專利名稱：一種能夠發(fā)電的鍵盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能量轉(zhuǎn)換鍵盤，具體涉及一種能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電鍵盤。
背景技術(shù)：
隨著納米技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的納米電子器件，這些納米電子器件在軍事、生物等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。而所有的納米電子器件都需要有一個(gè)微觀尺度的電源來供給能量，只有電源也微型化，才能實(shí)現(xiàn)真正的系統(tǒng)集成。因此，開發(fā)能夠發(fā)電、將環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)換為電能的器件，對于納米電子器件的應(yīng)用有重要的意義。沿C軸方向生長的SiO納米線具有非中心對稱結(jié)構(gòu)，氧原子和鋅原子在各自的晶面形成四面體結(jié)構(gòu)，并沿C軸方向堆積。如果納米線受到外界應(yīng)力作用而產(chǎn)生拉伸、壓縮、彎曲等變形，正負(fù)離子的電荷中心將發(fā)生移動(dòng)，產(chǎn)生宏觀電荷積累，從而產(chǎn)生電壓。氧化鋅材料在所有的四面體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體中，有最大的壓電常數(shù)，可以產(chǎn)生大的機(jī)電耦合。而研究資料表明，低維的氧化鋅納米線較之常規(guī)宏觀材料有更大的壓電效應(yīng)。同時(shí)，制備態(tài)的氧化鋅納米線是η型半導(dǎo)體，具有導(dǎo)電性。如果將有正負(fù)電荷積累的納米線兩端通過電級連成一個(gè)回路，那么回路中就可以有電流流動(dòng)，收獲電能。氧化鋅納米線的壓電效應(yīng)及半導(dǎo)體性質(zhì)使之在發(fā)電方面的應(yīng)用成為可能。根據(jù)上面的分析，ZnO納米線的變形能夠產(chǎn)生電壓(壓電效應(yīng))，變形的過程產(chǎn)生正負(fù)電荷；將正負(fù)電荷連成一個(gè)回路可以產(chǎn)生電能(半導(dǎo)體性質(zhì))。ZnO納米線的一次變形可以產(chǎn)生一個(gè)瞬間的電信號，如果要能夠達(dá)到發(fā)電的目的，必須能夠產(chǎn)生持續(xù)而恒定的電流。如果成千上萬的納米線不停的發(fā)生形變，然后還原，那么必將不斷處于充電/放電的循環(huán)過程中，得到恒定的直流電信號，滿足對外電能供給的需求?，F(xiàn)代社會，隨著電腦、手機(jī)及其他手持電子設(shè)備的普及，成千上萬的人每天都在敲擊或按壓鍵盤。如果能利用人們敲擊鍵盤時(shí)的能量，使其轉(zhuǎn)換為電能，就能收集和節(jié)約很大一部分無形損失的機(jī)械能，從而有效的利用能源。而有科學(xué)家提出的鍵盤發(fā)電設(shè)想，利用的是鈦鉻酸鹽類具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的壓電薄膜。與此相比，氧化鋅同時(shí)具有壓電效應(yīng)和半導(dǎo)體效應(yīng)，能夠在按壓或敲擊同時(shí)產(chǎn)生電流并通過器件與外電路形成的回路而將電流輸出， 另一方面，由于ZnO納米線的小尺寸，更容易發(fā)生變形，因此，在本專利中我們提出將氧化鋅納米線生長到鍵盤上，利用ZnO納米線在敲擊或按壓時(shí)的變形產(chǎn)生電能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于充分搜集人體或環(huán)境中的能源如機(jī)械能，利用氧化鋅納米線的壓電效應(yīng)，將日常生活中消耗掉的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，從而為電器設(shè)備如電腦的提供電能， 起到節(jié)能環(huán)保的作用。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種能夠?qū)ν獍l(fā)電鍵盤，利用人在上網(wǎng)、打字時(shí)對鍵帽的按壓，使氧化鋅納米線產(chǎn)生變形，從而產(chǎn)生壓電效應(yīng)，進(jìn)而利用氧化鋅納米線的壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能，發(fā)電，實(shí)現(xiàn)將人體平時(shí)的浪費(fèi)掉的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。
本發(fā)明的技術(shù)方案
一種能夠發(fā)電鍵盤，包括鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽，還包括設(shè)在鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽表面的壓電層及每相鄰兩個(gè)彈性鍵帽表面的壓電層之間連接的導(dǎo)線；
所述的設(shè)在鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽表面的壓電層包含氧化鋅納米線，以及上、下金屬電
極；
其中氧化鋅納米線置于上、下金屬電極之間，上金屬電極與氧化鋅納米線末端相連；下金屬電極與氧化鋅納米線的另外一端相連；
下金屬電極與鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽的上表面接觸； 所述的氧化鋅納米線為垂直于襯底排列的氧化鋅納米線陣列； 所述的上、下金屬電極為Au、Pt或ITO ；
每相鄰兩個(gè)彈性鍵帽表面的壓電層之間連接的導(dǎo)線為Au金屬導(dǎo)線，該Au金屬導(dǎo)線在左右相鄰的彈性鍵帽的壓電層之間是首尾相連，即該Au金屬導(dǎo)線一端與一個(gè)彈性鍵帽表面的壓電層的上金屬電極相連，Au金屬導(dǎo)線的另一端與相鄰的彈性鍵帽表面的壓電層的下金屬電極相連，即呈“之”字形排布。上述的一種能夠發(fā)電鍵盤，適用于臺式電腦的鍵盤；筆記本電腦的鍵盤或手機(jī)的鍵盤。當(dāng)其中鍵帽表面的氧化鋅納米線通過人的手指等的按壓或其他壓力，產(chǎn)生機(jī)械變形， 從而產(chǎn)生電信號，最終將附著在上面的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。本發(fā)明巧妙的利用了氧化鋅納米線與鍵盤的結(jié)構(gòu)來制備能自供電的鍵盤，借助于外界的按壓等壓力將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，充分利用了人體產(chǎn)生的無形中損耗掉的能量，起到了環(huán)保節(jié)能的作用。所述機(jī)械能是指人體各部分運(yùn)動(dòng)時(shí)或其他物體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能。本發(fā)明有效利用了人體日常生活中的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械能，為電器向節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展提供了很好的思路。手指對鍵盤的按壓，使氧化鋅納米線發(fā)生變形，然后由氧化鋅納米線將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋１景l(fā)明的有益效果
本發(fā)明的一種能夠發(fā)電鍵盤，由于利用了氧化鋅納米線與鍵帽的結(jié)構(gòu)來制備可對外自供電的鍵盤，借助于人體各部分比如手指的運(yùn)動(dòng)使氧化鋅納米線能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。且本發(fā)明的一種能夠發(fā)電鍵盤，是利用氧化鋅納米線的拉伸或者壓縮變形來實(shí)現(xiàn)壓電效應(yīng)，這與以往借助于氧化鋅納米線彎曲變形來實(shí)現(xiàn)壓電效應(yīng)有很大不同，不僅壓電效應(yīng)更大，而且避免了復(fù)雜的電極加工工藝(電極只能接觸氧化鋅側(cè)面)。由于按壓作用能使氧化鋅納米線沿c軸方向發(fā)生變形，可以獲得最大的壓電效應(yīng)，因?yàn)檠趸\在c軸方向有最大的壓電常數(shù)。另外，鍵盤在日常生活中無處不在，每天都有很多人在使用電腦敲擊鍵盤，利用氧化鋅納米線的壓電效應(yīng)，使人們在使用鍵盤的過程中，同時(shí)產(chǎn)生電能，且可自供電，起到了環(huán)保節(jié)能的作用。


圖la、鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽表面的壓電層結(jié)構(gòu)示意圖； 圖lb、每相鄰的兩個(gè)彈性鍵帽的壓電層之間導(dǎo)線連接示意圖；圖2、氧化鋅納米線掃描電鏡照片(側(cè)視圖)； 圖3、改變壓力下鍵帽受到按壓時(shí)所產(chǎn)生的電流輸出信號； 圖4、恒定低頻壓力下按壓鍵帽產(chǎn)生的電流輸出信號。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步闡述，但并不限制本發(fā)明。實(shí)施例1
一種能夠發(fā)電鍵盤，包括鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽，鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽表面的壓電層及每相鄰兩個(gè)彈性鍵帽表面的壓電層之間連接的導(dǎo)線；
所述的鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽表面的壓電層包含氧化鋅納米線、上、下電極其結(jié)構(gòu)示意圖如圖Ia所示，圖中1為鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽、2為下金屬電極、3為上金屬電極、4為氧化鋅納米線；
其中氧化鋅納米線4置于上金屬電極3和下金屬電極2之間，上金屬電極3與氧化鋅納米線4末端相連；下金屬電極2與氧化鋅納米線4的另外一端相連，下金屬電極2與鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽1的上表面接觸；
每相鄰的兩個(gè)彈性鍵帽的壓電層之間通過Au金屬導(dǎo)線連接，其連接示意圖如圖Ib所示。圖中的5為Au金屬導(dǎo)線，即在左右相鄰的彈性鍵帽表面的壓電層之間是首尾相連，即 Au金屬導(dǎo)線的一端與一個(gè)鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽表面的壓電層的上金屬電極相連，Au金屬導(dǎo)線的另一端則與相鄰的鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽表面的壓電層的下金屬電極相連。圖2為本發(fā)明一種能夠發(fā)電鍵盤所用的氧化鋅納米線的側(cè)視圖掃描電鏡照片，從圖2中可以看出成千上萬根aio納米線具有類似的直徑和長度，垂直于鍵帽襯底材料排列。為測試鍵盤上的鍵帽產(chǎn)生的電效應(yīng)，將制備好的鍵帽組裝在鍵盤中，用手敲擊，即可產(chǎn)生電信號。在改變壓力下鍵帽受到按壓時(shí)所產(chǎn)生的電流輸出信號用Keithley 4200半導(dǎo)體參數(shù)分析儀進(jìn)行測量，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出根據(jù)壓力的不同，單次敲擊所產(chǎn)生的電信號不同，按壓力越大，產(chǎn)生的電信號越強(qiáng)。在恒定低頻壓力下按壓鍵帽產(chǎn)生的電流輸出信號用Keithley 4200半導(dǎo)體參數(shù)分析儀進(jìn)行測量，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出在恒定的低頻壓力下，器件能產(chǎn)生幅度大小恒定的電信號，電流信號大小在40 nA左右。綜上所述，將具有壓電效應(yīng)的ZnO納米線生長在鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽表面上，可以實(shí)現(xiàn)鍵盤敲擊時(shí)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。如果用電容器將此電能收集并儲存，將有望能夠?qū)崿F(xiàn)鍵盤的自供電，這為手持式電子設(shè)備的解決了供電的問題，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了能源的節(jié)省。上述通過實(shí)施例雖然對本發(fā)明作了比較詳細(xì)的文字描述，但是這些文字描述，只是對本發(fā)明設(shè)計(jì)思路的簡單文字描述，而不是對本發(fā)明設(shè)計(jì)思路的限制，任何不超出本發(fā)明設(shè)計(jì)思路的組合、增加或修改，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種能夠發(fā)電鍵盤，包括鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽，其特征在于還包括設(shè)在鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽表面的壓電層及每相鄰兩個(gè)彈性鍵帽表面的壓電層之間連接的導(dǎo)線；所述的設(shè)在鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽表面的壓電層包含氧化鋅納米線，以及上、下金屬電極；其中氧化鋅納米線置于上、下金屬電極之間，上金屬電極與氧化鋅納米線末端相連；下金屬電極與氧化鋅納米線的另外一端相連；下金屬電極與鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽的上表面接觸； 所述的氧化鋅納米線為垂直于襯底排列的氧化鋅納米線陣列； 所述的上、下金屬電極為Au、Pt或ITO ；每相鄰兩個(gè)彈性鍵帽表面的壓電層之間連接的導(dǎo)線為Au金屬導(dǎo)線，該Au金屬導(dǎo)線在左右相鄰的彈性鍵帽的壓電層之間是首尾相連，即該Au金屬導(dǎo)線一端與一個(gè)彈性鍵帽表面的壓電層的上金屬電極相連，Au金屬導(dǎo)線的另一端與相鄰的彈性鍵帽表面的壓電層的下金屬電極相連。
2.如權(quán)利要求1所述的一種能夠發(fā)電鍵盤，其特征在于相鄰兩個(gè)彈性鍵帽表面的壓電層之間連接的導(dǎo)線呈“之”字形排布。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠的發(fā)電鍵盤，包括鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽，其特征在于還包括設(shè)在鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽表面的壓電層及每相鄰兩個(gè)彈性鍵帽表面的壓電層之間連接的導(dǎo)線；所述的彈性鍵帽表面的壓電層包含氧化鋅納米線，以及上、下金屬電極，其中氧化鋅納米線置于上、下金屬電極之間，下金屬電極與鍵盤內(nèi)部的彈性鍵帽的上表面接觸。當(dāng)鍵帽表面的氧化鋅納米線通過人的手指等的按壓或其他壓力，產(chǎn)生機(jī)械變形，從而產(chǎn)生電信號，最終將作用在上面的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。本發(fā)明巧妙的利用了氧化鋅納米線與鍵盤的結(jié)構(gòu)來制備能發(fā)電的鍵盤，借助于外界的按壓等壓力，充分利用了人體產(chǎn)生的無形中損耗掉的能量，起到了環(huán)保節(jié)能的作用。
文檔編號G06F3/02GK102445992SQ201210003518
公開日2012年5月9日 申請日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者王現(xiàn)英, 謝澍梵, 鄭學(xué)軍 申請人:上海理工大學(xué)