一種機械能與電能轉(zhuǎn)換裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種機械能與電能轉(zhuǎn)換裝置，屬于能量【技術(shù)領(lǐng)域】。該裝置包括制有納米級流體通道的半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底安置在充斥電解液的腔體中，所述腔體具有分別與半導(dǎo)體襯底兩面相對且受壓后可相對半導(dǎo)體襯底移動的第一表面和第二表面；所述半導(dǎo)體襯底的兩面將腔體分隔所述第一表面和第二表面分別與連接電源正、負(fù)極的正、負(fù)外電極板固連。本發(fā)明不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高的顯著優(yōu)點，而且實現(xiàn)了清潔資源向電能的轉(zhuǎn)換，有望為日趨緊張的電力供應(yīng)提供了一種新興的能源轉(zhuǎn)換途徑。同時電能向機械能的轉(zhuǎn)換，可以有效去除、過濾溶液等有毒性污染性帶電粒子，為凈化水源等污水處理技術(shù)提供一種新思路。
【專利說明】一種機械能與電能轉(zhuǎn)換裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機械能與電能轉(zhuǎn)換裝置，尤其是一種基于固體納米孔的機械能與電能相互轉(zhuǎn)換裝置，屬于能量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]據(jù) 申請人:了解，長期以來，機械能與電能的轉(zhuǎn)換裝置主要借助切割磁力線運動。
[0003]在日趨緊張的電力供應(yīng)矛盾下，探索新能源的開發(fā)利用領(lǐng)域，尋求新的能源供電方式、方法受到了國內(nèi)外專家、研究團隊的廣泛研究。通過電壓與壓強調(diào)制實現(xiàn)機械能與電能的轉(zhuǎn)換是近些年來新興的研究領(lǐng)域之一，然而由于缺乏直接的轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計、工程應(yīng)用，相關(guān)研究多為理論仿真為主，能量轉(zhuǎn)換效率偏低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于:提出一種可以直接通過電壓與壓強調(diào)制實現(xiàn)機械能與電能轉(zhuǎn)換的裝置，從而提高能量轉(zhuǎn)換效率、工程的實際應(yīng)用性。
[0005]為了達到以上目的，本發(fā)明的機械能與電能轉(zhuǎn)換裝置基本技術(shù)方案為:包括制有納米級流體通道(納米孔或納米溝道)的片狀半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底安置在充斥電解液的腔體中，所述腔體具有分別與半導(dǎo)體襯底兩面相對且受壓后可相對半導(dǎo)體襯底移動的第一表面和第二表面；所述半導(dǎo)體襯底的兩面將腔體分隔，所述第一表面和第二表面分別與連接電源正、負(fù)極的正、負(fù)外電極板固連。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)加工納米級流體通道的方法已經(jīng)成熟，申請?zhí)枮?10101381212.4、200910010025.9以及201110233453.5的中國專利分別公開了基于AFM的納米溝道加工方法、聚合物平面納米溝道制作方法和納米流體通道及其制作方法。這些基于固體材料、尤其是半導(dǎo)體襯底的納米級(尺度)流體通道，如納米溝道(nanochannel)、納米孔(nanopore),在通道內(nèi)壁表面存在的電荷會吸引相反極性的電荷(或者離子)并排斥同種極性的電荷(或者離子)，從而吸引相反極性的電荷(或者離子)聚集。
[0007]本發(fā)明的原理為:當(dāng)外部機械壓強施壓于第一表面或通道第二表面時，將驅(qū)使電解液流經(jīng)納米級的流體孔。納米級流體通道內(nèi)由于內(nèi)在表面電荷的對同性電荷的屏蔽作用造成的聚集的電荷(或者離子)勢必選擇性地只允許電解液中相反極性的離子通過，從而使半導(dǎo)體襯底兩側(cè)腔體的電解液產(chǎn)生離子濃度梯度，結(jié)果在正、負(fù)外電極板之間的外回路產(chǎn)生電荷輸運，形成電流，實現(xiàn)機械能向電能的轉(zhuǎn)換。反之，當(dāng)正、負(fù)外電極板之間施加電壓時，同樣由于納米級(尺度)流體通道對離子的選擇性，導(dǎo)致相反極性的離子通過納米級(尺度)流體通道，這些離子導(dǎo)致電解液流體承受額外的電學(xué)力，從而產(chǎn)生流動趨勢，實現(xiàn)了電能向機械能的轉(zhuǎn)換。
[0008]本發(fā)明進一步的完善是
所述半導(dǎo)體襯底為厚度0.5-0.7mm片狀硅基晶圓制成的硅基襯底。
[0009]所述硅基襯底上分布半徑0.05-0.30mm的圓柱型微型凹腔，所述凹腔腔底的厚度為40nm-lum,間隔分布有納米級流體通道。
[0010]所述納米級流體通道為半徑為5±2nm的納米孔。
[0011]所述電解液為KCL或NaCL溶液。
[0012]所述電解液的濃度為0.5-1.3mol/L，Ph值為7.5-8.1。
[0013]本發(fā)明不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高的顯著優(yōu)點，而且實現(xiàn)了清潔資源向電能的轉(zhuǎn)換，有望為日趨緊張的電力供應(yīng)提供了一種新興的能源轉(zhuǎn)換途徑。同時電能向機械能的轉(zhuǎn)換，可以有效去除、過濾溶液等有毒性污染性帶電粒子，為凈化水源等污水處理技術(shù)提供一種新思路，由此制成的納米孔發(fā)電裝置可提供應(yīng)急充電。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0015]圖1是本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是制作圖1硅基襯底的硅晶結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3為圖2的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]其中，I為娃基襯底；2為納米孔；3為電解液；4為上表面；5為上外電極板；6為下表面；7為下外電極板；8為機械壓強的施加位置和方向；9為微弱電流測量設(shè)備；10為電源。
【具體實施方式】
[0019]本實施例為一種基于納米孔的機械能與電能的轉(zhuǎn)換裝置，其基本的單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括制有納米級流體通道——納米孔2的半導(dǎo)體硅基襯底I。該硅基襯底I安置在充斥電解液3的腔體中。腔體3具有分別與硅基襯底I兩面相對且受壓后可相對硅基襯底
I移動的第一表面-下表面6和第二表面-上表面4。娃基襯底I的兩面將腔體分隔
上、下兩腔。下表面6和上表面4分別與連接電源10正、負(fù)極的正、負(fù)外電極板7、5固連。
[0020]硅基襯底I采用厚度0.5-0.7_的片狀硅基晶圓制成，如圖2所示，硅基晶圓的表面分布半徑0.05-0.30mm的圓柱型微型凹腔1_1，腔底的厚度控制在40nm-lum,如圖3所示，腔底上分別制有間隔分布的納米孔2。
[0021]其主要制作工藝步驟為:
步驟一:清洗硅基晶圓，采用微電子刻蝕工藝刻蝕成整齊排列的微型凹腔，并將腔底厚度控制在40nm-lum，，在采用微電子工藝刻蝕或高能重離子輻照半導(dǎo)體硅基襯底1，使微型凹腔的腔底分布圓柱狀的納米孔2陣列；納米孔2半徑為5nm (直徑10nm)，軸向長度即硅基襯底I的腔底厚度為40nm-lum ；
步驟二:將制成圓柱狀納米孔2的硅基襯底進行清洗處理后，安置于盛放電解液3的腔體中；
步驟三:固定好腔體的下表面6 ；
步驟四:向腔體注入電解液3，如KCL、NaCL等溶液，其濃度為0.5-1.3mol/L, Ph值為
7.5-8.1，硅基襯底I與納米孔2將電解液分層上、下兩個腔體；
步驟五:制備上、下外電極板5、7 ;
步驟六:在腔體上外電極板5、腔體下外電極板7之間加裝微弱電流測量設(shè)備9、電源IOo
[0022]因電荷具有“同性相斥、異性相吸”的特點，與硅基襯底I表面相同極性的電荷(或者離子)會被排斥遠離納米孔區(qū)域，而與硅基襯底I表面電荷異性的電荷(或者離子)則會被吸引在納米孔2內(nèi)表面等處并積累。當(dāng)在腔體上表面4或下表面7施加外部機械壓強(10bar-200bar)，即可因電解液流動時，同性電荷(或者離子)無法通過納米孔2而形成硅基襯底I兩側(cè)上、下腔的離子濃度梯度，產(chǎn)生電流，實現(xiàn)機械能向電能的轉(zhuǎn)換；當(dāng)在上、下外電極板5、7之間外加電壓(通常0.21-0.5V)時，硅基襯底I兩側(cè)上、下腔逐漸形成的離子濃度梯度將產(chǎn)生使電解液朝使離子濃度梯度減小方向流動的趨勢，從而導(dǎo)致上表面4或下表面7相對娃基襯底I的位移，實現(xiàn)電能向流體機械能的轉(zhuǎn)換。
[0023]理論和試驗都證明，本實施例的裝置可以通過納米孔兩邊的腔體邊界，通過施加外部機械壓強，實現(xiàn)機械能向電能的轉(zhuǎn)換；或通過在腔體邊界外部施加一定電壓，實現(xiàn)電能向機械能的轉(zhuǎn)換。由于外部的壓強就可以快捷實現(xiàn)向電能的簡易轉(zhuǎn)換，因此本實施例的裝置可用于手機等新型智能設(shè)備、微型移動設(shè)備的意外緊急情況下充電，解決無電源場合的充電困難。
【權(quán)利要求】
1.一種機械能與電能轉(zhuǎn)換裝置，包括制有納米級流體通道的片狀半導(dǎo)體襯底，其特征在于:所述半導(dǎo)體襯底安置在充斥電解液的腔體中，所述腔體具有分別與半導(dǎo)體襯底兩面相對且受壓后可相對半導(dǎo)體襯底移動的第一表面和第二表面；所述半導(dǎo)體襯底的兩面將腔體分隔，所述第一表面和第二表面分別與連接電源正、負(fù)極的正、負(fù)外電極板固連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械能與電能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述半導(dǎo)體襯底為厚度0.5-0.7mm片狀硅基晶圓制成的硅基襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機械能與電能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述硅基襯底上分布半徑0.05-0.30mm的圓柱型微型凹腔,所述凹腔腔底的厚度為40nm-lum,間隔分布有納米級流體通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機械能與電能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述納米級流體通道為半徑為5±2nm的納米孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機械能與電能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述電解液為KCL或NaCL溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機械能與電能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述電解液的濃度為.0.5-1.3mol/L, Ph 值為 7.5-8.1。
【文檔編號】H02N11/00GK103973170SQ201410175304
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】許洪華, 李凱, 王春寧, 凃俊, 延巧娜 申請人:國家電網(wǎng)公司, 江蘇省電力公司南京供電公司, 江蘇省電力公司