CN103771336A - 一种基于压电聚合物微结构阵列的俘能器制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于压电聚合物微结构阵列的俘能器制造方法，先在导电基材上制备压电聚合物微柱阵列，然后使用另一块平板电极作为上电极，与基材形成一对平行平板电极，并在电极间施加直流电压，当加热基材至压电聚合物的玻璃态转换温度以上时，受电场力诱导作用，微柱阵列重新流变直至接触上电极形成具有蘑菇状顶部的大深宽比微柱阵列，在电场诱导流变的过程中，压电聚合物微结构化的同时其内部分子沿电场方向取向，获得具有强压电效应的微型俘能器，本发明得到的压电聚合物微结构阵列连接上下电极直接形成最终需要的器件，不需要复杂的工艺控制，大大降低了加工成本，提高了加工效率。
Description
技术领域
本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种基于压电聚合物微结构阵列的俘能器制造方法。
背景技术
随着社会工业化进程的加快和世界人口的急速增长，能源问题已经成为当今最为关注的问题之一，通过开发新能源和回收可再生能源来解决能源匮乏的重要性日益凸显。潜在可用的环境能源有：太阳能、地热能和振动机械能等等，太阳能和地热能由于受天气因素的影响和地理环境的限制而难以广泛使用，而振动机械能是自然界存在范围很广的能量形式，由于其无处不在且具有较高的能量密度，因此研究振动能量收集技术具有重要意义。常见的能将机械振动转化成电能的方法有电磁、静电和压电三种转换方式，电磁转换是利用电磁感应现象将机械能转换成电能，其缺点在于所用线圈的体积大且输出电压小，俘能效果不佳；而静电转换是在保持电压稳定时，外力激励改变电容器的电容，从而引起电荷流动而输出电能，但这种俘能方式的最大缺点在于需要一个独立的电源为其提供稳衡电压，因此在实际应用中受到了很大限制；压电转换是利用环境振动诱导压电材料变形，变形导致材料分子中的正负电荷中心分离，从而产生极化电压，驱动极板上的电荷定向流动输出电能，因为压电转换具有力电转换性能好、能量密度大、无需额外电源、易微型化等优点，非常适用于俘获自然环境中和人在运动过程中产生的机械能，具有非常广阔的应用前景。
在众多的压电材料中，压电聚合物材料具有密度低、柔性好、适于大面积加工、具有低介电常数、低的机械阻抗、使用寿命长等优点，越来越受到各国科技者的青睐。极化是压电聚合物材料产生压电性能的重要环节，主要目的是让压电聚合物中杂乱取向的分子偶极矩沿着极化电场方向一致取向。目前，基于高分子压电聚合物的俘能器制造方法通常是先在高温下通过熔融压延或挤出成型制备初始薄膜，冷却到一定温度后经过机械拉伸取向，随后蒸镀电极并电场极化得到具有较好压电效应的薄膜，再进行薄膜固定、器件封装。从上述薄膜制备和器件制作工艺看，必须先经过复杂的制备工艺制备好具有压电特性的薄膜再封装到器件中，这种方法使器件制作成本较高，效率较低，更无法适应器件微型化及智能化的发展。更进一步，为了更大程度的提高压电俘能器的能量转换效率，在薄膜上制备三维微纳米结构是必不可少的，在同样大小的机械振动下，大深宽比的微结构阵列相对于薄膜能够产生更大的形变，从而产生更多的电能。而传统俘能器制备压电薄膜过程中高温压延和挤出过程、拉伸过程很难与MEMS中的硅基平面工艺匹配，因此将具有微纳米结构的压电聚合物集成到压电俘能器工艺中，实现微器件的制备，是一个亟待解决的技术瓶颈。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于压电聚合物微结构阵列的俘能器制造方法，在电场和热场的同时作用下，压电聚合物流变成为微结构的同时沿电场方向极化获得强压电性，最终得到一组连接上下电极的压电聚合物微结构阵列，直接形成最终的压电俘获器件，本发明将材料的压电性能和尺度效应有机地结合起来，不仅可以得到具有大深宽比的压电聚合物微结构阵列而且可以将制备薄膜、拉伸取向、电场极化、器件封装等过程简化，从而减少制作工序，提高效率，达到器件制造的批量化、低成本和一致性等制造技术属性要求。
为了达到上述目的，本发明采取的技术路线为：
一种基于压电聚合物微结构阵列的俘能器制造方法，包括以下步骤：
第一步，压印模具的制备及处理：在硅片表面利用光刻和刻蚀工艺制备出所需的圆孔阵列图形结构，并对其进行表面处理，使其利于压印后的脱模；
第二步，基材和电极的选择及处理：基材和电极都采用FTO或ITO导电玻璃，利用匀胶机在基材表面旋涂一层厚度为微米级别的高分子压电聚合物溶液并在100℃热板上把残余溶剂蒸干；
第三步，压印及脱模：在烘箱中，以8Mpa的压力将处理后的压印模具压在聚合物薄膜上，并把烘箱温度升至压电聚合物的玻璃态转换温度以上，10-30分钟后，冷却至室温，脱模，在基材上留下压电聚合物的柱状阵列；
第四步，电场诱导流变成型：利用另一块FTO或ITO导电玻璃作为上电极，与基材组合形成一对平板电极，两平板电极之间有一层空气间隙，空气间隙是通过垫不同厚度的聚酰亚胺薄膜来控制，空气间隙要求是柱状阵列高度的2-4倍，把平板电极放入烘箱中，施加外接直流电源，正极连上电极，负极连基材，把烘箱温度升至压电聚合物的玻璃态转换温度以上，调节电压，使压电聚合物柱状阵列受到的电场力克服表面张力以及粘滞阻力流变，保持施加电压20-50min，直到压电聚合物微柱阵列接触到上电极并润湿形成顶部宽大的蘑菇状结构阵列；
第五步，压电聚合物固化直接获得压电俘能器：在保持电压不变的情况下，将烘箱冷却到室温后撤去电压，得到一组连接基材和上电极的压电聚合物微结构阵列，把基材和上电极之间的聚酰亚胺薄膜拔出，大深宽比的压电聚合物微结构阵列和上下电极一起构成了微型压电俘能器；
第六步，压电俘能器将周围机械振动转换为电能：将压电俘能器连接外部电路，经过整流器将外界机械振动产生的交流电转换成直流电，再经过滤波、直流变换等得到满足要求的直流电压，供给负载电阻。
所述的压电聚合物是聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯与三氟乙烯共聚物P（VDF-TrFE）、聚氯乙烯（PVC）或尼龙-11。
所述的压电聚合物溶液是通过把压电高分子粉末，以10%的质量浓度分散在相应溶剂中，在60℃水浴环境下用磁力搅拌机搅拌30-50分钟使其充分溶解得到。
本发明可适用于广泛的压电聚合物材料，得到的压电俘能器具有大深宽比的微结构阵列，大大提高了压电俘能器的能量转换效率。同时由于本发明不需要多重复杂的工艺，获得微结构的同时完成了电场极化，器件制作过程一步成型，大大降低了加工成本，提高了加工效率，本技术方案可以广泛地应用在水声探测、压电传感和超声换能等领域，同时也可为无线网络、嵌入式***和MEMS等低耗能产品的实现无线供能，展现出了压电俘能技术的良好应用前景。
附图说明：
图1为本发明压印模具的结构示意图。
图2为本发明在基材上制备一层压电聚合物薄膜的示意图。
图3为本发明将处理后的模板压在压电聚合物薄膜上的示意图。
图4为本发明脱模后形成的压电聚合物柱状阵列示意图。
图5为本发明垫好支架并加上上电极后，施加外电场的示意图
图6为本发明在加热状态下，电场诱导流变成型过程中压电聚合物微结构阵列的流变示意图。
图7为本发明电场诱导流变结束后压电聚合物微阵列连接上下电极的示意图。
图8为本发明降温固化后撤去电压、拔除聚酰亚胺膜后形成的压电俘能器的示意图。
图9是本发明利用压电俘能器将机械振动转换为电能的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细描述。
一种基于压电聚合物微结构阵列的俘能器制造方法，包括以下步骤：
第一步，压印模具的制备及处理：压印模具1采用光刻和刻蚀的传统工艺，在硅片上制作微孔阵列，如图1所示，完成后用氟硅烷溶液浸泡6小时，并170℃烘烤12小时进行低表面能处理，防止脱模时损伤微柱阵列结构；
第二步，基材和电极的选择及处理：选择FTO或ITO导电玻璃作为基材2和上电极6，利用匀胶机在基材2表面旋涂一层厚度为微米级别的高分子压电聚合物3溶液并在100℃热板上把残余溶剂蒸干，如图2所示；
第三步，压印及脱模：在烘箱中，以8Mpa的压力P将处理后的压印模具1压在聚合物3上，并把烘箱温度升至压电聚合物的玻璃态转换温度以上，10-30分钟后，冷却至室温，脱模，在基材上留下压电聚合物的柱状阵列4，如图3、图4所示；
第四步，电场诱导流变成型：利用另一块FTO或ITO导电玻璃作为上电极6，与基材2组合形成一对平板电极，两平板电极之间有一层空气间隙，空气间隙是通过垫不同厚度的聚酰亚胺薄膜5来控制，空气间隙要求是柱状阵列高度的2-4倍，把平板电极放入烘箱中，施加外接直流电源7，正极连上电极6，负极连基材2，把烘箱温度升至压电聚合物的玻璃态转换温度以上，调节电压，使压电聚合物微阵列8受到的电场力克服表面张力以及粘滞阻力流变，保持施加电压20-50min，直到压电聚合物微柱阵列8接触到上电级6并润湿形成顶部宽大的蘑菇状结构阵列9，如图5、图6、图7所示；
第五步，压电聚合物固化直接获得压电传感器：在保持电压7不变的情况下，将烘箱冷却到室温后撤去电压7，得到一组连接基材2和上电极6的压电聚合物微结构阵列10，把基材2和上电极6之间的聚酰亚胺薄膜5拔出，大深宽比的压电聚合物微结构阵列10和上电极6、下电极2一起构成了微型压电俘能器，如图8所示；
第六步，压电俘能器将周围机械振动转换为电能：将压电俘能器连接外部电路，一般经过整流器11，将外界机械振动F产生的交流电转换成直流电，再经过滤波、直流变换等得到满足要求的直流电压，供给负载电阻12，如图9所示。
上述方法，可以实现的PVDF微结构阵列尺寸为：模具凸起部分尺寸W1以及凹陷部分尺寸W2均为10微米至100微米级，平板电极之间的距离h2为20微米至100微米级，压印高度h1，为10微米至50微米级，最终得到的压电聚合物微结构阵列尺寸W4为5微米至50微米级，微米柱之间的间隙W3为10微米至100微米级，压电聚合物微结构阵列的高度h2为20微米至100微米级。
本发明采用了压印光刻和电场诱导流变的方法，获得了具有强压电效应的大深宽比微柱阵列，能够利用压印光刻对微柱阵列进行大面积的定位，此步骤定位准确，简单经济。压印形成的微柱阵列，在热场和电场的同时作用下，进一步流变，最终接触到上级板，形成联通上下极板的微结构阵列，冷却固化后直接获得了最终需要的压电式俘能器，由于此种加工工艺不需要多重复杂的工艺，获得微结构的同时完成了电场极化，器件一步成型，大大降低了加工成本，提高了加工效率，可以广泛地应用在水声探测、压电传感和超声换能等领域。
Claims (3)
1.一种基于压电聚合物微结构阵列的俘能器制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，压印模具的制备及处理：在硅片表面利用光刻和刻蚀工艺制备出所需的圆孔阵列图形结构，并对其进行表面处理，使其利于压印后的脱模；
第二步，基材和电极的选择及处理：基材和电极都采用FTO或ITO导电玻璃，利用匀胶机在基材表面旋涂一层厚度为微米级别的高分子压电聚合物溶液并在100℃热板上把残余溶剂蒸干；
第三步，压印及脱模：在烘箱中，以8Mpa的压力将处理后的压印模具压在聚合物薄膜上，并把烘箱温度升至压电聚合物的玻璃态转换温度以上，10-30分钟后，冷却至室温，脱模，在基材上留下压电聚合物的柱状阵列；
第四步，电场诱导流变成型：利用另一块FTO或ITO导电玻璃作为上电极，与基材组合形成一对平板电极，两平板电极之间有一层空气间隙，空气间隙是通过垫不同厚度的聚酰亚胺薄膜来控制，空气间隙要求是柱状阵列高度的2-4倍，把平板电极放入烘箱中，施加外接直流电源，正极连上电极，负极连基材，把烘箱温度升至压电聚合物的玻璃态转换温度以上，调节电压，使压电聚合物柱状阵列受到的电场力克服表面张力以及粘滞阻力流变，保持施加电压20-50min，直到压电聚合物微柱阵列接触到上电极并润湿形成顶部宽大的蘑菇状结构阵列；
第五步，压电聚合物固化直接获得压电俘能器：在保持电压不变的情况下，将烘箱冷却到室温后撤去电压，得到一组连接基材和上电极的压电聚合物微结构阵列，把基材和上电极之间的聚酰亚胺薄膜拔出，大深宽比的压电聚合物微结构阵列和上下电极一起构成了微型压电俘能器；
第六步，压电俘能器将周围机械振动转换为电能：将压电俘能器连接外部电路，经过整流器将外界机械振动产生的交流电转换成直流电，再经过滤波、直流变换等得到满足要求的直流电压，供给负载电阻。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电聚合物微结构阵列的俘能器制造方法，其特征在于：所述的压电聚合物是聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯与三氟乙烯共聚物P（VDF-TrFE）、聚氯乙烯（PVC）或尼龙-11。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电聚合物微结构阵列的俘能器制造方法，其特征在于：所述的压电聚合物溶液是通过把压电高分子粉末，以10%的质量浓度分散在相应溶剂中，在60℃水浴环境下用磁力搅拌机搅拌30-50分钟使其充分溶解得到。
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