一种螺旋式多点位整流压电能量收集器及其制备方法

本发明属于压电能量收集领域，具体涉及一种螺旋式多点位整流压电能量收集器及其制备方法。

背景技术：

1、随着纳米技术、微电子学和生物医学领域的最新进展，对智能电子系统和无线能源的需求迅速增加。纳米技术、微电子学和生物医学之间的协同作用可以非常强大，并在各种应用中发挥了关键作用。可植入的生物医学设备(ibd)目前应用于身体的各个部位，作为人工治疗手段，包括心脏除颤仪、心脏起搏器、人工视网膜和深度脑刺激器。这些生物医学电子设备可以提供针对与大脑、心脏和感觉器官相关的各种疾病的实时诊断和治疗。电池技术的进步为ibd提供了可能，但电池的存储能力和使用寿命的改进仍然具有挑战性。目前，电池的寿命仍然有限，只有几年。定期更换电池的外科手术会延长住院时间，增加患者的风险，如高发病率甚至死亡。因此，需要更多的研究和努力，以延长电池的使用寿命，甚至消除植入物中的电池，以减轻患者的医疗负担。

2、最近提出了基于自供电系统的新能源收集策略，旨在消除电池并扩展其功能。这些系统结合了热电效应、压电效应、磁致伸缩效应或电磁感应等能源收集设备，将其集成到人体内，从热能和周期性生物力学运动中产生电能。

3、但是由于目前的超声诱导的压电阵列所选择的全并联式压电单元的连接方式，由于超声能量在空间内分布的不均匀性，不同的压电单元之间获取的电能量信号会产生相位之间的差异，这种现象会导致最终的总能量输出效果变差，图3展示了在0.5mhz和1mhz两种频率下的超声能量空间分布，在1mhz的频率下超声能量的强弱区域分布相较0.5mhz频率下的分布更加密集，空间能量上的强弱分布导致压电能量收集器件的工作变得十分不稳定，并且由于压电阵列的弯曲会造成压电单元间的电信号产生相位差异，最终器件的整体输出功率变低，输出信号变得不稳定。为了解决这个问题，本发明提出了一种螺旋式多点位整流压电能量收集器，以提升压电阵列的总能量输出，并优化压电阵列的输出稳定性。

技术实现思路

1、本发明提出了一种螺旋式多点位整流压电能量收集器及其制备方法，目的是解决由于超声能量在空间内分布的不均匀性，不同的压电单元之间获取的电能量信号会产生相位之间的差异所导致的最终的总能量输出效果变差的问题，并希望能提高能量输出的总功率与稳定性。

2、本发明的技术方案为：一种螺旋式多点位整流压电能量收集器，包括压电单元、金属电极、整流二极管、柔性封装材料；

3、其中金属电极、压电单元、整流二极管被柔性封装材料整体封装；

4、金属电极包括压电连接结构、二极管连接结构、蛇形金属线、电极连接结构；其中蛇形金属线从中心开始螺旋式多圈排布，第n圈与第n+1圈螺旋顺逆时针相反；螺旋式蛇形金属线的头尾连接电极连接结构；蛇形金属线的中间有复数个断开的压电连接结构与二极管连接结构，每两个相邻压电连接结构之间有一个二极管连接结构；

5、压电连接结构与二极管连接结构作为连接点，压电连接结构连接压电单元，二极管连接结构连接整流二极管。

6、所述柔性衬底采用聚二甲基硅氧烷(pdms)，厚度为1mm；金属电极采用的为性聚酰亚胺(pi)覆铜(cu)电极，厚度50μm；所采用的压电单元型号为锆钛酸铅系压电陶瓷pzt-5，厚度为5mm，直径1cm，厚向振动频率2mhz。

7、制备方法如下：

8、步骤1：超声清洗玻璃片基底，随后用氮气吹干备用；

9、步骤2：在基底上面均匀涂覆一层未固化聚二甲基硅氧烷，自然风干且保留粘性；

10、步骤3：采用激光刻蚀的方法将绘制好的金属电极图样转移到柔性聚酰亚胺覆铜电极上，得到金属电极；其中金属电极金属电极包括压电连接结构、二极管连接结构、蛇形金属线、电极连接结构；其中蛇形金属线从中心开始螺旋式多圈排布，第n圈与第n+1圈螺旋顺逆时针相反；螺旋式蛇形金属线的头尾连接电极连接结构；蛇形金属线的中间有复数个断开的压电连接结构与二极管连接结构，每两个相邻压电连接结构之间有一个二极管连接结构；

11、步骤4：将金属电极转移到具有粘性的聚二甲基硅氧烷上，并将图案上的焊接点位处涂抹低温焊锡膏；其中焊接点为压电连接结构、二极管连接结构；

12、步骤5：将压电单元放置在压电连接结构处，整流二极管放置在二极管连接结构连接处；

13、步骤6.加热固化；将未固化的器件放置在热台上，使低温焊锡膏融化，自然冷却完成压电单元、整流二极管与金属电极的焊接；

14、步骤7：器件整体封装；将聚二甲基硅氧烷倒入承载器件的容器中直至完全包裹住器件整体，自然固化2天完成封装。

15、本发明提出了一种螺旋式多点位整流压电能量收集器及其制备方法。新型压电能量收集器使用压电单元pzt-5、柔性pi覆cu电极、封装材料聚二甲基硅氧烷(pdms)和整流二极管组装，主要解决由于超声能量分布不均匀导致的总能量输出效果降低的问题。制备步骤包括基底的准备和清洗，通过激光刻蚀在pi覆cu上形成金属电极，并将其转移到pdms上，加热固化，然后进行整体封装。本发明提高了压电能量收集器的总能量输出，优化了其稳定性，同时具有高效率和低成本，可满足大规模生产的需求。

16、本发明的有益效果如下：

17、(1)制备了一种螺旋式多点位整流压电能量收集器；通过采用螺旋式图案化的蛇形电极线，成功实现了对压电陶瓷和整流二极管的连接。这一设计保障了器件在多个方向上具备卓越的拉伸性和弯曲性。本发明选择了一种连接方式，即将每个压电陶瓷与一个整流二极管相连接，以整流的方式处理每个压电陶瓷的输出信号。这样的串联连接方式有效地获得了总的输出信号。整流过程成功地解决了能量收集中可能存在的相位差问题；同时，串联连接方式使得电压输出信号显著增加，尤其对于有电压要求的充能设备而言，具有显著的优势。

18、我们的螺旋式多点位整流策略在多个方面提升了器件性能：首先，它增强了器件整体的柔性，使其更适应各种复杂的使用环境；其次，该设计使得输出信号的强度得到显著提升，为后续应用提供了更为可靠的电能支持；最重要的是，通过整流过程的巧妙设计，输出信号的稳定性得到了显著改善，使得器件在实际应用中表现更为可靠和一致。

19、因此，螺旋式多点位整流的策略不仅在结构上增强了器件的柔性，同时在电能输出方面取得了显著的优势。这对于满足有电压要求的充能设备的需求具有实质性的意义，为柔性能源技术的发展提供了创新的解决方案。

20、(2)采用聚二甲基硅氧烷(pdms)将器件封装，为压电阵列的封装提供了柔性化选项，进一步提高了能量收集的稳定性和灵敏度。

21、(3)采用激光刻蚀的办法对金属电极进行图案化，省去了复杂的光刻步骤，工艺流程简单易行，可靠性高，成本低廉，能够满足快速且大规模的生产，具有很好的推广前景。

技术特征：

1.一种螺旋式多点位整流压电能量收集器，其特征在于，所述螺旋式多点位整流压电能量收集器包括压电单元、金属电极、整流二极管、柔性封装材料；

2.根据权利要求1所述的一种螺旋式多点位整流压电能量收集器，其特征在于，所述压电单元为锆钛酸铅系压电陶瓷，金属电极为柔性聚酰亚胺覆铜电极，柔性封装材料为聚二甲基硅氧烷。

3.根据权利要求2所述的一种螺旋式多点位整流压电能量收集器，其特征在于，所述锆钛酸铅系压电陶瓷型号为pzt-5，厚度为5mm，直径1cm，厚向振动频率2mhz；所述柔性聚酰亚胺覆铜电极厚度50μm，所述聚二甲基硅氧烷厚度为1mm。

4.一种螺旋式多点位整流压电能量收集器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种螺旋式多点位整流压电能量收集器的制备方法，其特征在于，所述超声清洗玻璃片基底具体为依次用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗。

技术总结
本发明公开了一种独特的螺旋式多点位整流压电能量收集器及其制备方法，主要目标在于通过改善空间中超声能量分布的不均衡性，解决由于不同压电单元间电能信号产生相位差异而导致总能量输出效果降低的问题。本发明有助于提高压电阵列的总能量输出，优化其输出的稳定性。其次，采用PDMS封装器件能够提供灵活性，进一步提升能量收集的稳定性和灵敏度。最后，通过使用激光刻蚀技术制作金属电极，能够省略复杂的光刻步骤，从而降低生产成本并提高生产效率。

技术研发人员：林媛,姜春阳,姚光
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16