基于微机电系统的摩擦纳米发电机及其制备方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于微机电系统的摩擦纳米发电机及其制备方法，摩擦纳米发电机包括：基底；摩擦层，其内限定有真空腔，摩擦层设在基底上，摩擦层包括键合连接的第一摩擦本体和第二摩擦本体，第一摩擦本体和第二摩擦本体之间限定出真空腔，摩擦层配置成当外界有入射声波能量传送至第二摩擦本体时，驱动第二摩擦本体在真空腔内振动，且在第二摩擦本体与第一摩擦本体接触后产生电信号；电极，分别设在基底和摩擦层上以形成底电极和顶电极；导线，分别与底电极和顶电极连接以导出电信号。本发明专利技术的摩擦纳米发电机，通过在摩擦层内构建真空腔，使摩擦发生在真空环境中，提高摩擦纳米发电机的输出信号的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于微机电系统的摩擦纳米发电机及其制备方法
本专利技术涉及摩擦纳米发电机
，特别是涉及一种基于微机电系统的摩擦纳米发电机及其制备方法。
技术介绍
基于摩擦起电和静电感应原理，摩擦纳米发电机能够将机械能转化为电信号。由于具有高输出电压的特性，摩擦纳米发电机被广泛应用于高灵敏力学传感设备。但是，传统的摩擦纳米发电机的制备方法极大地限制了其微型化以及集成化，进而限制了未来基于摩擦纳米发电机产品的商业化。目前，所有的摩擦纳米发电机都是通过手工制备，这种制备方法带来几个问题：一是生产效率低下；二是器件尺寸会比较大；三是制备误差较大，即使同一批器件之间，输出也有较大差异；四是传统的摩擦纳米发电机难以与后端电路集成；五是摩擦纳米发电机的摩擦层之间被暴露在外界环境中，环境因素(如温度，湿度等)会对器件输出造成影响。以上原因都限制了摩擦纳米发电机被真正投入实际使用。并且，目前的超声波能量及信号传输主要使用压电材料(PZT)制成的超声波传感器或者静电式超声传感器。压电材料已经发展多年，已经有成熟的加工工艺，用于超声波能量及信号传输时，虽然具有较高的能量转化效率，但压电材料难以实现微型化和集成化。静电式超声传感器需要较高的支流偏压才能有高能量转换效率，因此应用范围上受限。现有的基于摩擦纳米发电机的声波接收器都是手工制备，目前被报道的最高能量转换效率能达到60％。但由于手工制备过程中误差巨大，摩擦纳米发电机体积难以实现微型化，也难以实现稳定可靠的电信号输出。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是要解决现有技术中的摩擦纳米发电机输出信号不稳定的问题。本专利技术一个进一步的目的是要提供一种微型化、集成化的摩擦纳米发电机，缩小摩擦纳米发电机的体积，增强摩擦纳米发电机与其他电子器件的集成度。特别地，本专利技术提供了一种基于微机电系统的摩擦纳米发电机，包括：基底；摩擦层，其内限定有真空腔，所述摩擦层设在所述基底上，所述摩擦层包括键合连接的第一摩擦本体和第二摩擦本体，所述第一摩擦本体和第二摩擦本体之间限定出所述真空腔，所述摩擦层配置成当外界有入射声波能量传送至所述第二摩擦本体时，驱动所述第二摩擦本体在所述真空腔内振动，且在所述第二摩擦本体与所述第一摩擦本体接触后产生电信号；电极，分别设在所述基底和所述摩擦层上以形成底电极和顶电极；导线，分别与所述底电极和顶电极连接以导出所述电信号。进一步地，所述基底为导电硅片，所述第一摩擦本体为氧化硅，所述第二摩擦本体为硅膜，所述第一摩擦本体设在所述基底上，且所述第一摩擦本体的截面为开口向上的匚形，所述第二摩擦本体键合在所述第一摩擦本体上且封闭所述第一摩擦本体的自由端，以与所述第一摩擦本体之间限定出所述真空腔。进一步地，在所述第二摩擦本体上还设置有高效摩擦涂层，以提高所述摩擦纳米发电机的输出功率。进一步地，所述第一摩擦本体和所述第二摩擦本体之间限定出的所述真空腔形成为柱状。进一步地，所述摩擦纳米发电机为多个，多个所述摩擦纳米发电机并联连接。进一步地，在大气压下，第二摩擦本体在真空腔内沿水平方向向下凹陷的最大静态形变量以下式表示：其中，w为所述第二摩擦本体的最大静态形变量，D为所述第二摩擦本体的抗挠刚度，E为所述第二摩擦本体的杨氏模量，h为所述第二摩擦本体的厚度，v是所述第二摩擦本体的膜材料的泊松比，p0为大气压，a为第二摩擦本体的半径。进一步地，所述摩擦纳米发电机在空气环境中，所述第二摩擦本体的第一共振频率为：在水环境中，所述第二摩擦本体的第一共振频率为：其中，R是所述第二摩擦本体的半径，h是所述第二摩擦本体的厚度，ρ是所述第二摩擦本体的膜材料的密度，E是所述第二摩擦本体的膜材料的杨氏模量，ν是所述第二摩擦本体的膜材料的泊松比，ρw是水密度。本专利技术还提供一种摩擦纳米发电机的制备方法，用于制备上述实施例中的基于微机电系统的摩擦纳米发电机，所述制备方法包括如下步骤：提供一基底，并在所述基底上设置第一摩擦本体；在所述第一摩擦本体上刻蚀出窗口；将SOI片与所述第一摩擦本体键合连接以封闭所述窗口，封闭的所述窗口形成为真空腔；对所述SOI片进行刻蚀处理以形成便于在所述真空腔内振动的第二摩擦本体；在所述基底上刻蚀出底电极，在所述第二摩擦本体上通过电子束沉积和剥离技术形成顶电极；将导线通过金属沉积固定在所述底电极与所述顶电极上。进一步地，所述基底为导电硅片，所述第一摩擦本体为氧化硅，在所述基底上设置第一摩擦本体包括：在所述基底上采用热氧化方法形成所述第一摩擦本体。进一步地，将所述SOI片与所述第一摩擦本体键合连接以封闭所述窗口，封闭的所述窗口形成为真空腔的步骤包括：在真空环境中，将所述SOI片与所述第一摩擦本体进行键合处理以封闭所述窗口；将键合后的所述SOI片与所述第一摩擦本体在氢气氛围中进行退火处理。进一步地，对所述述SOI片进行刻蚀处理以形成便于在所述真空腔内振动的第二摩擦本体的步骤包括：利用反应离子刻蚀和湿法刻蚀相结合的方法去除所述SOI片中的底层硅；去除所述SOI片中的氧化硅绝缘层，留下硅器件层作为所述第二摩擦本体以形成便于在所述真空腔内振动的硅悬膜。本专利技术的摩擦纳米发电机，利用微机电加工技术，将第一摩擦本体和第二摩擦本体采用直接键合技术形成具有真空腔的摩擦层，通过构建真空腔，使摩擦发生在真空环境中，保证摩擦纳米发电机的电信号的输出不受外界环境的影响，提高摩擦纳米发电机的输出信号的稳定性。进一步地，本专利技术的摩擦纳米发电机，通过直接键合形成摩擦层有利于形成微型化和集成化的摩擦纳米发电机，不仅极大地缩小了摩擦纳米发电机的体积，还增强了摩擦纳米发电机与其他电子器件的集成度。根据下文结合附图对本专利技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本专利技术的上述以及其他目的、优点和特征。附图说明后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本专利技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：图1是根据本专利技术实施例的摩擦纳米发电机的结构示意图；图2是根据本专利技术实施例的摩擦纳米发电机的摩擦层的起始状态图；图3是根据本专利技术实施例的摩擦纳米发电机的摩擦层的工作状态图；图4是根据本专利技术实施例的多个摩擦纳米发电机的并联连接示意图；图5是根据本专利技术实施例的摩擦纳米发电机的制备方法的流程示意图；图6是根据本专利技术实施例的摩擦纳米发电机的制备方法的制作过程示意图；图7是根据本专利技术一个实施例的摩擦纳米发电机的产生的电信号图；图8是根据本专利技术一个实施例的摩擦纳米发电机的输出功率示意图；图9是根据本专利技术一个实施例的摩擦纳米发电机的20个周期的脉冲信号的驱动信号下产生的电信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微机电系统的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：/n基底；/n摩擦层，其内限定有真空腔，所述摩擦层设在所述基底上，所述摩擦层包括键合连接的第一摩擦本体和第二摩擦本体，所述第一摩擦本体和第二摩擦本体之间限定出所述真空腔，所述摩擦层配置成当外界有入射声波能量传送至所述第二摩擦本体时，驱动所述第二摩擦本体在所述真空腔内振动，且在所述第二摩擦本体与所述第一摩擦本体接触后产生电信号；/n电极，分别设在所述基底和所述摩擦层上以形成底电极和顶电极；/n导线，分别与所述底电极和顶电极连接以导出所述电信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于微机电系统的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：
基底；
摩擦层，其内限定有真空腔，所述摩擦层设在所述基底上，所述摩擦层包括键合连接的第一摩擦本体和第二摩擦本体，所述第一摩擦本体和第二摩擦本体之间限定出所述真空腔，所述摩擦层配置成当外界有入射声波能量传送至所述第二摩擦本体时，驱动所述第二摩擦本体在所述真空腔内振动，且在所述第二摩擦本体与所述第一摩擦本体接触后产生电信号；
电极，分别设在所述基底和所述摩擦层上以形成底电极和顶电极；
导线，分别与所述底电极和顶电极连接以导出所述电信号。


2.根据权利要求1所述的基于微机电系统的摩擦纳米发电机，其特征在于，
所述基底为导电硅片，所述第一摩擦本体为氧化硅，所述第二摩擦本体为硅膜，所述第一摩擦本体设在所述基底上，且所述第一摩擦本体的截面为开口向上的匚形，所述第二摩擦本体键合在所述第一摩擦本体上且封闭所述第一摩擦本体的自由端，以与所述第一摩擦本体之间限定出所述真空腔。


3.根据权利要求2所述的基于微机电系统的摩擦纳米发电机，其特征在于，
在所述第二摩擦本体上还设置有高效摩擦涂层，以提高所述摩擦纳米发电机的输出功率，所述第一摩擦本体和所述第二摩擦本体之间限定出的所述真空腔形成为柱状。


4.根据权利要求3所述的基于微机电系统的摩擦纳米发电机，其特征在于，
所述摩擦纳米发电机为多个，多个所述摩擦纳米发电机并联连接。


5.根据权利要求3所述的基于微机电系统的摩擦纳米发电机，其特征在于，
在大气压下，第二摩擦本体在真空腔内沿水平方向向下凹陷的最大静态形变量以下式表示：






其中，w为所述第二摩擦本体的最大静态形变量，D为所述第二摩擦本体的抗挠刚度，E为所述第二摩擦本体的杨氏模量，h为所述第二摩擦本体的厚度，v是所述第二摩擦本体的膜材料的泊松比，p0为大气压，a为第二摩擦本体的半径。


6.根据权利要求3所述的基于微机电系统的摩擦纳米发电机，其特征在于，
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旭辉，陈晨，文震，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32