一种之字结构的柔性压电能量采集器及其制备方法

本申请涉及能量收集领域，尤其涉及一种之字结构的柔性压电能量采集器及其制备方法。

背景技术：

1、随着绿色能源技术的发展，压电能量采集器逐渐走进人们的视野当中，而压电能量采集器能够通过压电转换将人体运动或振动等环境能量转换为电能，为微功耗设备供电问题提供了新的解决方案，进而推动了绿色、可持续发展理念的实践。

2、在现有技术当中，传统的矩形悬臂梁结构的压电能量采集器通常具有较大的尺寸和较高的响应频率，难以应用在日常的低频(<100hz)振动环境中，在先前的研究中压电能量采集器即使通过一些结构上的设计来降低压电能量采集器的响应频率，但其压电能量采集器在使用金属材料后往往具备较大的刚度，进而也难以达到理想的低频响应效果。

技术实现思路

1、本申请实施例的主要目的在于提出一种之字结构的柔性压电能量采集器及其制备方法，通过压电悬臂为之字形微型结构的设计降低了压电能量采集器的响应频率与尺寸，同时结合阵列式设计方法拓宽了响应带宽，并通过柔性主体结构的应用使得压电能量采集器具有低频宽带特性，同时也降低了压电能量采集器的结构尺寸。

2、为实现上述目的，本申请实施例的第一方面提出了一种之字结构的柔性压电能量采集器，包括：

3、柔性主体结构，柔性主体结构包括压电层、多层电极层和多层封装层，主体结构的层级堆叠方式为三明治堆叠方式，柔性主体结构的主内层堆叠结构为压电层，柔性主体结构的次内层堆叠结构为电极层，柔性主体结构的外层堆叠结构为封装层；

4、其中，压电层、电极层和封装层均包括多个压电悬臂，多个压电悬臂之间以阵列式进行连接分布，压电悬臂为之字形微型结构。

5、进一步，在一些实施例中，压电层的材质为聚合物材料，所述聚合物材料包括聚左旋乳酸、聚乳酸、壳聚糖、聚偏二氟乙烯及其共聚物、聚羟基脂肪酸酯和聚己内酯中的任意一种或多种材料，电极层为金属材料，封装层为丙烯酸酯弹性材料。

6、进一步，在一些实施例中，压电层为聚合物薄膜，电极层为金属薄膜，封装层为聚合物薄膜。

7、进一步，在一些实施例中，多个所述压电悬臂之间的长度不相同，各个所述压电悬臂的响应频率均小于100hz。

8、为实现上述目的，本申请实施例的第二方面提出了一种之字结构的柔性压电能量采集器制备方法，应用于上述的柔性压电能量采集器，包括以下步骤：

9、获取第一pi胶带、第二pi胶带和多个玻璃基板；

10、根据第一pi胶带和玻璃基板，通过激光切割制备模板，得到压电层制备模板；

11、根据第二pi胶带和多个玻璃基板，通过激光切割制备模板，得到多个电极层制备模板；

12、配制聚左旋乳酸溶液，以及在压电层制备模板浇铸聚左旋乳酸溶液，得到第一半成品柔性压电能量采集器；第一半成品柔性压电能量采集器包括压电层；

13、根据第一半成品柔性压电能量采集器和多个电极层制备模板，在第一半成品柔性压电能量采集器的上表面和下表面上分别溅射金属电极，得到第二半成品柔性压电能量采集器；第二半成品柔性压电能量采集器包括压电层和多个电极层；

14、配制丙烯酸酯光固化溶液，以及基于光固化3d打印技术和丙烯酸酯光固化溶液制备封装层，得到多个封装层；

15、将多个封装层分别基于第二半成品柔性压电能量采集器的上表面和下表面进行压合，得到柔性压电能量采集器。

16、进一步，在一些实施例中，第一pi胶带的厚度为180μm，第二pi胶带的厚度为0.04mm，第一pi胶带的粘度范围为875g至960g，第二pi胶带的粘度范围为50至150g。

17、进一步，在一些实施例中，在压电层制备模板浇铸聚左旋乳酸溶液，得到第一半成品柔性压电能量采集器，包括以下步骤：

18、基于流延法将聚左旋乳酸溶液浇铸于压电层制备模板并缓慢蒸发，得到第一压电薄膜；

19、基于热处理拉伸法将第一压电薄膜进行增量拉伸，得到第二压电薄膜；

20、根据退火热处理法，对第二压电薄膜基于预设温度进行退火处理，得到第一半成品柔性压电能量采集器。

21、进一步，在一些实施例中，根据第一半成品柔性压电能量采集器和多个电极层制备模板，在第一半成品柔性压电能量采集器的上表面和下表面上溅射金属电极，得到第二半成品柔性压电能量采集器，包括以下步骤：

22、将一个电极层制备模板贴附于第一半成品柔性压电能量采集器的上表面，以及将另一个电极层制备模板贴附于第一半成品柔性压电能量采集器的下表面，得到第三半成品柔性压电能量采集器；

23、基于离子溅射法对第三半成品柔性压电能量采集器的上表面和下表面进行金属电极溅射，得到第四半成品柔性压电能量采集器；

24、将第四半成品柔性压电能量采集器沿溅射所得到的电极图案进行裁剪，得到第二半成品柔性压电能量采集器。

25、进一步，在一些实施例中，配制丙烯酸酯光固化溶液，包括以下步骤：

26、获取第一丙烯酸酯溶液、第二丙烯酸酯溶液、第一光敏引发剂和第二光敏引发剂；

27、基于预设容量值，通过移液枪获取对应容量的第一丙烯酸酯溶液和第二丙烯酸酯溶液并进行混合，得到第一比例丙烯酸酯溶液；

28、基于预设重量值，通过分析天平获取对应重量的第一光敏引发剂和第二光敏引发剂并进行混合，得到第二比例光敏引发剂；

29、将第一比例丙烯酸酯溶液和第二比例光敏引发剂进行溶化配制，得到丙烯酸酯光固化溶液。

30、进一步，在一些实施例中，所述第一丙烯酸酯溶液的成分为含羟基丙烯酸酯、包括丙烯酸-4-羟基丁酯、丙烯酸2-羟基乙酯、丙烯酸2-羟基丙酯，或含脂肪族长链的丙烯酸酯、包括丙烯酸异辛酯、丙烯酸异癸酯、丙烯酸十二烷基酯、丙烯酸十三烷基酯、丙烯酸十八烷基酯中的任意一种或多种材料，所述第二丙烯酸酯溶液的成分为功能性丙烯酸酯，包括丙烯酸四氢呋喃酯、丙烯酸乙氧基乙氧基乙酯、丙烯酸环己酯、丙烯酸缩水甘油酯中的任意一种或多种材料，第一光敏引发剂的成分为4-二甲基氨基苯甲酸乙酯，第二光敏引发剂的成分为樟脑醌。

31、本申请实施例具有以下有益效果：本申请通过设有柔性主体结构，柔性主体结构包括压电层、多层电极层和多层封装层，主体结构的层级堆叠方式为三明治堆叠方式，柔性主体结构的主内层堆叠结构为压电层，柔性主体结构的次内层堆叠结构为电极层，柔性主体结构的外层堆叠结构为封装层；使得压电能量采集器具有低频宽带特性，并且降低了压电能量采集器的结构尺寸；同时，压电层、电极层和封装层均包括多个压电悬臂，压电悬臂为之字形微型结构的设计降低了压电能量采集器的响应频率与尺寸，同时，多个压电悬臂之间以阵列式进行连接分布，进而拓宽了压电能量采集器的响应带宽。

技术特征：

1.一种之字结构的柔性压电能量采集器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的柔性压电能量采集器，其特征在于，所述压电层的材质为聚合物材料，所述聚合物材料包括聚左旋乳酸、聚乳酸、壳聚糖、聚偏二氟乙烯及其共聚物、聚羟基脂肪酸酯和聚己内酯中的任意一种或多种材料，所述电极层为金属材料，所述封装层为丙烯酸酯弹性材料。

3.根据权利要求1所述的柔性压电能量采集器，其特征在于，所述压电层为聚合物薄膜，所述电极层为金属薄膜，所述封装层为聚合物薄膜。

4.根据权利要求1所述的柔性压电能量采集器，其特征在于，多个所述压电悬臂之间的长度不相同，各个所述压电悬臂的响应频率均小于100hz。

5.一种之字结构的柔性压电能量采集器制备方法，应用于如权利要求1至4任意一项所述的柔性压电能量采集器，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的柔性压电能量采集器制备方法，其特征在于，所述在所述压电层制备模板浇铸所述聚左旋乳酸溶液，得到第一半成品柔性压电能量采集器，包括：

7.根据权利要求5所述的柔性压电能量采集器制备方法，其特征在于，所述根据所述第一半成品柔性压电能量采集器和多个所述电极层制备模板，在所述第一半成品柔性压电能量采集器的上表面和下表面上溅射金属电极，得到第二半成品柔性压电能量采集器，包括：

8.根据权利要求5所述的柔性压电能量采集器制备方法，其特征在于，所述配制丙烯酸酯光固化溶液包括：

9.根据权利要求8所述的柔性压电能量采集器制备方法，其特征在于，所述第一丙烯酸酯溶液的成分为含羟基丙烯酸酯、包括丙烯酸-4-羟基丁酯、丙烯酸2-羟基乙酯、丙烯酸2-羟基丙酯，或含脂肪族长链的丙烯酸酯、包括丙烯酸异辛酯、丙烯酸异癸酯、丙烯酸十二烷基酯、丙烯酸十三烷基酯、丙烯酸十八烷基酯中的任意一种或多种材料，所述第二丙烯酸酯溶液的成分为功能性丙烯酸酯，包括丙烯酸四氢呋喃酯、丙烯酸乙氧基乙氧基乙酯、丙烯酸环己酯、丙烯酸缩水甘油酯中的任意一种或多种材料，所述第一光敏引发剂的成分为4-二甲基氨基苯甲酸乙酯，所述第二光敏引发剂的成分为樟脑醌。

技术总结
本申请提供了一种之字结构的柔性压电能量采集器及其制备方法，本申请通过设有柔性主体结构，柔性主体结构包括压电层、多层电极层和多层封装层，主体结构的层级堆叠方式为三明治堆叠方式，柔性主体结构的主内层堆叠结构为压电层，柔性主体结构的次内层堆叠结构为电极层，柔性主体结构的外层堆叠结构为封装层；使得压电能量采集器具有低频宽带特性，并且降低了压电能量采集器的结构尺寸；同时，压电层、电极层和封装层均包括多个压电悬臂，压电悬臂为之字形微型结构的设计降低了压电能量采集器的响应频率与尺寸，同时，多个压电悬臂之间以阵列式进行连接分布，进而拓宽了压电能量采集器的响应带宽。

技术研发人员：杨建,刘一颉,薛毅,何梓烽,梁沃林
受保护的技术使用者：五邑大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/13