CN108063183B - 一种基于纳米压印制备封闭多孔压电驻极体俘能器的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于纳米压印制备封闭多孔压电驻极体俘能器的方法，先进行压印模具的制备及处理，再进行压电驻极体薄膜制备，然后进行压印及脱模，得到压电驻极体的孔状薄膜；再将多张孔状薄膜键合形成多层封闭多孔膜；进行电晕驻极，最后进行多层封闭多孔膜两端溅射工作电极，本发明封闭孔腔室能够极大提高电荷存储强度和稳定性，多层孔结构能提高力电转换效率，提高俘能器输出。
Description
技术领域
本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种基于纳米压印制备封闭多孔压电驻极体俘能器的方法。
背景技术
随着新材料的开发及纳米制造技术的进步，柔性电子技术与纳米科技相结合取得了快速发展，新一代电子器件朝着柔性化、多功能、微型化发展，多种高灵敏度微纳米传感器、柔性发光显示器、柔性晶体管阵列等相继开发出来，在信息交流，健康诊断，环境监测等方面发挥重要作用。同时，可穿戴电子的数量也日益增长，这些数量庞大的柔性电子器件的可持续供电成为一个新的挑战。目前，利用压电效应和摩擦电效应可以将人体运动、机械振动、流体等自然存在的机械能转化为电能给柔性器件供电，有望实现无需外接电源的自驱动纳米器件。摩擦纳米发电机利用一对摩擦副接触分离实现俘能，需要特殊的封装结构，且输出不稳定，容易受环境湿度等因素影响；柔性压电俘能器为一体式薄膜形结构，结构简单，输出稳定，但柔性压电材料内部极化强度不高，输出有限，难以有效驱动微电子器件。多孔压电驻极体材料利用孔洞内长期保存的注入电荷可以有效将机械能转变为电能，在宏观上展现出良好的压电性能，可以通过空间驻极在材料内部获得很高的极化强度，克服了传统压电聚合物输出不高的问题，且结构简单，柔性好，非常适合集成到自驱动柔性电子***中，具有广阔的应用前景。
为了制造多孔压电驻极体薄膜，最常用的方法是将驻极体薄膜从常温升高到材料熔融温区，使用压力膨化工艺使驻极体孔洞膜的厚度随着热处理温度的升高而逐渐增大，再进一步高压电晕驻极，将空间电荷注入到膨化产生的孔洞中获得强压电性。此种压力膨化工艺常用于聚丙烯孔洞膜的成形，对材料有选择性，难以适用于其他驻极体材料；且工艺难以有效控制孔洞的尺寸，多孔膜往往呈现层状分布，形成的孔洞没有形成有效的封闭腔室，因此电晕极化后形成的空间电荷容易受湿度等环境因素影响，影响输出稳定性。此外，多孔结构驻极体孔洞尺寸、密度及分布方式会影响结构内部电场分布和材料整体的弹性模量，从而影响电荷捕获密度和力电转换性能。因此，需要开发一种新的驻极体聚合物材料多孔制造工艺，实现多种驻极体材料不同封闭孔尺寸大小的制造，优化多孔驻极体空间电荷捕获强度和力电转换效率，实现柔性高性能多孔压电驻极体俘能器的高效制造。
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纳米压印制备封闭多孔压电驻极体俘能器的方法，封闭孔腔室能够极大提高电荷存储强度和稳定性，多层孔结构能提高力电转换效率，提高俘能器输出。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于纳米压印制备封闭多孔压电驻极体俘能器的方法，包括以下步骤：
第一步，压印模具的制备及处理：压印模具1采用光刻和刻蚀的工艺，在硅片上制作微孔阵列，进行低表面能处理，防止脱模时损伤微阵列结构；
第二步，压电驻极体薄膜制备：基材2采用柔性聚酰亚胺膜(PI膜)，利用匀胶机在基材2表面旋涂一层厚度为微米级别的压电驻极体溶液并在热板上把残余溶剂蒸干，形成压电驻极体薄膜3；
第三步，压印及脱模：在烘箱中，以15Mpa的压力将第一步处理后的压印模具1压在第二步制备的压电驻极体薄膜3上，并把烘箱温度升至压电驻极体的融化态温度，20-40分钟后，冷却至室温，脱模，得到留在基材2上的压电驻极体的孔状薄膜4，接着将压电驻极体的孔状薄膜4从基材2上剥离，得到分离的压电驻极体的孔状薄膜4；
第四步，多张孔状薄膜键合形成多层封闭多孔膜：将多张第三步制备的孔状薄膜4和连接封装用的驻极体平膜5在竖直方向对准后，加热至驻极体材料玻璃态转换温度后使用键合机键合，形成一整块多层封闭多孔膜；
第五步，电晕驻极：将第四步制备的多层封闭多孔膜放在电晕设备6上进行高压放电，空气电离后注入到封闭多孔腔室内部两测，形成注入电荷；
第六步，在第五步处理后的多层封闭多孔膜两端溅射工作电极9。
所述的第一步中低表面能处理，是将压印模具1用氟硅烷溶液浸泡6小时，并170℃烘烤12小时。
所述的第五步中高压放电，高压源7电压调节至20KV，探头8到多层封闭多孔膜表面距离5cm。
所述的压电驻极体材料是全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚四氟乙烯(PTFE)或聚丙烯(PP)。
所述的压电驻极体溶液是通过把压电驻极体，以10％的质量浓度分散在溶剂中，在水浴环境下用磁力搅拌机搅拌使其充分溶解得到，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基乙酰胺。
本发明的有益效果为：
本发明可适用于多种压电驻极体材料，纳米压印技术能精确的控制孔形状和尺寸，利用键合工艺可以实现多层封闭多孔膜的制造，极大提高注入电荷的稳定性，多层封闭多孔膜进一步增强了薄膜整体的柔性，在外力作用下更容易变形，从而提高压电驻极体器件的俘能效率，本发明制备的封闭多孔压电驻极体俘能器既可以将压力、应变等多种形式的机械能转换为电能给柔性电子器件供电，实现自驱动***，同时也能够作为高灵敏度柔性传感器，应用于微小力测量，环境监测，柔性传感等领域。
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驻极体薄膜的示意图。
图3为本发明压印模具压在压电驻极体薄膜上的示意图。
图4为本发明脱模后形成压电驻极体的孔状薄膜示意图。
图5为本发明将压电驻极体的孔状薄膜从基材上分离示意图。
图6为本发明多张孔状薄膜键合形成多层封闭多孔膜的示意图。
图7为本发明使用高压电晕放电给多层封闭多孔膜注入电荷的示意图。
图8为本发明在驻极后的多层封闭多孔膜两端制备电极的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细描述。
一种基于纳米压印制备封闭多孔压电驻极体俘能器的方法，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，防止脱模时损伤微阵列结构；
第二步，压电驻极体薄膜制备：基材2采用柔性聚酰亚胺膜(PI膜)，利用匀胶机在基材2表面旋涂一层厚度为微米级别的压电驻极体溶液并在热板上把残余溶剂蒸干，形成压电驻极体薄膜3，如图2所示；
第三步，压印及脱模：在烘箱中，以15Mpa的压力将第一步处理后的压印模具1压在第二步制备的压电驻极体薄膜3上，并把烘箱温度升至压电驻极体的融化态温度，20-40分钟后，冷却至室温，脱模，得到留在基材2上的压电驻极体的孔状薄膜4，如图3、图4所示，接着将压电驻极体的孔状薄膜4从基材2上剥离，得到分离的压电驻极体的孔状薄膜4，如图5所示；
第四步，多张孔状薄膜键合形成多层封闭多孔膜：将多张第三步制备的孔状薄膜4和连接封装用的驻极体平膜5在竖直方向对准后，加热至驻极体材料玻璃态转换温度后使用键合机键合，形成一整块多层封闭多孔膜，如图6所示；
第五步，电晕驻极：将第四步制备的多层封闭多孔膜放在电晕设备6上进行高压放电，高压源7电压调节至20KV，探头8到多层封闭多孔膜表面距离5cm，空气电离后注入到封闭多孔腔室内部两测，形成注入电荷，如图7所示；
第六步，在第五步处理后的多层封闭多孔膜两端溅射工作电极9，如图8所示。
所述的压电驻极体材料是全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚四氟乙烯(PTFE)或聚丙烯(PP)。
所述的压电驻极体溶液是通过把压电驻极体，以10％的质量浓度分散在溶剂中，在水浴环境下用磁力搅拌机搅拌使其充分溶解得到，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基乙酰胺。
本发明采用了纳米压印和多层膜键合的方法，获得了具有强压电效应的多层封闭多孔膜，纳米压印方法能实现压电驻极体的孔状薄膜的大面积制造，且尺寸可控，简单经济，将多张压印得到的压电驻极体的孔状薄膜键合成多层封闭多孔膜，不仅可以实现空间注入电荷的长时间保存，也能增加多层封闭多孔膜的柔性，提高俘能效率，由于此种加工工艺经济可控，且可以根据需要完成不同孔尺寸、不同层数的多层封闭多孔膜的制备，非常适合集成到可穿戴柔性传感器和自驱动***中。
Claims (5)
1.一种基于纳米压印制备封闭多孔压电驻极体俘能器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，压印模具的制备及处理：压印模具(1)采用光刻和刻蚀的工艺，在硅片上制作微孔阵列，进行低表面能处理，防止脱模时损伤微阵列结构；
第二步，压电驻极体薄膜制备：基材(2)采用柔性聚酰亚胺膜(PI膜)，利用匀胶机在基材(2)表面旋涂一层厚度为微米级别的压电驻极体溶液并在热板上把残余溶剂蒸干，形成压电驻极体薄膜(3)；
第三步，压印及脱模：在烘箱中，以15Mpa的压力将第一步处理后的压印模具(1)压在第二步制备的压电驻极体薄膜(3)上，并把烘箱温度升至压电驻极体的融化态温度，20-40分钟后，冷却至室温，脱模，得到留在基材(2)上的压电驻极体的孔状薄膜(4)；接着将压电驻极体的孔状薄膜(4)从基材(2)上剥离，得到分离的压电驻极体的孔状薄膜(4)；
第四步，多张孔状薄膜键合形成多层封闭多孔膜：将多张第三步制备的孔状薄膜(4)和连接封装用的多张驻极体平膜(5)在竖直方向交替排列对准后，加热至驻极体材料玻璃态转换温度后使用键合机键合，形成一整块多层封闭多孔膜；
第五步，电晕驻极：将第四步制备的多层封闭多孔膜放在电晕设备(6)上进行高压放电，空气电离后注入到封闭多孔腔室内部两侧，形成注入电荷；
第六步，在第五步处理后的多层封闭多孔膜两端溅射工作电极(9)。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米压印制备封闭多孔压电驻极体俘能器的方法，其特征在于：所述的第一步中低表面能处理，是将压印模具(1)用氟硅烷溶液浸泡6小时，并170℃烘烤12小时。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米压印制备封闭多孔压电驻极体俘能器的方法，其特征在于：所述的第五步中高压放电，高压源(7)电压调节至2万伏，探头(8)到多层封闭多孔膜表面距离5cm。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米压印制备封闭多孔压电驻极体俘能器的方法，其特征在于：所述的压电驻极体材料是全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚四氟乙烯(PTFE)或聚丙烯(PP)。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米压印制备封闭多孔压电驻极体俘能器的方法，其特征在于：所述的压电驻极体溶液是通过把压电驻极体，以10％的质量浓度分散在溶剂中，在水浴环境下用磁力搅拌机搅拌使其充分溶解得到，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基乙酰胺。
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| CN103682081A (zh) * | 2012-09-14 | 2014-03-26 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 压电驻极体薄膜及其制备方法 |
| CN103771336A (zh) * | 2014-01-21 | 2014-05-07 | 西安交通大学 | 一种基于压电聚合物微结构阵列的俘能器制造方法 |
| CN105788863A (zh) * | 2016-02-29 | 2016-07-20 | 杭州电子科技大学 | 一种聚偏氟乙烯薄膜驻极体的制备方法 |
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2017
- 2017-11-30 CN CN201711240330.8A patent/CN108063183B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103682081A (zh) * | 2012-09-14 | 2014-03-26 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 压电驻极体薄膜及其制备方法 |
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