Name: ייצור של 3D מערכות מיקרואלקטרו-מכניות פחמן (C-MEMS) (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-17T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 1 s
Description: למד את שיטת ייצור המבנים התלת-ממדיים מפחמן C-MEMS באמצעות פירוליזה של פולימר עשיר בפחמן ושערות אנושיות בטמפרטורות גבוהות. שיטה זו מציגה חלופה בת-קיימא לסיליקון במערכות מיקרואלקטרו-מכניות.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

עבודה זו נתמכה על ידי Technologico דה מונטרי ואוניברסיטת קליפורניה ב Irvine.

1. אדם האדם הנגזרות פחמן מבנה פחמן הערה: השתמש בציוד מגן אישי. עקוב אחר הוראות המעבדה כדי להשתמש במכשירים ולעבוד בתוך המעבדה. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן את השיער האנושי שנאסף על ידי שטיפת אותו במים DI וייבוש אותו עם גז N 2 . </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סדר את השיער לפי הצורך, כמו בחוטים מקבילים, חוצה, עם שתי שערות פצועות יחד, וכו &#39;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צרף את השערות על מצע סיליקון באמצעות SU8 או לשמור אותם ישירות בסירה קרמיקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את מצע הסיליקון מצורף השיער או סירה לתוך תנור. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את תנור ופתח את שסתום של גז אינרטי (N 2 ) טנק. הערה: קצב זרימת הגז האופטימלי תלוי בנפח צינור הכבשן. שיעור זרימה של 6 ליטר / דקה הוחל על נפח צינור של 6 ל &#39;. כדי ליצור סביבה אינרטית לחלוטין בצינור התנור, קצב זרימת הגז פי 1.5 גבוה מהגז האופטימאלישיעור נמוך הוחל במשך 15 דקות הראשונות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את הפרמטרים, כולל טמפרטורת פירוליזה מקסימלית, קצב הרמפה טמפרטורה, ואת קצב זרימת גז אינרטי, ולהפעיל את הכבשן. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לדוגמה, להגדיל את הטמפרטורה מ טמפרטורת החדר ל 300 מעלות צלזיוס ב 5 ° C / דקות שיעור הרמפה. שמור את זה ב 300 מעלות צלזיוס למשך 1 שעות לייצוב. עוד להגביר את הטמפרטורה ל 900 מעלות צלזיוס ולשמור אותו במשך 1 שעות יותר עבור פחמן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מגניב את הכבשן עד 300 מעלות צלזיוס בקצב של 10 מעלות צלזיוס / דקות לכבות את תנור הכבשן, כמו קירור מבוקר אין צורך לאחר 300 מעלות צלזיוס. השאירו את דגימות בכבשן עד הטמפרטורה מגיעה טמפרטורת החדר על ידי זרימת N 2 בלבד. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כבה את תנור ואת זרימת הגז עם השלמת תהליך פירוליזה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קח את דגימות מתוך הכבשן. </li></ol> 2. 3D פולימר מבנה ייצור: Photolithography <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Desמתגלגל פריסת 2D של מבנה photoresist 3D הרצוי באמצעות חבילת תוכנה מתאימה ולהכין את המסכה מודפס ( כלומר, מסיכת photopilm פוליאתילן). הערה: נעשה שימוש בשירות מסחרי לצורך הדפסת העיצוב. גודל המסכה בדרך כלל תלוי בעיצוב. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> במתקן מעבדה נקי, להדליק שתי צלחות חמות ולהגדיר את הטמפרטורות ל 65 מעלות צלזיוס ו 95 מעלות צלזיוס, בהתאמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> החלף את ספין coater ואת משאבת ואקום. ודא כי משאבת ואקום מחובר דרך צינור לראש ספינר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את הפרמטרים של הספין הדו-שלבי, כגון מהירות ספינינג, הרמפה ומשך. עבור הצעד הראשון, להגדיר את מהירות ספינינג ל 500 סל&quot;ד, הרמפה ל -100 סל&quot;ד / s, ואת זמן הספין עד 10 s כדי להתחיל את מחזור הספין. עבור השלב הבא, להגדיר את מהירות ספינינג 1000 סל&quot;ד, הרמפה ל -100 סל&quot;ד / s, ואת זמן הספין עד 30 s כדי להפיץ באופן שווה את photoresist. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים מצע ( כלומר, 4 אינץ &#39;x 4 אינץ&#39; ו 5501, מ &#39;± 25 מיקרומטר עבה Si רקיק עם 1 מיקרומטר עבה SiO 2 שכבת) במרכז של המחזיק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפקדת פולימר רגיש (כלומר, photoresist SU8) ישירות על גבי המצע. השתמש מספיק כדי לכסות את פני השטח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על כפתור &quot;ואקום&quot; כדי להחזיק את המצע. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לדחוף את כפתור &quot;לרוץ&quot; כדי מעיל את המצע עם SU8 כדי להשיג עובי סופי של 250 מיקרומטר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר השלמת תהליך ספינינג, לחץ על כפתור &quot;ואקום&quot; שוב כדי לשחרר את המצע מצופה מן המחזיק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> החזק את מצע מצופה בזהירות באמצעות פינצטה כדי לשמור על משטח חלק ונקי. מעבירים את המצע ישירות על צלחת חמה על 65 מעלות צלזיוס למשך 6 דקות ולאחר מכן על צלחת חמה בטמפרטורה 95 מעלות צלזיוס למשך 40 דקות (אופים רכים). הערה: אפייה ב 65 מעלות צלזיוס נדרש כדי להבטיח את אידוי איטי של הממס, וכתוצאה מכך ציפוי טוב יותר הידבקות טובה יותרO המצע, בעוד אפייה ב 95 ° C נוספת densifies את SU8. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בינתיים, לחץ על המתג כדי להדליק את מערכת החשיפה ל - UV ולהגדיר את זמן החשיפה ל &quot;12 שניות&quot; באמצעות לחצן ההגדרות במערכת. הערה: עבור שכבת SU8 עבה 800 מיקרומטר, האנרגיה החשיפה חייבת להיות 360 mJ / cm 2 . </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר שלב האפייה (שלב 2.10) הושלמה, לשים את המצע לתוך מערכת החשיפה UV ומניחים את הצד המודפס של photomask (משלב 2.1) על זה. השתמש באזור המסכה כולו כדי לכסות את המצע המצופה ולחץ בעדינות כדי לוודא שאין פער בין המסכה לבין המצע. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחשוף את מצע מצופה SU8 לקרינת UV באמצעות photomask באמצעות הגדרות UV מוגדרים מראש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מחממים את המצע שוב על ידי הנחת אותו ישירות על hotplate ב 65 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות ו ב 95 מעלות צלזיוס למשך 14 דקות עבור אופה שלאחר החשיפה (PEB). הערה: ה- PEB מגדיל את דרגת הקישור הצולב בין האזורים החשופים ל- UV ועושה את ה-ציפוי עמיד יותר ממיסים בשלב הפיתוח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את האזורים photoresist unexposed על ידי טבילה את המצע בפתרון הייעודי ייעודי, להציב כוס, במשך 20 דקות. ברציפות לנער את הפתרון (בזהירות) כדי להבטיח את הסרת מלאה של אזורים חשופים להתנגד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יבש את המבנים שפותחו על ידי החזקת המצע ואת נושבת חנקן או אוויר דחוס על זה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדוק את רקיק מתחת למיקרוסקופ עם הגדלה 50X להשוות את הדפוסים הועברו photoresist עם הדפוסים הרצויים. </li></ol> 3. 3D פחמן מבנה ייצור: Pyrolysis <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את דגימות מוכן באמצעות photolithography (צעדים 2.1-2.17) בתוך תנור צינור בלחץ פתוח, פתוח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את הכבשן ולהגדיר את הפרמטרים עבור פירוליזה, כאמור לעיל בשלב 1. חזור על התהליך משלב 1.6-1.8. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטפל בדגימות בזהירות באמצעות פינצטה ולהמשיך characterizAtion. </li></ol>

<ol><li>Wang, C., Jia, G., Taherabadi, L. H., Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/1416911/">A novel method for the fabrication of high-aspect ratio C-MEMS structures.</a> J Microelectromech Syst. 14 (2), 348-358 (2005).</li>
<li>Jong, K. P. D., Geus, J. W. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1081/CR-100101954">Carbon nanoﬁbers: catalytic synthesis and applications.</a> Catal Rev Sci Eng. 42, 481-510 (2000).</li>
<li>Elrouby, M. <a target="_blank" href="http://www.naturalspublishing.com/files/published/q362wbx78c133j.pdf">Electrochemical applications of carbon nanotube.</a> J Nano Adv Mat. 1 (1), 23-38 (2013).</li>
<li>Baughman, R. H., Zakhidov, A. A., Heer, W. A. D. <a target="_blank" href="http://science.sciencemag.org/content/297/5582/787.full">Carbon nanotubes-the route toward applications.</a> Science. 297, 787-792 (2002).</li>
<li>Kumar, R., Singh, R. K., Singh, D. P. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032115015038">Natural and waste hydrocarbon precursors for the synthesis of carbon based nanomaterials: graphene and CNTs.</a> Renew Sustain Energy Rev. 58, 976-1006 (2016).</li>
<li>Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T., Kumar, M., Ando, Y., Sharon, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1387181106002514">Carbon nanotubes by spray pyrolysis of turpentine oil at different temperatures and their studies.</a> Micropor Mesopor Mater. (1-3), 184-190 (2006).</li>
<li>Sharma, S., Kalita, G., Hirano, R., Hayashi, Y., Tanemura, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167577X12016692">Influence of gas composition on the formation of graphene domain synthesized from camphor.</a> Mater Lett. 93 (0), 258-262 (2013).</li>
<li>Ghosh, P., Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167577X06015084">A simple method of producing single-walled carbon nanotubes from a natural precursor: eucalyptus oil.</a> Mater Lett. 61 (17), 3768-3770 (2007).</li>
<li>Kumar, R., Tiwari, R., Srivastava, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scalable+synthesis+of+aligned+carbon+nanotubes+bundles+using+green+natural+precursor%3A+neem+oil%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale+Res+Lett%22%5BJournal%5D)">Scalable synthesis of aligned carbon nanotubes bundles using green natural precursor: neem oil.</a> Nanoscale Res Lett. 6 (1), 92-97 (2011).</li>
<li>Liang, Y., Wu, D., Fu, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+microfibers+with+hierarchical+porous+structure+from+electrospun+fiber-like+natural+biopolymer%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Carbon microfibers with hierarchical porous structure from electrospun fiber-like natural biopolymer.</a> Sci Rep. 3, 1-5 (2013).</li>
<li>Gupta, A. <a target="_blank" href="https://www.hindawi.com/archive/2014/498018/">Human hair "waste" and its utilization: gaps and possibilities.</a> J Waste Manag. 2014, 1-17 (2014).</li>
<li>Qian, W., Sun, F., Xu, Y., Qiu, L., Liu, C., Wang, S., Yan, F. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2014/EE/c3ee43111h">Human hair-derived carbon flakes for electrochemical supercapacitors.</a> Energy Environ Sci. 7, 379-386 (2014).</li>
<li>Pramanick, B., Cadenas, L. B., Kim, D. M., Lee, W., Shim, Y. B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. J., Hwang, H. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622316305504">Human hair-derived hollow carbon microfibers for electrochemical sensing.</a> Carbon. 107, 872-877 (2016).</li>
<li>Miura, N., Numaguchi, T., Yamada, A., Konagai, M., Shirakashi, J. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1143/JJAP.37.L423/meta">Room temperature operation of amorphous carbon-based single-electron transistors fabricated by beam-induced deposition techniques.</a> Jpn J Appl Phys. 37 (2), L423-L425 (1998).</li>
<li>Irie, M., Endo, S., Wang, C. L., Ito, T. <a target="_blank" href="https://www.deepdyve.com/lp/elsevier/fabrication-and-properties-of-lateral-p-i-p-structures-using-single-03o6EWw2pN">Fabrication and properties of lateral p-i-p structures using single crystalline CVD diamond layers for high electric ﬁeld applications.</a> Diamond Rel Mater. 12, 1563-1568 (2003).</li>
<li>Tay, B. K., Sheeja, D., Yu, L. J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925963503000219">On stress reduction of tetrahedral amorphous carbon ﬁlms for moving mechanical assemblies.</a> Diamond Rel Mater. 12 (2), 185-194 (2003).</li>
<li>Kamath, R. R., Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+carbon+interdigitated+electrode+arrays+for+redox-amplification%5BTitle%5D)+AND+%22Anal+Chem%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional carbon interdigitated electrode arrays for redox-amplification.</a> Anal Chem. 86 (6), 2963-2971 (2014).</li>
<li>Sharma, S., Khalajhedayati, A., Rupert, T. J., Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://ecst.ecsdl.org/content/61/7/75.short">SU8 derived glassy carbon for lithium ion batteries.</a> ECS Trans. 61 (7), 75-84 (2014).</li>
<li>Kim, D., Pramanick, B., Salazar, A., Tcho, I. -W., Madou, M. J., Jung, E. S., Choi, Y. -K., Hwang, H. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.201600160/abstract">3D carbon electrode based triboelectric nanogenerator.</a> Adv Mater Technol. 1 (8), 1-7 (2016).</li>
<li>Duarte, R. M., Gorkin, R. A., Samra, K. B., Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+integration+of+3D+carbon-electrode+dielectrophoresis+on+a+CD-like+centrifugal+microfluidic+platform%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">The integration of 3D carbon-electrode dielectrophoresis on a CD-like centrifugal microfluidic platform.</a> Lab Chip. 10 (8), 1030-1043 (2010).</li>
<li>Mund, K., Richter, G., Weidlich, E., Fahlstrom, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+properties+of+platinum%2C+glassy+carbon%2C+and+pyrographite+as+stimulating+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Pacing+Clin+Electrophysiol%22%5BJournal%5D)">Electrochemical properties of platinum, glassy carbon, and pyrographite as stimulating electrodes.</a> Pacing Clin Electrophysiol. 9 (6), 1225-1229 (1986).</li>
<li>Xua, H., Malladi, K., Wang, C., Kulinsky, L., Song, M., Madou, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+post-microarrays+for+glucose+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">Carbon post-microarrays for glucose sensors.</a> Biosens Bioelectron. 23 (11), 1637-1644 (2008).</li>
<li>Sharma, S., Madou, M. <a target="_blank" href="https://pdfs.semanticscholar.org/ec37/4aa01e80c6e923d61ea1294216ad1929d64d.pdf">Micro and nano patterning of carbon electrodes for bioMEMS.</a> Bioinspir Biomim Nanobiomat. 1, 252-265 (2012).</li>
<li>Pramanick, B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. <a target="_blank" href="http://ma.ecsdl.org/content/MA2016-01/14/902.abstract">Fabrication of biocompatible hollow microneedles using the C-MEMS process for transdermal drug delivery.</a> ECS Trans. 72 (1), 45-50 (2016).</li>
</ol>

למחברים אין מה לחשוף.

במאמר זה השיטות לייצור מגוון של microstructures פחמן מבוסס על פירוליזה של חומרים מבשר טבעי או מבנים דפוס פולימר דפוסים דווחו. חומרים פחמן הנובע הן המסורתית לא קונבנציונאלי C-MEMS / C-NEMS תהליכים נמצאים בדרך כלל להיות פחמן מזוגגות. Glassy פחמן הוא חומר אלקטרודה בשימוש נרחב עבור אלקטרוכימיה וגם עבור יישומים בטמפרטורה גבוהה. מיקרו של פחמן מזכוכית מורכב משני אזורים קריסטל ו אמורפי. פחמן זכוכית יש מוליכות גבוהה, עמידות טובה לטמפרטורות גבוהות, צפיפות נמוכה, התנגדות חשמלית נמוכה, קשיות ...

לפחמן יש אלוטרופים רבים, ובהתאם ליישום המסוים, ניתן לבחור באחת מהאלוטרופים הבאים: צינורות פחמן (CNT), גרפיט, יהלום, פחמן אמורפי, lonsdaleite, buckminsterfullerene (C 60 ), fullerite (C 540 ), fullerene C 70 ), ופחמן מזוגג 1 , 2 , 3 , 4 . פחמן מזוגג הוא אחד allotropes הנפוץ ביותר בשל תכונות פיזיות, כולל isotropy גבוהה. כמו כן יש את המאפיינים הבאים: מוליכות חשמלית טובה, מקדם התפשטות תרמית נמוכה, ואטימות גז. יש חיפושי מתמשך עבור חומרי מבשר עשיר פחמן כדי להשיג מבנים פחמן. אלה מבשרי יכול להיות חומרים מעשה ידי אדם או מוצרים טבעיים הזמינים בצורות מסוימות, ואפילו לכלול פסולת מוצרים. מגוון רחב של micr<html> O / nanostructures נוצרים באמצעות תהליכים ביולוגיים או סביבתיים בטבע, וכתוצאה מכך תכונות ייחודיות כי הם מאוד קשה ליצור באמצעות כלי ייצור קונבנציונאלי. כמו דפוסים התקיים באופן טבעי במקרה זה, סינתזה של ננו באמצעות מבשרי הטבעי פסולת פחמימנים יכול להתבצע באמצעות תהליך קל, צעד אחד של פירוק תרמי באווירה אינרטי או ואקום, קרא pyrolysis 5 . גראפן באיכות גבוהה, CNTs חד-קירתיים, רשתות CNT מרובות קירות ונקודות פחמן יוצרו על ידי פירוק תרמי או פירוליזה של מבשרי ופסולת שמקורם בצמחים, כולל זרעים, סיבים ושמנים, כגון שמן טרפנטין, שמן שומשום , שמן נים ( Azadirachta אינדיאנה ), שמן אקליפטוס, שמן דקלים, שמן jatropha. כמו כן, מוצרים קמפור, תמציות עץ התה, פסולת מזון, חרקים, פסולת חקלאית, מוצרי מזון נוצלו 6 , 7 ,התחת = &quot;xref&quot;&gt; 8 , 9 לאחרונה, חוקרים השתמשו אפילו פקעות משי כחומר מבשר להכין microfibers פחמן נקבובי 10 . שיער האדם, שנחשב בדרך כלל חומר פסולת, שימש לאחרונה צוות זה. זה מורכב של כ 91% polypptides, המכילים יותר מ 50% פחמן; השאר הם אלמנטים כגון חמצן, מימן, חנקן וגופרית 11 . השיער מגיע גם עם כמה תכונות מעניינות, כגון השפלה איטית מאוד, חוזק מתיחה גבוה, בידוד תרמי גבוהה, והתאוששות גמישה גבוהה. לאחרונה, הוא שימש להכנת פתיתי פחמן המועסקים supercapacitors 12 וליצור מיקרופירים חלול פחמן לחישה אלקטרוכימית 13 . עיבוד שבבי של חומר פחמן בתפזורת לפברק תלת ממדי (3D) מבנים היא משימה קשה, כמו החומר הוא שביר מאוד. יון ממוקד להיותAm 14 , 15 או תגובתי יון תגובתי 16 עשוי להיות שימושי בהקשר זה, אבל הם יקרים זמן רב תהליכים. מערכת פחמן זעיר (C-MEMS) טכנולוגיה, אשר מבוססת על פירוליזה של מבנים פולימריים בדוגמת, מייצג חלופה מגוונת. בשני העשורים האחרונים, C-MEMS ומערכות פחמן ננו-אלקטרו-מכאניות (C-NEMS) קיבלו תשומת לב רבה בשל צעדי ייצור פשוטים וזולים. תהליך ייצור C-MEMS קונבנציונאלי מתבצע בשני שלבים: (1) דפוס של מבשר פולימרי ( למשל, photoresist) עם photolithography ו (ii) פירוליזה של מבנים בדוגמת. אולטרה סגול (UV) מבשרי פולימר מבשרי, כגון photoresists SU8, משמשים לעתים קרובות מבנים דפוס מבוסס על photolithography. באופן כללי, תהליך photolithography כולל צעדים ציפוי ספין, אופים רך, חשיפה UV, פוסט אופים, ו deveLopment. במקרה של C-MEMS; סִילִיקוֹן; דו תחמוצת הסיליקון; סיליקון ניטריד; קְוָרץ; ו, לאחרונה, ספיר שימשו מצעים. מבנים פולימר הדוגמת תמונה הם פחמן בטמפרטורה גבוהה (800-1,100 מעלות צלזיוס) בסביבה נטולת חמצן. בטמפרטורות גבוהות אלה באקום או באנרגיה אינרטית, כל האלמנטים שאינם פחמן מוסרים, ומשאירים רק פחמן. טכניקה זו מאפשרת להשיג באיכות גבוהה, מבנים פחמן מזוגגות, אשר שימושיים מאוד עבור יישומים רבים, כולל חישה אלקטרוכימית 17 , אחסון אנרגיה 18 , nanogeneration triboelectric 19 , ו electrokinetic חלקיקים מניפולציה 20. כמו כן, ייצור של microstructures 3D יחסי גובה גבוה באמצעות C-MEMS הפך קל יחסית והוביל למגוון רחב של אלקטרודות פחמן יישומים 18 , 21 , </sup&gt; 22 , 23 , לעתים קרובות החלפת מתכות מתכת אצילי. בעבודה זו, הפיתוח האחרון של דרך פשוטה וחסכונית כדי לפברק מיקרופירים חלול פחמן משיער האדם באמצעות טכנולוגיה קונבנציונלית C-MEMS 13 הוא הציג. קונבנציונאלי SU8 פולימר מבוסס C-MEMS התהליך מתואר גם כאן. באופן ספציפי, הליך ייצור עבור יחס גבוה היבט מוצקים מבנים חלולים SU8 מתואר 24.

<table><tbody><tr><td>SU8-2100</td><td>Microchem</td><td>מספר מוצר-Y1110750500L</td><td></td></tr><tr><td>Spinner</td><td>Laurell Technologies Corporation</td><td>דגם-WS650HZB-23NPP/UD3</td><td></td></tr><tr><td>Hotplate</td><td>Torrey Pines Scientific</td><td>HS61</td><td></td></tr><tr><td>UV-exposer</td><td>Mercury Lamp, SYLVANIA</td><td>H44GS-100M, P/N-34-0054-01</td><td></td></tr><tr><td>Photomask</td><td>CAD/Art</td><td></td><td>No Number</td></tr><tr><td>מפתח&nbsp;</td><td>מיקרוכימיה</td><td>Y020100 4000L&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>מערכת מים DI</td><td>Milli Q</td><td>ZOOQOVOTO</td><td></td></tr><tr><td>IPA</td><td>CTR Sientific</td><td>CTR 01244</td><td></td></tr><tr><td>N2 גז</td><td>AOC מקסיקו</td><td></td><td>ללא מספר</td></tr><tr><td>תנור</td><td>PEO 601, טרקטורונים טכנולוגיים GMBH</td><td>דגם-PEO 601, מס' סידורי -195</td><td></td></tr><tr><td>Si/SiO2</td><td>Noel Technologies</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

ייצור של 3d מערכות מיקרואלקטרו-מכניות פחמן (c-mems)

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems (C-MEMS)

מגוון רחב של מקורות פחמן זמינים בטבע, עם מגוון רחב של תצורות מיקרו / nanostructure. כאן, טכניקה חדשה כדי לפברק ארוך וחלול מזכוכית microfibers פחמן הנגזרות שערות האדם הוא הציג. מבנים פחמן ארוך וארוך נעשו על ידי פירוליזה של שיער האדם ב 900 מעלות צלזיוס באווירה N 2 . המורפולוגיה וההרכב הכימי של שערות אנושיות טבעיות ו פירוליזה נחקרו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) וסקטרוסקופיית רנטגן אלקטרו-רנטגן (EDX), בהתאמה, על מנת להעריך את השינויים הפיזיקליים והכימיים עקב פירוליזה. ראמאן ספקטרוסקופיה שימש כדי לאשר את הטבע מזוגגות של microstructures פחמן. Pyrolyzed שיער פחמן היה הציג לשנות מודפס פחמן אלקטרודות; האלקטרודות שונו לאחר מכן הוחלו על חישה אלקטרוכימית של דופמין וחומצה אסקורבית. ביצועים חישה של חיישנים שונה השתפר לעומת unmodiחיישנים. כדי להשיג את המבנה הרצוי פחמן עיצוב, פחמן מיקרו / מערכת nanoelectromechanical (C-MEMS / C-NEMS) הטכנולוגיה פותחה. תהליך הנפוץ ביותר של C-MEMS / C-NEMS מורכב משני שלבים: (1) הדפוס של חומר בסיס עשיר בפחמן, כגון פולימר רגיש, באמצעות פוטוליטוגרפיה; ו (ii) הפחמן דרך פירוליזה של פולימר בדוגמת בסביבה ללא חמצן. תהליך C-MEMS / NEMS נעשה שימוש נרחב בפיתוח התקנים מיקרואלקטרוניים ליישומים שונים, כולל מיקרו סוללות, supercapacitors, חיישני גלוקוז, חיישני גז, תאי דלק, nanogenerators triboelectric. הנה, ההתפתחויות האחרונות של יחס גבוה היבט מוצק חלול פחמן microstructures עם photoresists SU8 נדונים. הצטמקות המבנית במהלך פירוליזה נחקרה באמצעות מיקרוסקופיה confocal ו- SEM. ראמאן ספקטרוסקופיה שימש כדי לאשר את crystallinity של המבנה, ואת האחוז האטומי של היסודות preseNt בחומר לפני ואחרי פירוליזה נמדדה באמצעות EDX.

סכמטית של תהליך ייצור עבור שיער אנושי נגזר פחמן חלול מיקרופייבר מוצג באיור 1 . השיער האנושי הפחמני התאפיין בשימוש ב- SEM כדי לאמוד את הצטמקות. קוטר השיער התכווץ מ 82.88 ± 0.003 מיקרומטר ל 31.42 ± 0.003 מיקרומטר עקב פירוליזה. סריקת אלקטרונים מיקרוסקופיים (SEM) תמונות של דפוסים שונים שנעשו באמצעות שיער microfibers פחמן נגזר מוצגים באיור 2 . בטבלה 1 מוצגים האחוזים האטומיים של האלמנטים הנמצאים...

סיבי פחמן ארוכים וחלולים עשויים מפוברקים על פי פירוליזה של מוצר טבעי, שיער אנושי. שני השלבים ייצור של מערכות פחמן microelectromechanical ופחמן nanoelectromechanical, או C-MEMS ו- C-NEMS, הם: (1) photolithography של מבשר פולימר עשיר פחמן ו (2) פירוליזה של מבשר פולימר בדוגמת.

ייצור של 3D מערכות מיקרואלקטרו-מכניות פחמן (C-MEMS)

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long ...

המטרה הכוללת של הליך זה היא לייצר מבני פחמן תלת-ממדיים באמצעות תהליכי מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS) של פחמן, קונבנציונליים ולא קונבנציונליים, תוך שימוש במקורות פחמן של פולימר SU-8 ושיער אנושי, בהתאמה. לפני 20 שנה, התחלנו למעשה תהליך חדש לחלוטין שבו אנו מחליפים את הסיליקון כחומר העיקרי לייצור התקני MEMS, מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות. הרעיון שלנו הוא שפחמן הוא חומר טוב יותר מסיליקון ליצירת צורות תלת-ממדיות אלו.באופן ספציפי, אנו לוקחים חומר מקדים פולימרי, יוצרים בו תבנית, ולאחר מכן ממירים אותו לפחמן בטמפרטורה גבוהה, סביב 900 עד 1,000 °C, באטמוספירה אינרטית. במהלך תהליך זה הצורה נשמרת, אך היא מתכווצת. במילים אחרות, מתרחשת התכווצות איזומטרית, ובסופה מתקבלת כל צורה תלת-ממדית של פחמן שניתן לדמיין.זה נקרא carbon MEMS. זה זול בהרבה כיוון שכל מה שאני עושה הוא לקחת חומר מוצא פחמני, פולימר, ליצור עבורו תבנית בתלת-ממד ואז להמיר אותו לפחמן. הפחמן קיים באלוטרופים רבים, מיהלום לגרפיט ועד לפחמן זכוכיתי.בהתאם לאופן שבו אעבד מראש את שרשראות הפולימר, אני יכול למעשה להגיע למבנה פחמן תלת-ממדי שהוא גרפיטי יותר, דמוי יהלום יותר או דמוי פחמן זכוכיתי. היום, תהליך ייצור MEMS מפחמן יודגם עבורכם על ידי סטודנט הדוקטורט שלי, Esham Shomloo. כדי להתחיל בהליך הייצור של מבנה הפולימר, הגדירו תחילה פלטה מחממת ל-95 °C.הפעל את מכשיר ה-spin coater ואת משאבת הוואקום המחוברת אליו. הגדר רצף ציפוי בסיבוב (spin coating) בע domínio של שני שלבים: שלב ראשון של 10 שניות ב-500 rpm ושלב שני של 30 שניות ב-1,000 rpm, שניהם עם קצב עלייה (ramp rate) של 100 rpm לשנייה. הנח פרוסת סיליקון או מצע אחר על תומך הוואקום של ה-spin coater.הפעילו את הוואקום כדי לקבע את המצע למחזיק. מרחו כמות מספקת של פוטורזיסט שלילי מבוסס שרף אפוקסי כדי לכסות את פני השטח של המצע. בצעו רצף ציפוי סבב (spin coating) בשני שלבים כדי להגיע לעובי פוטורזיסט סופי של 1 עד 250 micron.שחררו את המצע מהתושב. באמצעות פינצטה, העבירו בזהירות את המצע לפלטה החימום בטמפרטורה של 95 °C מבלי להפריע לשכבה הדקה. אפו את המצע ב-95 °C למשך דקה אחת עד 40 דקות, בהתאם לעובי הפוטורזיסט.במהלך האפייה הרכה (soft bake), הפעילו את מערכת ה-UV לפוטוליתוגרפיה והגדירו את זמן החשיפה ל-12 שניות. לאחר סיום האפייה הרכה, העבירו את התשתית למערכת ה-UV. קבעו את המסכה התבניתית באמצעות מחזיק מסכה בוואקום.הנח את מחזיק המסכה עם המסכה על מערכת החשיפה ל-UV. הנח את התשתית המצופה בפוטו-רזיסט על הבמה של מערכת החשיפה ל-UV. כסה את התשתית במסכה עם התבנית, ולחץ בעדינות את המסכה אל התשתית.חשוף את התשתית לאור UV למשך הזמן שנקבע, ולאחר מכן הפרד את המסכה מהתשתית. בצע אפייה לאחר החשיפה בטמפרטורה של 95 °C למשך דקה אחת עד 15 דקות, בהתאם לעובי הפוטורזיסט. טבול את התשתית בתמיסת הפיתוח המתאימה למשך דקה אחת עד 20 דקות תוך כדי ניעור עדין של המכל. ייבש את הפרוסה עם התבנית תחת זרם של גז חנקן או אוויר דחוס.בדקו את הפרוסה תחת מיקרוסקופ בהגדלה של 50 פעמים כדי לוודא שהתבנית הרצויה מעוצבת היטב. לאחר מכן, הניחו את הפרוסה המתוחבבת בתנור צינור פתוח בקצותיו המפעל תחת לחץ. הגדירו את קצב הזרימה ל-1.5 פעמים נפח צינור התנור לדקה במהלך 15 הדקות הראשונות של הרצף, ולאחר מכן לנפח צינור התנור לדקה למשך שאר הרצף.הגדירו רצף של עלייה בטמפרטורה עד 300 °C בקצב של 5 °C לדקה, שהייה ב-300 °C למשך שעה אחת, עלייה ל-900 °C באותו קצב שהייה למשך שעה אחת, ולאחר מכן קירור ל-300 °C בקצב של 10 °C לדקה. לאחר מכן, הפעילו את רצף החימום והקירור. עם השלמת הרצף, המתינו עד שהדגימה שעברה פירוליזה תתקרר לטמפרטורת החדר תחת זרימה של גז חנקן.לאחר מכן, כבו את הכבשן ואת זרימת הגז. הוציאו בזהירות את הדגימה שעברה פירוליזה מהכבשן והמשיכו לאפיון. כדי להתחיל בייצור מבנה פחמן תלת-ממדי המופק משערה, שטפו דגימה של שיער אנושי במים דאיוניים.ייבשו את דגימת השיער תחת זרם של גז חנקן. השגו פרוסת סיליקון או סירה קרמית. סדרו את השערות הבודדות בתצורה הרצויה על הפרוסה או בתוך הסירה.במקרה של שימוש בפרוסת סיליקון, קבעו את השערות לפרוסה באמצעות פולימר מבוסס אפוקסי. לאחר מכן, הניחו את הדגימה בתנור צינור פתוח בקצותיו תחת לחץ. הפעילו את רצף הפירוליזה תחילה כדי לייצב ולאחר מכן כדי לפחם את הדגימה.יש לאפשר לדגימה להתקרר לטמפרטורת החדר תחת זרימה של חנקן. לאחר מכן, יש להוציא בזהירות את הדגימה מהכירה, תוך שימוש בפינצטה במידת הצורך, ולהמשיך לאפיון. מיקרו-סיבי פחמן המופקים משיער הוכנו בתבניות שונות, בהתאם לסידור הראשוני של דגימת השיער.ספקטרוסקופיית X-ray בפיזור אנרגיה (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) וספקטרוסקופיית רמאן (Raman spectroscopy) בוצעו לפני ואחרי פירוליזה. רק שני שיאים המתאימים לפסיי ה-D וה-G הופיעו בספקטרום הרמאן לאחר הפירוליזה. יחס העוצמה בין השיאים העיד על כך שהמיקרו-מבנים היו מורכבים בעיקר מפחמן זכוכיתי (glassy carbon).חיישנים אלקטרוכימיים יוצרו באמצעות פחמן נקי, ננו-צינורות פחמן, או סיבי פחמן המופקים משיער. וולטמטריה מחזורית של תמיסות דופמין וחומצה אסקורבית הראתה כי האלקטרודה המשלבת את סיבי הפחמן המופקים משיער הציגה ביצועים משופרים בהשוואה לפחמן הנקי, אם כי הם לא השתוו לביצועים של ננו-צינורות פחמן. אני מקווה שסרטון קצר זה על MEMS מפחמן יעניק השראה לרבים מכם לחקור את התהליך בעצמכם.אכן, אני יכול לצפות ליישומים רבים מאוד שייבעו מתהליך פשוט זה. אלו יכולים לנוע מסוללות חדשניות, תאי דלק חדשים, חיישנים חדשים וכן הלאה. ייתכן שהדבר אף יחליף את הסיליקון כחומר ה-MEMS החשוב ביותר.

fabrication-of-3d-carbon-microelectromechanical-systems-c-mems

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

שימוש Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) לפתח כלים לאבחון

אנו מציגים שני תהליכים עבור microfabrication של שבבי פולימרי נקבובי לעיבוד תלת ממדי התא. הראשון הוא הבלטות חם בשילוב עם תהליך אדי ריתוך ממס. השני משתמש בתהליך microthermoforming פיתחה לאחרונה בשילוב עם טכנולוגיית מעקב יון המוביל פישוט משמעותי של ייצור.

Microfabrication של שבב בגודל פיגומים לעיבוד תלת ממדי נייד

בפרוטוקול זה, אנו מדגימים את ייצור של מערך microactuator מכלל הודעות העקורים אנכית שבו הטכנולוגיה מבוססת, ואיך הטכנולוגיה הזו בסיס ניתן לשנות לנהל תפוקה גבוהה תרבית תאים דינמי מכנית בתרבות הן דו מימדי ותלת מימדי פרדיגמות.

פלטפורמות microfabricated לתרבות Cell דינמי מכאני

אנו מציגים שיטות ייצור של microstructures בדוגמת של צינורות פחמן מיושר אנכית (CNTs), והשימוש בהם כמו תבניות בסיס לייצור microstructures פולימר במרקם מאורגן פני הננומטרי. ביערות ה-CNT הם densified על ידי עיבוי של ממס על מצע, אשר מגביר באופן משמעותי את צפיפות האריזה שלהם ומאפשר עצמית מכוונת היווצרות של צורות 3D.

ייצור, Densification, העתק דפוס של Microstructures Nanotube 3D פחמן

עיצוב המכשיר חזק של תוצאות מפעילי MEMS אלקטרוסטטי fringing שדה בתנאי מיסוד נמוכים לסחוט סרט דעיכת ופעמים רבות יישוב בעת ביצוע פעולות מיתוג באמצעות הטיית צעד קונבנציונלית. בזמן אמת מיתוג שיפור זמן עם צורות גל DC-דינמיים מקטין את הזמן ליישב של שולים בשדה MEMS מפעילים כאשר מעבר בין up-to-למטה ולמטה אל את המדינות.

Real-Time DC-דינמית הטיית שיטה להחלפת זמן שיפור בשולים בשדה קשות Underdamped תנעי MEMS אלקטרוסטטית

נייר זה מציג אסטרטגית 3D תוסף micromanufacturing (שמכונה "מיקרו בנייה") עבור הייצור גמיש של מערכת מייקר מבנים (MEMS) והתקנים. גישה זו כרוכה בהרכבה המבוסס על דפוס העברה של חומרי מיקרו / ננו בשילוב עם טכניקות מליטה חומרים מהירים תרמית המאפשר חישול.

מיקרו בנייה לMicromanufacturing 3D תוסף

אנו מציגים מערכת הולוגרפית דיגיטלית קומפקטית השתקפות (CDHM) לבדיקה ואפיון של התקני MEMS. עיצוב-פחות עדשה באמצעות גל קלט לסטות מתן גדלה גיאומטרית טבעית מודגם. שני המחקרים סטטי ודינמי מוצגים.

עדשה-פחות קומפקטי מיקרוסקופ הולוגרפי הדיגיטלי פיקוח MEMS ואפיון

פרוטוקול עבור עיצוב קרן קבועה-קבוע באמצעות של לייזר דופלר ממדי רטט (LDV), כולל את המדידה של תדירות כוונון, שינוי של כוונון יכולת, והימנעות של כשל בהתקן, stiction, מוצג. העליונות של השיטה LDV מעל במנתח רשת הוא הפגין בשל היכולת למצב גבוה יותר.

עיצוב, אפיון מתודולוגיה למסננים Tunable MEMS יעיל לטווח רחב

אסטרטגיית הייצור מוספים לעיבוד UV-crosslinkable hydrogels פותחה. אסטרטגיה זו מאפשרת הרכבה שכבה אחרי שכבה של מבנים הידרוג microfabricated, כמו גם ההרכבה של רכיבים עצמאיים, מניב מכשירים משולבים המכילים רכיבים לזוז כי הם מגיבים הופעה מגנטי.

תוסף טכניקת הייצור עבור הזיוף נתיישב ומהירה של מבוססי הידרוג Micromachines עם רכיבים תגובה מגנטית

מאמר זה מתאר תהליך ייצור מהיר ופשוט של החומרים המורכבים הelectromechanically יוניים עבור מפעילים בביו-רפואית, ביואידיטיטידים וביישומי רובוטיקה רכים. מדרגות הייצור המרכזיות, חשיבותם לתכונות הסופיות של הפעילים, וחלק משיטות האפיון העיקריות מתוארות בפרוטרוט.

הייצור של מפעיל פחמן מבוססי Electromechanically Active מפעילים רכים

למד את שיטת ייצור המבנים התלת-ממדיים מפחמן C-MEMS באמצעות פירוליזה של פולימר עשיר בפחמן ושערות אנושיות בטמפרטורות גבוהות. שיטה זו מציגה חלופה בת-קיימא לסיליקון במערכות מיקרואלקטרו-מכניות.

ייצור של 3D מערכות מיקרואלקטרו-מכניות פחמן (C-MEMS)

גלה סרטונים נוספים