基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明所涉及的领域是一种基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置，属于能量采集技术领域。
【背景技术】
[0002]随着微机电系统(MEMS)技术的发展，涌现出的低功耗无线传感器件或系统对微电源提出新的要求，这其中包括便携程度、无线远程、脱离冗余电源线及成本考虑。便携式小功率的环境能量采集装置因其能将环境中其他形式的能转换成电能，并可以作为微器件或系统的电源而备受关注。
[0003]已报道的能量转换方式有压电式、电磁式、静电式等能量采集装置。其中压电式能量采集装置是通过压电效应来产生电能，因需要特殊的压电材料而提高了成本；电磁式能量采集装置是通过电磁场将外界振动等能量转换为电能，引入的电磁场可能会对器件或系统的无线通信产生干扰；而静电式能量采集装置需要一个外部电源在能量转换的电容两端产生原始电压差，无法满足远程野外的低功耗器件的要求。
【发明内容】
[0004]针对上述技术领域存在的技术问题和能量采集装置的缺陷，本发明公开了一种基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置。
[0005]本发明的技术方案实现方式是:一种基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置，该装置包括存放部分液态水的腔体；该腔体包括与外部废热源接触并作为底板的传热板、采用超疏水材料制备的侧板和顶板；所述腔体内的传热板上表面放置有一端与外接金属板导通的下极板；所述顶板上嵌入与所述下极板的电介质层对应的上极板；所述下极板包括衬底、形成于该衬底上的电极层、沉积于该电极层上的电介质层以及沉积在该电介质层上的疏水层；所述上极板包括硅基底、形成于该衬底上周期性分布的疏水区和亲水区；所述疏水去为微纳米硅柱结构；所述亲水区为氧化硅。
[0006]本发明还涉及一种基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置的制备方法，该方法包括收容在腔体内的上极板和下极板的制造方法，所述上极板制备包括以下步骤:
[0007]I)提供一包含氧化层的硅基底；
[0008]2)采用光刻工艺将亲、疏水区分布图形转移到硅基底的氧化层上，并使亲水区的氧化层被光刻胶保护；
[0009]3)采用反应离子刻蚀工艺刻蚀疏水区的所述氧化层，然后采用深反应离子刻蚀工艺在已刻蚀掉氧化层的区域形成疏水的微纳米硅柱结构；
[0010]4)去除硅基底上光刻胶。
[0011]所述下极板制备包括以下步骤:
[0012]I)提供一玻璃衬底；
[0013]2)在该玻璃衬底上溅射电极层；
[0014]3)在所述电极层上沉积电介质层；
[0015]4)在所述电介质层上沉积超疏水材料以形成疏水层。
[0016]本发明的传热板是具有超强导热能力的金属极板，其下表面与外界废热源相连，用于将外部热能传递到传热板上表面的液态水上。能量采集装置的侧壁和顶板内表面均采用超疏水材料，避免传热板上面蒸发的水蒸汽在内壁上冷凝，使水蒸汽集中冷凝在置于顶层内表面的上极板上，上极板与下极板的电介质层上下相对放置。当冷凝在上极板的液滴滴落在电介质层表面时，液滴与电介质层接触界面的电荷会重新分布，并在内外电极两端产生一个瞬时电势差，此电势差实现液滴碰撞发电，可以将外部热能转化为电能。
【附图说明】
[0017]图1为本发明基于热电转换能量采集装置的结构图；
[0018]图2为本发明基于热电转换能量采集装置的下极板电极剖面图；
[0019]图3为本发明基于热电转换能量采集装置的上极板电极结构图。
[0020]元件标号说明
[0021]衬底2
[0022]电介质层3
[0023]电极层 4
[0024]疏水层 9
[0025]传热板 I
[0026]侧壁5
[0027]顶板6
[0028]散热端 10
[0029]亲水区 12
[0030]疏水区 11
[0031]上极板 7
[0032]液滴8
【具体实施方式】
[0033]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0034]需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0035]本发明提供一种基于液滴冷凝的热电转换能量采集装置，该装置包括存放部分液态水的腔体；该腔体包括与外部废热源接触并作为底板的传热板、采用超疏水材料制备的侧板和顶板；所述腔体内的传热板上表面放置有一端与外接金属板导通的下极板；所述顶板上嵌入与所述下极板对应的上极板；所述下极板包括衬底、形成于该衬底上的电极层、沉积于该电极层上的电介质层以及沉积在该电介质层上的疏水层；所述上极板包括硅基底、形成于该衬底上周期性分布的疏水区和亲水区；所述疏水区为微纳米硅柱结构；所述亲水区为氧化硅。本发明还包括所述腔体外、上极板的上表面设置有散热端。所述散热端包括基板和与基板垂直并平行间隔设置的散热片。
[0036]所述传热板用于将外部热源传递到能量采集装置内部，并用液态水作为内部热循环介质，上极板用于定点冷凝传热板上蒸发的水蒸汽，并形成小水滴滴落到下极板的电极上，电极另一端为外接导电性能良好的金属极板。当冷凝在上极板的液滴滴落在下极板的电介质层表面时，液滴与下极板接触界面的电荷会重新分布，并在电极两端产生一个感生电势差，此电势差实现液滴碰撞发电，可以将外部热能转化为电能。
[0037]所述的传热板的材料是具有超强导热能力的金属材料极板，其下表面与外部热源相连，上表面放置有下极板及其周围的内部热循环液体介质。本实施例中该液体介质为水。传热板上表面的液态水受热汽化成水蒸汽。
[0038]所述的腔体包括超疏水壁面，该超疏水壁面包括能量采集装置的侧壁和顶板内表面，壁面材料须具有超疏水特性，降低水蒸汽在壁面上的冷凝，材料可以选取聚四氟乙烯或纳米娃等。
[0039]所述上极板是以硅晶元为衬底的亲水域、疏水域周期分布的表面微结构，水蒸汽定点冷凝在亲水区域，形成体积可控的液滴。液滴体积是根据需要设计，液滴脱离上极板前与上极板的接触面积，即为单个圆亲水区面积。
[0040]所述的散热端的材料是超强导热能力的金属材料，优选铜材质，并置于上极板上方，水蒸汽在上极板冷凝时释放的热量经散热端传递到外界空气中。
[0041]所述的上极板置于能量采集装置的顶板内，表面结构是以硅晶元为衬底的亲水域、疏水区周期性分布，因热循环介质液态水与表面结构的接触角不同而实现水蒸汽定点冷凝。其中上极板制备包括以下步骤:
[0042]I)首先准备单面氧化的硅基底；
[0043]2)采用光刻工艺将亲、疏水区分布图形转移到硅基底氧化层一面上，使亲