摩擦电能量收集元件内表面圆顶型微奈米结构之综合研究分析

i摩擦电能量收集元件内表面圆顶型微奈米结构之综合研究分析Comprehensive Analysis of Interfacial Micro Dome Structure in Triboelectric Energy Harvesterii中文摘要在本论文中利用曝光微影技术(photolithography)和干湿蚀刻(dry and wet etching)做出金字塔凹槽阵列硅基板之后，透过对聚二甲基硅氧烷(polydimethylsioxane, PDMS)翻模，可在 PDMS 表面形成金字塔阵列结构，以及利用曝光微影技术(photolithography)、干蚀刻(dry and etching)和电浆辅助化学气相沈积(plasma enhanced chemical vapor deposition)做出圆顶型阵列硅基板之后，透过对聚二甲基硅氧烷(polydimethylsioxane, PDMS)翻模，可在 PDMS 表面形成圆顶型凹槽阵列结构，接续对圆顶型凹槽阵列结构进行二次翻模，可得到在 PDMS 表面形成圆顶型阵列结构，并将两种不同形状的 PDMS 作为摩擦电层(triboelectric layer)，同时再利用电子鎗真空蒸镀系统在硅基板镀上银(Ag)作为上下金属电极，而上电极同时也作为摩擦电层，将其组装后，制做出摩擦电能量收集元件(triboelectric energy harvester, TEH)。在 PDMS 摩擦电层中，制作了两种不同形状的摩擦电层(triboelectric layer)，第一种为底边圆直径尺寸的圆顶型阵列：，其圆顶型间距为，第二种为底边长尺寸的金字塔型阵列：，其金字塔间距为。当圆顶型与金字塔型做量测比较时，并给予相同且未达饱和的压力(saturation pressure) 时，圆顶型元件量到的开路电压(open-circuit voltage)和短路电流 (short-circuit current)会大于金字塔型元件，因此，透过改变表面形状的方式，可得到较佳的电压及电流输出。关键词：曝光微影、干蚀刻、湿蚀刻、金字塔阵列、翻模、圆顶型阵列、摩擦电层、摩擦电能量收集元件、饱和压力、开路电压、短路电流iiiABSTRACTIn this thesis, we made the silicon substrate with the trench pyramid array on the surface by the ways of photolithography, dry etching, and wet etching. After the replica-modeling process, pyramid array structures could be formed on the interfacial layer of PDMS, and the use of exposure photolithography, dry and etching and plasma enhanced chemical vapor deposition to make a dome array silicon substrate, PDMS surface to form a dome-shaped groove array structure, continuous dome-shaped groove array structure of the second mold, can be formed in the PDMS surface dome array structure, and two different shapes of PDMS as a triboelectric layer, while the use of Electron gun vacuum evaporation system in the silicon substrate plating silver as the upper and lower metal electrodes, and the upper electrode as a triboelectric layer, will be assembled to make a triboelectric energy harvester (TEH). In the PDMS triboelectric layer, two different types of triboelectric layers were fabricated. The first is a dome-shaped array with a bottom-diameter diameter: 22 m, a dome-type pitch of 10 m, a second the pyramid-shaped array with a long side of the base is 20 m and its pyramid spacing is 10 m. When the dome type is compared with the pyramid type and the same saturation pressure is given, the open-circuit voltage and the short-circuit current of the dome type component Current will be greater than the pyramid-type components, therefore, by changing the surface shape of the way, can be a better voltage and current output.Keywords: trench pyramid array, photolithography, dry etching, wet etching, PDMS, replica-modeling, pyramid array, triboelectric layer, triboelectric energy harvester (TEH), saturation pressure, open-circuit voltage, short-circuit currentiv目录国立台湾大学硕士学位论文切结书 .i口试委员会审定书 .ii致谢 .iii中文摘要 .ivABSTRACT .v目录 .vi图目录 .viii表目录 .xi第一章 绪论 .11.1 前言 .11.2 研究背景与动机 .21.3 论文架构 .6第二章 文献回顾与理论基础 .82.1 历史发展 .82.2 摩擦电效应 .102.3 国际发展现况 .122.4 研究目的 .14第三章 理论计算与分析 .163.1 金字塔型结构与圆顶型结构之接触面积计算与分析 .16v3.2 金字塔型与圆顶型之开路电压与施加压力的关系 .193.3 分析结论 .27第四章 实验方法与量测架设 .284.1 实验流程设计 .284.2 基板制备 .294.3 金字塔型 PDMS 制备 .304.3.1 PDMS 之制程方式 .304.3.2 二氧化硅之薄膜沉积 .314.3.3 曝光显影 .324.3.4 干蚀刻 .364.3.5 湿蚀刻 .374.3.6 金字塔型之 PDMS 翻模 .404.4 圆顶型 PDMS 制备 .434.4.1 二氧化硅之薄膜沉积 .434.4.2 曝光显影 .444.4.3 干蚀刻 .464.4.4 二氧化硅沉积 .464.4.5 PDMS 翻模 .474.4.6 磁控溅镀系统 .474.4.7 PDMS 二次翻模 .49vi4.5 电极制备 .504.6 元件组装 .514.7 量测方法与架设 .534.7.1 开路电压(Open-Circuit Voltage) .534.7.2 短路电流(Short-Circuit Current).544.7.3 量测架设与方法 .54第五章 实验结果与讨论 .56第六章 总结 .61参考文献 .62vii图目录图 1-1 各种不同高精密电子元件驱动时所需要能源的规模1 .1图 1-2 微奈米元件装置需要更小规模的能源来源来驱动，这也使电池对环境的污染日益增加1。 .2图 1-3 三种常用于能量间转换的经典效应，此论文将着重在压电效应的转换1。 .3图 1-4 我国行政院推动生产力 4.0 计划与先进制造目标和其他应用引用自行政院。 .4图 1-5 在我国生产力 4.0 的策略中感应器占有极重要性引用自行政院 。 .5图 1-6 在我国发展生产力 4.0 的策略中，各项技术层面与国际间之比较引用自行政院 .5图 2-1 利用氧化锌奈米柱压电元件做量测示意图5 。 .9图 2-2 摩擦电能量收集元件的操作流程13。 .9图 2-3 本论文之摩擦电能量收集元件的运作原理。 .11图 2-4 摩擦电能量收集元件运作原理的示意图13 。 .12图 2-5 在公元 2012 年中 Wang 团队所开发不同类型的摩擦电能量收集元件1316。 .13图 2-6 垂直接触分离模式的摩擦电能量收集元件结构图19 。 .14图 2-7 三种不同尺寸之金字塔阵列结构与硅基板凹槽 SEM 图19。 .14图 2-8 (a)施加压力与闭回路电压关系图、(b) 在两种不同压力状况下之压力灵敏度与闭回路电压19。 .15图 3-1 每单位面积下的金字塔结构 图。 .16viii图 3-2 每单位面积下的圆顶型结构图。 .18图 3-3 开路电压与施加压力理论图。 .19图 3-4 金字塔理论模型的参数定义19。 .20图 3-5 金字塔中计算反力的变量定义19。 .20图 3-6 圆顶型理论模型的参数定义。 .23图 3-7 圆顶型中计算反力的变量定义。 .24图 3-8 利用 AFM 量测表面轮廓形状。 .25图 3-9 利用三次曲线近似后得到 F(x)。 .26图 3-10 开回路电压与施加压力的比较图。 .26图 4-1 实验设计流程图。 .28图 4-2 本论文金字塔型 PDMS 之制程流程图。 .30图 4-3 PDMS 制程流程图。 .31图 4-4 SiO2(500nm)之 SEM 图。 .32图 4-5 曝光显影流程图。 .33图 4-6 软烤。 .34图 4-7 曝光。 .35图 4-8 湿蚀刻反应机制的三个步骤。 .37图 4-9 底切。 .38图 4-10 V 型沟槽29。 .38图 4-11 在显微镜下蚀刻后之金字塔型的硅模板。 .39ix图 4-12 金字塔型的硅模板在湿蚀刻后之 SEM 图(L = 20 m。 .40图 4-13 将 PDMS 溶液均匀搅拌后，放至真空球中抽气。 .40图 4-14 将调配好之 PDMS 胶体倒在硅基板上。 .41图 4-15 利用美工刀切割正方型区块。 .42图 4-16 在显微镜下之金字塔 PDMS。 .42图 4-17 PDMS 之金字塔型结构 SEM 图。 .43图 4-18 本论文圆顶型 PDMS 之制程流程图 .43图 4-19 SiO2 (1 m)之 SEM 图 .44图 4-20 圆顶型之曝光显影后 OM 图 .45图 4-21 硅基板上圆顶型阵列结构之 SEM 图 .46图 4-22 PDMS 上圆顶型凹槽阵列之 SEM 图 .47图 4-23 磁控溅镀的系统架构图。 .48图 4-24 溅镀沉积后之 PDMS 薄膜。 .49图 4-25 PDMS 之二次翻模。 .49图 4-26 PDMS 上之圆顶型阵列结构。 .50图 4-27 膜厚控制器。 .51图 4-28 蒸镀后之上下电极。 .51图 4-29 元件之压克力模型。 .52图 4-30 元件之模型图。 .52图 4-31 元件之实体图。 .53x图 4-32 本论文之摩擦电能