專利名稱：壓電元件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種壓電元件及其制備方法，尤指一種以表面覆有壓電陶瓷層的納米碳管作為壓電材料的壓電元件及其制備方法。
背景技術(shù)：
壓電效應(yīng)是材料中一種機(jī)械能與電能互換的現(xiàn)象，而壓電材料會(huì)有壓電效應(yīng)是因?yàn)榫Ц駜?nèi)原子間特殊排列方式，使得材料有應(yīng)力場(chǎng)與電場(chǎng)耦合的效應(yīng)。壓電材料的應(yīng)用范圍非常廣泛，例如生化醫(yī)療用途、風(fēng)力或潮汐發(fā)電裝置、無線感應(yīng)器、個(gè)人化電子產(chǎn)品等。 目前常見的壓電材料包含有陶瓷類的鈦酸鋇(BaTiO3, BT)、鈦酸鉛鋯(Pb(Zra53Tia47)O3, PZT)、單晶類的石英(Quartz)、電氣石(tourmaline)、羅德鹽(rochelle salts)、鉭酸鹽 (tantalate)、鈮酸鹽(niobate)、氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)等，或是氧化鋅(ZnO)。其中， 現(xiàn)有技術(shù)于納米級(jí)的壓電元件的制作上，有一種是使用氧化鋅制成納米線(ZnO nanowire) 來作為壓電材料。US2008/0067618即是提出一種以氧化鋅納米線作為壓電元件的壓電材料。如圖1 所示，其壓電元件包括有一第一導(dǎo)電層11 (作為下電極)以及一第二導(dǎo)電層12 (作為上電極)，第一導(dǎo)電層11與第二導(dǎo)電層12之間具有多個(gè)氧化鋅納米線13，且多個(gè)氧化鋅納米線 13的一端是與第一導(dǎo)電層11電性耦接。由此，當(dāng)施與一機(jī)械性壓力于第二導(dǎo)電層12而使多個(gè)氧化鋅納米線13產(chǎn)生形變時(shí)，第一導(dǎo)電層11以及第二導(dǎo)電層12間會(huì)產(chǎn)生電壓差或電流，而產(chǎn)生壓電效應(yīng)。然而，使用壓電陶瓷納米線所制得的壓電元件，其產(chǎn)生的電流大約僅為10_12_10_9 安培左右，且由于壓電陶瓷納米線本身彈性度不佳、容易脆裂，因此時(shí)常導(dǎo)致所制作出來的壓電元件的信賴性不佳。故，本領(lǐng)域亟需一種具有新穎結(jié)構(gòu)的壓電元件，使可改善現(xiàn)有壓電元件中電流小以及壓電陶瓷納米線容易脆裂而導(dǎo)致信賴性不佳的缺點(diǎn)，而增加壓電元件的信賴性以及可應(yīng)用范圍。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是提供一種壓電元件，包括多個(gè)納米碳管；至少一壓電陶瓷層，覆于多個(gè)納米碳管的表面；以及支撐材料，配置于表面覆有壓電陶瓷層的多個(gè)納米碳管之間，使支撐表面覆有壓電陶瓷層的多個(gè)納米碳管；其中，表面覆有壓電陶瓷層的多個(gè)納米碳管排列呈現(xiàn)一梳狀，配置于多個(gè)納米碳管表面的壓電陶瓷層互相電性耦接，且多個(gè)納米碳管、至少一壓電陶瓷層、以及支撐材料形成一壓電塊。本發(fā)明的壓電元件包含有納米碳管/氧化鋅結(jié)構(gòu)于其中，因此可同時(shí)具有優(yōu)秀的彈性(耐用性)及優(yōu)秀的壓電特性的優(yōu)點(diǎn)。并且，本發(fā)明的單一壓電元件所得到的電流可達(dá)到約1.5微安培(μΑ)以上，是現(xiàn)有壓電元件的電流約IO6倍(現(xiàn)有壓電元件的電流大約僅為10_12-10_9安培左右)，而此為現(xiàn)有技術(shù)所無法達(dá)成。此外，由于本發(fā)明的壓電元件所輸出的電壓及電流是取決于元件的體積，因此經(jīng)由元件間的串并聯(lián)，可無限提升整體壓電輸出的電壓(IV以上)與電流(ImA以上)。本發(fā)明的壓電元件中，較佳可還包括一第一導(dǎo)電層以及一第二導(dǎo)電層，第一導(dǎo)電層以及第二導(dǎo)電層較佳為分別配置于壓電塊的相對(duì)二表面(例如，上表面以及下表面、或是二個(gè)相對(duì)的側(cè)表面)，且第一導(dǎo)電層以及第二導(dǎo)電層分別與壓電塊中的壓電陶瓷層電性耦接。第一導(dǎo)電層以及第二導(dǎo)電層較佳各自獨(dú)立地為一金屬層，其材質(zhì)較佳可為金、銀、銅、 鉬、鈦、鈀、或其合金，但不限于此。本發(fā)明的壓電塊，依照電極配置的位置，可分為串聯(lián)型式或并聯(lián)型式的連接方法。 當(dāng)以并聯(lián)型式連接時(shí)，壓電塊的上表面以及下表面可分別配置有一第一導(dǎo)電層以及一第二導(dǎo)電層，當(dāng)元件尺寸(并聯(lián)長(zhǎng)度)超過Imm時(shí)，電流可超過1 μ A。當(dāng)以串聯(lián)型式連接時(shí)，第一導(dǎo)電層以及一第二導(dǎo)電層配置于壓電塊的二個(gè)側(cè)表面，當(dāng)元件尺寸(串聯(lián)長(zhǎng)度)超過2. 5mm 時(shí)，電壓可超過IV。由于納米碳管本身具有導(dǎo)電性質(zhì)，本發(fā)明的壓電元件即使不具有第一導(dǎo)電層以及第二導(dǎo)電層亦可正常作用。例如，只要將導(dǎo)線與壓電塊的納米碳管連接，即可將電流輸出。 而本發(fā)明中，第一導(dǎo)電層以及第二導(dǎo)電層可用以幫助電流收集。本發(fā)明的壓電元件中，支撐材料填充于多個(gè)納米碳管之間以支撐納米碳管，支撐材料較佳可為一高分子材料，更佳可選自由聚對(duì)二甲基苯(parylene)、聚氨基甲酸酯 (polyurethane)、聚乙烯(polyethylene)、聚氯乙烯(Polyvinylchloride)、聚二甲基硅氧燒(polydimethylsiloxane)、均苯四甲酸二酐(pyromellitic dianhydride)、聚亞酰胺 (polyimide)、胃2^希酉享(Polyvinyl Alcohol)(Polytetrafluoroethene, Teflon) 及其混合所組成的群組。支撐材料是用以連結(jié)此些納米碳管，使納米碳管彼此間黏著并形成一軟性可撓曲薄膜以增加元件的壽命。本發(fā)明的壓電元件中，多個(gè)納米碳管表面的壓電陶瓷層的厚度較佳可為0.5A至 2000人之間。本發(fā)明的壓電元件中，多個(gè)納米碳管表面的壓電陶瓷層的材料較佳可為鈦酸鋇(BaTiO3, BT)、鈦酸鉛鋯(Pb (Zr0.53Ti0.47) O3, PZT)、單晶類的石英(Quartz)、電氣石 (tourmaline)、羅德鹽(rochelle salts)、鉭酸鹽(tantalate)、鈮酸鹽(niobate)、氮化招 (AlN)、氮化鎵(GaN)，更佳可為氧化鋅(SiO)或氮化鋁(AlN)。本發(fā)明還提供一種壓電元件的制備方法，包括步驟(a)提供一基板；(b)形成多個(gè)納米碳管于基板的表面；(c)形成至少一壓電陶瓷層于多個(gè)納米碳管的表面，并使壓電陶瓷層之間互相電性耦接；(d)填充一填充材料于表面覆有壓電陶瓷層的多個(gè)納米碳管之間；以及(e)移除基板，其中，多個(gè)納米碳管、至少一壓電陶瓷層、以及支撐材料形成一壓電塊。經(jīng)由本發(fā)明的制備方法所制得的壓電元件，可同時(shí)具有優(yōu)秀的彈性(耐用性)以及優(yōu)秀的壓電特性的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明利用了納米碳管的彈性(納米碳管本身并不具有壓電特性，但其相較于壓電陶瓷納米線具有極佳的彈性)，并于納米碳管表面形成壓電陶瓷層， 因此所得到的具有納米碳管/壓電陶瓷結(jié)構(gòu)的材料同時(shí)具有優(yōu)秀的彈性以及壓電特性。并且，本發(fā)明所制得的單一壓電元件所測(cè)得的電流可達(dá)到約1. 5微安培(μ A)以上，是現(xiàn)有壓電元件的電流約IO6倍。此外，由于本發(fā)明的壓電元件所輸出的電壓及電流取決于元件的體積，因此經(jīng)由元件間的串并聯(lián)，可無限提升整體壓電輸出的電壓(IV以上)與電流(ImA以上)。本發(fā)明的壓電元件的制備方法，步驟(d)之后較佳可還包括一步驟(dl)電漿蝕刻(plasma etching)該填充材料，使顯露表面覆有壓電陶瓷層的多個(gè)納米碳管。本發(fā)明的壓電元件的制備方法，其中，步驟(C)中，壓電陶瓷層較佳可經(jīng)由使用原子層沉積法(atomic layer deposition)而形成于多個(gè)納米碳管的表面。本發(fā)明的壓電元件的制備方法，其中，步驟(d)之后較佳可更包括一步驟(業(yè))形成一第一導(dǎo)電層于該填充材料及該多個(gè)納米碳管上，且步驟(e)之后較佳可還包括一步驟 (f)形成一第二導(dǎo)電層于壓電塊上，并使第一導(dǎo)電層以及第二導(dǎo)電層配置于壓電塊的相對(duì)二表面。本發(fā)明的壓電元件制備方法的步驟(C)中，該壓電陶瓷層經(jīng)由使用原子層沉積法 (atomic layer deposition)而形成于該多個(gè)納米碳管的表面。本發(fā)明的壓電元件制備方法的步驟(C)后較佳可還包括一步驟(cO)重復(fù)步驟 (c) 1至2000次，使形成于納米碳管表面的壓電陶瓷層的總厚度可達(dá)到預(yù)定值。而步驟(cO) 中，形成于納米碳管表面的該壓電陶瓷層的總厚度較佳為0.5A至2000A之間，使所制得的壓電元件可具有足夠的壓電特性。本發(fā)明的壓電元件的制備方法，步驟(C)中，壓電陶瓷層的材料較佳可為鈦酸鋇(BaTiO3, BT)、鈦酸鉛鋯(Pb(ZrQ.53TiQ.47) 03，PZT)、單晶類的石英(Quartz)、電氣石 (tourmaline)、羅德鹽(rochelle salts)、鉭酸鹽(tantalate)、鈮酸鹽(niobate)、氮化招 (AlN)、氮化鎵(feiN)，更佳可為氧化鋅或氮化鋁。本發(fā)明又提供一種壓電元件，其包括一基板；一第一導(dǎo)電層；多個(gè)納米碳管，其設(shè)于基板上，多個(gè)納米碳管配置于基板與第一導(dǎo)電層之間，且多個(gè)納米碳管之間排列呈現(xiàn)一梳狀；以及至少一壓電陶瓷層，位于基板與第一導(dǎo)電層之間并覆于多個(gè)納米碳管的表面， 且多個(gè)納米碳管是經(jīng)由壓電陶瓷層而互相電性耦接。本發(fā)明利用了納米碳管的彈性(納米碳管本身并不具有壓電特性，但其相較于氧化鋅納米線具有極佳的彈性)，并于納米碳管表面形成氧化鋅層，因此所得到的具有納米碳管/氧化鋅結(jié)構(gòu)的材料可同時(shí)具有優(yōu)秀的彈性及優(yōu)秀的壓電特性的優(yōu)點(diǎn)。并且，本發(fā)明的單一壓電元件所得到的電流可達(dá)到約1. 5微安培(μ A)以上，是現(xiàn)有壓電元件的電流約IO6 倍(現(xiàn)有壓電元件的電流大約僅為10_12_10_9安培左右)，而此為現(xiàn)有技術(shù)所無法達(dá)成。此外，由于本發(fā)明的壓電元件所輸出的電壓及電流是取決于元件的體積，因此經(jīng)由元件間的串并聯(lián)，可無限提升整體壓電輸出的電壓(高于IV)與電流(高于1mA)。本發(fā)明的壓電元件中，當(dāng)未施與機(jī)械性壓力于該第一導(dǎo)電層時(shí)，部分納米碳管的頂端可不與第一導(dǎo)電層接觸；而是當(dāng)施與機(jī)械性壓力于該第一導(dǎo)電層時(shí)，納米碳管的頂端始與第一導(dǎo)電層接觸。此外，本發(fā)明的壓電元件中，當(dāng)未施與機(jī)械性壓力于該第一導(dǎo)電層時(shí)，部分該頂端與該第一導(dǎo)電層亦可為已電性耦接。不論是何種情況，當(dāng)施與一機(jī)械性壓力于該第一導(dǎo)電層而使該表面覆有氧化鋅層的多個(gè)納米碳管產(chǎn)生形變時(shí)，產(chǎn)生有如電壓差、 或電流等電特性(electrical characteristic)，而具有壓電特性。本發(fā)明的壓電元件中，較佳可還包括一第二導(dǎo)電層，配置于基板上，且多個(gè)納米碳管設(shè)于第二導(dǎo)電層上，并使第二導(dǎo)電層配置于基板與多個(gè)納米碳管之間。第二導(dǎo)電層可用以幫助電流的收集。
本發(fā)明的壓電元件中，該第一導(dǎo)電層以及該第二導(dǎo)電層之間較佳亦可更包括有一填充材料，填充于該表面覆有氧化鋅層的多個(gè)納米碳管之間。該填充材料可用以支撐該些納米碳管，使納米碳管不易斷裂，更增加壓電元件整體的使用壽命。填充材料可為一般的高分子，例如較佳可選自由聚對(duì)二甲基苯(parylene)、聚氨基甲酸酯 (polyurethane)、聚乙烯(polyethylene)、聚氯乙烯(Polyvinylchloride)、聚二甲基硅氧燒(polydimethylsiloxane)、均苯四甲酸二酐(pyromellitic dianhydride)、聚亞酰胺 (polyimide)、胃2^希酉享(Polyvinyl Alcohol)(Polytetrafluoroethene, Teflon) 及其混合所組成的群組。該填充材料可用以連結(jié)該些納米碳管，使納米碳管彼此間黏著并形成一軟性可撓曲薄膜以增加元件的壽命。本發(fā)明的壓電元件中，該第一導(dǎo)電層以及該第二導(dǎo)電層作為壓電元件的二個(gè)電極，且較佳為各自獨(dú)立地為一金屬層，例如金層、銀層、銅層、鉬層、鈦層、鈀層、或上述金屬的合金層ο本發(fā)明的壓電元件中，該壓電陶瓷層較佳可經(jīng)由使用原子層沉積法(atomic layer deposition)而形成于該多個(gè)納米碳管的表面。原子層沉積法可達(dá)到于高深寬比的納米碳管表面均勻地覆上氧化鋅層的效果。若使用其它方法于納米碳管表面形成氧化鋅層，例如浸涂法(dip-coating)、溶膠凝膠法(Sol-gel)或其它濕化學(xué)(wet chemical)方法，則壓電陶瓷層的均勻性將無法提高，而影響到壓電元件的壓電特性。本發(fā)明的壓電元件中，該些多個(gè)納米碳管表面的氧化鋅層的厚度較佳可介于 0.5A至2000A之間。壓電陶瓷層的厚度是與壓電元件的壓電效率相關(guān)，因此需作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以得到較佳的壓電特性。本發(fā)明的壓電元件中，該壓電陶瓷層的材料無特殊限制，只要是具壓電特性的材料皆可使用，如鈦酸鋇(BaTiO3, BT)、鈦酸鉛鋯(Pb(Zra53Tia47)O3, PZT)、單晶類的石英 (Quartz)、電氣石(tourmaline)、羅德鹽(rochelle salts)、鉭酸鹽(tantalate)、鈮酸鹽 (nicAate)、氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)，較佳可為氧化鋅(SiO)或氮化鋁(AlN)。另外，本發(fā)明亦提供一種壓電元件的制備方法，包括步驟(a)提供一基板；(b)形成多個(gè)納米碳管于該基板的表面；(c)形成至少一壓電陶瓷層于該多個(gè)納米碳管的表面， 并使該壓電陶瓷層之間互相電性耦接；以及(d)形成一第一導(dǎo)電層于該表面覆有壓電陶瓷層的多個(gè)納米碳管上。經(jīng)由本發(fā)明的制備方法所制得的壓電元件，可同時(shí)具有優(yōu)秀的彈性以及優(yōu)秀的壓電特性的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明利用了納米碳管的彈性(納米碳管本身并不具有壓電特性，但其相較于壓電陶瓷納米線具有極佳的彈性)，并于納米碳管表面形成壓電陶瓷層，因此所得到的具有納米碳管/壓電陶瓷結(jié)構(gòu)的材料是同時(shí)具有優(yōu)秀的彈性以及壓電特性。并且，本發(fā)明所制得的壓電元件所測(cè)得的單一元件的電流可達(dá)到約1.5微安培(μΑ)以上，是現(xiàn)有壓電元件的電流約IO6倍，而此為現(xiàn)有技術(shù)所無法達(dá)成。此外，由于本發(fā)明的壓電元件所輸出的電壓及電流是取決于元件的體積，因此經(jīng)由元件間的串并聯(lián)，可無限提升整體壓電輸出的電壓(IV以上)與電流(ImA以上)。本發(fā)明的壓電元件的制備方法中，步驟(a)與步驟(b)之間較佳可還包括一步驟 (al)形成一第二導(dǎo)電層于該基板的表面，使該多個(gè)納米碳管位于該第一導(dǎo)電層與該第二導(dǎo)電層之間，且該多個(gè)納米碳管的一端是與該第二導(dǎo)電層連接。
本發(fā)明的壓電元件的制備方法中，步驟(C)之后及步驟(d)的前較佳可更包括一步驟(Cl)填充一填充材料于該表面覆有壓電陶瓷層的多個(gè)納米碳管之間。該填充材料可用以連結(jié)該些納米碳管，使納米碳管間黏著并形成一軟性可撓曲薄膜，更增加壓電元件整體的使用壽命。填充材料可為一般的高分子，較佳可選自由聚對(duì)二甲基苯(parylene)、聚氨基甲酸酯(polyurethane)、聚乙烯(polyethylene)、聚氯乙烯(Polyvinylchloride)、聚二甲基硅氧燒(polydimethylsiloxane)、均苯四甲酸二酐(pyromelliticdianhydride)、聚 MIitI^ (polyimide)、胃2^希酉享(Polyvinyl Alcohol)(Polytetrafluoroethene, Teflon)、及其混合所組成的群組，但不限于此。步驟(cl)中，填充材料較佳是使用熱蒸度法或真空滲透法而填充于多個(gè)納米碳管之間。并且，步驟(cl)之后較佳可還包括一步驟 (c2)電漿蝕刻(plasma etching)該填充材料，使顯露該表面覆有壓電陶瓷層的多個(gè)納米碳管。本發(fā)明的壓電元件的制備方法中，步驟(C)中，該壓電陶瓷層較佳可經(jīng)由使用原子層沉積法(atomic layer deposition)而形成于該多個(gè)納米碳管的表面。原子層沉積法可達(dá)到于高深寬比的納米碳管表面均勻地覆上壓電陶瓷層的效果。若使用其它方法于納米碳管表面形成壓電陶瓷層，例如浸涂法(dip-coating)、溶膠凝膠法(Sol-gel)或其它濕化學(xué)(wet chemical)方法，則壓電陶瓷層的均勻性將無法提高，而影響到壓電元件的壓電特性。本發(fā)明的壓電元件的制備方法中，步驟(C)中，形成于該納米碳管表面的該單一壓電陶瓷層的厚度較佳可為0.3A至1.5A之間，此厚度為經(jīng)由原子層沉積法一次循環(huán)后的
氧化鋅層單一層的厚度。本發(fā)明的壓電元件的制備方法中，步驟(C)后較佳可還包括一步驟(cO):重復(fù)步驟(C)I至2000次，使形成于納米碳管表面的壓電陶瓷層的總厚度可達(dá)到預(yù)定值。而步驟 (cO)中，形成于納米碳管表面的該壓電陶瓷層的總厚度較佳為0.5A至2000A之間，使所制得的壓電元件可具有足夠的壓電特性。本發(fā)明的壓電元件的制備方法中，步驟(a)中的該基板較佳可為硅基基板、或玻璃基板，但不限于此。本發(fā)明的壓電元件的制備方法中，第一導(dǎo)電層以及該第二導(dǎo)電層分別作為壓電元件的上電極以及下電極，且較佳可各自獨(dú)立地為金屬層，且該金屬層較佳可為金、銀、銅、 鉬、鈦、鈀、或其合金，但不限于此。本發(fā)明的壓電元件的制備方法中，該壓電陶瓷層的材料無特殊限制，只要是具壓電特性的材料皆可使用，如鈦酸鋇(BaTiO3, BT)、鈦酸鉛鋯(Pb(Zra53Tia47)O3, PZT)、單晶類的石英(Quartz)、電氣石(tourmaline)、羅德鹽(rochelle salts)、鉭酸鹽(tantalate)、 鈮酸鹽(niobate)、氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)，較佳可為氧化鋅(SiO)或氮化鋁(AlN)。
圖1是現(xiàn)有的壓電元件示意圖。 圖2A-圖2H是本發(fā)明實(shí)施例1的壓電元件制備流程示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的壓電元件的電流測(cè)量圖。圖4A-圖4F是本發(fā)明實(shí)施例2的壓電元件制備流程示意圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例3的壓電元件制備流程示意圖。圖6A-圖6D是本發(fā)明實(shí)施例4的壓電元件制備流程示意圖。圖7A-圖7D是本發(fā)明實(shí)施例5的壓電元件制備流程示意圖。圖7E-圖7F是本發(fā)明實(shí)施例5中，當(dāng)施與機(jī)械性壓力于壓電元件時(shí)，納米碳管產(chǎn)生形變的示意圖。主要元件符號(hào)說明11第一導(dǎo)電層12第二導(dǎo)電層13氧化鋅納米線2壓電元件20 基板21第一導(dǎo)電層22第二導(dǎo)電層
具體實(shí)施例方式[實(shí)施例1]請(qǐng)參閱圖2A-圖2H，其是本實(shí)施例的壓電元件制備流程示意圖。首先，(a)提供一基板20 (如圖2A所示)；接著(b)形成多個(gè)納米碳管23于基板20的表面(如圖2B所示)。本實(shí)施例中，所使用的基板20為硅基基板。并接著，(c)形成氧化鋅層M (S卩，壓電陶瓷層)于多個(gè)納米碳管23的表面(如圖 2C所示)。在此，是使用原子層沉積法(atomic layer deposition)而將氧化鋅層M形成于多個(gè)納米碳管23的表面。并且，(cO)重復(fù)步驟(c)中的形成氧化鋅層M于多個(gè)納米碳管23的表面的步驟800次(圖未示)，使氧化鋅層M的總厚度達(dá)到預(yù)定值(約640A )。接著，(d)使用熱蒸度法，填充一支撐材料25于表面覆有氧化鋅層M的多個(gè)納米碳管23之間(如圖2D所示)。在此，該支撐材料25為聚對(duì)二甲基苯。并接著，(dl)電漿蝕刻(plasma etching)該支撐材料25，使此些表面覆有氧化鋅層M的多個(gè)納米碳管23顯露出來(如圖2E所示)。然后，(d2)形成一第一導(dǎo)電層21于此些表面覆有氧化鋅層M的多個(gè)納米碳管23 以及支撐材料25上，使第一導(dǎo)電層21與覆蓋于納米碳管23上的氧化鋅層M電性耦接(如圖2F所示)。本實(shí)施例中，第一導(dǎo)電層21的材料為金。接著，(e)移除基板20(如圖2G所示)，而最后(f)形成一第二導(dǎo)電層22于該表面覆有氧化鋅層M的多個(gè)納米碳管23上，使表面覆有氧化鋅層M的多個(gè)納米碳管23配置于該第一導(dǎo)電層21與該第二導(dǎo)電層22之間，如此則得到本實(shí)施例的壓電元件2 (如圖2H 所示)。于此，第二導(dǎo)電層22所使用的材料為金。本實(shí)施例中，壓電陶瓷層所使用的材料為氧化鋅，但本發(fā)明中壓電陶瓷層的材料并不僅限于此，亦可為氮化鋁(A1N)、氮化鎵(GaN)、鈦酸鋇(BaTiO3, BT)、鈦酸鉛鋯 (Pb (Zrci53Titl47) 03，PZT)、石英(Quartz)、電氣石(tourmaline)、羅德鹽(rochelle salts)、 鉭酸鹽(tantalate)、或鈮酸鹽(niobate)等具有壓電特性的材料。如圖2H所示，本實(shí)施例的壓電元件2包括有多個(gè)納米碳管23、氧化鋅層24(壓
23內(nèi)米碳管 231第一端 232第二端 24氧化鋅層 25填充材料 3壓電塊 Li，L2長(zhǎng)度電陶瓷層)、支撐材料25、第一導(dǎo)電層21、以及第二導(dǎo)電層22。氧化鋅層M是覆于多個(gè)納米碳管23的表面，支撐材料25配置于表面覆有氧化鋅層M的多個(gè)納米碳管23之間，使支撐該些納米碳管23。其中，表面覆有氧化鋅層M的多個(gè)納米碳管23之間是排列呈現(xiàn)一梳狀，配置于多個(gè)納米碳管23表面的氧化鋅層M為互相電性耦接，且多個(gè)納米碳管23、氧化鋅層24、以及支撐材料25形成一壓電塊3。第一導(dǎo)電層21以及第二導(dǎo)電層22分別配置于壓電塊3的相對(duì)二表面，且第一導(dǎo)電層21以及第二導(dǎo)電層23分別與壓電塊3中的氧化鋅層M電性耦接。經(jīng)由本發(fā)明的制備方法所制得的壓電元件，可同時(shí)具有優(yōu)秀的彈性以及優(yōu)秀的壓電特性的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明利用了納米碳管的彈性(納米碳管本身并不具有壓電特性，但其相較于氧化鋅納米線具有極佳的彈性)，并于納米碳管表面形成氧化鋅層，因此所得到的具有納米碳管/氧化鋅結(jié)構(gòu)的材料同時(shí)具有優(yōu)秀的彈性以及壓電特性。并且，原子層沉積法的應(yīng)用，還提高了氧化鋅層覆蓋于多個(gè)納米碳管表面的均勻性。如圖2H所示，本實(shí)施例的壓電元件2中，第一導(dǎo)電層21以及第二導(dǎo)電層22與壓電塊3之間為并聯(lián)式接法(即，第一導(dǎo)電層21以及第二導(dǎo)電層22的表面是與壓電塊3中的納米碳管23大致排列方向垂直)。而當(dāng)并聯(lián)長(zhǎng)度Ll超過Imm時(shí)，本實(shí)施例的壓電元件2 所測(cè)得的電流可達(dá)到1 μ A以上。此外，經(jīng)由實(shí)驗(yàn)測(cè)試電流結(jié)果可知，本發(fā)明所制得的壓電元件所得到的單一元件的電流可達(dá)到約1.5微安培(μΑ)以上(如圖3所示)，是現(xiàn)有壓電元件的電流約IO6倍， 而此為現(xiàn)有技術(shù)所無法達(dá)成。此外，若經(jīng)由元件間的串并聯(lián)，可更提升整體壓電輸出的電壓 (高于IV)與電流(高于ImA)。該支撐材料可用以連結(jié)該些納米碳管，使納米碳管間黏著并形成一軟性可撓曲薄膜更增加元件的壽命。因此，可證實(shí)本發(fā)明的壓電元件具有非常優(yōu)秀的壓電特性以及耐用性。[實(shí)施例2]請(qǐng)參閱圖4Α-圖4F，其是本實(shí)施例的壓電元件制備流程圖。首先，(a)提供一基板 20(如圖4A所示)；接著(b)形成多個(gè)納米碳管23于基板20的表面(如圖4B所示)。本實(shí)施例中，所使用的基板20為硅基基板。并接著，(c)形成氧化鋅層M于多個(gè)納米碳管23的表面(如圖4C所示)。在此， 是使用原子層沉積法將氧化鋅層M形成于多個(gè)納米碳管23的表面。并且，(c0)重復(fù)步驟 (c)中的形成氧化鋅層M于多個(gè)納米碳管23的表面的步驟800次(圖未示)，使氧化鋅層 24的總厚度達(dá)到預(yù)定值(約640A )。接著，(d)使用真空滲透法，填充一支撐材料25于表面覆有氧化鋅層M的多個(gè)納米碳管23之間(如圖4D所示)。在此，該支撐材料25為聚對(duì)二甲基苯。并接著，(dl)電漿蝕刻支撐材料25，使此些表面覆有氧化鋅層M的多個(gè)納米碳管23顯露出來(如圖4E所示)°最后，(e)移除基板20 (如圖4F所示)，而得到本實(shí)施例的壓電元件2。其中，多個(gè)納米碳管23、氧化鋅層24、以及支撐材料25形成一壓電塊3。如圖4F所示，本實(shí)施例的壓電元件2包括有多個(gè)納米碳管23、氧化鋅層24(壓電陶瓷層)、以及支撐材料25，氧化鋅層M覆于多個(gè)納米碳管23的表面，支撐材料25配置于表面覆有氧化鋅層M的多個(gè)納米碳管23之間，使支撐該些納米碳管23。其中，表面覆有氧化鋅層M的多個(gè)納米碳管23之間是排列呈現(xiàn)一梳狀，配置于多個(gè)納米碳管23表面的氧化鋅層M為互相電性耦接，且多個(gè)納米碳管23、氧化鋅層24、以及支撐材料25形成一壓電塊3。[實(shí)施例3]以相同于實(shí)施例2中所述的方法制備一壓電塊3 (如實(shí)施例3的步驟(a)至步驟 (e))，如圖4A至圖4F所示。接著，如圖5所示，進(jìn)行步驟(fl)分別形成第一導(dǎo)電層21以及第二導(dǎo)電層22于壓電塊3的二個(gè)側(cè)表面33，34，并使第一導(dǎo)電層21以及第二導(dǎo)電層22 分別與壓電塊3中的氧化鋅層M電性耦接。如圖5所示，本實(shí)施例的壓電元件2中，第一導(dǎo)電層21以及第二導(dǎo)電層22與壓電塊3之間為串聯(lián)式接法(即，第一導(dǎo)電層21以及第二導(dǎo)電層22的表面是與壓電塊3中的納米碳管23大致排列方向平行)。而當(dāng)串聯(lián)長(zhǎng)度L2超過2. 5mm時(shí)，本實(shí)施例的壓電元件2 所測(cè)得的電壓可達(dá)到IV以上。[實(shí)施例4]請(qǐng)參閱圖6A-圖6D，其是本實(shí)施例的壓電元件制備流程示意圖。首先，(a)提供一基板20 (如圖6A所示)；接著(b)形成多個(gè)納米碳管23于基板20的表面(如圖6B所示)。本實(shí)施例中，所使用的基板20為硅基基板。并接著，如圖6C所示，(c)形成氧化鋅層M于多個(gè)納米碳管23的表面。其中，氧化鋅層M之間是互相電性耦接。在此，是使用原子層沉積法(atomic layer deposition) 而將氧化鋅層M形成于多個(gè)納米碳管23的表面。并且，(cO)重復(fù)步驟(c)中的形成氧化鋅層M于多個(gè)納米碳管23的表面的步驟800次，使氧化鋅層M的總厚度達(dá)到預(yù)定值(約 640A) °接著，如圖6D所示，(d)形成一第一導(dǎo)電層21于表面覆有氧化鋅層M的多個(gè)納米碳管23上。如圖6D所示，本實(shí)施例的壓電元件2包括有基板20、第一導(dǎo)電層21、多個(gè)納米碳管23、以及氧化鋅層M。多個(gè)納米碳管23是設(shè)于基板20上，多個(gè)納米碳管23是配置于基板20與第一導(dǎo)電層21之間，且多個(gè)納米碳管23之間是排列呈現(xiàn)一梳狀。氧化鋅層M位于基板20與第一導(dǎo)電層21之間并覆于多個(gè)納米碳管23的表面。[實(shí)施例5]請(qǐng)參閱圖7A-圖7E，其是本實(shí)施例的壓電元件制備流程圖。首先，如圖7A-6C所示，(a)提供一基板20，接著(b)形成一第一導(dǎo)電層21于基板20的表面，接著(c)形成多個(gè)納米碳管23于第一導(dǎo)電層21的表面，并接著使用原子層沉積法(d)形成氧化鋅層M于多個(gè)納米碳管23的表面，接著(d0)重復(fù)步驟(d)中的形成氧化鋅層M于多個(gè)納米碳管23 的表面的步驟1000次，使氧化鋅層M的總厚度達(dá)到預(yù)定值(約800人)。本實(shí)施例中，所使用的基板20為石英基板，而第一導(dǎo)電層21使用的材料為鈦金合金。最后，如圖7D所示，形成一具有不平整表面的第二導(dǎo)電層22于該表面覆有氧化鋅層M的多個(gè)納米碳管23上。本實(shí)施例中，第二導(dǎo)電層22使用的材料為鈦金合金。如圖7D所示，本實(shí)施例的壓電元件2包括有基板20、一第一導(dǎo)電層21、一第二導(dǎo)電層22、多個(gè)納米碳管23、以及氧化鋅層24。第二導(dǎo)電層22是設(shè)于基板20上，多個(gè)納米碳管23設(shè)于第二導(dǎo)電層22上，且多個(gè)納米碳管23之間排列呈現(xiàn)一梳狀。氧化鋅層M位于
11基板20與第一導(dǎo)電層21之間并覆于多個(gè)納米碳管23的表面，且多個(gè)納米碳管23是經(jīng)由此氧化鋅層M而互相電性耦接。本實(shí)施例中，當(dāng)未施與機(jī)械性壓力于第一導(dǎo)電層21時(shí)，納米碳管的頂端232不與第一導(dǎo)電層21接觸(如圖7D所示)。但當(dāng)施與機(jī)械性壓力于該第一導(dǎo)電層21時(shí)，納米碳管23的頂端232才與第一導(dǎo)電層21接觸(如圖7E所示)。接著，當(dāng)納米碳管23的頂端 232與第一導(dǎo)電層21接觸后，繼續(xù)施予機(jī)械性壓力于第一導(dǎo)電層21時(shí)，納米碳管23會(huì)產(chǎn)生形變(如圖7F所示)，而使第一導(dǎo)電層21以及第二導(dǎo)電層22間產(chǎn)生電壓差、或電流等，而具有壓電特性。綜上所述，本發(fā)明利用了納米碳管的彈性(納米碳管本身并不具有壓電特性，但其相較于氧化鋅納米線具有極佳的彈性)，并于納米碳管表面形成氧化鋅層，因此所得到的具有納米碳管/壓電陶瓷結(jié)構(gòu)的材料可同時(shí)具有優(yōu)秀的彈性、元件壽命以及壓電特性的優(yōu)點(diǎn)。并且，經(jīng)由實(shí)驗(yàn)測(cè)試電流結(jié)果可知，當(dāng)元件尺寸為2. 5mm(串聯(lián)長(zhǎng)度)xlmm(并聯(lián)長(zhǎng)度)xlmm(元件高度)時(shí)，本發(fā)明的壓電元件所得到的單一元件的電流可達(dá)到約1.5微安培 (μΑ)以上，是現(xiàn)有壓電元件的電流約IO6倍(現(xiàn)有壓電元件的電流大約僅為KT12-IO-9安培左右)，而電壓可達(dá)IV以上，是現(xiàn)有壓電元件的電壓約10至100倍，而此為現(xiàn)有技術(shù)所無法達(dá)成。此外，由于本發(fā)明的壓電元件所輸出的電壓及電流是取決于元件的體積，因此經(jīng)由元件間的串并聯(lián)，可無限提升整體壓電輸出的電壓(高于IV)與電流(高于1mA)。本發(fā)明的壓電元件的應(yīng)用范圍非常廣泛，除了生化醫(yī)療用途、風(fēng)力或潮汐發(fā)電裝置、無線感應(yīng)器、 個(gè)人化電子產(chǎn)品等，亦可應(yīng)用于微米或納米級(jí)的裝置中，如納米機(jī)器人(nanorobots)、納米裝置等，且相較于現(xiàn)有的納米壓電元件，本發(fā)明的壓電元件更具有高信賴性的優(yōu)點(diǎn)。上述實(shí)施例僅是為了方便說明而舉例而已，本發(fā)明所主張的權(quán)利范圍自應(yīng)以申請(qǐng)專利范圍所述為準(zhǔn)，而非僅限于上述實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種壓電元件，其特征在于，包括多個(gè)納米碳管；至少一壓電陶瓷層，覆于該多個(gè)納米碳管的表面；以及一支撐材料，配置于該表面覆有壓電陶瓷層的多個(gè)納米碳管之間，使支撐該表面覆有壓電陶瓷層的多個(gè)納米碳管；其中，該表面覆有壓電陶瓷層的多個(gè)納米碳管之間排列呈現(xiàn)一梳狀，該配置于多個(gè)納米碳管表面的壓電陶瓷層為互相電性耦接，且該多個(gè)納米碳管、該至少一壓電陶瓷層、以及該支撐材料形成一壓電塊。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于，還包括一第一導(dǎo)電層以及一第二導(dǎo)電層，該第一導(dǎo)電層以及該第二導(dǎo)電層分別配置于該壓電塊的相對(duì)二表面，且該第一導(dǎo)電層以及該第二導(dǎo)電層分別與該壓電塊中的該壓電陶瓷層電性耦接。
3.如權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于，該支撐材料為一高分子材料。
4.如權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于，該支撐材料選自由聚對(duì)二甲基苯(parylene)、聚氨基甲酸酯(polyurethane)、聚乙烯(polyethylene)、聚氯乙烯 (Polyvinylchloride)、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane)、均苯四甲酸二酐 (pyromellitic dianhydride)、聚亞酰胺(polyimide)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)、鐵弗龍(Polytetrafluoroethene，iTeflon)、及其混合所組成的群組。
5.如權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于，該多個(gè)納米碳管表面的該壓電陶瓷層的厚度為0.5A至2000A之間。
6.如權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于，該多個(gè)納米碳管表面的該壓電陶瓷層的材料為氧化鋅或氮化鋁。
7.一種壓電元件的制備方法，其特征在于，包括步驟(a)提供一基板；(b)形成多個(gè)納米碳管于該基板的表面；(c)形成至少一壓電陶瓷層于該多個(gè)納米碳管的表面，并使該壓電陶瓷層之間互相電性耦接；(d)填充一填充材料于該表面覆有壓電陶瓷層的多個(gè)納米碳管之間；以及(e)移除該基板，其中，該多個(gè)納米碳管、該至少一壓電陶瓷層、以及該支撐材料形成一壓電塊。
8.如權(quán)利要求7所述的壓電元件的制備方法，其特征在于，該步驟(d)之后還包括一步驟(dl)電漿蝕刻(plasma etching)該填充材料，使顯露該表面覆有壓電陶瓷層的多個(gè)納米碳管。
9.如權(quán)利要求7所述的壓電元件的制備方法，其特征在于，該步驟(d)之后還包括一步驟(業(yè))形成一第一導(dǎo)電層于該填充材料及該多個(gè)納米碳管上，且該步驟(e)之后還包括一步驟(f)形成一第二導(dǎo)電層于該壓電塊上，并使該第一導(dǎo)電層以及該第二導(dǎo)電層配置于該壓電塊的相對(duì)二表面。
10.如權(quán)利要求7所述的壓電元件的制備方法，其特征在于，該步驟(c)中，該壓電陶瓷層經(jīng)由使用原子層沉積法(atomic layer deposition)而形成于該多個(gè)納米碳管的表面。
11.如權(quán)利要求7所述的壓電元件的制備方法，其特征在于，該步驟(c)后還包括一步驟(c0)重復(fù)該步驟(c) 1至2000次。
12.如權(quán)利要求11所述的壓電元件的制備方法，其特征在于，該步驟(cO)中，該納米碳管表面的該壓電陶瓷層的總厚度為0.5A至2000A之間。
13.如權(quán)利要求7所述的壓電元件的制備方法，其特征在于，該步驟(c)中，該壓電陶瓷層的材料為氧化鋅或氮化鋁。
14.一種壓電元件，其特征在于，包括一基板；一第一導(dǎo)電層；多個(gè)納米碳管，其設(shè)于該基板上，該多個(gè)納米碳管配置于該基板與該第一導(dǎo)電層之間， 且該多個(gè)納米碳管之間排列呈現(xiàn)一梳狀；以及至少一壓電陶瓷層，位于該基板與該第一導(dǎo)電層之間并覆于該多個(gè)納米碳管的表面， 且該多個(gè)納米碳管經(jīng)由該壓電陶瓷層而互相電性耦接。
15.如權(quán)利要求14所述的壓電元件，其特征在于，還包括一第二導(dǎo)電層，配置于該基板上，且該多個(gè)納米碳管設(shè)于該第二導(dǎo)電層上。
16.如權(quán)利要求14所述的壓電元件，其特征在于，該多個(gè)納米碳管表面的該壓電陶瓷層的厚度為0.5A至2000A.之間。
17.如權(quán)利要求14所述的壓電元件，其特征在于，該多個(gè)納米碳管表面的該壓電陶瓷層的材料為氧化鋅或氮化鋁。
18.—種壓電元件的制備方法，其特征在于，包括步驟(a)提供一基板；(b)形成多個(gè)納米碳管于該基板的表面；(c)形成至少一壓電陶瓷層于該多個(gè)納米碳管的表面，并使該壓電陶瓷層之間互相電性耦接；以及(d)形成一第一導(dǎo)電層于該表面覆有壓電陶瓷層的多個(gè)納米碳管上。
19.如權(quán)利要求18所述的壓電元件的制備方法，其特征在于，該步驟(a)與步驟(b)之間還包括一步驟(al)形成一第二導(dǎo)電層于該基板的表面，使該多個(gè)納米碳管位于該第一導(dǎo)電層與該第二導(dǎo)電層之間，且該多個(gè)納米碳管的一端與該第二導(dǎo)電層連接。
20.如權(quán)利要求18所述的壓電元件的制備方法，其特征在于，該步驟(c)中，該壓電陶瓷層經(jīng)由使用原子層沉積法(atomic layer deposition)而形成于該多個(gè)納米碳管的表
21.如權(quán)利要求18所述的壓電元件的制備方法，其特征在于，該步驟(c)中，該納米碳管表面的該壓電陶瓷層的厚度為0.3人至1.5A之間。
22.如權(quán)利要求18所述的壓電元件的制備方法，其特征在于，該步驟(c)后還包括一步驟(cO)重復(fù)該步驟(c) 1至2000次。
23.如權(quán)利要求22所述的壓電元件的制備方法，其特征在于，該步驟(cO)中，該納米碳管表面的該壓電陶瓷層的總厚度為0.5A至2000A之間。
24.如權(quán)利要求18所述的壓電元件的制備方法，其特征在于，該壓電陶瓷層的材料為氧化鋅或氮化鋁。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種壓電元件及其制備方法，本發(fā)明的壓電元件包括多個(gè)納米碳管；壓電陶瓷層，覆于納米碳管的表面；以及支撐材料，配置于表面覆有壓電陶瓷層的多個(gè)納米碳管之間，使支撐納米碳管；其中，多個(gè)納米碳管之間排列呈現(xiàn)一梳狀，配置于多個(gè)納米碳管表面的壓電陶瓷層互相電性耦接，且多個(gè)納米碳管、至少一壓電陶瓷層、以及支撐材料形成一壓電塊。本發(fā)明的壓電元件可同時(shí)具有優(yōu)秀的彈性(耐用性)以及優(yōu)秀的壓電特性，且當(dāng)本發(fā)明的壓電元件尺寸為2.5mm×1mm×1mm(長(zhǎng)×寬×高)時(shí)，所測(cè)得的電流可達(dá)到約1.5μA、電壓可達(dá)1V以上。
文檔編號(hào)H01L41/113GK102208525SQ20101015621
公開日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月30日
發(fā)明者呂杰璉, 唐炯文, 徐文光, 林育賢, 賴耀成, 郭信甫 申請(qǐng)人:徐文光