CN103337985B - 一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及MEMS集成加工技术领域，特别涉及一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机及其制备方法，通过两组相同结构相对、相互水平摩擦组成，其中，所述结构包含五层，最外层为导电层，与导电层相邻的为薄膜层，薄膜层另一侧设有薄膜纳米结构层，薄膜纳米结构层另一侧设有金属电极，金属电极另一侧设有金属电极纳米结构层；本发明的优势在于：同传统的竖直方向的两层薄膜发电机相比，该单层结构利用了水平方向的摩擦力，而且电极输出在同一平面，有利于后续的加工与集成，本发明提出的纳米发电机及其制备方法工艺简单、成本低、产率高、可批量生产，易于集成加工且所提出新型结构有效的利用了自然界中水平方向的摩擦。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS集成加工技术领域，特别涉及一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机及其制备方法。
背景技术
微机电***（Micro-electro-mechanical system,MEMS），是一门高新技术的多领域交叉学科，近年来发展迅猛，受到了广泛关注。微机电***是指尺寸在厘米以下乃至更小的小型装置，主要由传感器、执行器、微能源三大部分组成。由于MEMS器件尺寸的逐渐减小，微能源部分的发展远不能满足当前的需求。基于将环境中存在的能量（机械能，热能，太阳能等）转换为电能的能量采集器的研究，为MEMS器件的供能提出了可行的方案。其中采集机械能的能量采集器是其中最常见的一种之一。机械能能量采集器根据工作原理有压电式，电磁式、静电式、摩擦式等几种。其中摩擦式的能量采集器具有输出高，制备简单等优点，是近年来的研究热点。
王中林教授小组首先利用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，形成的纳米发电机。[Feng-Ru Fan,et al.Nano Energy,vol.1,pp.328,2012]。为了提高输出性能，王中林教授提出了通过拱形结构使两摩擦表面迅速分离[Wang,S.,Lin,L.and Wang,Z.L.Nano Letters,vol.12,pp.6339,2012]，其输出电压峰值提高到了百伏的量级。但是，上述摩擦型的纳米发电机都是利用竖直方向的振动，且输出电极位于两块摩擦板上，不利于加工集成。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机及其制备方法，采用一层柔性薄膜，和金属栅状结构，构成微型发电机，当两个该设计的薄膜发生水平摩擦时，利用金属与柔性薄膜对电荷束缚能力的差别，会在同一薄膜的不同材料上形成感应电荷累积，从而形成输出电流。此时的金属栅状结构既作为摩擦的材料，同时也是纳米发电机的一个电极。其中柔性薄膜表面通过传统的MEMS加工工艺形成了高密度的纳米结构，极大地增加了摩擦表面的粗糙度，从而进一步提高输出电压电流。本发明采取了如下技术方案：通过两组相同结构相对、相互水平摩擦组成，其中，所述结构包含五层，最外层为导电层，与导电层相邻的为薄膜层，薄膜层另一侧设有薄膜纳米结构层，薄膜纳米结构层另一侧设有金属电极，金属电极另一侧设有金属电极纳米结构层。
金属电极呈栅状，两组结构的金属电极交错相对，金属电极的材料为铝或镍或铜或银或金或铂。
薄膜层的材料为聚四氟乙烯（polytetrafluoroetylene，PTFE）或聚对苯二甲酸乙二酯（Polyethylene terephthalate，PET）或聚酰亚胺（Polyimide，PI）。
导电层的材料为金或银或铂或铜或铝或钛或钨等金属材料。
导电层的材料为铟锡金属氧化物或III-V族化合物或高掺杂硅等半导体材料。
所述的金属栅状电极厚度为100nm–2000μm。
所述的薄膜层厚度为5μm–2000μm。
所述导电层的厚度为50nm–3000nm。
一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机制备方法，包括如下步骤：
步骤1：利用反应离子刻蚀工艺（Reactive Ion Etching，RIE）产生的阳等离子轰击薄膜层表面，使薄膜层一侧表面形成不规则的薄膜纳米结构层。
步骤2：利用溅射或蒸发或者化学气相沉积工艺，在薄膜纳米结构层一侧表面制作出完整的金属电极；
步骤3：利用光刻胶掩膜通过光刻实现图形化金属电极，从而得到栅状结构的金属电极；
步骤4：利用水浴加热的方法通过控制加热的温度与时间在金属电极一侧表面得到金属电极纳米结构层；
步骤5：利用蒸发或溅射或化学气相沉积工艺，在薄膜层另一侧表面制作导电层。
所述的反应离子刻蚀工艺参数包括：线圈功率为300W–600W；刻蚀气体为O2、CF4、Ar2；平板功率为50W-300W；刻蚀时间为20s-100s。
本发明的优势在于：同传统的竖直方向的两层薄膜发电机相比，该单层结构利用了水平方向的摩擦力，而且电极输出在同一平面，有利于后续的加工与集成，本发明提出的纳米发电机及其制备方法工艺简单、成本低、产率高、可批量生产，易于集成加工且所提出新型结构有效的利用了自然界中水平方向的摩擦。
附图说明
图1为本发明的纳米发电机结构示意图；
图2为本发明的纳米发电机具有纳米结构的栅状铝电极扫描电镜照片；
图3为本发明的纳米发电机测试结果图，其输出电压范围大约为8-30V；
图4为本发明的纳米发电机为1μF电容充电的测试结果图；
图5为本发明的纳米发电机为电容充电的测试结果图。
具体实施方式
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例：如图1至图5所示，包括导电层1、栅状结构的铝电极2、铝电极纳米结构层2-1、PTFE薄膜层3、薄膜纳米结构层3-1，制备步骤如下：
步骤1：利用反应离子刻蚀工艺产生的阳等离子轰击PTFE薄膜层3表面，使PTFE薄膜层3一侧表面形成不规则的薄膜纳米结构层3-1。
步骤2：利用溅射或蒸发或者化学气相沉积工艺，在薄膜纳米结构层3-1一侧表面制作出的完整的铝电极；
步骤3：利用光刻胶掩膜通过光刻实现图形化金属电极，从而得到栅状结构的铝电极2；
步骤4：利用水浴加热的方法通过控制加热的温度与时间在栅状结构的铝电极2一侧表面得到铝电极纳米结构层2-1，制备参数为：温度70℃–80℃，时间10min–20min；
步骤5：利用蒸发或溅射或化学气相沉积工艺，在薄膜层3另一侧表面制作导电层1，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。
所述栅状结构的铝电极2厚度为100nm–2000μm。
所述铝电极纳米结构层2-1厚度为10nm-1μm。
所述的薄膜层3厚度为5μm–2000μm。
所述薄膜纳米结构层3-1厚度为10nm-1μm。
所述导电层1的厚度为50nm–3000nm。
以上对本发明所提供的一种基于横向摩擦的单表面纳米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 (9)
1.一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机，其特征在于:所述发电机通过两组相同结构相对、相互水平摩擦组成，其中，所述结构包含五层，最外层为导电层，与导电层相邻的为薄膜层，薄膜层另一侧设有薄膜纳米结构层，薄膜纳米结构层另一侧设有金属电极，金属电极另一侧设有金属电极纳米结构层；
金属电极呈栅状结构，两组结构的金属电极交错相对，金属电极的材料为铝或镍或铜或银或金或铂。
2.根据权利要求1所述的一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机，其特征在于：薄膜层的材料为聚四氟乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯或聚酰亚胺。
3.根据权利要求1所述的一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机，其特征在于：导电层的材料为金或银或铂或铜或铝或钛或钨。
4.根据权利要求1所述的一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机，其特征在于：导电层的材料为铟锡金属氧化物或III-V族化合物或高掺杂硅。
5.根据权利要求1所述的一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机，其特征在于：所述的栅状结构的金属电极厚度为100nm–2000μm。
6.根据权利要求3所述的一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机，其特征在于：所述的薄膜层厚度为5μm–2000μm。
7.根据权利要求3所述的一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机，其特征在于：所述导电层的厚度为50nm–3000nm。
8.根据权利要求1所述的一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：利用反应离子刻蚀工艺产生的阳等离子轰击薄膜层表面，使薄膜层一侧表面形成不规则的薄膜纳米结构层 ；
步骤2：利用溅射或蒸发或者化学气相沉积工艺，在薄膜纳米结构层一侧表面制作出完整的金属电极；
步骤3：利用光刻胶掩膜通过光刻实现图形化金属电极，从而得到栅状结构的金属电极；
步骤4：利用水浴加热的方法通过控制加热的温度与时间在金属电极一侧表面得到金属电极纳米结构层；
步骤5：利用蒸发或溅射或化学气相沉积工艺，在薄膜层另一侧表面制作导电层。
9.根据权利要求8所述的一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机制备方法，其特征在于所述的步骤1)中：所述的反应离子刻蚀工艺参数包括：线圈功率为300W–600W；刻蚀气体为O2或CF4或Ar2；平板功率为50W-300W；刻蚀时间为20s-100s。
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