TWI469495B - 複合壓電發電裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種發電裝置，尤其是，一種可提升發電效率之複合壓電發電裝置。
壓電效應是電場與力學相互結合作用的一種現象，單位晶胞內，如果正電荷與負電荷的幾何中心點不在同一點上時，也就是晶體結構中不存在著對稱中心，就會產生電偶極(electric dipole)；當受到應力作用時，便會使正負電荷產生相對位移，因而產生電偶極矩或電壓，故壓電效應係由於晶體物質中之單位晶胞內缺乏對稱中心而導致。
壓電效應包含了正壓電效應及逆壓電效應，正壓電效應係當一機械應力施加於一壓電材料時，該壓電材料之兩端會伴隨產生一個與該機械應力大小成比例的電荷，當應力方向相反時，電荷的極性，亦會隨之而反轉；逆壓電效應則是外加電場於壓電材料上，使材料產生機械形變，或是使材料內部阻抗產生變化。自壓電材料被發現以來，已被廣泛應用於換能器、感測器、微致動器、通訊元件等各種應用領域之中。
鋯鈦酸鉛(PZT)及氧化鋅(ZnO)是目前最常被使用之壓電材料，如第1a、1b及1c圖所示，一壓電元件91係由非傳導性材料構成，其內部沒有自由電子來幫助傳導，惟若施加一應力(例如：一張應力92或一壓縮應力93)於該壓電元件91上，造成其內部晶體形變，將導致電子94移動，使該壓電元件91之受力面聚集與該應力大小成比例之電荷(電壓)，當該應力方向相反，電荷(電壓)之極性亦隨之相反。因此，當該壓電材料受力振動而變形時，其上下兩面會分別受到該張應力與該壓縮應力作用而聚集不同電荷，因此，該壓電材料可被製成一複合壓電發電裝置而發電，亦可進一步配合整流電路而產生直流電，以提供電子產品所需之電源。
請參照第2圖所示，如中華民國公告第M258620號「免電安全燈鞋」新型專利案，揭示一種應用於安全燈鞋之習知複合壓電發電裝置8，其係包含一基板81及二壓電陶瓷82，該基板81之二相對表面係分別貼合該二壓電陶瓷82；其中，該習知複合壓電發電裝置8可電性連接於數個發電元件83，並設置於鞋子底部(圖未繪示)。藉此，當使用者穿著鞋子走動時，該壓電陶瓷82受力形變並產生電流，使該發電元件83發光。
該習知複合壓電發電裝置8於使用時，由於該壓電陶瓷82並未緊密結合於該基板81，使得該壓電陶瓷82之發電效率不高，因此，該壓電陶瓷82需具有較大且較厚之尺寸，才能產生足夠驅動該發電元件83所需之電量。再者，鞋子底部之容置空間有限，該壓電陶瓷82之尺寸受限於該容置空間，並無法容納過大之壓電陶瓷82，因此，該習知複合壓電發電裝置8之發電量有限。
基於上述原因，有必要進一步改良上述習知複合壓電發電裝置8，以提供一種具有高發電效率之複合壓電發電裝置。
本發明之目的乃改良上述缺點，係提供一種複合壓電發電裝置，可提升單位面積發電功率，以提供高發電效率者。
一種複合壓電發電裝置，係包含：一基板，係具有耐熱性，且設有一第一結合面及一第二結合面，該第一結合面與該第二結合面為相對二表面；一第一壓電層，係設於該基板之第一結合面；一第一導電層，係設於該第一壓電層；一隔離層，係設於該基板之第二結合面，且該隔離層係由具有平坦的附著層之特性的材料製成；一第二壓電層，係設於該隔離層；及一第二導電層，係設於該第二壓電層。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明全文所述之「不鏽鋼」(stainless steel substrate)，係指以重量計，鉻含量超過11.5%的鐵合金，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。
本發明全文所述之「彈性係數」(Modulus of Elasticity)，或稱為楊氏係數，係指應力-應變曲線上的彈性區域之斜率，該應力與該應變之關係滿足虎克定律。換言之，彈性係數代表材料的剛性(Stiffness)，高剛性材料具有較低的吸振效應，即在彈性負荷範圍內較易保持原有
形狀及尺寸，並得以達到較大的能量轉換效應，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。
本發明全文所述之「歐姆接觸」(Ohmic Contact)，係指一金屬半導體接面，其雙向皆可導通，且其接觸電阻值遠小於一半導體之串聯電阻值，當電流通過時，其壓降可忽略，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。
請參照第3圖所示，其係本發明複合壓電發電裝置之較佳實施例，該複合壓電發電裝置係包含一基板1、一第一壓電層2、一第一導電層3、一隔離層4、一第二壓電層5及一第二導電層6。該第一壓電層2係設於該基板1，該第一導電層3設於該第一壓電層2，該隔離層4係設於該基板1，且相對於該第一壓電層2，該第二壓電層5設於該隔離層4，該第二導電層6設於該第二壓電層5。藉此，該第一壓電層2及該第二壓電層5可受力變形而產生電力，並由第一導電層3及第二導電層6輸出電力。
該基板1係由具有耐熱性之材料所製成，例如：合金材料，使該基板1可承受其他材料層(例如：該第一壓電層2及該隔離層4)成長時的高溫，較佳由彈性佳且不易產生永久性形變之合金材料所製成，例如：不鏽鋼或特殊合金，使該基板1可受力而擺動，且經過長時間大幅擺動後，仍不會發生撓曲(Bending)現象，而產生永久性形變。該基板1設有一第一結合面11及一第二結合面12，該第一結合面11與該第二結合面12為相對二表面，該第一結合面11用以成長該第一壓電層2，使該第一壓電層2可以緊密結合於該基板1。該第二結合面12用以成長該隔離層
4。在此實施例中，該基板1之材質係以不鏽鋼作為實施態樣，惟不以此為限；該基板1之耐熱溫度為200度(℃)至500度；該基板1之彈性係數為126帕(GPa)至250帕。另，由於不鏽鋼之價格係低於特殊合金之價格，因此，採用不鏽鋼做為該基板1，可降低該基板1之製造成本，且可以使設置於該基板1之各材料層與該基板1緊密結合。
該第一壓電層2係由具有壓電性之材料製成，較佳係由鋯鈦酸鉛或氧化鋅等壓電材料，以射頻濺鍍法、直流濺鍍法、溶膠凝膠法、熱壓法、網印法、化學氣相沉積法、電子束蒸鍍法、雷射沉積法或原子層沉積法等方式成長而製成。該第一壓電層2係設置於該基板1之第一結合面11，並形成相對二表面21及22，當該基板1受力而擺動時，該第一壓電層2可受力變形而產生電力，其中，該第一壓電層2緊密結合該第一結合面11。在此實施例中，該第一壓電層2係由鋯鈦酸鉛或氧化鋅製成。
該第一導電層3係由具有導電性之材料，以射頻濺鍍法、直流濺鍍法、熱蒸鍍法、網印法、化學氣相沉積法、電子束蒸鍍法、雷射沉積法、原子層沉積法或塗佈法等方式成長而製成。該第一導電層3係設置於該第一壓電層2，用以傳導該壓電層2所產生之電力，較佳平行該基板之第一結合面11，以增加電力傳導效率，其中，該第一導電層3及該第一壓電層2之間形成歐姆接觸(Ohmic Contact)。在此實施例中，該第一導電層3係由導電材料製成，例如：金、鉑或銀等導電材料。
該隔離層4係由具有平坦的附著層之特性的材料，例
如：鈦白金等，以射頻濺鍍法、直流濺鍍法、溶膠凝膠法、熱壓法、網印法、化學氣相沉積法、電子束蒸鍍法、雷射沉積法或原子層沉積法等方式成長而製成。該隔離層4係設置於該基板1之第二結合面12，其中，該隔離層4除了可以緊密結合該第二結合面12之外，還可以避免在製造時的熱升溫過程中，對於該基板1之第二結合面12的破壞，其中，該隔離層4之表面需具有平坦的微結構。在此實施例中，該隔離層4係由鈦白金製成。
該第二壓電層5與該第一壓電層2所揭示之材料及製程大致相同，在此容不贅述。該第二壓電層5係設置於該隔離層4，並形成相對二表面51及52，當該基板1受力而擺動時，該隔離層4及該第二壓電層5可受力變形，而使該第二壓電層5產生電力。在此實施例中，該第二壓電層5係由鋯鈦酸鉛或氧化鋅製成。
該第二導電層6與該第一導電層3所揭示之材料及製程大致相同，在此容不贅述。該第二導電層6係設置於該第二壓電層5，用以傳導該第二壓電層5所產生之電力，其中，該第二導電層6及該第二壓電層5之間形成歐姆接觸。此外，該第二導電層6電性連接該第一導電層3。在此實施例中，該第二導電層6係由導電材料製成，例如：金、鉑或銀等導電材料。
本發明複合壓電發電裝置還可以包含二導線(圖未繪示)，該二導線分別電性連接該第一導電層3及該第二導電層6，用以傳導本發明複合壓電發電裝置所產生之電力。
本發明之複合壓電發電裝置的運作情形係詳述如後
，其中，由於該基板1具有彈性，當該基板1受力而變形時，可使設置於該基板1上之第一壓電層2及第二壓電層5亦隨其變形。如第4a圖所示，當該基板1向上擺動(依圖面而言)時，該第一壓電層2之表面21及22分別受一張應力及一壓縮應力作用，因此，該表面21聚集負電荷；該表面22聚集正電荷，並由該第一導電層3傳導。同時，該第二壓電層5之表面51及52分別受該壓縮應力及該張應力作用，因此，該表面51聚集正電荷；該表面52聚集負電荷，並由該第二導電層6傳導。
反之，如第4b圖所示，當該基板1向下擺動時，則該第一壓電層2之表面21及22分別聚集正電荷及負電荷；同時，該第二壓電層5之表面51及52分別聚集負電荷及正電荷，分別由該第一導電層3及該第二導電層6傳導。藉此，本發明複合壓電發電裝置可產生一單位面積發電功率高的交流電，進而提升本發明複合壓電發電裝置之發電效率，且該交流電還可藉由該二導線電性連接至一整流電路，用以整流成一直流電。因此，本發明複合壓電發電裝置可設置於一可雙面受力之應用場合，例如：應用於風力發電等。
本發明複合壓電發電裝置，係以該基板1之第一結合面11設置該第一壓電層2，由於該第一壓電層2緊密結合於該基板1，且該第一壓電層2與該基板1不易分離，進而提升單位面積發電功率。另一方面，該第二結合面12設置該隔離層4，該隔離層4設置該第二壓電層5，使該第二壓電層5與該基板1不易分離，進而提升單位面積發電
功率。因此，本發明複合壓電發電裝置可藉由提升單位面積發電功率，而具有高發電效率之功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
〔本發明〕
1‧‧‧基板
11‧‧‧第一結合面
12‧‧‧第二結合面
2‧‧‧第一壓電層
21‧‧‧表面
22‧‧‧表面
3‧‧‧第一導電層
4‧‧‧隔離層
5‧‧‧第二壓電層
51‧‧‧表面
52‧‧‧表面
6‧‧‧第二導電層
〔習知〕
91‧‧‧壓電元件
92‧‧‧張應力
93‧‧‧壓縮應力
94‧‧‧電子
8‧‧‧習知複合壓電發電裝置
81‧‧‧基板
82‧‧‧壓電陶瓷
83‧‧‧發電元件
第1a圖：習用複合壓電發電裝置未受力之示意圖。
第1b圖：習用複合壓電發電裝置受到張應力之示意圖。
第1c圖：習用複合壓電發電裝置受到壓縮應力之示意圖。
第2圖：習用複合壓電發電裝置之結構示意圖。
第3圖：本發明複合壓電發電裝置較佳實施例之立體組合圖。
第4a圖：本發明複合壓電發電裝置較佳實施例向上擺動發電之示意圖。
第4b圖：本發明複合壓電發電裝置較佳實施例向下擺動發電之示意圖。
1．．．基板
11．．．第一結合面
12．．．第二結合面
2．．．第一壓電層
21．．．表面
22．．．表面
3．．．第一導電層
4．．．隔離層
5．．．第二壓電層
51．．．表面
52．．．表面
6．．．第二導電層
Claims (11)
- 一種複合壓電發電裝置，係包含：一基板，係具有耐熱性，且設有一第一結合面及一第二結合面，該第一結合面與該第二結合面為相對二表面；一第一壓電層，係設於該基板之第一結合面；一第一導電層，係設於該第一壓電層；一隔離層，係設於該基板之第二結合面，且該隔離層係由具有平坦的附著層之特性的材料製成；一第二壓電層，係設於該隔離層；及一第二導電層，係設於該第二壓電層。
- 依申請專利範圍第1項所述之複合壓電發電裝置，其中該基板係由具有彈性之合金材料製成。
- 依申請專利範圍第1項所述之複合壓電發電裝置，其中該基板之耐熱溫度為200至500度。
- 依申請專利範圍第1項所述之複合壓電發電裝置，其中該基板之彈性係數為126至250帕。
- 依申請專利範圍第1項所述之複合壓電發電裝置，其中該基板係由不鏽鋼製成。
- 依申請專利範圍第1項所述之複合壓電發電裝置，其中該第一壓電層及該第二壓電層皆由鋯鈦酸鉛或氧化鋅製成。
- 依申請專利範圍第1項所述之複合壓電發電裝置，其中該第一導電層及該第二導電層係由金、鉑或銀製成。
- 依申請專利範圍第1項所述之複合壓電發電裝置，其中 該隔離層係由鈦白金製成。
- 依申請專利範圍第1項所述之複合壓電發電裝置，其中該第一導電層及該第一壓電層之間形成歐姆接觸。
- 依申請專利範圍第1項所述之複合壓電發電裝置，其中該第二導電層及該第二壓電層之間形成歐姆接觸。
- 依申請專利範圍第1項所述之複合壓電發電裝置，另包含二導線分別電性連接該第一導電層及該第二導電層。
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