一種機械能與電能轉換裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種機械能與電能轉換裝置，屬于能量【技術領域】。該裝置包括制有納米級流體通道的半導體襯底，所述半導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體襯底兩面相對且受壓后可相對半導體襯底移動的第一表面和第二表面；所述半導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、負極的正、負外電極板固連。本實用新型不僅具有結構簡單、轉換效率高的顯著優點，而且實現了清潔資源向電能的轉換，有望為日趨緊張的電力供應提供了一種新興的能源轉換途徑。同時電能向機械能的轉換，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提供一種新思路。
【專利說明】一種機械能與電能轉換裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種機械能與電能轉換裝置，尤其是一種基于固體納米孔的機械能與電能相互轉換裝置，屬于能量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]據 申請人:了解，長期以來，機械能與電能的轉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矛盾下，探索新能源的開發利用領域，尋求新的能源供電方式、方法受到了國內外專家、研究團隊的廣泛研究。通過電壓與壓強調制實現機械能與電能的轉換是近些年來新興的研究領域之一，然而由于缺乏直接的轉換裝置設計、工程應用，相關研究多為理論仿真為主，能量轉換效率偏低。
【發明內容】
[0004]本實用新型的目的在于:提出一種可以直接通過電壓與壓強調制實現機械能與電能轉換的裝置，從而提高能量轉換效率、工程的實際應用性。
[0005]為了達到以上目的，本實用新型的機械能與電能轉換裝置基本技術方案為:包括制有納米級流體通道(納米孔或納米溝道)的片狀半導體襯底，所述半導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體襯底兩面相對且受壓后可相對半導體襯底移動的第一表面和第二表面；所述半導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、負極的正、負外電極板固連。
[0006]現有技術加工納米級流體通道的方法已經成熟，申請號為010101381212.4、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]本實用新型的原理為:當外部機械壓強施壓于第一表面或通道第二表面時，將驅使電解液流經納米級的流體孔。納米級流體通道內由于內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，從而使半導體襯底兩側腔體的電解液產生離子濃度梯度，結果在正、負外電極板之間的外回路產生電荷輸運，形成電流，實現機械能向電能的轉換。反之，當正、負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，導致相反極性的離子通過納米級(尺度)流體通道，這些離子導致電解液流體承受額外的電學力，從而產生流動趨勢，實現了電能向機械能的轉換。
[0008]本實用新型進一步的完善是
[0009]所述半導體襯底為厚度0.5-0.7mm片狀娃基晶圓制成的娃基襯底。
[0010]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。
[0011]所述納米級流體通道為半徑為5±2nm的納米孔。
[0012]所述電解液為KCl或NaCl溶液。
[0013]所述電解液的濃度為0.5-1.3mol/L，PH值為7.5-8.1。
[0014]本實用新型不僅具有結構簡單、轉換效率高的顯著優點，而且實現了清潔資源向電能的轉換，有望為日趨緊張的電力供應提供了一種新興的能源轉換途徑。同時電能向機械能的轉換，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提供一種新思路，由此制成的納米孔發電裝置可提供應急充電。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]下面結合附圖對本實用新型作進一步的說明。
[0016]圖1是本實用新型一個實施例的結構示意圖。
[0017]圖2是制作圖1硅基襯底的硅晶結構示意圖。
[0018]圖3為圖2的局部放大結構示意圖。
[0019]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為微弱電流測量設備；10為電源。
【具體實施方式】
[0020]本實施例為一種基于納米孔的機械能與電能的轉換裝置，其基本的單元結構如圖1所示，包括制有納米級流體通道——納米孔2的半導體硅基襯底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、負極的正、負外電極板7、5固連。
[0021]硅基襯底I采用厚度0.5-0.7mm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。
[0022]其主要制作工藝步驟為:
[0023]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福照半導體娃基襯底I,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 ；
[0024]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；
[0025]步驟三:固定好腔體的下表面6 ；
[0026]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；
[0027]步驟五:制備上、下外電極板5、7 ;
[0028]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備9、電源10。
[0029]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內表面等處并積累。當在腔體上表面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兩側上、下腔的離子濃度梯度，產生電流，實現機械能向電能的轉換；當在上、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兩側上、下腔逐漸形成的離子濃度梯度將產生使電解液朝使離子濃度梯度減小方向流動的趨勢，從而導致上表面4或下表面7相對娃基襯底I的位移，實現電能向流體機械能的轉換。
[0030]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，實現機械能向電能的轉換；或通過在腔體邊界外部施加一定電壓，實現電能向機械能的轉換。由于外部的壓強就可以快捷實現向電能的簡易轉換，因此本實施例的裝置可用于手機等新型智能設備、微型移動設備的意外緊急情況下充電，解決無電源場合的充電困難。
【權利要求】
1.一種機械能與電能轉換裝置，包括制有納米級流體通道的片狀半導體襯底，其特征在于:所述半導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體襯底兩面相對且受壓后可相對半導體襯底移動的第一表面和第二表面；所述半導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、負極的正、負外電極板固連。
2.根據權利要求1所述的機械能與電能轉換裝置，其特征在于:所述半導體襯底為厚度0.5-0.7mm片狀硅基晶圓制成的硅基襯底。
3.根據權利要求2所述的機械能與電能轉換裝置，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.根據權利要求3所述的機械能與電能轉換裝置，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.根據權利要求4所述的機械能與電能轉換裝置，其特征在于:所述電解液為KCl或NaCl溶液。
6.根據權利要求5所述的機械能與電能轉換裝置，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】H02N11/00GK203827222SQ201420212608
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2014年4月28日
【發明者】許洪華, 李凱, 王春寧, 凃俊, 延巧娜 申請人:國家電網公司, 江蘇省電力公司南京供電公司, 江蘇省電力公司