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深港微电子学院汪飞课题组在Microsystem&Nanoengineering发表新型驻极体加工工艺及高性能微型能量采集器论文

2021-03-05 科研聚焦 浏览量:523

近日,我院汪飞课题组在新型驻极体加工工艺及微型能量采集器领域取得最新进展。针对传统驻极体材料,在高温及高湿度环境下电荷稳定性不佳的问题,研究团队提出了一种喷涂的方法,用于沉积驻极体材料提升它在高温及高湿度恶劣环境下的电荷充电能力及稳定性,并成功在MEMS静电能量采集器上得到了应用。该文章于2021年2月9日以标题” Spray-coated electret materials with enhanced stability in a harsh environment for an MEMS energy harvesting device”在线发表于Microsystem&Nanoengineering(中科院一区,IF:5.07,Nature Publishing Group)杂志(https://doi.org/10.1038/s41378-021-00239-0)。

驻极体材料因为其近乎永久储存电荷的能力,已被广泛应用在压力传感器,气压计,和麦克风中。近年来,驻极体材料也逐渐用于基于静电感应原理的MEMS振动能量采集器中。静电能量采集器的输出性能高度依靠于预充电的驻极体材料。一般来说,能量采集器从振动中收集到的能量与驻极体中充电的电荷密度的平方成正比。而驻极体材料一旦暴露在高温度或高湿度等恶劣环境中时,它所储存的电荷很可能会迅速衰减,从而影响能量采集器的输出性能。因此,提高驻极体材料的电荷稳定性对于提高静电能量采集器的性能十分必要。

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图1,利用喷涂方法制作掺杂纳米颗粒的驻极体材料

为了提高驻极体材料的电荷稳定性,在本论文中,研究团队提出了一种通过喷涂工艺,用于沉积纳米颗粒掺杂的驻极体材料,喷涂过程中引入的气泡和纳米颗粒都有助于保留驻极体材料中的空间电荷,以达到提升表面电荷稳定性的目的。为了进一步验证喷涂方法对驻极体长期电荷稳定性的提升,他们首先对采用喷涂方法及传统旋涂法制备的三种不同驻极体材料样品分别置于塑料盒中在室温(25℃)和正常湿度(30-50% RH)下静置500天,进行了电荷的长期衰减测试。三种样品的表面电位在前3天迅速下降,之后逐渐稳定。14 天后,采用旋涂方法制备的样品1的表面电位从1600 V下降到700 V, 500 天后稳定在400 V左右;该值仅为初始值的~25%。相比之下,对于喷涂的驻极体样品,经过长期测试后,表面电位始终保持在1100 V以上,实验结果证明了喷涂的并掺杂驻极体薄膜具有良好的长期电荷稳定性。

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图2,电荷二阶衰减模型曲线及实验拟合参数

研究团队也研究了驻极体薄膜在高温、高湿的恶劣环境下条件下的充电和电荷衰减过程。在实验数据的基础上,他们提出了一个二阶衰减模型来分析驻极体电荷表面电位的衰减。与传统的深阱模型不同,二阶衰减模型同时考虑了驻极体材料的表面电荷和空间电荷。从实验结果可以发现,该模型比传统深阱模型具有更高的拟合准确度。在二阶衰减模型的指导下,研究人员能够更准确地从机理上解释喷涂方法对于驻极体电荷稳定性提升的原因。

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图3,基于MEMS工艺的驻极体微型能量采集器制作流程及照片

此外,为了验证喷涂驻极体的应用前景,研究团队结合驻极体的喷涂方法,将喷涂工艺应用在了基于微机电系统(MEMS)加工工艺的微型静电能量采集器中。该采集器结合喷涂驻极体工艺,采用先进的MEMS技术经过光刻、刻蚀、溅射等工艺加工制造而成,尺寸仅有13 × 18 mm2,在21兆欧的匹配电阻下,输出能量可达11.72微瓦。得益于喷涂驻极体工艺的运用,该微型能量采集器在高温及高湿度的恶劣环境下依然可以稳定工作,具有优异的性能。

该研究证明采用喷涂方法制备的驻极体薄膜在恶劣环境下具有良好的电荷稳定性,在未来有望在能量采集器、驻极体麦克风等相关领域得到广泛应用。

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课题组介绍:

汪飞课题组的博士生罗安信为本文的第一作者,本文还得到了来自同济大学的张晓青教授和来自澳门大学的路延教授的合作指导,汪飞副教授是本文唯一通讯作者。此外,本研究还得到了深圳市科创委和广东省自然科学基金的资金支持,南方科技大学分析测试中心亦为课题组项目研究提供了大力支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41378-021-00239-0


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