一種柔性壓電能量收集器及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種柔性壓電能量收集器及其制作方法。該能量收集器件主要包括平行的柔性銅電極，靜電紡P（VDF?TrFE）納米纖維以及封裝的聚二甲基硅氧烷外殼。該器件的制備方法主要包括如下三方面：1）利用濕法刻蝕的方法在覆銅聚酰亞胺薄膜上制備平行等間隔的銅電極；2）結合高速轉盤收集和平行電極法在柔性電極表面收集有序的P（VDF?TrFE）納米纖維；3）將電極和纖維一起取下，用銅膠帶引出正負電極后用二甲基硅氧烷進行封裝成器件。該器件在周期性外力的作用下可以產(chǎn)生2V的峰峰電壓值和120nA的電流值。本發(fā)明提供的能量回收器件結構簡單，能夠收集外界環(huán)境和人體運動過程中浪費的機械能，在未來柔性可穿戴設備領域具有廣闊的應用前景。
【專利說明】一種柔性壓電能量收集器及其制作方法
[0001]
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及壓電器件技術，尤其涉及一種柔性壓電能量收集器件及其制作方法。
【背景技術】
[0003]經(jīng)過幾十年的發(fā)展，電子設備逐漸向微型化，便攜性以及柔性發(fā)展，除可充電鋰電池外的新型供能設備的研究對現(xiàn)在和未來發(fā)展獨立的設備和系統(tǒng)具有重要的意義。一個理想的電源首先能夠滿足各種便攜設備的能量需求，同時不需要頻繁的充電及更換。最近在納米材料領域已經(jīng)有相當多關于從環(huán)境中獲取能量用于自發(fā)電系統(tǒng)的研究，其中基于納米壓電材料收集機械能的納米能量收集器件引起了廣泛的關注。首先具有高壓電常數(shù)的無機納米材料，如Zn0，PZT，KNN，BaTi03等納米材料最先被研究制備成納米能量回收器件，但是有兩個瓶頸因素制約了他們在納米能量回收中的使用，首先需要高溫來使得材料結晶成形，其次是無機納米材料太脆，不能承受大的形變。和無機壓電材料相比，有機鐵電共聚物PVDF及其共聚物具有更好的柔韌性，透明度，可塑性及易加工性的優(yōu)良特性使他們能作為能量回收器件的材料，應用于可穿戴或者植入設備里。目前人們成功在不同基底上利用勻膠法，涂覆法等制備了 PVDF，P (VDF-TrFE)壓電薄膜用于能量回收器件，但是通過這些方法制備的PVDF薄膜為了使其能表現(xiàn)出優(yōu)異的壓電性能，需要進行機械拉伸后在很高的電場下對極化。這些要求限制了 PVDF及其共聚物在納米能量回收器件中的應用。而靜電紡絲法是目前制備一維材料的重要方法，研究表明，在電紡過程中，高壓直流電源提供的電場力使得射流拉伸分裂，PVDF及P(VDF-TrFE)偶極子在強電場中有序排列，這使得他們不需要后續(xù)的極化就可以獲得良好的壓電性能，同時的研究表明，有序取向的P(VDF-TrFE)具有更高的β含量。雖然目前關于P(VDF-TrFE)靜電紡絲制備能量回收器的報道很多，當時目前還存在一些問題需要解決。首先，目前靜電紡絲都是直接紡在鋁箔或者銅箔上面，使用時需要將他們轉移，這個過程容易損壞纖維膜，當纖維膜直接作為能量回收器件，外界低頻的壓力不足以使得纖維發(fā)生大的形變，降低能量回收器件的壓電轉換效率。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種柔性壓電能量收集器及其制作方法。
[0005]一種柔性壓電能量收集器，包括多個柔性平行銅電極、P(VDF-TrFE)納米纖維和包覆在外圍的PDMS，所述的平行的銅電極的兩端用銅膠帶將電極引出，所述P(VDF-TrFE)納米纖維垂直于銅電極表面排列，所述PDMS將整個器件包覆住起著保護作用。
[0006]所述銅電極在聚酰亞胺薄膜上，銅電極的厚度為50-100um，所述的銅電極的個數(shù)為20-60個，間距為100-200um，寬度為30-100um。兩端電極作為正負引出電極，寬度為1000-5000umo
[0007]P(VDF-TrFE)納米纖維的直徑在50nm-500nm。大部分納米纖維與水平間的夾角在20°范圍以內(nèi)。
[0008]上述柔性壓電能量收集器的制備方法如下:
本發(fā)明所采用的方法為轉動平行電極靜電紡絲的方法，以P (VDF-TrFE )(偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物)為原料，N，N二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶液為溶劑，制備新型柔性壓電能量收集器。
[0009](一)在覆銅聚酰亞胺薄膜上利用光刻的辦法制備一層光刻膠保護層，在FeCl3溶液中腐蝕掉未被保護的Cu，后用酒精和丙酮多次清洗去除掉電極表面的光刻膠，就得到了平行電極；
(二)采用的電紡溶液為20wt°/c^P(VDF-TrFE)溶液，以偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物為原料，溶劑為DMF和丙酮的混合液(其中丙酮的體積含量為10% — 40%之間)，用膠帶將平行電極固定在轉盤側面，用銅膠帶使平行電極接地，給料速度為0.3 ml/L，靜電紡絲電壓為15kV；
(三)取下電紡后的納米纖維和電極，用剪刀將電極的連接處給裁剪掉，在平行電極的兩端用銅膠帶將電極引出，最后用PDMS把整個器件封裝起來。
[0010]所述的新型柔性壓電能量收集器的微觀結構如附圖4所示，利用該方法得到的納米纖維尺寸均一，具有良好的有序性。
[0011]所述的新型柔性壓電能量收集器的性能測試結果如附圖5所示，在周期性外力作用下，該能量收集器具有靈敏的響應能力，可以產(chǎn)生2V的峰峰電壓值和120nA峰峰電流值。
[0012]本發(fā)明方法將壓電納米纖維直接電紡到柔性的平行電極上，一方面可以利用靜電紡絲過程將P(VDF-TrFE)納米纖維極化，同時轉動平行電極法收集有序納米纖維可以有效提高P (VDF-TrFE)中β相的含量。利用具有一定高度的平行電極作為基底，為P (VDF-TrFE)的形變提高空間。這些優(yōu)化了能量收集器的結構和制作工藝，使得能量收集器具有更好的壓電轉化效率。
【附圖說明】
[0013]圖1是柔性壓電能量收集器示意圖。
[0014I圖2是平行電極示意圖。
[0015]圖3是轉動平行電極靜電紡法的實驗裝置示意圖。
[0016]圖4是靜電紡絲后P(VDF-TrFE)納米纖維微觀結構圖。
[0017]圖5是新型柔性壓電能量收集器的電學性能測試圖。
【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明提出的一種新型柔性壓電能量收集器的制備方法，包括步驟:
1.柔性平行銅電極的制備方法，包括以下子步驟:
I)采用光刻蝕法將電極圖案轉移到覆銅聚酰亞胺薄膜上，步驟具體為:在洗凈的聚酰亞胺薄膜涂上SU8-2050光刻膠，然后把印有平行電極圖案的掩膜板蓋在基片涂有光刻膠的一面，將樣品基片置于紫外光下曝光120秒后，把曝光完畢的基片放進光刻膠顯影液中顯影40秒，取出用去離子水沖洗干凈并吹干后，即得到具有電極圖案的基片。
[0019]2)采用腐蝕的辦法制作電極，本次步驟的主要步驟為:將樣品基片放入lmol/LFeC13溶液中20-30分鐘，然后用用溶液洗掉光刻膠，即在聚酰亞胺基底上得到規(guī)則的銅電極。電極的間距為150um，高度為50um，寬度為I OOum，得到的電極示意圖如圖2所示。
[0020]2.有序P(VDF-TrFE)納米纖維的制備步驟
如圖2所示，將I中制備的電極黏貼在轉動圓盤(直徑20cm)側面，Cu電極表面用銅導電膠接地。P(VDF-TrFE)溶液的濃度為20%，給料速度為0.3 ml/L.靜電紡絲電壓為15 kV，固化距離為15 cm。轉盤的轉速設置為100rpm。電紡時間為30分鐘。
[0021 ] 3.新型柔性壓電能量收集器的制作
該步驟具體為:取下電紡后的納米纖維和電極，用剪刀將電極的連接處給裁剪掉。在平行電極的兩端用銅膠帶將電極引出，最后用PDMS把整個器件封裝起來。
[0022]4.新型柔性壓電能量收集器的微觀形貌表征
如圖4所示，我們通過SEM觀察靜電紡絲后P(VDF-TrFE)纖維的微觀結構。如圖a，b所示，可以看出纖維的表面是均勻平整，絕大部分的納米纖維是平搭在電極上的。圖c和d是利用轉動平行電極制備的鐵電共聚物P(VDF-TrFE)納米纖維的不同放大倍數(shù)下SEM圖，可以看出該方法制備的納米纖維具有非常良好的沿平行電極的有序取向性且纖維的直徑均一，納米線平行于電極的垂直方向。我們對納米線的直徑以及分布角度做了統(tǒng)計，如圖e和f所示，可以看出電紡的納米纖維直徑的分布范圍集中在250-350 nm之間。同時納米線與水平線之間的夾角大部分主要集中在±10°的區(qū)域內(nèi)，說明我們通過轉動平行電極制備的納米纖維是具有良好取向性的。
[0023]5.新型柔性壓電能量收集器的性能測試
該步驟具體為:利用一個機械加載裝置周期性敲打器件表面，利用示波器和電化學工作站記錄該能量收集器的電學性能。如附圖5所示，器件產(chǎn)生了一個峰峰值?2 V的輸出電壓，?120 nA的輸出電流。
[0024]本領域技術人員可以理解，上述本發(fā)明各實施例中，實際應用中可根據(jù)需要合理設置平行電極中電極的寬度，電極間的距離，電極的高度以及不同的靜電紡絲參數(shù)，以滿足實際工作需要。
【主權項】
1.一種柔性壓電能量收集器，包括多個柔性平行銅電極、P(VDF-TrFE)納米纖維和包覆在外圍的PDMS，所述的平行的銅電極的兩端用銅膠帶將電極引出，所述P(VDF-TrFE)納米纖維垂直于銅電極表面排列，所述PDMS將整個器件包覆住起著保護作用。2.根據(jù)權利要求1所述的能量收集器，其特征在于，所述銅電極在聚酰亞胺薄膜上，銅電極的厚度為50-100um，所述的銅電極的個數(shù)為20-60個，間距為100-200um，寬度為30-1OOum03.權利要求1所述的柔性壓電能量收集器的制備方法，其特征在于包括如下步驟: (一)在覆銅聚酰亞胺薄膜上利用光刻的辦法制備一層光刻膠保護層，在FeCl3溶液中腐蝕掉未被保護的Cu，后用酒精和丙酮多次清洗去除掉電極表面的光刻膠，就得到了平行電極； (二)采用的電紡溶液為20wt%的？ (VDF-TrFE)溶液，以偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物為原料，溶劑為DMF和丙酮的混合液，用膠帶將平行電極固定在轉盤側面，用銅膠帶使平行電極接地，給料速度為0.3ml/L，靜電紡絲電壓為15kV; (三)取下電紡后的納米纖維和電極，用剪刀將電極的連接處給裁剪掉，在平行電極的兩端用銅膠帶將電極引出，最后用PDMS把整個器件封裝起來。4.根據(jù)權利要求3所述的制備方法，其特征在于，P(VDF-TrFE)溶液，以偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物為原料，溶劑為DMF和丙酮的混合液，其中丙酮的體積含量為10-40%之間。5.根據(jù)權利要求3所述的制備方法，其特征在于:在電紡過程中，固化距離為15cm。6.根據(jù)權利要求3所述的制備方法，其特征在于:轉盤的轉速設置為IOOOrpm。
【文檔編號】H01L41/257GK105870316SQ201610344067
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】國世上, 游蘇健
【申請人】武漢大學