摩擦电能量收集元件内摩擦电层表面微奈米结构之综合研究分析

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1、摩擦電能量收集元件內摩擦電層表面微奈米結構之綜合研究分析莊智傑指導教授：廖洺漢博士2017/6/281大綱•研究背景與動機•文獻回顧與理論基礎•理論計算與分析•實驗方法與量測架設•實驗結果與討論•總結2017/6/282研究背景與動機2017/6/283研究背景與動機問題：•能源消耗快速，替代能源的幫助有限。•許多裝置元件需要電池來提供能源。解決：•元件自發性提供自身所需能源。•摩擦起電效應。應用：•壓力感測器2017/6/284文獻回顧與理論基礎2017/6/285摩擦電效應•摩擦電效應是物體與另一材料透過摩擦或接觸後成為帶電體的一種

2、帶電效應•材料中攜帶電荷的符號則取決於與另一材料摩擦後產生的相對極性•相對電荷量的多寡主要是以兩者材料得失電子的能力為依據，此特性則主要取決於材料之極性2017/6/286摩擦電序列表•1757年，JohnCarlWilcke發表了第一個摩擦靜電序列表[1]。•序列中材料相隔得越遠，其之間接觸產生的電荷量也越顯著。2017/6/287摩擦電能量收集元件運作原理FMaterialA1MaterialBElectrode2FFII341)Initialcontact→Triboelectricchargesgenerate2)Separat

3、ion→Currentflowfromtoptothebottom3)Contact→Currentflowfrombottomtothetop4)ContactandSeparaterepeatedly→Inducedcurrent2017/6/288國際發展現況-美國•在2012年，Zhong-LinWang等人使用簡易的聚合物材料，來收集藉由摩擦所產生的電能。2017/6/289國際發展現況-韓國•在2014年，韓國的研究團隊Seol等人，提出了垂直接觸分離模式的摩擦電能量收集元件。2017/6/2810研究目的PDMSPDMS•

4、提升摩擦電能量收集元件之輸出效能。•保有大尺寸金字塔擁有良好壓力感測範圍之優勢。•本論文將於PDMS表面上製做金字塔底邊長為10??、15??、20??之金字塔陣列結構，將第二種元件金字塔之間的間距縮短為5??2017/6/2811理論計算與分析2017/6/2812金字塔結構之接觸面積計算與分析※金字塔結構達完全接觸之情況0.73??????=2+1????????A：完全接觸之總面積totalA：元件面積device•完全接觸之總面積A與金字塔底邊長totalL為不相依的。•若將金字塔間距縮小，則a也會變小，完全接觸之總面積增加，故

5、在相同的飽和壓力下，元件的開路電壓會變大。2017/6/2813開路電壓與施加壓力之關係※金字塔結構達完全接觸前之情況2????3???=2.85???V：開路電壓OCσ：表面電荷密度T：PDMS厚度ε：PDMS介電常數P：施加壓力E：PDMS楊氏模數L：金字塔底邊長2017/6/2814開路電壓與施加壓力之關係•若將金字塔間距從15??縮小至5??，得新式：2????3???=6.413???•將?=10??代入舊式：2????3????=10=0.614??•將?=15??代入新式：2????3????=15=1.054??2017

6、/6/2815實驗方法與量測架設2017/6/2816實驗流程設計2017/6/2817PDMS一般製程•PDMS未固化時，黏滯係數低，易於流動，適合翻鑄精密微結構。2017/6/2818金字塔陣列結構製程PRPRSiO2SiO2SiO2SiSiSia.SiO2沉積b.光阻塗佈與曝光c.顯影PRSiO2SiSiSid.乾蝕刻e.KOH濕蝕刻f.PDMS塗佈與翻模2017/6/2819PDMS上金字塔陣列結構之SEM圖金字塔凹槽陣列矽基板與PDMS上不同尺寸之金字塔陣列結構SEM圖2017/6/2820電極製備SputteringReci

7、peTiPtBasepressure(torr)4×10-63.5×10-6Workingpressure(torr)1.6×10-31.1×10-2Pt/TiGasflow(sccm)Ar-13Ar-80SiPower(W)DC-100RF-30Heating(℃)NonNonRotating(rpm)2010•以鉑(Pt)作為元件之上下金屬電極Depositiontime(s)657142DepositionRate(nm/s)0.1530.028•先鍍鈦(Ti)作為Pt與Si之間的黏著層Thickness(nm)102002017

8、/6/2821元件組裝元件模型圖元件實體圖2017/6/2822量測架設ForceSourceForceSensorComputerOscilloscopeDevice2017/6/2823實驗結果與討論2