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基于润湿梯度表面的液滴自驱动 能量转换装置及制备方法

阅读：427发布：2020-05-15

专利汇可以提供基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置及制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置，该装置的电极区域自下而上包括衬底基片、氧化层、电极层和电介质层，润湿梯度表面的亲水区域由均匀的电介质层条纹组成，润湿梯度表面实现正、负电极的分离的疏水区域由均匀的硅纳米针组成，电极层被电介质层所覆盖，通过调节亲水区域与疏水区域的面积比实现固体润湿梯度表面结构的变化进而驱动表面液滴的定向移动，液滴自驱动改变固-液接触界面上形成的双电层面积，并诱导正负电极电介质层表面的电荷重新分布，进而实现两电极端的电压输出。实现基于液滴移动的微流控芯片系统自供电功能，满足野外环境下运行的低功耗器件的需求，设计新颖，是一种很好的创新方案。，下面是基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置及制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置，其特征在于：该装置的电极区域自下而上包括衬底基片、氧化层、电极层和电介质层，润湿梯度表面的亲水区域由均匀的电介质层条纹组成，润湿梯度表面实现正、负电极分离的疏水区域由均匀的硅纳米针组成，电极层被电介质层所覆盖，通过调节亲水区域与疏水区域的面积比实现固体润湿梯度表面结构的变化进而驱动表面液滴的定向移动，液滴自驱动改变固-液接触界面上形成的双电层面积，并诱导正负电极电介质层表面的电荷重新分布，进而实现两电极端的电压输出。
2.根据权利要求1所述基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置，其特征在于：所述的亲水区域与疏水区域均根据Cassie-Baxter模型，通过调节电介质层条纹及硅纳米针结构的面积比，设计若干具有润湿差异的表面润湿区域，并将这些润湿区域按接触角递减的顺序相连形成能量转换装置的润湿梯度表面。
3.根据权利要求1或权利要求2所述基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置，其特征在于：每个润湿区域末端采用表面覆盖有电介质层的垂直电极引线分别与正、负电极相连，且相邻润湿区域分别连接不同的电极，以形成梳状电极的能量转换装置。
4.根据权利要求1所述基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置，其特征在于：所述的电介质层可采用的材质为氧化硅或氮化硅，单个润湿区域的长度不大于3mm。
5.基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置的制备方法，该方法包括以下步骤：
(a)高温氧化衬底层，并采用金属溅射工艺在氧化层表面溅射一层金属电极层；
(b)采用化学气相沉积工艺在电极层沉积一层电介质层膜；
(c)通过紫外光刻进行图形转移，并采用干法刻蚀工艺依次刻蚀电介质层、电极层；
(d)采用反应离子刻蚀技术，刻蚀衬底表面氧化层；
(e)采用深反应离子刻蚀技术，在硅衬底表面刻蚀纳米硅针结构；
(f)去胶工艺。
6.根据权利要求5所述基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置的制备方法，其特征在于：疏水区域、亲水区域、电极层表面均进行硅烷化疏水处理，有效避免残余水膜对后续液滴能量转换电能输出的影响。

说明书全文

基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置及制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及能量转化装置，特别是涉及基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置。

背景技术

[0002] 能量转换技术在人们的日常生产和生活中不断更新，最早使用的能量转换装置可追溯到风车、船帆、水轮时代。随着电能的出现及广泛使用，基于环境能量转换成电能的能量转换装置不断出现，批量化的环境能量转化成电能装置有风力发电机、水力发电机、地热发电机、太阳能发电机等发电装置。大功率环境能量转化成电能的装置极大推动了社会进步，而由于其体积大、不易挪移等缺陷，无法满足逐渐增多的野外等恶劣环境下运行的低功耗器件要求。

[0003] 随着微电子技术的日趋成熟，无线传感网络、可穿戴器件、微流控芯片等高新技术产品迅速发展，这类器件或系统通常耗能低至微瓦到纳瓦量级，但应用环境比较苛刻，对供能元件在工作环境、成本、使用寿命等方面提出了更高的要求，特别是微流控芯片对供能元件的无电磁污染等要求。基于液滴移动的能量转换技术应运而生，因其清洁无污染、重复性好、便携化难度低等优势，有望成为这类器件或系统功能元件的备选技术。而此能量转换装置难以实现与微流控芯片系统的集成，阻碍了微流控芯片系统的自供电的进程，不能满足社会发展的更高需求。

[0004] 综上所述，针对现有技术的缺陷，特别需要基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置，以解决现有技术的不足。

发明内容

[0005] 针对上述存在的技术问题和能量转换装置的缺陷，本发明提出了基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置，结构简洁、操作方便、便于携带，能够满足野外环境下运行的低功耗器件的需求。

[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

[0007] 基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置，该装置的电极区域自下而上包括衬底基片、氧化层、电极层和电介质层，润湿梯度表面的亲水区域由均匀的电介质层条纹组成，润湿梯度表面实现正、负电极的分离的疏水区域由均匀的硅纳米针组成，电极层被电介质层所覆盖，通过调节亲水区域与疏水区域的面积比实现固体润湿梯度表面结构的变化进而驱动表面液滴的定向移动，液滴自驱动改变固-液接触界面上形成的双电层面积，并诱导正负电极电介质层表面的电荷重新分布，进而实现两电极端的电压输出。

[0008] 进一步，所述的亲水区域与疏水区域均根据Cassie-Baxter模型，通过调节电介质层条纹及硅纳米针结构的面积比，设计若干具有润湿差异的表面润湿区域，并将这些润湿区域按接触角递减的顺序相连形成能量转换装置的润湿梯度表面。

[0009] 进一步，每个润湿区域末端采用表面覆盖有电介质层的垂直电极引线分别与正、负电极相连，且相邻润湿区域分别连接不同的电极，以形成梳状电极的能量转换装置。

[0010] 进一步，所述的电介质层可采用的材质为氧化硅、氮化硅，单个润湿区域的长度不大于3mm。

[0011] 本发明还涉及基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置的制备方法，该方法包括以下步骤：

[0012] (a)高温氧化衬底层，并采用金属溅射工艺在氧化层表面溅射一层金属电极层；

[0013] (b)采用化学气相沉积工艺在电极层沉积一层电介质层膜；

[0014] (c)通过紫外光刻进行图形转移，并采用干法刻蚀工艺依次刻蚀电介质层、电极层；

[0015] (d)采用反应离子刻蚀技术，刻蚀衬底表面氧化层；

[0016] (e)采用深反应离子刻蚀技术，在硅衬底表面刻蚀纳米硅针结构；

[0017] (f)去胶工艺。

[0018] 进一步，疏水区域、亲水区域、电极层表面均进行硅烷化疏水处理，有效避免残余水膜对后续液滴能量转换电能输出的影响。

[0019] 本发明的有益效果是：本发明采用液滴自驱动的整个过程，首次实现了固-液系统表面自由能转化到液滴动能，液滴动能再转化到电能的能量转换过程，此能量转换装置将能量转换技术与液滴自驱动技术结合，可实现基于液滴移动的微流控芯片系统自供电功能，满足野外环境下运行的低功耗器件的需求，设计新颖，是一种很好的创新方案。附图说明

[0020] 下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

[0021] 图1本发明的结构示意图；

[0022] 图2本发明的工艺流程图；

[0023] 图3本发明的表面扫描电子显微镜(SEM)图；

[0024] 图4本发明以四润湿区域为例，所选不同润湿区域的静态接触角变化图；

[0025] 图5本发明的表面液滴自驱动及能量转换装置输出电压图；

具体实施方式

[0026] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

[0027] 参见图1，一种基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置，此装置的电极区域自下而上包括衬底基片10、氧化层16、电极层13和疏水处理的电介质层12，氧化层16设置于衬底基片10和电极层13之间，润湿梯度表面的亲水区域由均匀的电介质层12条纹组成，润湿梯度表面实现正、负电极的分离的疏水区域由均匀的硅纳米针11组成，疏水区域实现正、负电极的分离。电极层13被电介质层12所覆盖，通过调节亲水区域与疏水区域的面积比实现固体润湿梯度表面结构的变化进而驱动表面液滴15的定向移动，液滴15自驱动改变固-液接触界面上形成的双电层面积，并诱导正负电极电介质层表面的电荷重新分布，进而实现两电极端的电压输出。

[0028] 如图3所示，润湿梯度表面由若干(4～5)个接触角差异的润湿区域组成，根据Cassie-Baxter模型，设计具有润湿差异的表面不同润湿区域，并将这些润湿区域按接触角递减的顺序相连，形成能量转换装置的润湿梯度表面，并且每个润湿区域的长度不大于3mm。以驱动表面液滴定向移动。

[0029] 每个润湿区域末端采用表面覆盖有电介质层的垂直电极引线14分别与正、负电极相连，且相邻润湿区域分别连接不同的电极，以形成梳状电极的能量转换装置，疏水区域、亲水区域、电极层表面均进行硅烷化疏水处理，有效避免残余水膜对后续液滴能量转换电能输出的影响。

[0030] 如图2所示，能量转换装置制备工艺流程包括：

[0031] (a)高温氧化衬底层,在沉底表面形成一层厚度为1～2μm的致密氧化层，并采用金属溅射工艺在氧化层表面溅射一层10～50nm钛钨过渡层，再溅射厚度为100～500nm的金膜作为电极，并引出导线，两导线用于连接外接负载。

[0032] (b)采用化学气相沉积工艺在电极层沉积一层厚度为150～500nm的二氧化硅层，同时作为电介质层和亲水区域。

[0033] (c)通过紫外光刻进行图形转移，并采用干法刻蚀工艺依次刻蚀电介质层、电极层；

[0034] (d)采用反应离子刻蚀技术，刻蚀衬底表面氧化层；

[0035] (e)采用深反应离子刻蚀技术，在硅衬底表面刻蚀纳米硅针结构；

[0036] (f)采用湿法工艺去除能量转换装置表面光刻胶。

[0037] 参见图4、图5，基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置的能量收集方法，包括以下步骤：

[0038] 1)首先将样品固定在测试台上，将能量转换电极引线端与数据采集卡相连。并通过水平调节器将转换装置的润湿梯度固体表面调平

[0039] 2)注射器针头调整到样品的润湿区域S0处，利用与注射器相连的高精度微量注射泵将定量的去离子水滴滴加在样品S0区域，调节水平测试台，使固-液接触的前进线靠近润湿区域S1区域，竖直向上抽拉注射器直至针头与液滴脱离。

[0040] 3)脱离针头的液滴进行双向铺展，当前进线移动到S1区域时，固-液界面上存在的润湿梯度差异，即S0与S1之间的润湿差异，此润湿梯度驱动液滴沿着更润湿的方向移动。当液滴在能量转换装置金属电极区域移动时，会引起上下电极的电荷重新分布，进而形成两电极之间的电势差，实现电能量输出。

[0041] 本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

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