專利名稱：量子電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子電動(dòng)力學(xué)應(yīng)用技術(shù)，屬于一種量子器件，特制一種量子電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著地球上不可再生能源越來(lái)越少，世界各國(guó)都在研究開(kāi)發(fā)新的替代能源。目前研究的比較多的主要是利用化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的燃料電池和普通的如鋰電池，鎳—?dú)潆姵?，鎳—鎘電池等，這些電池在使用壽命結(jié)束后帶來(lái)的二次處理的問(wèn)題，處理不當(dāng)會(huì)給環(huán)境造成很大污染。量子電動(dòng)力學(xué)表明，在量子真空中存在一種叫做零點(diǎn)能的能量，通過(guò)改變?cè)撃芰康倪吔鐥l件，同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的裝置，可以對(duì)零點(diǎn)能進(jìn)行提取。朱國(guó)華等人申請(qǐng)的專利利用真空“零點(diǎn)能”實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的量子微型開(kāi)關(guān)，利用真空“零點(diǎn)能”實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的量子微型推進(jìn)器，都是對(duì)零點(diǎn)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的應(yīng)用，這里提出的量子電池是提取零點(diǎn)能轉(zhuǎn)換成電能的一個(gè)裝置。它利用量子真空能轉(zhuǎn)化為電能，工作過(guò)程中不涉及化學(xué)反應(yīng)，可以有效解決污染問(wèn)題。運(yùn)用這種電池只要內(nèi)部的振蕩金屬簧片選擇高疲勞強(qiáng)度的材料，理論上的壽命可以無(wú)限長(zhǎng)；它的制造成本較低，使用攜帶方便，無(wú)需配套設(shè)施；在使用過(guò)程中以及后期處理中不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何污染，屬于真正的環(huán)保電池；無(wú)需攜帶能源，只要利用量子真空能即可工作，因而可以用于長(zhǎng)期工作且不便能量補(bǔ)充的工作環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決燃料電池以及普通電池的存在的不足，本發(fā)明利用量子真空中存在的零點(diǎn)能，通過(guò)提取裝置將其轉(zhuǎn)換成電能，運(yùn)用量子電池?zé)o需配備燃料電池中昂貴的催化劑(通常為鉑金)，無(wú)需攜帶燃料，裝配后一旦激發(fā)就可以源源不斷地向外輸送電量。量子電池在軍事上可以用于微型飛行器的能量供給、民用上可以作為移動(dòng)通訊設(shè)備的電源。
量子電池，由表面刻有矩形腔的金塊、鍍有壓電薄膜材料的金屬簧片以及鍵合導(dǎo)線，封裝外殼組成，矩形腔的尺寸范圍為長(zhǎng)度100～300μm，寬度50～120nm，深度500～1500nm，矩形腔上方粘有鍍有壓電薄膜材料的金屬簧片，鍵合導(dǎo)線與鍍有壓電薄膜材料的金屬簧片連接，封裝外殼用高分子聚合物包裹而成，外殼上有正負(fù)極導(dǎo)線引出點(diǎn)。
上述量子電池的制備方法利用光刻技術(shù)或者等離子體濺射技術(shù)在金塊的表面刻出矩形腔，矩形腔的個(gè)數(shù)根據(jù)輸出電壓大小決定，至少在1000個(gè)以上，每個(gè)矩形腔的尺寸范圍為長(zhǎng)度100～300μm，寬度50～120nm，深度500～1500nm，然后在矩形腔上方貼上粘有壓電體材料薄膜的金屬簧片，最后將每個(gè)矩形腔產(chǎn)生的電壓進(jìn)行電學(xué)串聯(lián)。
由于矩形腔內(nèi)的Casimir力很小，單個(gè)矩形腔工作時(shí)產(chǎn)生的電壓很小，因此為了使量子電池提供的電壓能夠達(dá)到應(yīng)用要求，必須在一個(gè)基體上運(yùn)用MEMS技術(shù)及IC工藝加工出足夠數(shù)目的矩形腔，然后將每個(gè)矩形腔產(chǎn)生的電壓進(jìn)行串聯(lián)，這樣通過(guò)金屬簧片的振蕩便可以向外輸出電壓，就可以向外輸出所需的電壓。
本發(fā)明無(wú)需攜帶能源，輸出穩(wěn)定，可以用于長(zhǎng)期工作的電子設(shè)備；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，矩形腔運(yùn)用IC工藝進(jìn)行加工，壓電薄膜采用蒸鍍的方式生成，經(jīng)過(guò)裝配，封裝即可成為電源產(chǎn)品；成本低，無(wú)需像燃料電池那樣設(shè)置燃料補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)，性價(jià)比高，使用壽命長(zhǎng)；是真正意義上的綠色產(chǎn)品，工作過(guò)程中運(yùn)動(dòng)部件少，噪音小，不排放任何有害物質(zhì)。


圖1量子電池上的壓電體材料薄膜表面隨矩形腔尺寸變化的受力2量子電池工作原理1中F為壓電體材料薄膜在一個(gè)周期中所受的Casimir力，E是單個(gè)矩形腔內(nèi)的真空能特性，L是矩形腔的深度，所選壓電體材料薄膜的壓電特性為線性。
1為貼有壓電體材料薄膜的金屬簧片，2為刻有矩形腔的金塊基體具體實(shí)施方式
在金表面根據(jù)設(shè)計(jì)要求利用等離子體濺射(FIB)刻出5000個(gè)尺寸為100μm×100nm×1μm(長(zhǎng)×寬×深)的矩形腔，利用PCVD技術(shù)在金屬簧片上鍍上10nm厚的鈮鋰酸(NiLiO3)薄膜(壓電體材料薄膜)，由于鈮鋰酸的機(jī)電耦合系數(shù)較高，機(jī)械品質(zhì)因素較低，因而可以產(chǎn)生較高的電壓。然后將銅金屬薄片貼在矩形腔上面，壓電體材料薄膜受到矩形腔內(nèi)的引力作用而產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的電動(dòng)勢(shì)-V，同時(shí)金屬簧片向下彎曲，當(dāng)薄膜表面達(dá)到a位置時(shí)，薄膜受的引力為0，對(duì)應(yīng)于圖1中F曲線與橫軸的交點(diǎn)，此時(shí)薄膜的輸出電勢(shì)為0V，金屬簧片由于慣性繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，薄膜進(jìn)入斥力區(qū)，對(duì)應(yīng)于圖1中坐標(biāo)軸上(0，B)之間的范圍，在斥力區(qū)薄膜受到向上的斥力，此時(shí)壓電薄膜產(chǎn)生一個(gè)正的電動(dòng)勢(shì)+V，在金屬簧片恢復(fù)力以及斥力作用下，金屬簧片的速度減小，最終變?yōu)?，此時(shí)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大值，然后向上做加速運(yùn)動(dòng)，越過(guò)a點(diǎn)后薄膜又進(jìn)入引力區(qū)，對(duì)應(yīng)于圖1中橫軸坐標(biāo)大于B的區(qū)域，受到引力作用，產(chǎn)生負(fù)的電動(dòng)勢(shì)，金屬簧片在恢復(fù)力和引力作用下做減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)金屬簧片停止時(shí)所受的引力達(dá)到最大，此時(shí)輸出最大的負(fù)電動(dòng)勢(shì)，然后在引力和回復(fù)力的作用下開(kāi)始新的周期運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生周期變化的電動(dòng)勢(shì)。
這種微電池可以提供給外部的微電子設(shè)備，如軍用傳感器，微型飛行器等。
權(quán)利要求
1.量子電池，其特征在于由表面刻有矩形腔的金塊(2)、鍍有壓電薄膜材料的金屬簧片(1)以及鍵合導(dǎo)線，封裝外殼組成，矩形腔的尺寸范圍為長(zhǎng)度100～300μm，寬度50～120nm，深度500～1500nm，矩形腔上方粘有鍍有壓電薄膜材料的金屬簧片(1)，鍵合導(dǎo)線與鍍有壓電薄膜材料的金屬簧片(1)連接，封裝外殼用高分子聚合物包裹而成，外殼上有正負(fù)極導(dǎo)線引出點(diǎn)。
2.權(quán)利要求1所述的量子電池的制備方法，其特征在于利用光刻技術(shù)或者等離子體濺射技術(shù)在金塊(2)的表面刻出矩形腔，矩形腔的個(gè)數(shù)根據(jù)輸出電壓大小決定，至少在1000個(gè)以上，每個(gè)矩形腔的尺寸范圍為長(zhǎng)度100～300μm，寬度50～120nm，深度500～1500nm，然后在矩形腔上方貼上粘有壓電體材料薄膜的金屬簧片(1)，最后將每個(gè)矩形腔產(chǎn)生的電壓進(jìn)行電學(xué)串聯(lián)。
全文摘要
量子電池及其制備方法，涉及量子電動(dòng)力學(xué)應(yīng)用技術(shù)。利用光刻技術(shù)或者等離子體濺射技術(shù)在金塊的表面刻出矩形腔，矩形腔的個(gè)數(shù)根據(jù)輸出電壓大小決定，至少在1000個(gè)以上，每個(gè)矩形腔的尺寸范圍為長(zhǎng)度100～300μm，寬度50～120nm，深度500～1500nm，然后在矩形腔上方貼上粘有壓電體材料薄膜的金屬簧片，最后將每個(gè)矩形腔產(chǎn)生的電壓進(jìn)行電學(xué)串聯(lián)，并用高分子聚合物進(jìn)行外殼封裝，外殼上有正負(fù)極導(dǎo)線引出點(diǎn)。本發(fā)明無(wú)需攜帶能源，輸出穩(wěn)定，可以用于長(zhǎng)期工作的電子設(shè)備；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。
文檔編號(hào)H01L41/22GK1996632SQ20061009832
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月11日
發(fā)明者丁建寧 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)