[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

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。

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。

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。

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。

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：

(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。

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。

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

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

图1本发明的结构示意图；

图2本发明的工艺流程图；

图3本发明的表面扫描电子显微镜(SEM)图；

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；

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

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。