CN106730882A - 一种基于摩擦纳米发电机的自驱动发光鼓掌器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于摩擦纳米发电机的自驱动发光鼓掌器及其制备方法，其包括两手掌和至少一个摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机由两摩擦部件构成，两摩擦部件分别固定在一个手掌的击打面上；其中：第一个摩擦部件是在柔性衬底上依次固定有金属铝片和PDMS薄膜，PDMS薄膜表面一体化成型有阵列式PDMS凸起；第二个摩擦部件是在柔性衬底上固定有金属铝片，在金属铝片上设置有阵列式铝凸起；两摩擦部件从金属铝片处引出电极，分别连接发光二极管的一个引脚；两手掌在拍合时产生机械能，摩擦纳米发电机将机械能转化为电能，使得发光二极管发光。本发明的自驱动发光鼓掌器结构简单、性能稳定，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及能量转化领域，特别涉及到一种基于摩擦纳米发电机的自驱动发光鼓掌器。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，具备各种各样功能的微电子产品不断地走入人们的日常生活，并逐渐成为人类生活必不可少的一部分。然而，伴随着微电子产品的***式增长，人们对电子产品的续航能力提出了更加苛刻的要求。一方面，随着超大规模集成电路产业的发展，微电子产品的功耗越来越小；另一方面，微电子产品的电池能量密度也越来越大。但是这两个方面能力的提高依旧不能满足人们的需求，一种基于摩擦静电感应原理的纳米发电机能够很好的解决此问题，这将对人们的日常生活产生巨大影响。
现有商用发光鼓掌器的发光大部分是通过电池供电来驱动的，外部电池不仅体积大质量重，不利于电子产品的小型化，而且含有对环境和人体有害的化学物质。因此，若能研究出将摩擦纳米发电机应用于发光鼓掌器的方式，避免电池的使用，将具有重要的价值。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，充分利用摩擦纳米发电机的供电作用，提供一种结构新颖、制备工艺简单、供电能力强、使用寿命长、且防雨防腐蚀能力强的自驱动发光鼓掌器。
本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明基于摩擦纳米发电机的自驱动发光鼓掌器，其特点在于：包括两手掌和至少一个摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机由两摩擦部件构成，两摩擦部件分别固定在一个手掌的击打面的相对应位置处，使得两手掌在拍合时，两摩擦部件相互接触；
其中：第一摩擦部件是以PET薄膜作为柔性衬底，在所述柔性衬底上固定有金属铝片，在所述金属铝片上固定有PDMS薄膜，所述PDMS薄膜表面一体化成型有阵列式PDMS凸起；第二摩擦部件是以PET薄膜作为柔性衬底，在所述柔性衬底上固定有金属铝片，在所述金属铝片上设置有与所述阵列式PDMS凸起相配合的阵列式铝凸起；
第一摩擦部件和第二摩擦部件皆从金属铝片处引出电极，分别连接发光二极管的负极引脚和正极引脚；两手掌在拍合时产生机械能，所述摩擦纳米发电机将机械能转化为电能，使得发光二极管发光。
鼓掌器在拍合时，手指处机械能最大，因此将所述摩擦纳米发电机的两摩擦部件分别固定在两手掌前端的手指处。
所述PDMS薄膜的厚度在400～450μm；所述金属铝片的厚度在20～23.6μm。
所述阵列式PDMS凸起和所述阵列式铝凸起皆为微米级阵列圆柱，各圆柱高度在80～100nm、直径在3～6μm，各圆柱之间间距在1～4μm。
本发明上述基于摩擦纳米发电机的自驱动发光鼓掌器的制备方法包括如下步骤：
(1)将两PET薄膜超声清洗并吹干后，作为柔性衬底备用；将两金属铝片和一n型轻掺杂硅片超声清洗并吹干后备用；
(2)利用光刻胶和紫外曝光技术在硅片的抛光面上定义所需阵列图案，再用电子束镀膜设备在硅片的抛光面上蒸镀30nm的金薄膜，最后用丙酮浸泡并超声去掉多余光刻胶，使硅片的抛光面形成金阵列；
然后将硅片放入浓度分别为4.6M的氢氟酸和0.4M的过氧化氢的混合溶液中，并在恒温箱内50℃刻蚀1小时，使金阵列处刻蚀出孔洞，获得硅模板；
再将由PDMS基础胶体和固化剂按质量比10:1构成的混合胶体旋涂在硅模板表面，然后放入真空干燥箱内，真空常温下保持15分钟以去除气泡，再加热至85℃保持1个小时；
最后进行机械剥离，获得表面一体化成型有阵列式PDMS凸起的PDMS薄膜；
(3)利用光刻胶和紫外曝光技术在一金属铝片的表面定义所需阵列图案，再用电子束镀膜设备在金属铝片的表面蒸镀100nm的铝薄膜，最后用丙酮浸泡并超声去掉多余的光刻胶，使金属铝片表面形成阵列式铝凸起；
(4)将另一金属铝片固定到一PET薄膜上，再将表面一体化成型有阵列式PDMS凸起的PDMS薄膜粘合到金属铝片上，引出电极，获得第一摩擦部件；
(5)将表面形成有阵列式铝凸起的金属铝片固定到另一PET薄膜上，并引出电极，获得第二摩擦部件；
(6)分别将两摩擦部件的柔性衬底粘合到鼓掌器两手掌的击打面上，并在鼓掌器上设置发光二极管，然后将第一摩擦部件和第二摩擦部件分别连接发光二极管的负极引脚和正极引脚，即获得基于摩擦纳米发电机的自驱动发光鼓掌器。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明基于摩擦纳米发电机的自驱动发光鼓掌器，是以超薄铝箔和易于加工成型的PDMS薄膜作为摩擦纳米发电机的核心，将通过鼓掌器两个击打面的撞击产生的机械能转换成电能，为发光二极管供电，从而实现鼓掌器的自驱动发光效果；相对于普通电池供电的发光鼓掌器来言，基于摩擦纳米发电机的自驱动发光鼓掌器可以有效减少对外部供电电池的依赖，更适合大规模生产，有很大的市场应用潜力；
2、本发明制备自驱动发光鼓掌器的材料都是无毒无害的，并且在获取能量的过程中也是绿色可循环的，对生态环境的保护和绿色能源的开发有着重大的意义。
3、本发明以PET薄膜作为衬底，得到柔性的摩擦纳米发电单元，即可以更好的耦合外部的低频机械能，还能起到缓冲减震的作用。
4、本发明在PDMS薄膜和金属铝片上制备规则的阵列式圆柱图案，可以得到更大的有效接触面积，从而使两个摩擦面接触时一次转移的电荷量更多，使得外电路中产生的电信号更强。
附图说明
图1为本发明基于摩擦纳米发电机的自驱动发光鼓掌器的结构示意图；
图2为本发明自驱动发光鼓掌器中固定手掌和活动手掌拍打面的结构示意图；
图3为本发明自驱动发光鼓掌器中第二摩擦部件的结构示意图；
图4为本发明自驱动发光鼓掌器中第一摩擦部件的结构示意图；
图5为本发明基于摩擦纳米发电机的自驱动发光鼓掌器的实物图；
图6为本发明实施例1中所得硅模板的形貌图；
图7为本发明实施例1中所得表面一体化成型有阵列式PDMS凸起的PDMS薄膜的形貌图；
图8为本发明实施例1中所得表面形成有阵列式铝凸起的金属铝片的形貌图；
图9为本发明实施例1中所得器件的开路电压图；
图10为本发明实施例1中所得器件的短路电流图；
图11为本发明实施例1中所得鼓掌器的实际效果图；
图中标号：1为固定手掌，1a为手柄，1b为卡槽，1c为紧固套，2为活动手掌，2a为连接片，2b为限位挡条，3为第一摩擦部件，4为第二摩擦部件，5为柔性衬底，6为金属铝片，7为PDMS薄膜，8为阵列式PDMS凸起，9为阵列式铝凸起，10为发光二极管，10a为负极引脚，10b为正极引脚。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，本实施例基于摩擦纳米发电机的自驱动鼓掌器具有如下结构：包括两手掌和至少一个摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机由两摩擦部件构成，两摩擦部件分别固定在一个手掌的击打面的相对应位置处，使得两手掌在拍合时，两摩擦部件相互接触。
具体实施时，两手掌分别为一固定手掌1和一活动手掌2，在固定手掌1的下端形成有手柄1a，活动手掌2以上端可摆动的形式设于手柄上；两摩擦部件分别固定在固定手掌1和活动手掌2的拍打面上；
其中：如图4所示，第一摩擦部件3是以PET薄膜作为柔性衬底5，在柔性衬底5上固定有金属铝片6，在金属铝片6上固定有PDMS薄膜7，PDMS薄膜7表面一体化成型有阵列式PDMS凸起8；如图3所示，第二摩擦部件4是以PET薄膜作为柔性衬底5，在柔性衬底5上固定有金属铝片6，在金属铝片6上设置有与阵列式PDMS凸起8相配合的阵列式铝凸起9；
在活动手掌2的外表面设置有若干串联的发光二极管10，具体实施时，可将各发光二极管的正极引脚和负极引脚穿透活动手掌，在其内表面串联连接；第一摩擦部件3和第二摩擦部件4从金属铝片处引出电极，分别连接发光二极管的负极引脚10a和正极引脚10b。
具体实施时，摩擦纳米发电机的两摩擦部件分别固定在活动手掌2和固定手掌1前端的手指处。如图2所示，本实施例的自驱动鼓掌器共设置有3组摩擦纳米发电机，分别在食指、中指和无名指处。
具体实施时，PDMS薄膜7的厚度在400～450μm，金属铝片6的厚度在20～23.6μm。阵列式PDMS凸起8和阵列式铝凸起9皆为微米级阵列圆柱，各圆柱高度在80～100nm，直径在3～6μm，各圆柱之间间距在1～4μm(指的是最小间距)。
如图1和图2所示，具体实施时，在活动手掌2的底端设有连接片2a，在固定手掌1上设有卡槽1b，连接片卡接于卡槽1b内；固定手掌1上还设有将连接片2a套紧的紧固套1c；连接片2a在紧固套的上、下方分别设有凸起的限位挡条2b。
图5为本实施例基于摩擦纳米发电机的自驱动发光鼓掌器的实物图(拍打面)。
上述基于摩擦纳米发电机的自驱动鼓掌器是按如下步骤进行制备：
(1)将两PET薄膜(尺寸为2.5cm×2.5cm)用去离子水超声5分钟，然后用氮气吹干，作为柔性衬底备用；将两金属铝片(尺寸为2cm×2cm，厚度为23.6μm)和一n型轻掺杂硅片(1-10Ω/cm)依次用丙酮、酒精超声10分钟，再用去离子水超声5分钟，然后用氮气吹干备用。
(2)利用光刻胶和紫外曝光技术在硅片的抛光面上定义所需阵列图案，再用电子束镀膜设备在硅片的抛光面上蒸镀30nm的金薄膜，最后用丙酮浸泡并超声去掉多余光刻胶，使硅片的抛光面形成金阵列；
然后将硅片放入浓度分别为4.6M的氢氟酸和0.4M的过氧化氢的混合溶液中，并在恒温箱内50℃刻蚀1小时，使金阵列处刻蚀出孔洞，获得硅模板，如图6所示。
再将由PDMS基础胶体(Sylgard 184,Dow corning)和固化剂(Sylgard 184,Dowcorning)按质量比10:1构成的混合胶体旋涂在硅模板表面，转速为600rpm、时间保持在60s，然后放入真空干燥箱内，真空常温下保持15分钟以去除气泡，加热至85℃保持1个小时；
最后进行机械剥离，获得表面一体化成型有阵列式PDMS凸起的PDMS薄膜，如图7所示，PDMS薄膜厚度为450μm，阵列式PDMS凸起为微米级阵列圆柱，各圆柱高度为100nm、直径为5μm，各圆柱之间间距为3μm。
(3)利用光刻胶和紫外曝光技术在一金属铝片的表面定义所需阵列图案，再用电子束镀膜设备在金属铝片的表面蒸镀100nm的铝薄膜，最后用丙酮浸泡并超声去掉多余的光刻胶，使金属铝片表面形成阵列式铝凸起，如图8所示，阵列式铝凸起为微米级阵列圆柱，各圆柱高度为100nm、直径为5μm，各圆柱之间间距为3μm。
(4)将另一金属铝片固定到一PET薄膜上，再将表面一体化成型有阵列式PDMS凸起的PDMS薄膜粘合到金属铝片上，引出电极，获得第一摩擦部件；
(5)将表面形成有阵列式铝凸起的金属铝片固定到另一PET薄膜上，并引出电极，获得第二摩擦部件；
(6)分别将两摩擦部件的柔性衬底粘合到鼓掌器两手掌的击打面上，并在鼓掌器上设置一系列串联的发光二极管，然后将第一摩擦部件和第二摩擦部件的引出电极分别连接发光二极管的负极引脚和正极引脚，即获得基于摩擦纳米发电机的自驱动发光鼓掌器。在本实施例中共设置3个并联的摩擦纳米发电机。
本实施例的自驱动发光鼓掌器在外力作用下，开路电压与时间关系特性曲线如图9所示，短路电流与时间关系特性曲线如图10所示；在拍动鼓掌器的时候，自驱动发光鼓掌器上发光二极管泡发光状态如图11所示，其中测试条件分别在弱光和黑暗环境中。
从图9中可以看出在拍动鼓掌器的时候，两个电极间能稳定的输出脉冲电压信号，其中开路电压的峰值大约在225V左右。从图10中可以看出在拍动鼓掌器的时候，两个电极间能稳定的输出脉冲电流信号，其中短路电流的峰值大约在1μA左右。从图11中可以分别看出自驱动发光鼓掌器在不拍动时的灯泡状态(图11a)、拍动时在暗光条件下的发光状态(图11b)以及拍动时在黑暗条件下的发光状态(图11c)。
本实施例基于摩擦纳米发电机的自驱动发光鼓掌器的发电单元的尺寸大小为2cm×2cm，在鼓掌器上一共并联了3组摩擦纳米发电机，整体发电机组一次向外电路供电大约225μW，能量密度大约为18.75μW/cm2。
以上所述仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于摩擦纳米发电机的自驱动发光鼓掌器，其特征在于：包括两手掌和至少一个摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机由两摩擦部件构成，两摩擦部件分别固定在一个手掌的击打面上，使得两手掌在拍合时，两摩擦部件相互接触；
其中：第一摩擦部件是以PET薄膜作为柔性衬底，在所述柔性衬底上固定有金属铝片，在所述金属铝片上固定有PDMS薄膜，所述PDMS薄膜表面一体化成型有阵列式PDMS凸起；第二摩擦部件是以PET薄膜作为柔性衬底，在所述柔性衬底上固定有金属铝片，在所述金属铝片上设置有与所述阵列式PDMS凸起相配合的阵列式铝凸起；
第一摩擦部件和第二摩擦部件皆从金属铝片处引出电极，分别连接发光二极管的负极引脚和正极引脚；两手掌在拍合时产生机械能，所述摩擦纳米发电机将机械能转化为电能，使得发光二极管发光。
2.根据权利要求1所述的自驱动发光鼓掌器，其特征在于：所述摩擦纳米发电机的两摩擦部件分别固定在两手掌前端的手指处。
3.根据权利要求1所述的自驱动发光鼓掌器，其特征在于：所述PDMS薄膜的厚度在400～450μm；所述金属铝片的厚度在20～23.6μm。
4.根据权利要求1所述的自驱动发光鼓掌器，其特征在于：所述阵列式PDMS凸起和所述阵列式铝凸起皆为微米级阵列圆柱，各圆柱高度在80～100nm、直径在3～6μm，各圆柱之间间距在1～4μm。
5.一种权利要求1～4中任意一项所述的自驱动发光鼓掌器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将两PET薄膜超声清洗并吹干后，作为柔性衬底备用；将两金属铝片和一n型轻掺杂硅片超声清洗并吹干后备用；
(2)利用光刻胶和紫外曝光技术在硅片的抛光面上定义所需阵列图案，再用电子束镀膜设备在硅片的抛光面上蒸镀30nm的金薄膜，最后用丙酮浸泡并超声去掉多余光刻胶，使硅片的抛光面形成金阵列；
然后将硅片放入浓度分别为4.6M的氢氟酸和0.4M的过氧化氢的混合溶液中，并在恒温箱内50℃刻蚀1小时，使金阵列处刻蚀出孔洞，获得硅模板；
再将由PDMS基本胶体和固化剂按质量比10:1构成的混合胶体旋涂在硅模板表面，然后放入真空干燥箱内，真空常温下保持15分钟以去除气泡，再加热至85℃保持1个小时；
最后进行机械剥离，获得表面一体化成型有阵列式PDMS凸起的PDMS薄膜；
(3)利用光刻胶和紫外曝光技术在一金属铝片的表面定义所需阵列图案，再用电子束镀膜设备在金属铝片的表面蒸镀100nm的铝薄膜，最后用丙酮浸泡并超声去掉多余的光刻胶，使金属铝片表面形成阵列式铝凸起；
(4)将另一金属铝片固定到一PET薄膜上，再将表面一体化成型有阵列式PDMS凸起的PDMS薄膜粘合到金属铝片上，并引出电极，获得第一摩擦部件；
(5)将表面形成有阵列式铝凸起的金属铝片固定到另一PET薄膜上，并引出电极，获得第二摩擦部件；
(6)分别将两摩擦部件的柔性衬底粘合到鼓掌器两手掌的击打面上，并在鼓掌器上设置发光二极管，然后将第一摩擦部件和第二摩擦部件分别连接发光二极管的负极引脚和正极引脚，即获得基于摩擦纳米发电机的自驱动发光鼓掌器。
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