一种基于可溶性模具制备微结构化压电俘能器的方法与流程

本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种基于可溶性模具制备微结构化压电俘能器的方法。

背景技术：

随着科技的进步以及人口的不断增加，能源问题与人类的生存和发展密不可分。由于能源需求的增长，化石燃料利用的限制以及所造成的环境问题迫使人们研发可以用来进行能量收集和储存的新型环保技术。在人们周围可用的环境能源(太阳能、热能、化学能等)中，机械能由于具有可以控制的频率以及幅度，以及随时随处使用的方便性，使其有希望成为最具有使用价值的能源。如何将机械能有效的转化为电能是一个值得研究的问题。在多种机械能中，已有报道发现：人类身体的移动、说话、呼吸、空气流动、振动、摩擦等可以为各种便携式电子设备供电，因此基于人体运动的能量收集技术由于其可以为便携式智能电子设备供电逐渐成为一种新兴的环保技术。压电俘能器由于具有便携性、嵌入性和可穿戴性，成本低，柔性轻便等特点，可以有效地将机械能转化为电能实现能量回收，有着广阔的应用前景。

压电陶瓷有非常高的介电常数和压电系数，能够有效的将机械能转化为电能，但其脆性较大、抗冲击能力差，机械加工性差，难以加工成单独的有源器件，复杂的架构以及三维图案。压电体在低维情况下，可以显著提高输出性能，因此如何将压电陶瓷加工成具有微结构，并且具有良好机械柔性的压电俘能器是一个值得研究的问题。

目前对于压电陶瓷的结构加工技术主要是将压电陶瓷与有机基体混合并通过翻膜制备结构，然而精密模具的加工耗费时间长，成本高，并且无法加工三维复杂结构。

技术实现要素：

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可溶性模具制备微结构化压电俘能器的方法，工艺简单、低成本、高效率，并且极大提高压电俘能器的输出性能。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于可溶性模具制备微结构化压电俘能器的方法，包括以下步骤：

第一步，可溶性模具3的制备：将可溶性光敏树脂4放入树脂槽5中，调节浸入可溶性光敏树脂4中打印平台2升降来控制打印层厚，利用紫外光1曝光进行分层固化，制备成微结构化可溶性模具3；

第二步，复合压电材料9的配制：将压电材料和有机物基体混合分散，然后磁力搅拌后超声使混合物分散均匀，得到复合压电材料9；

第三步，微结构化复合压电薄膜6的制备：将复合压电材料9倒入第一步制备的可溶性模具3中，并将复合压电材料9固化，最后将其放入酸/碱中进行化学腐蚀溶解，得到微结构化复合压电薄膜6；

第四步，电极的制备：在柔性衬底7上蒸镀金属8作为电极，然后旋涂一层第二步制备的复合压电材料9作为电极黏附层，形成柔性衬底7/金属8/复合压电材料9；

第五步，压电俘能器的制备：在微结构化复合压电薄膜6上下两侧对称黏附柔性衬底7/金属8/复合压电材料9，加热固化，形成压电俘能器，再将其放入烘箱中，施加直流电源10，上侧的金属8连接直流电源10正极，下侧的金属8连接直流电源10负极，把烘箱温度升至80～120℃进行压电薄膜热极化，保持施加电压40～60分钟，使其内部分子沿电场方向取向，然后再保持电压不变的情况下，将烘箱冷却至室温后撤去电压，得到微结构化压电俘能器。

所述的第一步中打印层厚是0.01mm～0.05mm，打印底层层数1～3层，底层曝光时间为6s，后续单层曝光时间为1～2s。

所述的第二步中压电材料是氮化硼纳米管、氮化硼纳米片、钛酸钡或锆钛酸铅等压电陶瓷，有机物基体是聚二甲基硅氧烷，机物基体在混合物所占的质量分数是1％～10％。

所述的第三步中固化方法是热固化或者紫外固化；溶解方法中酸/碱是磷酸、硼酸/氢氧化钠、氢氧化钾。

所述的第四步中柔性衬底7是聚酰亚胺或聚对苯二甲酸类；旋涂转速是每分钟2000转。

本发明的有益效果为：

本发明可适用于多种压电陶瓷，并且通过可溶性树脂可以精准的制备微结构化压电俘能器，器件在相同的作用力下，微结构相比于平模会受到更大的应力，从而产生更大的电压信号。微结构化压电俘能器实现了压电性能和尺度效应的有机结合，极大的提高了输出性能，并且其低成本高效率的特点可以满足器件制造的批量化，在能量回收，柔性传感等领域有着良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例制备的可溶性模具示意图。

图2为本发明实施例倒入复合压电材料并固化示意图。

图3为本发明实施例得到的微结构化复合压电薄膜示意图。

图4为本发明实施例微结构化压电俘能器极化示意图。

图5为本发明实施例撤去电压后形成的压电俘能器示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细描述。

一种基于微立体光刻制备微结构化压电传感器的方法，包括以下步骤：

第一步，可溶性模具3的制备：将可溶性光敏树脂4放入树脂槽5中，调节浸入可溶性光敏树脂4中打印平台2升降来控制打印层厚，利用紫外光1曝光进行分层固化，打印层厚为0.04mm，底层层数1～3层，底层曝光时间为6s，后续单层曝光时间为1～2s，制备成微结构化可溶性模具3，如图1所示；

第二步，复合压电材料9的配制：将压电材料和有机物基体混合分散，然后磁力搅拌后超声使混合物分散均匀，得到复合压电材料9；

所述的压电材料是氮化硼纳米管、氮化硼纳米片、钛酸钡或锆钛酸铅等压电陶瓷，有机物基体是聚二甲基硅氧烷，机物基体在混合物所占的质量分数是1％～10％；

第三步，微结构化复合压电薄膜6的制备：将复合压电材料9倒入第一步制备的可溶性模具3中，并将复合压电材料9固化，如图2所示，固化方法是热固化或者紫外固化；最后将其放入酸/碱中进行化学腐蚀，溶解方法中酸/碱是磷酸、硼酸/氢氧化钠、氢氧化钾，得到微结构化复合压电薄膜6，如图3所示；

第四步，电极的制备：在柔性衬底7上蒸镀金属8作为电极，柔性衬底是聚酰亚胺或聚对苯二甲酸类等，然后旋涂一层第二步制备的复合压电材料9作为电极黏附层，旋涂转速是每分钟2000转，形成柔性衬底7/金属8/复合压电材料9；

第五步，压电俘能器的制备：在微结构化复合压电薄膜6上下两侧对称黏附柔性衬底7/金属8/复合压电材料9，加热固化，形成压电俘能器，再将其放入烘箱中，施加直流电源10，上侧的金属8连接直流电源10正极，下侧的金属8连接直流电源10负极，把烘箱温度升至80～120℃进行压电薄膜热极化，保持施加电压40～60分钟，使其内部分子沿电场方向取向，如图4所示；然后再保持电压不变的情况下，将烘箱冷却至室温后撤去电压，得到微结构化压电俘能器，如图5所示。

技术特征：

技术总结
一种基于可溶性模具制备微结构化压电俘能器的方法，先制备可溶性树脂模具，然后配制复合压电材料，再将复合压电材料倒入可溶性树脂模具，固化后溶解可溶性树脂模具，得到微结构化复合压电薄膜，在微结构化复合压电薄膜上下两侧对称黏附柔性衬底/金属/复合压电材料形成的电极，加热固化，形成压电俘能器，再将其放入烘箱中，施加直流电源，把烘箱温度升高进行压电薄膜热极化，保持施加电压使其内部分子沿电场方向取向，然后再保持电压不变的情况下，将烘箱冷却至室温后撤去电压，得到微结构化压电俘能器；本发明工艺简单、低成本、高效率，并且极大提高压电俘能器的输出性能。

技术研发人员：陈小明;叶世博;邵金友;丁鹏;李浩;田洪淼
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2019.06.13
技术公布日：2019.08.16