合物层；在所述压电层上下面制作上下面电极层；通过模具压 模的方法获得表面有凸块的摩擦电摩擦层；在摩擦层上叠加有电极的衬底层；将所述各 层面接触制作成微型能量采集器即可。本发明采用经旋涂、沉积或静电纺丝工艺所得的 PVDF等柔性压电材料，采用溅射、旋涂和蒸发等工艺获得各层金属电极层Al、Au及金 属化合物ITO等，采用倒模的方法制备PDMS等柔性聚合物凸块静电摩擦层，同时采用 柔性基底PI、PET、PMMA等聚合物，同时结合压电与摩擦电原理，制作由中心压电层堆 成的汉堡结构微型能量采集器。该器件具有结构简单、微细加工实现容易、体积可大可 小、频带宽、转换效率高等特点。

实施例1

如图1所示，本发明所公开的基于压电和摩擦电耦合的柔性微型能量采集器，包括： 压电层1、电极层2、摩擦层3、衬底层4。在有电极层ITO（氧化铟锡）的柔性PET（聚 对苯二甲酸乙二酯）膜上用旋涂或静电纺丝的工艺制作压电层，然后将带有凸块结构的 PDMS（聚二甲基硅氧烷）摩擦层对称贴合在有金属电极的压电层，最后用ITO电极层的 PET衬底对称粘接在静电摩擦层PDMS上。

压电层包括P(VDF-TrFE)压电材料，电极层为ITO，静电摩擦层为具有凸块结构的 PDMS与PET，衬底层包括PET。

实施例2

如图1所示，本发明所公开的基于压电和摩擦电耦合的柔性微型能量采集器，包括： 压电层1、电极层2、摩擦层3、衬底层4。在电极层Al、Cu或Au箔上用旋涂或静电纺 丝的方法制作压电层，然后将摩擦层即带有凸块结构的PDMS对称压在压电层的上下电 极层，最后用有ITO电极层的PET衬底对称粘接在摩擦层PDMS上。

压电层包括PVDF（聚偏氟乙烯）压电材料，电极层为Al、Cu、Au箔及ITO，静电 摩擦层为具有凸块结构的PDMS，衬底层包括PET。

在外界对微型能量采集器的作用下，能量采集器发生形变，摩擦层通过微小形变产 生静电电子序列，即静电效应从而有电能输出；同时压电层薄膜或厚膜产生压电效应， 即压电材料在外界振动激励下发生形变，引起材料内部应力的变化，内部的电荷发生位 移从而产生了电场。将二者金属层累积的电荷采集，实现接触式外界机械能转换为电能 的过程。微型能量采集器在低频和高频的环境下应均能有电压和电流输出。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。