基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置及制備方法制造方法及圖紙

本發明專利技術提供一種基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置及制備方法，所述熱電轉換能量采集裝置包括散熱端、上極板、下極板、傳熱板和超疏水壁面。所述傳熱板是具有超強導熱能力的金屬極板，其下表面與外界廢熱源相連，用于將外部熱能傳遞到傳熱板上表面的液態水上。能量采集裝置的側壁和頂層內表面均采用超疏水材料，避免傳熱板上面蒸發的水蒸汽在內壁上冷凝，使水蒸汽集中冷凝在置于頂層內表面的上極板上，上極板與下極板的電介質層上下相對放置。當冷凝在上極板的液滴滴落在電介質層表面時，液滴與電介質層接觸界面的電荷會重新分布，并在內外電極兩端產生一個瞬時電勢差，此電勢差實現液滴碰撞發電，可以將外部熱能轉化為電能。

【技術實現步驟摘要】
基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置及制備方法
本專利技術所涉及的領域是一種基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置，屬于能量采集

技術介紹
隨著微機電系統(MEMS)技術的發展，涌現出的低功耗無線傳感器件或系統對微電源提出新的要求，這其中包括便攜程度、無線遠程、脫離冗余電源線及成本考慮。便攜式小功率的環境能量采集裝置因其能將環境中其他形式的能轉換成電能，并可以作為微器件或系統的電源而備受關注。已報道的能量轉換方式有壓電式、電磁式、靜電式等能量采集裝置。其中壓電式能量采集裝置是通過壓電效應來產生電能，因需要特殊的壓電材料而提高了成本；電磁式能量采集裝置是通過電磁場將外界振動等能量轉換為電能，引入的電磁場可能會對器件或系統的無線通信產生干擾；而靜電式能量采集裝置需要一個外部電源在能量轉換的電容兩端產生原始電壓差，無法滿足遠程野外的低功耗器件的要求。
技術實現思路
針對上述
存在的技術問題和能量采集裝置的缺陷，本專利技術公開了一種基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置。本專利技術的技術方案實現方式是：一種基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置，該裝置包括存放部分液態水的腔體；該腔體包括與外部廢熱源接觸并作為底板的傳熱板、采用超疏水材料制備的側板和頂板；所述腔體內的傳熱板上表面放置有一端與外接金屬板導通的下極板；所述頂板上嵌入與所述下極板的電介質層對應的上極板；所述下極板包括襯底、形成于該襯底上的電極層、沉積于該電極層上的電介質層以及沉積在該電介質層上的疏水層；所述上極板包括硅基底、形成于該襯底上周期性分布的疏水區和親水區；所述疏水去為微納米硅柱結構；所述親水區為氧化硅。本專利技術還涉及一種基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置的制備方法，該方法包括收容在腔體內的上極板和下極板的制造方法，所述上極板制備包括以下步驟：1)提供一包含氧化層的硅基底；2)采用光刻工藝將親、疏水區分布圖形轉移到硅基底的氧化層上，并使親水區的氧化層被光刻膠保護；3)采用反應離子刻蝕工藝刻蝕疏水區的所述氧化層，然后采用深反應離子刻蝕工藝在已刻蝕掉氧化層的區域形成疏水的微納米硅柱結構；4)去除硅基底上光刻膠。所述下極板制備包括以下步驟：1)提供一玻璃襯底；2)在該玻璃襯底上濺射電極層；3)在所述電極層上沉積電介質層；4)在所述電介質層上沉積超疏水材料以形成疏水層。本專利技術的傳熱板是具有超強導熱能力的金屬極板，其下表面與外界廢熱源相連，用于將外部熱能傳遞到傳熱板上表面的液態水上。能量采集裝置的側板和頂板內表面均采用超疏水材料，避免傳熱板上面蒸發的水蒸汽在內壁上冷凝，使水蒸汽集中冷凝在置于頂層內表面的上極板上，上極板與下極板的電介質層上下相對放置。當冷凝在上極板的液滴滴落在電介質層表面時，液滴與電介質層接觸界面的電荷會重新分布，并在內外電極兩端產生一個瞬時電勢差，此電勢差實現液滴碰撞發電，可以將外部熱能轉化為電能。附圖說明圖1為本專利技術基于熱電轉換能量采集裝置的結構圖；圖2為本專利技術基于熱電轉換能量采集裝置的下極板電極剖面圖；圖3為本專利技術基于熱電轉換能量采集裝置的上極板電極結構圖。元件標號說明襯底2電介質層3電極層4疏水層9傳熱板1側板5頂板6散熱端10親水區12疏水區11上極板7液滴8具體實施方式以下通過特定的具體實例說明本專利技術的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本專利技術的其他優點與功效。本專利技術還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本專利技術的精神下進行各種修飾或改變。需說明的是，在不沖突的情況下，以下實施例及實施例中的特征可以相互組合。需要說明的是，以下實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本專利技術的基本構想，遂圖式中僅顯示與本專利技術中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。本專利技術提供一種基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置，該裝置包括存放部分液態水的腔體；該腔體包括與外部廢熱源接觸并作為底板的傳熱板、采用超疏水材料制備的側板和頂板；所述腔體內的傳熱板上表面放置有一端與外接金屬板導通的下極板；所述頂板上嵌入與所述下極板對應的上極板；所述下極板包括襯底、形成于該襯底上的電極層、沉積于該電極層上的電介質層以及沉積在該電介質層上的疏水層；所述上極板包括硅基底、形成于該襯底上周期性分布的疏水區和親水區；所述疏水區為微納米硅柱結構；所述親水區為氧化硅。本專利技術還包括所述腔體外、上極板的上表面設置有散熱端。所述散熱端包括基板和與基板垂直并平行間隔設置的散熱片。所述傳熱板用于將外部熱源傳遞到能量采集裝置內部，并用液態水作為內部熱循環介質，上極板用于定點冷凝傳熱板上蒸發的水蒸汽，并形成小水滴滴落到下極板的電極上，電極另一端為外接導電性能良好的金屬極板。當冷凝在上極板的液滴滴落在下極板的電介質層表面時，液滴與下極板接觸界面的電荷會重新分布，并在電極兩端產生一個感生電勢差，此電勢差實現液滴碰撞發電，可以將外部熱能轉化為電能。所述的傳熱板的材料是具有超強導熱能力的金屬材料極板，其下表面與外部熱源相連，上表面放置有下極板及其周圍的內部熱循環液體介質。本實施例中該液體介質為水。傳熱板上表面的液態水受熱汽化成水蒸汽。所述的腔體包括超疏水壁面，該超疏水壁面包括能量采集裝置的側板和頂板內表面，壁面材料須具有超疏水特性，降低水蒸汽在壁面上的冷凝，材料可以選取聚四氟乙烯或納米硅等。所述上極板是以硅晶元為襯底的親水域、疏水域周期分布的表面微結構，水蒸汽定點冷凝在親水區域，形成體積可控的液滴。液滴體積是根據需要設計，液滴脫離上極板前與上極板的接觸面積，即為單個圓親水區面積。所述的散熱端的材料是超強導熱能力的金屬材料，優選銅材質，并置于上極板上方，水蒸汽在上極板冷凝時釋放的熱量經散熱端傳遞到外界空氣中。所述的上極板置于能量采集裝置的頂板內，表面結構是以硅晶元為襯底的親水域、疏水區周期性分布，因熱循環介質液態水與表面結構的接觸角不同而實現水蒸汽定點冷凝。其中上極板制備包括以下步驟：1)首先準備單面氧化的硅基底；2)采用光刻工藝將親、疏水區分布圖形轉移到硅基底氧化層一面上，使親水區的氧化層被光刻膠保護。3)采用反應離子刻蝕工藝刻蝕硅基底疏水區域的氧化層，然后采用深反應離子刻蝕工藝在已刻蝕掉二氧化硅的區域制備微納米硅柱結構。4)最后，去除硅基底上的光刻膠。所述的下極板的電介質層與上極板上下相對放置，保證上極板冷凝的液滴滴落在電介質層表面，下極板電極層的另一端為外接導電性能良好的金屬極板。其中下極板制備包括以下步驟：1)首先，準備玻璃材質或硅材質；2)在襯底上制備一層厚度大約為50nmTi/W的過渡層(也可以省略該過渡層的制備步驟)，再濺射厚度大約為150nm的金屬膜作為電極層，所述電極層的材料優選為金、銀或銅；3)在金屬膜部分區域沉積厚度大約為290nm的電介質層，所述的電介質層可以是氮化硅、二氧化硅或有機材質。4)在金屬膜和電介質層上沉積一層聚四氟乙烯薄膜，形成疏水層。下面結合附圖對本專利技術優選的實施例進一步說明。如圖1所示，一種基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置，包括散熱端10、上極板7、襯底2、電介質層3、電極層4、疏水本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置，其特征在于：該裝置包括存放部分液態水的腔體；該腔體包括與外部廢熱源接觸并作為底板的傳熱板、采用超疏水材料制備的側板和頂板；所述腔體內的傳熱板上表面放置有一端與外接金屬板導通的下極板；所述頂板上嵌入與所述下極板對應的上極板；所述下極板包括襯底、形成于該襯底上的電極層、沉積于該電極層上的電介質層以及沉積在該電介質層上的疏水層；所述上極板包括硅基底、形成于該襯底上周期性分布的疏水區和親水區；所述疏水區為微納米硅柱結構；所述親水區為氧化硅。

【技術特征摘要】
1.一種基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置，其特征在于：該裝置包括存放部分液態水的腔體；該腔體包括與外部廢熱源接觸并作為底板的傳熱板、采用超疏水材料制備的側板和頂板；所述腔體內的傳熱板上表面放置有一端與外接金屬板導通的下極板；所述頂板上嵌入與所述下極板對應的上極板；所述下極板包括襯底、形成于該襯底上的電極層、沉積于該電極層上的電介質層以及沉積在該電介質層上的疏水層；所述上極板包括硅基底、形成于該襯底上周期性分布的疏水區和親水區；所述疏水區為微納米硅柱結構；所述親水區為氧化硅。2.根據權利要求1所述的基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置，其特征在于：所述傳熱板為金屬板。3.根據權利要求1所述的基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置，其特征在于：所述超疏水材料選取聚四氟乙烯或納米硅。4.根據權利要求1所述的基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置，其特征在于：所述親水區的體積與液滴體積相關。5.根據權利要求1所述的基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置，其特征在于：所述腔體外側上極板的上表面處設置有散熱端。6.根據權利要求5所述的基于液滴冷凝的熱電轉換能量采集裝置，其特征在于：所述散熱端包括基板...

【專利技術屬性】
技術研發人員：周曉峰，劉超然，車錄鋒，
申請(專利權)人：中國科學院上海微系統與信息技術研究所，
類型：發明
國別省市：上海;31