ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МОБИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ ЕГО Российский патент 2015 года по МПК H01M14/00 H01L41/83 

Изобретение относится к пьезоэлектрогенераторам, выполненным в виде пленки, производящим электрический сигнал от механического входного сигнала, который может быть использован для подзарядки аккумуляторов мобильных устройств, телефонов, смартфонов, планшетных устройств.

Мобильные устройства требуют периодической зарядки батареи, которая имеет ограниченный ресурс. Зарядные устройства не всегда могут быть доступны. Как правило, зарядное устройство индивидуально и представляет собой адаптер для схемы зарядки, которая находится в мобильном телефоне.

Известно устройство и способ зарядки мобильного устройства, заявка WO 2014026127. Мобильное устройство содержит кнопку, которая при первом нажатии выполняет функцию набора символов, а при дальнейшем нажатии механическая сила посредством кнопки передается на пьезоэлектрический элемент и преобразуется в электрическую энергию. Вследствие реакции на давление пьезоэлектрический элемент, например, из цирконата титаната свинца - ЦТС генерирует напряжение. Пользователь мобильного устройства, нажимая одну или более кнопок, может накапливать электрическую энергию путем преобразования из механической силы. Электрическая энергия может непосредственно использоваться для работы мобильного устройства, может быть сохранена в конденсаторе для последующего использования, или использована для зарядки аккумулятора через схему питания. Компактное устройство кнопки с пьезоэлементом значительно экономит объем и вес мобильного устройства за счет уменьшения размера блока питания.

Известны «Способ и устройство для случайного использования пьезоэлектрического источника энергии с тонкопленочной батареей», заявка US 20040085002. В заявке описано использование пьезоэлектрических материалов и тонкопленочной батареи для зарядки электронных устройств. Пользователь нажатием кнопки для осуществления желаемой операции может автоматической подзарядить аккумулятор во время пользования клавиатурой. В этом способе, аналогично предыдущему, пьезоэлектрический элемент преобразует механическую энергию, полученную от нажатия кнопки или другого привода, в электрическую непосредственно для отображения информации или для хранения в дополнительной тонкопленочной батарее или конденсаторе. В качестве пьезоматериала использована пьезокерамика или пленка из поливинилиденфторида (ПВДФ), подключенные к тонкопленочной батарее через мостовой выпрямитель и шунт регулятора. Пьезоэлемент может быть расположен в одной или более кнопках, или под клавиатурой маломощных электронных устройств, таких как калькулятор.

Оба изобретения предназначены для использованы только для электронных устройств с механической, кнопочной системой ввода и считывания информации и не достаточно энергоэффективны для смартфонов с сенсорными экранами. Потребуется много нажатий кнопок, чтобы накопить электроэнергию, достаточную для работы смартфона.

Из патентных документов US №8003982, US №7982370, US 20140007687 известна энергоэффективность гибких пьезоэлектрических наногенераторов при незначительной механической деформации его пластиковой основы за счет использования пьезоэлектрического эффекта оксида цинка. Потенциал электрического заряда в материале появляется при сгибании или сжатии выполненных из него конструкций. Наногенератор работает путем сбора и объединения зарядов миллионов наноразмерных полупроводниковых и пьезоэлектрических структур из оксида цинка в виде выращенных вертикальных нанопроводков на проводящем слое. Многослойные конструкции из таких пьезоэлектрических пленок дают увеличение выходной мощности.

Недостатком этой конструкции является требование тщательного выращивания решетки из вертикальных нанопроводков высотой 200-500 нанометров и диаметром 20-40 нанометров и кропотливой сборки многослойной конструкции.

Альтернативу наногенераторам из оксида цинка представляет использование для изготовления пьезоэлектрических наноструктур цирконата титаната свинца - ЦТС.

Известен пьезоэлектрический генератор и способ его изготовления заявка US 20140167563, который может быть изготовлен большой площади. Первый вариант пьезоэлектрического генератора содержит первый электрод, первый слой изоляции, слой пьезоэлектрической структуры, второй слой изоляции и осажденный второй электрод на втором изоляционном слое. Первый электрод может быть гибкой электропроводящей подложкой из металла или полимера. Первый и второй изоляционные слои могут быть выполнены, например, из полиметилметакрилата (ПММА) и иметь толщину около 2 мкм. Пьезоэлектрическая структура может включать в себя множество пьезоэлектрических нанопроводов из окиси цинка ZnO, за счет выращивания их на первом слое изоляции с помощью гидротермального процесса; в другом варианте пьезоэлектрический слой выполнен из цирконата титаната свинца (ЦТС) или пьезоэлектрический тонкой пленки поливинилиденфторида (ПВДФ).

Когда от механического усилия внешней среды гибкий пьезоэлектрический генератор, имея вышесказанную структуру в виде пьезоэлектрической тонкой пленки, деформируется, электрическая энергия может быть получена через первый и второй электроды.

Эта конструкция может быть использована для получения электроэнергии за счет внешних механических движений, таких как ветер или движения кожи лица человека или в качестве датчика для обнаружения внешних изменений окружающей среды.

Задачей предложенного технического решения является создание сенсорного пьезоэлектрического генератора достаточной мощности в виде прозрачной полимерной пьезопленки, которая встраивается в экран мобильного устройства и практически постоянно способна подзаряжать аккумулятор во время эксплуатации мобильного устройства при касании экрана.

Поставленная задача и технический результат достигаются за счет того, что пьезоэлектрогенератор состоит из двух идентичных модулей, каждый из которых содержит подложку, с прозрачным электропроводящим покрытием, в качестве электрода, с возможностью его подключения к внешней электрической цепи, а на поверхности электрода сформирован пьезоэлектрический слой из цирконата титаната свинца, толщиной от 50-100 мкм, в виде вертикальных микропьезоэлементов шириной от 50 до 100 мкм, расположенных в виде узлов решетки со стороной от 200 до 500 мкм, оба идентичных модуля соединены между собой пьезоэлектрическими слоями через металлическую решетку, узлы которой с обеих сторон содержат адгезивный слой и при этом расположены на вершинах вертикальных микропьезоэлементов, а пространство между вертикальными микропьезоэлементами обоих модулей заполнено изоляционным полимером;

при этом подложка выполнена из пленки полиэтилентерефтолата (ПЭТ);

электрод в виде прозрачного электропроводящего покрытия выполнен из пленки оксида индия, легированного оловом, (ITO);

пьезоэлектрический слой формируют из цирконата и титаната свинца (ЦТС);

металлическая решетка выполнена из медной фольги толщиной 100 мкм; в качестве адгезива используют электропроводящую композицию на основе сополимера винилхлорид-винилацетата с добавкой мелкодисперсного серебра в соотношении от 70% до 30% соответственно;

в качестве изоляционный полимера используют полиметилметакрилат (ПММА).

Поставленная задача и технический результат достигаются также за счет того, что способ изготовления пьезоэлектрического генератора включает подготовку двух идентичных модулей, путем нанесения на подложку из пленки полиэтилентерефтолата (ПЭТ) слоя электрода в виде прозрачного электропроводящего покрытия оксида индия, легированного оловом (ITO) с возможностью его подключения к внешней электрической цепи, на поверхности слоя электрода методом магнетронного распыления, формируют структуру пьезоэлектрического слоя из цирконата и титаната свинца (ЦТС) путем предварительного нанесения исходного пьезоэлектрический слоя толщиной 50-100 мкм, а затем методом плазменного травления в тлеющем разряде с использованием фотолитографии из исходного слоя (ЦТС) формируют структуру в виде отдельных вертикальных микропьезоэлементов шириной от 50 до 100 мкм, расположенных в узлах решетки со стороной от 200 до 500 мкм, оба идентичных модуля склеивают друг с другом, совмещая между собой пьезоэлектрические слои, при этом располагают между ними металлическую решетку, узлы которой, с обеих сторон содержащие электропроводящий адгезив, для склеивания модулей, и совмещают с вершинами вертикальных микропьезоэлементов, а пространство между вертикальными пьезоэлементами обоих модулей заполняют изоляционным полимером;

при этом слой электрода в виде прозрачного электропроводящего покрытия получают методом магнетронного напыления из керамической мишени состава окись олова SnO 30% и окись индия InO₃ 70% в среде смеси аргона и кислорода; нанесение исходного пьезоэлектрического слоя осуществляют магнетронным напылением ВЧ магнетроном из керамической мишени, состава цирконат свинца - PbZrO₃ 40% и титанат свинца - PbTiO₃ 60%;

из исходного слоя (ЦТС) формируют структуру в виде отдельных вертикальных микропьезоэлементов;

в качестве металлической решетки используют медную фольгу толщиной 100 мкм;

в качестве электропроводящего адгезива используют электропроводящую композицию на основе сополимера винилхлоридвинилацетата с добавкой мелкодисперсного серебра в соотношении от 70% до 30% соответственно.

в качестве изоляционного полимера используют полиметилметакрилат (ПММА).

Поставленная задача и технический результат достигаются также за счет того, что мобильное устройство содержит встроенный в сенсорный экран пьезоэлектрический генератор по пл. 1-7, который через контроллер соединен со схемой зарядки аккумулятора мобильного устройства.

Техническое решение поясняется чертежами.

Фиг. 1 - Пьезоэлектрогенератор, поперечное сечение.

Фиг. 2 - Изображение одного модуля пьезоэлектрогенератора.

Фиг. 3 - Поперечное сечение конструкции модуля пьезоэлектрогенератора.

Фиг. 4 - Схема сборки двух модулей пьезоэлектрогенератора.

Пьезоэлектрогенератор состоит из двух идентичных модулей 1 и 2, каждый из которых содержит подложку из пленки полиэтилентерефтолата (ПЭТ) 3, с прозрачным электропроводящим покрытием ITO 4 и пьезоэлектрический слой из цирконата титаната свинца ЦТС, в виде вертикальных микропьезоэлементов 5, оба идентичных модуля соединены между собой вершинами пьезоэлектрических элементов через металлическую решетку 6, узлы которой с обеих сторон содержат адгезивный слой 7 и при этом расположены на вершинах вертикальных микропьезоэлементов 5, а пространство между вертикальными микропьезоэлементами обоих модулей заполнено изоляционным полимером 8.

Изготовление пьезоэлектрогенератора начинают с подготовки двух идентичных модулей 1 и 2, Фиг. 1. На подложку из пленки полиэтилентерефтолата (ПЭТ) 3 магнетронным напылением наносят слой электрода в виде прозрачного электропроводящего покрытия оксида индия, легированного оловом (ITO) 4, из керамической мишени состава, окись олова SnO 30% и окись индия InO₃ 70% в среде смеси аргона и кислорода. На поверхность электродов, для получения пьезоэффекта наносят исходный пьезоэлектрический слой (ЦТС) магнетронным напылением ВЧ магнетроном из керамической мишени, из цирконата свинца - PbZrO₃ 40% и титаната свинца - PbTiO₃ 60%, а затем формируют структуру в виде отдельных вертикальных микропьезоэлементов 5 шириной от 50 до 100 мкм, расположенных равномерно по вей площади слоя в виде узлов решетки со стороной от 200 до 500 мкм. Соотношение размера ширины и расстояние между микропьезоэлементами подобрано таким образом, чтобы обеспечить прозрачность конструкции. Структуру пьезоэлектрического слоя из (ЦТС) формируют методом фотолитографии с помощью нанесения маски из фоторезиста толщиной 15-50 мкм с последующим экспонированием изображения решетки и травлением исходного слоя из (ЦТС) в тлеющем разряде, в результате чего образуется структура, из множества вертикальных микропьезоэлементов, равномерно расположенных по площади слоя соответственно маске. На узлы металлической решетки 6, из медной фольги толщиной 100 мкм с обеих сторон наносят электропроводящий адгезив 7 из электропроводящей композиции, на основе сополимера винилхлоридвинилацетата, с добавкой мелкодисперсного серебра, в соотношении от 70% до 30% соответственно. Оба идентичных модуля 1 и 2 склеивают друг с другом, соединяя пьезоэлектрические слои, посредством совмещения между собой вершин вертикальных микропьезоэлементов 5 и узлов решетки 6, предварительно располагая ее между ними, и механически сдавливают. После этого всю структуру заполняют электроизолирующим полимером, полиметилметакрилатом (ПММА) с добавлением пластификатора, который после полимеризации обеспечивает гибкость и прочность конструкции.

Полученный пьезоэлектрогенратор в виде прозрачной тонкой пленки встраивают в экран мобильного устройства, его электроды соединяют с входом контроллера, а выход контроллера соединяют со схемой зарядки аккумулятора мобильного устройства. При нажатии или при касании поверхности сенсорного экрана мобильного устройства на электродах пьезоэлектрогенратора возникает электрический импульс, который через контроллер формирует зарядный ток аккумулятора. Таким образом, при использовании мобильного устройства одновременно происходит подзарядка его аккумулятора.

Величина электрического импульса зависит от площади касания к экрану и задействованных микропьезоэлеиентов. При величине нажатия в 1 ньютон на одном микропьезоэлементе возникает напряжение 0,06 В, при этом ток, создаваемый одним микропьезоэлеиентом, составляет 10 мА. Если величина касания 0,5 см², то на этой площади расположено от 600 до 1500 микропьезоэлементов. При суммировании импульсов возникает мощность от 360 до 600 мВт. Этой величины мощности достаточно для подзарядки аккумулятора. Работая в таком режиме, смартфон без дополнительной подзарядки сможет проработать на 70-100% больше, чем в обычном режиме.

Из приведенного примера реализации видно, что заявленный пьезоэлектрический генератор, изготовленный в виде тонкой прозрачной полимерной пьезопленки, обладает достаточным количеством энергии, вырабатываемой при помощи этих пленок. Будучи встроенным в экран или клавиатуру мобильного устройства, смартфона, телефона, планшета и т. д., сам являясь сенсорным устройством, позволит незаметно для пользователя, практически постоянно подзаряжать аккумулятор во время эксплуатации мобильного устройства, путем касания экрана, увеличивая время его автономной работы.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к пьезоэлектрическому генератору достаточной мощности в виде прозрачной полимерной пьезопленки, которая может быть встроена в экран мобильного устройства и подзаряжать аккумулятор во время эксплуатации мобильного устройства при касании экрана. Пьезоэлектрогенератор выполнен в виде двух идентичных модулей, каждый из которых содержит подложку, с прозрачным электропроводящим покрытием в качестве электрода, на поверхности электрода сформирован пьезоэлектрический слой из цирконата титаната свинца, в виде вертикальных микропьезоэлементов шириной от 50 до 100 мкм, расположенных в виде узлов решетки со стороной от 200 до 500 мкм, оба идентичных модуля соединены между собой пьезоэлектрическими слоями через металлическую решетку, и изоляционный слой. Слоистую пленочную структуру прозрачного пьезоэлектрогенератора изготавливают методом магнетронного напыления прозрачных пленок требуемого свойства. Мобильное устройство типа смартфона содержит указанный пьезоэлектрогенератор, встроенный в экран. Выполнение пьезоэлектрического генератора в виде тонкой гибкой пленки в соответствии с заданной геометрией с расположением в узлах металлической решетки из фольги, обеспечивает прозрачность конструкции и повышает мощность аккумулятора, что является техническим результатом изобретения. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Пьезоэлектрический генератор состоит из двух идентичных модулей, каждый из которых содержит подложку, с прозрачным электропроводящим покрытием в качестве электрода, на поверхности электрода сформирован пьезоэлектрический слой из цирконата титаната свинца (ЦТС), толщиной от 50-100 мкм, в виде вертикальных микропьезоэлементов шириной от 50 до 100 мкм, расположенных в узлах решетки со стороной от 200 до 500 мкм, оба идентичных модуля соединены между собой пьезоэлектрическими слоями через металлическую решетку, узлы которой с обеих сторон содержат адгезивный слой и при этом расположены на вершинах вертикальных микропьезоэлементов, а пространство между вертикальными микропьезоэлементами обоих модулей заполнено изоляционным полимером.

2. Пьезоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что подложка выполнена из пленки полиэтилентерефтолата (ПЭТ).

3. Пьезоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что электрод в виде прозрачного электропроводящего покрытия выполнен из пленки оксида индия, легированного оловом (ITO).

4. Пьезоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой формируют из цирконата и титаната свинца (ЦТС).

5. Пьезоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что металлическая решетка выполнена из медной фольги толщиной 100 мкм.

6. Пьезоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве адгезива используют электропроводящую композицию на основе сополимера винилхлорид-винилацетата с добавкой мелкодисперсного серебра в соотношении от 70% до 30% соответственно.

7. Пьезоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве изоляционного полимера используют полиметилметакрилат (ПММА).

8. Способ изготовления пьезоэлектрического генератора, включающий подготовку двух идентичных модулей, путем нанесения на подложку из пленки полиэтилентерефтолата (ПЭТ) слоя электрода в виде прозрачного электропроводящего покрытия оксида индия, легированного оловом (ITO), методом магнетронного распыления, на поверхности слоя электрода формируют структуру пьезоэлектрического слоя из цирконата и титаната свинца (ЦТС) путем предварительного нанесения магнетронным напылением, исходного пьезоэлектрического слоя толщиной 50-100 мкм, а затем методом плазменного травления в тлеющем разряде с использованием фотолитографии из исходного пьезоэлектрического слоя формируют структуру в виде отдельных вертикальных микропьезоэлементов шириной от 50 до 100 мкм, расположенных в узлах решетки со стороной от 200 до 500 мкм, оба идентичных модуля склеивают друг с другом, совмещая между собой пьезоэлектрические слои, при этом располагают между ними металлическую решетку, узлы которой, с обеих сторон содержащие электропроводящий адгезив, для склеивания модулей совмещают с вершинами вертикальных микропьезоэлементов, а пространство между вертикальными пьезоэлементами обоих модулей заполняют изоляционным полимером.

9. Способ изготовления пьезоэлектрического генератора по п. 8, отличающийся тем, что слой электрода в виде прозрачного электропроводящего покрытия (ITO) получают методом магнетронного напыления из керамической мишени состава SnO 30% и InO₃ 70% в среде смеси аргона Ar и кислорода O₂.

10. Способ изготовления пьезоэлектрического генератора по п. 8, отличающийся тем, что нанесения исходного пьезоэлектрический слоя осуществляют магнетронным напылением ВЧ магнетроном из керамической мишени, состава цирконата свинца - PbZrO₃ 40% и титаната свинца - PbTiO₃ 60%.

11. Способ изготовления пьезоэлектрического генератора по п. 8, отличающийся тем, что структуру в виде отдельных вертикальных микропьезоэлементов из исходного слоя (PZT) формируют методом плазменного травления в тлеющем разряде с использованием фотолитографии.

12. Способ изготовления пьезоэлектрического генератора по п. 8, отличающийся тем, что металлическая решетка выполнена из медной фольги толщиной 100 мкм.

13. Способ изготовления пьезоэлектрического генератора по п. 8, отличающийся тем, что в качестве электропроводящего адгезива используют электропроводящую композицию на основе сополимера винилхлорид-винилацетата с добавкой мелкодисперсного серебра в соотношении от 70% до 30% соответственно.

14. Мобильное устройство содержит встроенный в сенсорный экран пьезоэлектрический генератор по любому из пп. 1-7, который через контроллер соединен со схемой зарядки аккумулятора мобильного устройства.