CN103023371A - 一种微纳集成发电机及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微纳集成发电机及制备方法，结构包括导电层、PET层、PDMS层、微纳复合PDMS阵列和金属膜层，导电层制作于PET层表面；PET层为聚对苯二甲酸乙二醇酯；PDMS层为聚二甲基硅氧烷；微纳复合PDMS阵列制作于PDMS层表面。方法包括1）通过结合光刻和化学腐蚀或物理刻蚀，在基片上制作微米尺度结构；2）利用无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺，在微米尺度结构表面上制作高密度高深宽比纳米尺度结构；3）利用PDMS铸膜转印工艺，调控工艺参数，以微纳复合阵列结构模具为模板；4）利用蒸发或溅射或化学气相沉积工艺，在PET层表面制作导电层；5）通过高温键合或常温物理施压，将PDMS层与PET层键合；6）将5）键合结构，金属膜层，5）键合结构，按依次顺序组装并封装。

Description

一种微纳集成发电机及其制备方法
技术领域
本发明涉及微纳集成技术领域，特别涉及一种微纳集成发电机及其制备方法。
背景技术
微机电***（Micro-electro-mechanical system,MEMS）自上世纪八十年代出现以来，作为一门新兴的、高新技术的多领域交叉学科，被誉为新世纪引领微电子产业发展的新技术革命，受到国内外广泛关注。光学微机电***（Optical MEMS）、射频微机电***（RF MEMS）、生物医学微机电***（Bio-Medical MEMS）和常规微机电***（Physical MEMS）等多个分支领域蓬勃发展，据估计2011年至2016年，MEMS产业将以9.7%的速率飞速增长，到2016年全球MEMS产业总产值将高达120亿美元。但上述MEMS***和器件无一例外地都需要能源供应，而供能模块通常尺寸较大，且很难集成加工，已经成为限制MEMS产业快速增长的桎梏。随着微机电***尺寸进一步缩小，特别是纳机电***（Nano-electro-mechanical system,NEMS）的发展，解决微小尺寸器件和***，特别是微米尺度和纳米尺度器件和***的可靠供能问题，已经迫在眉睫。
2006年美国佐治亚理工学院王中林教授研究组利用氧化锌纳米线将机械能转化成电能，成功实现了压电式纳米发电机[Zhonglin Wang,etal.Science,vol.312,pp.5771,2006；Xudong Wang,et al.Science,vol.316,pp.5821,2007；Yong Qin,et al.Nature,vol.451,pp.7180,2008]。随后，多种结构、多种压电材料均被提出用于制备实现纳米发电机，但从机理角度来分，它们均是压电式纳米发电机[朱光 等，纳米发电机及其制造方法，中国发明专利，申请号:201210116881.4；李梦轲 等，一种纳米发电机，中国发明专利，申请号:200910188057.8；王中林 等，纳米发电机、纳米发电组件及其自供电***，中国发明专利，申请号:201210142387]。压电式纳米发电机技术成熟，已经有部分产业应用，但氧化锌纳米线等压电材料通常是采用自下而上（Bottom-Up）的生长法进行加工制备，产率低，均一性差，输出小；且由于纳米线材料本身的脆弱性，器件抗疲劳能力差，使用寿命周期短。
2012年1月王中林教授研究组提出了一种基于摩擦生电的新型纳米发电机，利用PET和Kapton材料相互摩擦感应电荷，电荷分离后形成电压电流输出。[Feng-Ru Fan,et al.Nano Energy,vol.1,pp.328,2012]。2012年3年他们提出了基于摩擦生电的纳米发电机的改进结构，利用PDMS替换Kapton与PET摩擦发电，且PDMS表面制备微米尺度金字塔阵列结构，增加粗糙度，从而提高输出[Feng-Ru Fan,et al.Nano Letters,vol.12,pp.3109,2012]。但上述结构，虽材料不同，但本质上均是以两层薄膜表面进行摩擦，且仅有微米尺度结构提高粗糙度，其最高输出电压18V，不能满足某些微纳***的供能需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微纳集成发电机及其制备方法，采用三层柔性薄膜构成微型发电机，利用三种材料对电荷束缚能力梯度差，本质上形成串联结构，从而提高感应电荷累积，进而提高输出电压电流；且柔性薄膜表面通过铸膜转印方式形成高密度微纳复合结构，极大地增加摩擦表面粗糙度，从而进一步提高输出电压电流。同传统的两层薄膜发电机相比，该三层结构中间层在每一个循环周期中可以与上下两层薄膜同时摩擦，提高摩擦效率并实现了电压输出信号的倍频。综上，本发明提出的微纳集成发电机及其制备方法工艺简单、成本低、产率高、可批量生产，所有薄膜结构均具有良好的透光性和生物兼容性，且所提出新型结构可极大提高输出。
为达到上述目的，本发明提供了一种微纳集成发电机，该结构包括：导电层、PET层、PDMS层、微纳复合PDMS阵列和金属膜层，所述导电层制作于PET层表面，为导电性好的金属或半导体材料；所述PET层为聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate）；所述PDMS层为聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane）；所述微纳复合PDMS阵列制作于PDMS层表面，由微米阵列结构和纳米尺度结构构成；所述金属膜层为铝或其它具有较强得电子能力的金属如镍、铜、银、金、铂。所述的导电性好的金属为金、银、铂、铜、铝、钛、钨；所述的半导体材料包括铟锡金属氧化物（ITO）、III-V族化合物、高掺杂硅。
所述导电层的厚度为50nm-2000nm。
所述的PET层厚度为50μm-2000μm。
所述的PDMS层厚度为50μm-2000μm。
所述的金属膜层厚度为20μm-2000μm。
所述的微米尺度结构为金字塔形阵列或沟槽栅状阵列或半球形阵列，特征尺寸为1μm–200μm，间距1μm–50μm；所述的纳米尺度结构为纳米筛孔或纳米毛刺，特征尺寸为2nm–1000nm，间距2nm–500nm。
一种微纳集成发电机的制备方法，该方法包括：
1）、通过结合光刻和化学腐蚀或物理刻蚀，在硅基片或玻璃基片或金属基片上制作微米尺度结构；
2）、利用无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺，直接在微米尺度结构表面上制作高密度高深宽比纳米尺度结构，从而制备得到微纳复合阵列结构模具；
3）、利用PDMS铸膜转印工艺，调控工艺参数，以微纳复合阵列结构模具为模板，实现表面具有微纳复合PDMS阵列的PDMS层；
4）、利用蒸发或溅射或化学气相沉积工艺，在PET层表面制作导电层；
5)、通过高温键合或常温物理施压，将PDMS层与PET层键合；
6）、将PET层与PDMS层键合结构，金属膜层，另一PET层与PDMS层键合结构，按依次顺序组装并封装。
所述的步骤2）中所述无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺，包括以下步骤：
2.1）、采用等离子刻蚀或非等离子刻蚀对基片表面进行粗糙化处理；
2.2）、对DRIE设备进行初始化和等离子稳定；
2.3）、控制所述DRIE工艺参数，直接制备高密度高深宽比纳米结构；
2.4）、DRIE后处理工艺处理表面降低表面能。
所述的DRIE制备高密度高深宽比纳米尺度结构的工艺参数包括：线圈功率为800W–900W；压强为20mTorr–30mTorr；刻蚀气体SF6流量为20sccm–45sccm，钝化气体C4F8或O2流量为30sccm–50sccm，其中SF6和C4F8气体流量比为1:1–1:2；平板功率为6W–12W；刻蚀/钝化时间比为10s:10s–4s:4s；刻蚀/钝化循环60-200次。
所述的DRIE后处理工艺参数包括：线圈功率为800W–900W；压强为20mTorr–30mTorr；刻蚀气体SF6流量为0sccm，钝化气体C4F8或O2流量为30sccm–50sccm；平板功率为6W–12W；刻蚀/钝化时间比为0s:10s–0s:4s；刻蚀/钝化循环1-20次。
所述的步骤3）中所述工艺参数包括：温度为50-100℃，时间为30分钟-2小时。
所述的微米尺度结构，包括金字塔形阵列或沟槽栅状阵列或半球形阵列；所述的纳米尺度结果，包括纳米筛孔或纳米毛刺。
相对于现有技术而言，本发明具有以下优点：
1、本发明提出的微纳集成发电机，与已有两层材料单纯摩擦生电相比，创新性地提出了三层柔性薄膜的摩擦生电原理，利用材料束缚电子能力梯度差，中间金属层材料在每一个工作周期中与PDMS层产生两次摩擦，实现了输出电压频率的提升。
2、本发明提出的微纳集成发电机，由于采用三层薄膜结构，中间层可以与上下两层薄膜同时摩擦，与已有两层薄膜单面摩擦相比，极大地提高了摩擦效率和有效摩擦面积，从而极大地提高了其输出。
3、本发明提出的微纳集成发电机制备方法，利用所开发的无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺，并结合铸膜转印工艺，可以大批量大面积制备实现微纳复合PDMS薄膜，极大地提高了薄膜粗糙度，从而提高摩擦效率，提高输出电压电流，且工艺简单，成本低廉，易于产业化。
附图说明
图1为本发明的微纳集成发电机结构示意图。
图2（a）为本发明的微纳集成发电机实物图。
图2（b）为本发明的横截面扫描电镜照片。
图3（a）为本发明的微纳复合PDMS阵列扫描电镜照片金字塔阵列。
图3（b）为本发明的微纳复合PDMS阵列扫描电镜照片沟槽栅状阵列。
图4为本发明的微纳集成发电机测试结果图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围不受这些实施例的限制，本发明的范围在权利要求书中提出。
下面结合附图1-图4阐述本发明提供的一种微纳集成发电机及其制备方法的具体步骤。
参照图1，图1为本发明的微纳集成发电机结构示意图，其结构包括：PET层1，PDMS层2，微纳复合PDMS阵列2-1，金属膜层3，导电层4。参照图2，图2为本发明的微纳集成发电机实物图及扫描电镜照片；图3（a）为本发明的微纳复合PDMS阵列扫描电镜照片金字塔阵列,图3（b）为本发明的微纳复合PDMS阵列扫描电镜照片沟槽栅状阵列；图4为本发明的微纳集成发电机测试结果图。则图1所示结构的制备步骤如下：
步骤1：通过结合光刻和化学腐蚀或物理刻蚀，在硅基片或玻璃基片或金属基片上制作微米尺度结构，包括金字塔形阵列或沟槽栅状阵列或半球形阵列，特征尺寸为1μm–200μm，间距1μm–50μm；
步骤2：利用无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺，直接在微米尺度结构表面上制作高密度高深宽比纳米尺度结构，包括纳米筛孔或纳米毛刺，特征尺寸为2nm–1000nm，间距2nm–500nm，从而制备得到微纳复合阵列结构模具；
步骤3：利用PDMS铸膜转印工艺，调控工艺参数：温度为50-100℃，时间为30分钟-2小时，以微纳复合阵列结构模具为模板，实现表面具有微纳复合PDMS阵列2-1的PDMS层2；
步骤4:利用蒸发或溅射或化学气相沉积工艺，在PET层1表面制作导电层4，为导电性好的金属或半导体材料，金属如金、银、铂、铜、铝、钛、钨等；半导体材料包括铟锡金属氧化物（ITO）、III-V族化合物、高掺杂硅等，厚度为50nm–2000nm。；
步骤5：通过高温键合或常温物理施压，将PDMS层2与PET层1键合；
步骤6:将表面附有导电层4的PET层1与PDMS层2键合结构，金属膜层3，另一表面附有导电层4的PET层1与PDMS层2键合结构，按依次顺序组装并封装。
以上对本发明所提供的一种微纳集成发电机及其制备方法进行了详细介绍，以上参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。

Claims (13)

1.一种微纳集成发电机，其特征在于,该结构包括：导电层、PET层、PDMS层、微纳复合PDMS阵列和金属膜层，所述导电层制作于PET层表面，为导电性好的金属或半导体材料；所述PET层为聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate）；所述PDMS层为聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane）；所述微纳复合PDMS阵列制作于PDMS层表面，由微米阵列结构和纳米尺度结构构成；所述金属膜层为具有强得电子能力的金属，将PET层与PDMS层键合结构，金属膜层，另一PET层与PDMS层键合结构，按依次顺序组装并封装。
2.根据权利要求1所述的一种微纳集成发电机，其特征在于，所述的导电性好的金属为金、银、铂、铜、铝、钛、钨；所述的半导体材料包括铟锡金属氧化物（ITO）、III-V族化合物、高掺杂硅；所述具有强得电子能力的金属包括铝、镍、铜、银、金、铂。
3.根据权利要求1所述的一种微纳集成发电机，其特征在于，所述导电层的厚度为50nm–2000nm。
4.根据权利要求1所述的一种微纳集成发电机，其特征在于，所述的PET层厚度为50μm-2000μm。
5.根据权利要求1所述的一种微纳集成发电机，其特征在于，所述的PDMS层厚度为50μm-2000μm。
6.根据权利要求1所述的一种微纳集成发电机，其特征在于，所述的金属膜层厚度为20μm-2000μm。
7.根据权利要求1所述的一种微纳集成发电机，其特征在于，所述的微米尺度结构为金字塔形阵列或沟槽栅状阵列或半球形阵列，特征尺寸为1μm–200μm，间距1μm–50μm；所述的纳米尺度结构为纳米筛孔或纳米毛刺，特征尺寸为2nm–1000nm，间距2nm–500nm。
8.根据权利要求1所述的一种微纳集成发电机的制备方法，其特征在于，该方法包括：
1）、通过结合光刻和化学腐蚀或物理刻蚀，在硅基片或玻璃基片或金属基片上制作微米尺度结构；
2）、利用无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺，直接在微米尺度结构表面上制作高密度高深宽比纳米尺度结构，从而制备得到微纳复合阵列结构模具；
3）、利用PDMS铸膜转印工艺，调控工艺参数，以微纳复合阵列结构模具为模板，实现表面具有微纳复合PDMS阵列的PDMS层；
4）、利用蒸发或溅射或化学气相沉积工艺，在PET层表面制作导电层；
5）、通过高温键合或常温物理施压，将PDMS层与PET层键合；
6）、将PET层与PDMS层键合结构，金属膜层，另一PET层与PDMS层键合结构，按依次顺序组装并封装。
9.根据权利要求8所述的一种微纳集成发电机的制备方法，其特征在于，
所述的步骤2）中所述的无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺，包括以下步骤：
2.1）、采用等离子刻蚀或非等离子刻蚀对基片表面进行粗糙化处理；
2.2）、对DRIE设备进行初始化和等离子稳定；
2.3）、控制所述DRIE工艺参数，直接制备高密度高深宽比纳米结构；
2.4）、DRIE后处理工艺处理表面降低表面能。
10.根据权利要求8所述的一种微纳集成发电机的制备方法，其特征在于，所述的DRIE制备高密度高深宽比纳米尺度结构的工艺参数包括：线圈功率为800W–900W；压强为20mTorr–30mTorr；刻蚀气体SF6流量为20sccm–45sccm，钝化气体C4F8或O2流量为30sccm–50sccm，其中SF6和C4F8气体流量比为1:1–1:2；平板功率为6W–12W；刻蚀/钝化时间比为10s:10s–4s:4s；刻蚀/钝化循环60-200次。
11.根据权利要求8所述的一种微纳集成发电机的制备方法，其特征在于，所述的DRIE后处理工艺参数包括：线圈功率为800W–900W；压强为20mTorr–30mTorr；刻蚀气体SF6流量为0sccm，钝化气体C4F8或O2流量为30sccm–50sccm；平板功率为6W–12W；刻蚀/钝化时间比为0s:10s–0s:4s；刻蚀/钝化循环1-20次。
12.根据权利要求8所述的一种微纳集成发电机的制备方法，其特征在于，所述的步骤3）中所述工艺参数包括：温度为50-100℃，时间为30分钟-2小时。
13.根据权利8所述的一种微纳集成发电机的制备方法，其特征在于，所述的微米尺度结构，包括金字塔形阵列或沟槽栅状阵列或半球形阵列；所述的纳米尺度结果，包括纳米筛孔或纳米毛刺。
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