TWI412223B - 壓電換能裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種壓電換能裝置，尤其是，一種具整流功能之壓電換能裝置。
壓電性為一種機電能量互換的現象，最早於1880年由Pierre Curie及Jacques Curie所發現；當時發現若對電氣石施加一機械壓力，將可在其表面上得到電荷，此因物質機械變形所產生的電極化現象被W. G. Hankel定名為壓電性。次年Pierre Curie及Jacques Curie利用M. G. Lippmann的熱力學理論證實了壓電性的逆效應存在，亦即外加電場可導致晶體的機械形變。自壓電材料被發現以來，被廣泛應用於通訊元件、感測元件、微致動器、發電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，可輸出一交流電，如第2圖所示。惟，一般電子元件之供電需求均以直流電居多，故當上述之壓電材料受力振動以供電給一電子元件時，即需外接一整流電路，將輸出之交流電轉為直流電。整流電路分為半波整流與全波整流，半波整流會將負半週截掉，其整流方式為利用二極體組成；全波整流則將負半週轉為正值，其整流方式有兩種：第一種利用中心抽頭式的變壓器和兩個二極體構成一個整流電路，第二種利用四個二極體設計，其電路構造與電橋相似，特稱為橋式整流電路，如第3圖所示，係一習用壓電換能裝置之橋式整流電路圖。
按，以全波橋式整流為例，若以矽二極體構成的橋式整流電路，來進行該習用壓電換能裝置之輸出整流，則會使該習用壓電換能裝置損失約1.4伏特(Volt)的電壓，且四個二極體的內阻亦會造成耗能；若以鍺二極體構成的橋式整流電路，則會損失約0.5至0.8伏特的電壓，同時四個二極體的內阻也會造成耗能；若使用順向切入電壓較小的1N5711二極體進行整流，則會損失0.46伏特，其內阻也會造成耗能，並且因為該二極體屬於特殊二極體，所以單價成本較高。
因此，若能使壓電換能裝置具有整流功能而直接輸出直流電，即可去除一整流電路所造成之壓電換能裝置功率損耗，並減少該整流電路之體積及成本。
本發明之目的乃改良上述缺點，以提供一種壓電換能裝置，該壓電換能裝置係可利用振動而產生該交流電，並利用壓電材料與金屬材料接觸時，所產生的電位障壁來進行整流。因此，無外接整流電路之功率損耗，可提升壓電換能效率。
本發明之次一目的，係提供一種壓電換能裝置，該壓電換能裝置係可利用振動而產生該交流電，並利用壓電材料與金屬材料接觸時，所產生的電位障壁來進行整流。因此，無外接整流電路所需之成本，可降低建置壓電換能系統之成本。
本發明之再一目的，係提供一種壓電換能裝置，該壓電換能裝置係可利用振動而產生該交流電，並利用壓電材料與金屬材料接觸時，所產生的電位障壁來進行整流。因此，無外接整流電路所需之體積，可減少使用空間及增加單位體積之裝置數量。
本發明之壓電換能裝置，主要係由一基板，係具有撓性；一壓電層，具有相對之一第一表面及一第二表面；一第一導電層，係設置於該壓電層之第一表面；一第二導電層，係設置於該壓電層之第二表面；其中，該第一導電層或該第二導電層係結合於該基板；該第一導電層與該壓電層間為一歐姆接觸；該第二導電層與該壓電層間為一蕭特基接觸。藉由該蕭特基接觸形成具有整流功能之壓電換能裝置。
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：請參照第4圖所示，其係本發明壓電換能裝置之第一實施例，該壓電換能裝置係包含一基板1、一第一導電層2、一壓電層3及一第二導電層4。該基板1上可形成該第一導電層2，該壓電層3係設置於該第一導電層2與該第二導電層4之間。其中，該第一導電層2與該壓電層3間為一歐姆接觸(Ohmic contact)；該第二導電層4與該壓電層3間為一蕭特基接觸(Schottky contact)。因此，該壓電換能裝置受力振動所產生之交流電，可藉由該蕭特基接觸進行整流。
詳言之，該基板1較佳係由塑膠等具有撓性之基板構成，該基板1可具導電性或不具導電性，該基板1可供成長其他材料層。該第一導電層2較佳係由具有導電性之金屬材料形成，該第一導電層2係設置於該基板1之一表面。該壓電層3較佳係由鋯鈦酸鉛或氧化鋅等材料，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構成。該壓電層3具有相對之一第一表面31及一第二表面32，該第一表面31係結合於該第一導電層2，且該第一表面31與該第一導電層2間為該歐姆接觸。該第二導電層4較佳係由金、鉑、銀或銅等金屬材料，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製成。該第二導電層4係結合於該壓電層3之第二表面32，且該第二導電層4與該壓電層3之第二表面32間為該蕭特基接觸。
本發明之壓電換能裝置的運作係詳述如後，其中，由於該基板1具有撓性，當該基板1之一端受力而振動(例如：反覆擺動)時，可使設置於該基板1上之各材料層亦隨其振動而變形。如第5a圖所示，當該基板1向上擺動時，該壓電層3之第一表面31及第二表面32分別受一張應力及一壓縮應力作用，因而在該第一表面31聚集負電荷，並在該第二表面32聚集正電荷；反之，如第5b圖所示，當該基板1向下擺動時，則在該壓電層3之第一表面31及第二表面32分別聚集正電荷及負電荷。
此外，該歐姆接觸係一金屬半導體接面，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；該蕭特基接觸係另一金屬半導體接面，當構成此金屬半導體接面之金屬及半導體接觸時，該半導體之電子親和力與該金屬之功函數將形成一蕭特基位障(Schottky Barrier)，該蕭特基位障減掉一費米能階(Fermi Level)及該半導體傳導帶(Conduction Band)之電位差，可得一內建電位障，該內建電位障即是該半導體傳導帶中之電子試圖移動進入該金屬時所看到之位障。於順向偏壓情形下，由該金屬至該半導體之位障不變，但是由該半導體至該金屬的位障減少；反之，於逆向偏壓情形下，由該金屬至該半導體之位障不變，但是由該半導體至該金屬的位障增加。
綜上所述，由於該第一導電層2與該壓電層3間為該歐姆接觸，且該第二導電層4與該壓電層3間為該蕭特基接觸，因此，當該壓電層3向上擺動時，該第一表面31聚集負電荷且該第二表面32聚集正電荷，若將具有該歐姆接觸之第一導電層2接地，該第一導電層2與該第二導電層4間為順向偏壓，由該半導體至該金屬的位障減少，具有該蕭特基接觸之第二導電層4可輸出一正電壓；反之，當該壓電層3向下擺動時，該第一表面31聚集正電荷且該第二表面32聚集負電荷，若將具有該歐姆接觸之第一導電層2接地，該第一導電層2與該第二導電層4間為逆向偏壓，由該半導體至該金屬的位障增加，具有該蕭特基接觸之第二導電層4輸出之電壓值為零。請閱第6圖所示，其係為本發明之壓電換能裝置的理想輸出電壓波形圖。因此，本發明所揭示之壓電換能裝置不需透過任何整流電路，即可直接提供經過整流之電力。
請閱第7圖所示，其係本發明之第二實施例，該第二實施例與該第一實施例差異在於，可先在該基板1上形成該第二導電層4，再於該第二導電層4上依序形成該壓電層3及第一導電層2。其中，該第二導電層4與該壓電層3間為該蕭特基接觸，該第一導電層2與該壓電層3間為該歐姆接觸，因此，當該壓電層3向上擺動時，若將具有該歐姆接觸之第一導電層2接地，該第一導電層2與該第二導電層4間為逆向偏壓，具有該蕭特基接觸之第二導電層4輸出之電壓值為零；反之，當該壓電層3向下擺動時，若將具有該歐姆接觸之第一導電層2接地，該第一導電層2與該第二導電層4間為順向偏壓，具有該蕭特基接觸之第二導電層4輸出一正電壓。
因此，本發明所揭示之壓電換能裝置可選擇以該第一導電層2或該第二導電層4結合於該基板，不需透過任何整流電路，即可直接提供經過整流之電力。
本發明之壓電換能裝置，係可利用振動而產生該交流電，並利用壓電材料與金屬材料接觸時，所產生的電位障壁來進行整流。因此，無外接整流電路之功率損耗，具有提升壓電換能效率之功效。
本發明之壓電換能裝置，係可利用振動而產生該交流電，並利用壓電材料與金屬材料接觸時，所產生的電位障壁來進行整流。因此，無外接整流電路所需之成本，具有降低建置壓電換能系統成本之功效。
本發明之壓電換能裝置，係可利用振動而產生該交流電，並利用壓電材料與金屬材料接觸時，所產生的電位障壁來進行整流。因此，無外接整流電路所需之體積，具有減少使用空間及增加單位體積之裝置數量之功效。
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。
1．．．基板
2．．．第一導電層
3．．．壓電層
31．．．第一表面
32．．．第二表面
4．．．第二導電層
91．．．壓電元件
92．．．張應力
93．．．壓縮應力
94．．．電子
第1a圖：習用壓電換能裝置未受力之示意圖。
第1b圖：習用壓電換能裝置受到張應力之示意圖。
第1c圖：習用壓電換能裝置受到壓縮應力之示意圖。
第2圖：習用壓電換能裝置發電後之電壓波形圖。
第3圖：習用壓電換能裝置之橋式整流電路圖。
第4圖：本發明壓電換能裝置第一實施例之組合立體圖。
第5a圖：本發明壓電換能裝置第一實施例向上擺動發電之示意圖。
第5b圖：本發明壓電換能裝置第一實施例向下擺動發電之示意圖。
第6圖：本發明壓電換能裝置第一實施例發電後自整流之電壓波形圖。
第7圖：本發明壓電換能裝置第二實施例之組合立體圖。
1．．．基板
2．．．第一導電層
3．．．壓電層
31．．．第一表面
32．．．第二表面
4．．．第二導電層
Claims (4)
- 一種壓電換能裝置，係包含：一基板，係具有撓性；一壓電層，具有相對之一第一表面及一第二表面；一第一導電層，係設置於該壓電層之第一表面；一第二導電層，係設置於該壓電層之第二表面；其中，該第一導電層或該第二導電層係結合於該基板；該第一導電層與該壓電層間為一歐姆接觸；該第二導電層與該壓電層間為一蕭特基接觸，且該基板上之第一導電層、壓電層及第二導電層係於該基板受力而震動時變形。
- 依申請專利範圍第1項所述之壓電換能裝置，其中該第一導電層為一導電薄膜。
- 依申請專利範圍第1項所述之壓電換能裝置，其中該第二導電層之材質係為金、鉑、銀及銅的其中之一。
- 依申請專利範圍第1項所述之壓電換能裝置，其中該基板係具有導電性。
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