[发明专利]一种基于压电聚合物微结构阵列的俘能器制造方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种基于压电聚合物微结构阵列的俘能器制造方法。

背景技术

随着社会工业化进程的加快和世界人口的急速增长，能源问题已经成为当今最为关注的问题之一，通过开发新能源和回收可再生能源来解决能源匮乏的重要性日益凸显。潜在可用的环境能源有：太阳能、地热能和振动机械能等等，太阳能和地热能由于受天气因素的影响和地理环境的限制而难以广泛使用，而振动机械能是自然界存在范围很广的能量形式，由于其无处不在且具有较高的能量密度，因此研究振动能量收集技术具有重要意义。常见的能将机械振动转化成电能的方法有电磁、静电和压电三种转换方式，电磁转换是利用电磁感应现象将机械能转换成电能，其缺点在于所用线圈的体积大且输出电压小，俘能效果不佳；而静电转换是在保持电压稳定时，外力激励改变电容器的电容，从而引起电荷流动而输出电能，但这种俘能方式的最大缺点在于需要一个独立的电源为其提供稳衡电压，因此在实际应用中受到了很大限制；压电转换是利用环境振动诱导压电材料变形，变形导致材料分子中的正负电荷中心分离，从而产生极化电压，驱动极板上的电荷定向流动输出电能，因为压电转换具有力电转换性能好、能量密度大、无需额外电源、易微型化等优点，非常适用于俘获自然环境中和人在运动过程中产生的机械能，具有非常广阔的应用前景。

在众多的压电材料中，压电聚合物材料具有密度低、柔性好、适于大面积加工、具有低介电常数、低的机械阻抗、使用寿命长等优点，越来越受到各国科技者的青睐。极化是压电聚合物材料产生压电性能的重要环节，主要目的是让压电聚合物中杂乱取向的分子偶极矩沿着极化电场方向一致取向。目前，基于高分子压电聚合物的俘能器制造方法通常是先在高温下通过熔融压延或挤出成型制备初始薄膜，冷却到一定温度后经过机械拉伸取向，随后蒸镀电极并电场极化得到具有较好压电效应的薄膜，再进行薄膜固定、器件封装。从上述薄膜制备和器件制作工艺看，必须先经过复杂的制备工艺制备好具有压电特性的薄膜再封装到器件中，这种方法使器件制作成本较高，效率较低，更无法适应器件微型化及智能化的发展。更进一步，为了更大程度的提高压电俘能器的能量转换效率，在薄膜上制备三维微纳米结构是必不可少的，在同样大小的机械振动下，大深宽比的微结构阵列相对于薄膜能够产生更大的形变，从而产生更多的电能。而传统俘能器制备压电薄膜过程中高温压延和挤出过程、拉伸过程很难与MEMS中的硅基平面工艺匹配，因此将具有微纳米结构的压电聚合物集成到压电俘能器工艺中，实现微器件的制备，是一个亟待解决的技术瓶颈。

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压电聚合物微结构阵列的俘能器制造方法，在电场和热场的同时作用下，压电聚合物流变成为微结构的同时沿电场方向极化获得强压电性，最终得到一组连接上下电极的压电聚合物微结构阵列，直接形成最终的压电俘获器件，本发明将材料的压电性能和尺度效应有机地结合起来，不仅可以得到具有大深宽比的压电聚合物微结构阵列而且可以将制备薄膜、拉伸取向、电场极化、器件封装等过程简化，从而减少制作工序，提高效率，达到器件制造的批量化、低成本和一致性等制造技术属性要求。

为了达到上述目的，本发明采取的技术路线为：

一种基于压电聚合物微结构阵列的俘能器制造方法，包括以下步骤：

第一步，压印模具的制备及处理：在硅片表面利用光刻和刻蚀工艺制备出所需的圆孔阵列图形结构，并对其进行表面处理，使其利于压印后的脱模；

第二步，基材和电极的选择及处理：基材和电极都采用FTO或ITO导电玻璃，利用匀胶机在基材表面旋涂一层厚度为微米级别的高分子压电聚合物溶液并在100℃热板上把残余溶剂蒸干；

第三步，压印及脱模：在烘箱中，以8Mpa的压力将处理后的压印模具压在聚合物薄膜上，并把烘箱温度升至压电聚合物的玻璃态转换温度以上，10-30分钟后，冷却至室温，脱模，在基材上留下压电聚合物的柱状阵列；

第四步，电场诱导流变成型：利用另一块FTO或ITO导电玻璃作为上电极，与基材组合形成一对平板电极，两平板电极之间有一层空气间隙，空气间隙是通过垫不同厚度的聚酰亚胺薄膜来控制，空气间隙要求是柱状阵列高度的2-4倍，把平板电极放入烘箱中，施加外接直流电源，正极连上电极，负极连基材，把烘箱温度升至压电聚合物的玻璃态转换温度以上，调节电压，使压电聚合物柱状阵列受到的电场力克服表面张力以及粘滞阻力流变，保持施加电压20-50min，直到压电聚合物微柱阵列接触到上电极并润湿形成顶部宽大的蘑菇状结构阵列；