Artykuł metodologiczny

Piezoelektryczny kombajn wibracyjny na bazie polimerów ze strukturą 3D z rdzeniem siatkowym 3D

25.4K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/59067

⸱

20 lutego 2019

 ,  ,  ,  ,  , 
1Gunma University, 2JST PRESTO

W tym artykule

Podsumowanie

W tym badaniu stworzyliśmy elastyczną strukturę siatki 3D i zastosowaliśmy ją na elastycznej warstwie bimorficznego kombajnu drgań typu wspornikowego w celu obniżenia częstotliwości rezonansu i zwiększenia mocy wyjściowej.

Streszczenie

W tym badaniu stworzyliśmy elastyczną strukturę siatki 3D z okresowymi pustkami, używając metody litografii 3D i stosując ją do kombajnu energii wibracji, aby obniżyć częstotliwość rezonansu i zwiększyć moc wyjściową. Proces produkcyjny dzieli się głównie na dwie części: trójwymiarową fotolitografię do przetwarzania struktury siatki 3D oraz proces łączenia folii piezoelektrycznych i struktury siatki. Dzięki sfabrykowanej elastycznej strukturze siatki osiągnęliśmy jednocześnie zmniejszenie częstotliwości rezonansu i poprawę mocy wyjściowej. Z wyników testów wibracyjnych wynika, że kombajn do zbierania energii wibracyjnej z rdzeniem siatkowym (VEH) wykazywał o 42,6% wyższe napięcie wyjściowe niż VEH z rdzeniem stałym. Ponadto VEH z rdzeniem siatkowym zapewniał częstotliwość rezonansową 18,7 Hz, czyli o 15,8% niższą niż VEH z rdzeniem stałym, oraz 24,6 μW mocy wyjściowej, o 68,5% wyższą niż VEH z rdzeniem stałym. Zaletą proponowanej metody jest to, że złożoną i elastyczną konstrukcję z pustkami w trzech wymiarach można stosunkowo łatwo wytworzyć w krótkim czasie metodą naświetlania pochyłego. Ponieważ możliwe jest obniżenie częstotliwości rezonansowej VEH przez strukturę siatki, w przyszłości można spodziewać się zastosowania w zastosowaniach o niskiej częstotliwości, takich jak urządzenia do noszenia i sprzęt gospodarstwa domowego.

Wprowadzenie

W ostatnich latach VEH przyciągnęły wiele uwagi jako źródło zasilania węzłów czujników do implementacji bezprzewodowych sieci sensorowych i aplikacji Internetu Rzeczy (IoT)1,2,3,4,5,6,7,8. Spośród kilku rodzajów konwersji energii w VEH, konwersja typu piezoelektrycznego charakteryzuje się wysokim napięciem wyjściowym. Ten rodzaj konwersji nadaje się również do miniaturyzacji ze względu na duże powinowactwo do technologii mikroobróbki. Ze względu na te atrakcyjne cechy, wiele piezoelektrycznych VEH zostało opracowanych przy użyciu piezoelektrycznych materiałów ceramicznych i organicznych materiałów polimerowych9,10,11,12,13.

W ceramicznych VEH, wspornikowe VEH wykorzystujące wysokowydajny materiał piezoelektryczny PZT (cyrkonian ołowiu) są szeroko opisywane14,15,16,17,18, a VEH często wykorzystują rezonans do uzyskania wysokiej wydajności wytwarzania energii. Ogólnie rzecz biorąc, wraz ze wzrostem częstotliwości rezonansowej wraz z miniaturyzacją rozmiaru urządzenia, trudno jest jednocześnie osiągnąć miniaturyzację i niską częstotliwość rezonansową. Tak więc, mimo że PZT charakteryzuje się wysoką wydajnością wytwarzania energii, trudno jest opracować małe urządzenia oparte na PZT, które działają w paśmie niskich częstotliwości bez specjalnego przetwarzania, takie jak zespoły nanowstążek19,20, ponieważ PZT jest materiałem o wysokiej sztywności. Niestety, otaczające nas wibracje, takie jak urządzenia gospodarstwa domowego, ruch człowieka, budynki i mosty, występują głównie na niskich częstotliwościach, poniżej 30 Hz21,22,23. Dlatego VEH ze swoją wysoką wydajnością wytwarzania energii przy niskich częstotliwościach i niewielkimi rozmiarami są idealne do zastosowań o niskiej częstotliwości.

Najprostszym sposobem na obniżenie częstotliwości rezonansu jest zwiększenie masy końcówki wspornika. Ponieważ wystarczy przymocować do końcówki materiał o dużej gęstości, produkcja jest prosta i łatwa. Jednak im cięższa jest masa, tym bardziej kruche staje się urządzenie. Innym sposobem na obniżenie częstotliwości jest wydłużenie wspornika24,25. W metodzie odległość od stałego końca do wolnego końca jest wydłużana przez dwuwymiarowy meandrujący kształt. Podłoże krzemowe jest wytrawiane przy użyciu techniki produkcji półprzewodników w celu wytworzenia meandrującej struktury. Chociaż metoda ta jest skuteczna w obniżaniu częstotliwości rezonansowej, powierzchnia materiału piezoelektrycznego zmniejsza się, a tym samym zmniejsza się uzyskiwalna moc wyjściowa. Ponadto wadą jest to, że okolice stałego końca są delikatne. W przypadku niektórych urządzeń polimerowych, takich jak VEH o niskiej częstotliwości, często stosuje się elastyczny piezoelektryczny polimer PVDF. Ponieważ PVDF jest zwykle powlekany metodą powlekania wirowego, a folia jest cienka, częstotliwość rezonansu można zmniejszyć ze względu na niską sztywność26,27. Chociaż grubość folii można kontrolować w zakresie od submikronów do kilku mikronów, osiągalna moc wyjściowa jest niewielka ze względu na cienką grubość. Dlatego nawet jeśli można zmniejszyć częstotliwość, nie możemy uzyskać wystarczającej produkcji energii, a więc praktyczne zastosowanie jest trudne.

Tutaj proponujemy dwuczłonowy wspornik piezoelektryczny (składający się z dwóch warstw warstw piezoelektrycznych i jednej warstwy warstwy elastycznej) z dwoma elastycznymi arkuszami polimeru piezoelektrycznego, które zostały już poddane zabiegowi rozciągania w celu poprawy charakterystyk piezoelektrycznych. Ponadto przyjmujemy elastyczną strukturę siatki 3D w elastycznej warstwie wspornika bimorficznego, aby jednocześnie zmniejszyć częstotliwość rezonansową i poprawić moc. Wytwarzamy strukturę siatki 3D, wykorzystując metodę nachylenia tylnej strony28,29, ponieważ możliwe jest wytwarzanie drobnych wzorów z dużą precyzją w krótkim czasie. Chociaż druk 3D jest również kandydatem do wytwarzania struktury siatki 3D, przepustowość jest niska, a drukarka 3D jest gorsza od fotolitografii pod względem dokładności obróbki30,31. Dlatego w tym badaniu jako metodę mikroobróbki struktury siatki 3D przyjęto metodę naświetlania nachylonej tylnej strony.

Protokół

1. Wykonanie struktury siatki 3D

  1. Czyszczenie szklanego podłoża
    1. Przygotuj podłoża szklane o wymiarach 30 mm x 40 mm.
    2. Przygotować roztwór piranii, wlewając 150 ml kwasu siarkowego (stężenie: 96%) do szklanej zlewki. Następnie delikatnie dodaj 50 ml roztworu nadtlenku wodoru (stężenie: 30%). Upewnij się, że stosunek objętościowy wody kwasu siarkowego do nadtlenku wodoru wynosi 3:1.
    3. Nosić okulary i odzież ochronną dla bezpieczeństwa podczas nalewania roztworów.
    4. Ustaw szklane podłoże w teflonowym przyrządzie do czyszczenia. Następnie zanurz go w roztworze piranii na 1 minutę.
    5. Po 1 minutowym zanurzeniu w roztworze piranii umyte szklane podłoże należy 2-3 razy przepłukać czystą wodą (przelew 2-3 razy).
    6. Usuń krople wody ze szklanego podłoża za pomocą nadmuchu powietrza.
  2. Wzór wzoru maski Cr do ekspozycji od tyłu na podłożu szklanym
    1. Umieść szklane podłoże w komorze rozpylarki magnetronowej RF (Radio-Frequency). Ustaw moc RF na 250 W, natężenie przepływu gazu Ar na 12 SCCM, ciśnienie w komorze na 0,5 Pa, a czas rozpylania na 11 min. Następnie uformuj 100-200 nm filmu chromowego na podłożu szklanym za pomocą rozpylania magnetronowego RF.
      UWAGA: Grubość jest kontrolowana przez czas rozpylania, biorąc pod uwagę warunek szybkości rozpylania.
    2. Umieścić podłoże na stopniu utrwalającym w komorze wirowania. Upuść dodatni fotorezystor S1813 na folię chromową i pokryj cienką warstwę 1-2 μm przez powlekanie wirowe z prędkością 4,000 obr./min przez 30 s.
    3. Piecz podłoże pokryte fotorezystem w temperaturze 115 °C przez 1 minutę na gorącej płycie, aby wysuszyć rezystor.
    4. Skontaktuj się z fotomaską i podłożem pokrytym fotorezystem. Wystaw światło UV pionowo na fotomaskę. Upewnij się, że dawka ekspozycji wynosi 80 mJ/cm2, a długość fali wynosi 405 nm. Użyj fotomaski pokazanej na rysunku 1.
    5. Przygotować dwie zlewki o pojemności 500 ml. Następnie wlej 150 ml roztworu TMAH (wodorotlenek tetrametyloamonu: 2,38%, rozpuszczalnik: woda) do jednej zlewki i wlej 150 ml wytrawiacza chromowego (azotan amonu ceru(IV): 16%, kwas azotowy: 8%) do drugiej zlewki.
    6. Zanurz podłoże w 150 ml roztworu TMAH i rozwijaj fotorezystor przez 30 s do 1 minuty.
    7. Spłucz podłoże czystą wodą.
    8. Zanurz podłoże w 150 ml roztworu do trawienia chromu i wytrawiaj chrom przez około 1 do 2 minut.
    9. Podłoże spłukać czystą wodą i usunąć kropelki wody za pomocą nadmuchu powietrza.
    10. Przygotować roztwór piranii, wlewając 150 ml kwasu siarkowego (stężenie: 96%) do szklanej zlewki. Następnie delikatnie dodaj 50 ml roztworu nadtlenku wodoru (stężenie: 30%). Upewnij się, że stosunek objętościowy wody kwasu siarkowego do nadtlenku wodoru wynosi 3:1,
      UWAGA: Nosić okulary ochronne, odzież i rękawice dla bezpieczeństwa podczas nalewania roztworów. Roztwór piranii po pewnym czasie straci aktywność, więc przygotuj się za każdym razem.
    11. Umieść szklane podłoże na teflonowym przyrządzie do czyszczenia. Następnie zanurz go w roztworze piranii na 15-30 s, aby usunąć fotorezystor.
  3. Przygotowanie do powlekania SU-8
    1. Ustawić podłoże na etapie utrwalania w komorze wirowania. Upuść około 1 ml roztworu żywicy akrylowej (stężenie: 10%, rozpuszczalnik: toluen) na stronę wzoru chromowego podłoża, aby uwolnić sfabrykowaną strukturę jako warstwę protektorową. Następnie uformuj cienką warstwę przez powlekanie wirowe z prędkością 2 000 obr./min przez 30 s.
    2. Piec w temperaturze 100 °C przez 10 min.
  4. Powłoka natryskowa SU-8
    1. Uruchom powlekarkę natryskową i wlej roztwór acetonu do strzykawki w celu oczyszczenia.
    2. Oczyść i usuń pozostałości wewnątrz dyszy natryskowej, rozpylając roztwór acetonu.
      UWAGA: Jeśli czyszczenie jest niewystarczające, prowadzi to do zatkania w momencie rozpylania. Powtórz ten krok dwukrotnie, aby dokładnie wyczyścić.
    3. Podłoże należy ustawić na dołączonej płycie w powlekarce natryskowej.
    4. Przykryj podłoże osłoną krawędziową, aby zapobiec tworzeniu się ściegu krawędzi.
    5. Wlej ujemny fotorezystor SU-8 3005 do strzykawki.
    6. Ustaw średnicę dyszy na 5 mm, prędkość ruchu dyszy na 120 mm/s, ciśnienie rozpylania na 150 kPa, ciśnienie płynu na 60 kPa, odległość między dyszą a podłożem na 40 mm, odległość skoku na 3 mm, a czas odstępu dla każdej warstwy na 45 s. Natrysk wielowarstwowy SU-8 na podłoże. Powtórz powłokę 10 razy w ten sam sposób.
    7. Pozostawić podłoże na 5 minut po pokryciu 10 razy.
      UWAGA: W czasie stania folia SU-8 jest równomiernie spłaszczona, a pęcherzyki powietrza zmieszane podczas powlekania natryskowego są uwalniane.
    8. Piec na płycie grzewczej w temperaturze 95°C przez 60 min.
    9. Zmierz grubość 10 warstw na mikrometr. Następnie oblicz grubość na warstwę.
    10. Określ pozostałą liczbę powtórzeń dla powłoki natryskowej na podstawie obliczonej grubości warstwy na warstwę. Następnie spryskaj wielowarstwę, aby utworzyć grubą warstwę, aby osiągnąć docelową grubość folii. W tym badaniu nakłada się 40 warstw o grubości 200 μm.
    11. Pozostaw podłoże na 5 minut po nałożeniu wielowarstwowej powłoki natryskowej.
    12. Piec na płycie grzewczej w temperaturze 95°C przez 240 min.
    13. Pozostawić podłoże pokryte SU-8 na płycie grzejnej na 60 minut, a następnie powoli schłodzić do temperatury pokojowej.
  5. Formowanie struktury siatki 3D
    1. Umieść podłoże na stole do regulacji kąta, odwracając podłoże (tj. folia SU-8 jest skierowana w dół), jak pokazano na rysunku 2.
    2. Przymocuj krawędź podłoża taśmą.
    3. Przechyl stół regulacyjny pod kątem do 45°.
      UWAGA: 0° oznacza, że podłoże jest w stanie poziomym. Kąt w tym czasie jest określony przez prawo Snella, obliczone na podstawie współczynnika załamania światła fotorezystu, czyli współczynnika załamania powietrza. Poprzez naświetlanie pod kątem padania 45° wytwarzana jest struktura siatkowa o kącie konstrukcji 64°.
    4. Umieść stół regulacji kąta pod źródłem światła UV.
    5. Nanieść światło UV pionowo na podłoże w dawce ekspozycyjnej 150 mJ/cm2 i długości fali 365 nm. Po naświetleniu przywróć kąt stołu regulacji do 0° i przechyl go do 45° w przeciwnym kierunku. Zastosuj światło UV pionowo w ten sam sposób.
      UWAGA: Ilustracje pokazano na rysunku 3a,b.
    6. Umieść podłoże na płycie grzejnej i ustaw temperaturę na 95 °C dla PEB (pieczenie po ekspozycji). Piecz podłoże przez 8 minut po osiągnięciu temperatury 95 °C.
    7. Wyłącz zasilanie płyty grzejnej. Poczekaj, aż temperatura płyty grzejnej spadnie do około 40 °C.
    8. Wlać 150 ml wywoływacza SU-8 do szklanej zlewki o pojemności 500 ml. Ustaw podłoże w teflonowym przyrządzie do wywoływania.
    9. Wlej 150 ml izopropanolu (IPA) do kolejnej szklanej zlewki o pojemności 500 ml.
    10. Rozwijaj przez około 20 do 30 minut. Upewnij się, że jeśli czas rozwijania jest niewystarczający, prowadzi to do niewystarczającego otwarcia pustych przestrzeni siatki.
    11. Zanurzyć podłoże za pomocą przyrządu w IPA i płukać przez 2 min.
      UWAGA: Jeśli powierzchnia SU-8 jest pozornie biała i błotnista, oznacza to, że rozwój jest niewystarczający. W takim przypadku powtórz wywoływanie i ponowne płukanie. Po całkowitym opracowaniu tworzy się struktura siatki, jak pokazano na Rysunek 3c.
  6. Uwalnianie struktury z podłoża szklanego
    1. Wlej 150 ml roztworu toluenu do szklanej zlewki o pojemności 500 ml. Przykryj zlewkę folią aluminiową, ponieważ toluen łatwo odparowuje w temperaturze pokojowej.
    2. Zanurz podłoże w roztworze toluenu na około 3-4 godziny. Upewnij się, że warstwa protektorowa żywicy akrylowej jest wytrawiona, a struktura SU-8 ze strukturą siatki została uwolniona z podłoża, jak pokazano na Rysunek 3d.
    3. Wdmuchnij powietrze na podłoże i usuń wilgoć. Przechowywać go w eksykatorze do czasu użycia w kroku 4.3.

2. Przygotowanie filmu piezoelektrycznego

  1. Przygotuj arkusz PVDF. Przygotuj również nóż tnący z ostrzem ze stali nierdzewnej i matą do cięcia.
  2. Wytnij arkusz PVDF do kształtu urządzenia za pomocą arkusza 360 mm2 (10 mm x 30 mm dla wspornika i 6 mm x 10 mm dla podłączenia elektrycznego), jak pokazano na Rysunek 3a.
  3. Umieść pocięte folie PVDF na szalce Petriego za pomocą wycieraczki celulozowej. Przechowywać je w eksykatorze.

3. Przygotowanie podłoża do klejenia struktury siatki i folii piezoelektrycznej

  1. Wlać 10 ml głównego środka PDMS i 1 ml utwardzacza do probówki wirówkowej (tj. przybliżony stosunek objętości wynosi 10:1).
  2. Umieść probówkę wirówkową w planetarnej maszynie do mieszania i odpieniania i mieszaj oba roztwory przez 1 minutę.
  3. Przygotuj dwa podłoża szklane o wymiarach 30 mm x 40 mm.
  4. Umieścić szklane podłoże na stopniu utrwalającym w komorze wirowania. Upuść roztwór PDMS na szklane podłoże. Następnie uformuj folię PDMS przez powlekanie wirowe z prędkością 4,000 obr./min, jak pokazano na Rysunek 3e.
  5. Piecz podłoże na gorącej płycie w temperaturze 100 °C przez 60 minut, aby wysuszyć folię PDMS.
  6. Wyłącz zasilanie płyty grzejnej. Poczekaj, aż temperatura płyty grzejnej spadnie do około 40 °C.

4. Produkcja bimorficznego kombajnu do zbierania energii wibracyjnej

  1. Umieść pocięte folie PVDF jedna po drugiej na dwóch różnych podłożach PDMS, jak pokazano na Rysunek 3f. Upewnij się, że wystarczy umieścić folie PVDF na powierzchni PDMS, aby przylegały do siebie. Jeśli na foliach PVDF widoczne są zmarszczki, przedłuż je za pomocą wałka.
    UWAGA: Te dwie folie PVDF nazywane są PVDF flm1 i PVDF flm2, a dwa podłoża PDMS to PDMS sbs1 i PDMS sbs2, dla jasności.
  2. Upuść SU-8 3005 na PVDF flm1 umieszczony na PDMS sbs1. Następnie uformuj cienką warstwę SU-8 przez powlekanie wirowe z prędkością 4,000 obr./min, jak pokazano na Rysunek 3g.
    UWAGA: Ta cienka folia SU-8 staje się warstwą adhezyjną między strukturą siatki a PVDF flm1. Miejsce, w którym SU-8 3005 nie został upuszczony, służy do okablowania do pozyskiwania energii elektrycznej.
  3. Umieść strukturę siatki SU-8 na PVDF flm1 i połącz je, jak pokazano na Rysunek 3h.
  4. Upuść SU-8 3005 na PVDF flm2 umieszczony na PDMS sbs2. Następnie uformuj cienką warstwę SU-8 poprzez powlekanie wirowe z prędkością 4 000 obr./min w taki sam sposób, jak w kroku 4.2.
  5. Oderwij PVDF flm2 od PDMS sbs2, a następnie umieść na wierzchu struktury siatki SU-8 umieszczonej na PVDF flm1, przyklejając je, jak pokazano na rysunku 3i,j. Przechowuj urządzenie w stanie związanym w pojemniku o niskiej wilgotności, takim jak eksykator. Pozostaw na około 12 godzin.
  6. Umieść pęsetę na spodniej stronie najniższej warstwy PVDF flm1 i odklej jednocześnie od podłoża połączone 3 warstwy PVDF flm1, strukturę siatki SU-8 i PVDF flm2, jak pokazano na Rysunek 3k.

Wyniki

Wytworzyliśmy VEH typu bimorficznego, składający się z dwóch warstw folii PVDF oraz warstwy pośredniej w postaci struktury siatki z SU-8, jak pokazano na Rysunku 4. Elektrody górnego i dolnego PVDF są połączone szeregowo w celu uzyskania napięcia wyjściowego. Obraz optyczny oraz dwa obrazy SEM przedstawiają warstwy elastyczne o strukturze siatki. Na podstawie obrazów można stwierdzić, że warstwa elastyczna poddana jednostronnej ekspozycji pod kątem wykazuje drobne, trójwymiarowe wzory siatki bez błędów w procesie wywoływania.

Rysunek 5 przedstawia wyniki testów wibracyjnych. W testach wibracyjnych oceniono dwa urządzenia VEH — jedno z rdzeniem siatkowym, a drugie o strukturze rdzenia litego — pełniącymi rolę warstwy elastycznej, aby zweryfikować zasadność zastosowania VEH z rdzeniem typu siatkowego. Urządzenia VEH umieszczono na wstrząsarze i poddano wymuszeniu przyspieszeniem wibracyjnym 1.96 m/s2 (0.2 G). Zarówno VEH z rdzeniem siatkowym, jak i VEH z rdzeniem litym wykazały sinusoidalny sygnał wyjściowy zsynchronizowany z sinusoidalnym sygnałem wejściowym. VEH z rdzeniem siatkowym wykazał napięcie wyjściowe o 42.6% wyższe niż VEH z rdzeniem litym. Rysunek 5b przedstawia odpowiedź częstotliwościową maksymalnej mocy wyjściowej. VEH z rdzeniem siatkowym wykazał częstotliwość rezonansową 18.7 Hz, co jest wartością o 15.8% niższą niż w przypadku VEH z rdzeniem litym, oraz moc wyjściową 24.6 μW, co jest wartością o 68.5% wyższą niż w przypadku VEH z rdzeniem litym.

Schemat wzoru linii i odstępów dla struktury siatki, przedstawiający obszar zacisku i linie końcowe mocowania.
Rycina 1: Układ fotomaski do fotolitografii w celu wytworzenia warstwy elastycznej o strukturze rdzenia w formie trójwymiarowej siatki. Fotomaska składa się z dwóch części. Pierwszą jest obszar do zaciskania, a druga zawiera wzory linii i odstępów do formowania struktury siatki. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Proces fotolitografii UV; pokazuje podłoże na stole do regulacji kąta pod światłem UV, schemat.
Rycina 2: Układ do ekspozycji pod kątem. Światło UV jest kierowane pionowo na nachylone podłoże z wzorem z Cr umieszczonym na stole do regulacji kąta. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat montażu czujnika piezoelektrycznego przedstawiający strukturyzację siatki SU-8 i przygotowanie arkusza PVDF.
Rysunek 3: Schemat proponowanego piezoelektrycznego przetwornika energii wibracyjnej z trójwymiarową strukturą rdzenia w formie siatki oraz proces wytwarzania przetwornika. Proces wytwarzania można podzielić na 3 etapy: (a)-(d) przedstawiają proces wytwarzania trójwymiarowej struktury siatki, (e)-(g) przedstawiają przygotowanie filmu PVDF na podłożu szklanym, a (h)-(j) przedstawiają proces łączenia w celu utworzenia bimorficznego wspornika. (Rysunki te zostały opublikowane na zasadach złotego Otwartego Dostępu, zgodnie z licencją Creative Commons i zostały zmodyfikowane na podstawie [21].) Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wytworzone urządzenie i obrazy SEM przedstawiające interfejs polimer-elektroda oraz szczegóły mikrostruktury.
Rycina 4: (a) Fotografia wytworzonego bimorficznego przetwornika energii wibracyjnej z siatkowym rdzeniem, (b) optyczny obraz przekroju poprzecznego trójwymiarowej struktury siatkowego rdzenia, (c) i (d) obrazy SEM elastycznej warstwy siatkowego rdzenia z SU-8. (Ryciny te zostały opublikowane na zasadach złotego Otwartego Dostępu, na licencji Creative Commons i zostały zmodyfikowane na podstawie [21].) Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Analiza częstotliwości rezonansowej; wykres napięcia w funkcji czasu, wykres mocy w funkcji częstotliwości; rdzeń siatkowy vs rdzeń pełny.
Rysunek 5: (a) Sinusoidalne napięcie wyjściowe rezystancji obciążenia w każdym stanie rezonansu (rdzeń siatkowy 18,7 Hz, rdzeń pełny 22,2 Hz) oraz (b) Maksymalna moc wyjściowa jako funkcja częstotliwości drgań przy optymalnej rezystancji obciążenia (rdzeń siatkowy 17 MΩ, rdzeń pełny 13 MΩ) i przyspieszeniu 0,2 G. (Rysunki te zostały opublikowane w ramach złotego Otwartego Dostępu, na licencji Creative Commons i zostały zmodyfikowane na podstawie [21].) Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Dyskusja

Pomyślne wytworzenie struktury siatki 3D i proponowanego bimorficznego VEH opisanego powyżej opiera się na czterech krytycznych i charakterystycznych krokach.

Pierwszym krytycznym krokiem jest przetwarzanie przy użyciu ekspozycji nachylonej od tyłu. Zasadniczo możliwe jest wytworzenie struktury siatkowej poprzez nachylenie ekspozycji od górnej powierzchni przy użyciu techniki litografii kontaktowej. Jednak ekspozycja tylna zapewnia dokładniejszą precyzję obróbki niż litografia kontaktowa, a prawdopodobieństwo wystąpienia wad podczas wywoływaniajest mniejsze 28,29. Dzieje się tak, ponieważ szczelina między fotomaską a fotorezystem może powstać z powodu falistości powierzchni fotorezystu. W związku z tym następuje dyfrakcja światła, a precyzja obróbki jest obniżona z powodu szczeliny. Dlatego w tym badaniu wykonaliśmy strukturę siatki przy użyciu metody ekspozycji nachylonej od tyłu. Ponadto zmierzona wartość kąta konstrukcyjnego sfabrykowanej konstrukcji siatkowej wynosi około 65°, z błędem wynoszącym zaledwie 1% w porównaniu z wartością projektowaną wynoszącą 64°. Z wyniku wnioskujemy, że do wytworzenia struktury siatki należy zastosować metodę ekspozycji nachylonej od tyłu.

Drugim kluczowym krokiem jest proces rozwoju SU-8. Jeśli dojdzie do powstania wady, struktura siatki traci naturalną elastyczność. Do wywołania grubej warstwy SU-8 stosuje się zwykle 10-15 minut. Jednak ten czas rozwoju jest niewystarczający do opracowania struktury siatki 3D. Struktura siatki 3D różni się od wzoru 2D wykonanego za pomocą fotolitografii, ponieważ ma wiele wewnętrznych pustek wewnątrz membrany. Jeśli czas opracowywania jest krótki, rozwój nie postępuje do wnętrza struktury siatki, powodując niepowodzenie wzoru. Dlatego konieczne jest zastosowanie stosunkowo długiego czasu rozwoju, 20-30 min32. Jeśli wymagane są drobniejsze wzorce, może być konieczne jeszcze dłuższe czas opracowywania. Jednak w tym czasie musimy wziąć pod uwagę obrzęk spowodowany długim czasem rozwoju33.

Następnie, metoda wykorzystania podłoża uformowanego przez PDMS w procesie łączenia folii PVDF i struktury siatki SU-8 jest unikalna. Umożliwia to powlekanie wirowe, dzięki czemu PVDF i SU-8 można łatwo przykleić za pomocą cienkiej warstwy kleju SU-8 pokrytej spinowo. PVDF i SU-8 można łączyć, nawet przy użyciu dostępnego na rynku kleju błyskawicznego. Jednak materiał klejący twardnieje po zestaleniu kleju. Co więcej, trudno jest uformować cienką warstwę za pomocą kleju błyskawicznego. Jeśli grubość kleju błyskawicznego jest większa, zwiększy to sztywność całego urządzenia. Wzrost sztywności prowadzi do wzrostu częstotliwości rezonansowej (tj. zapobiega obniżeniu częstotliwości rezonansowej, co jest głównym celem tego badania). Z drugiej strony, zastosowanie cienkiej warstwy SU-8 utworzonej przez powlekanie wirowe jako warstwy adhezyjnej nie wpływa znacząco na wzrost sztywności, ponieważ uformowana folia SU-8 jest cienka. Ponadto, ponieważ struktura siatki jest wykonana z SU-8, możliwe jest zwiększenie siły klejenia poprzez zastosowanie tego samego materiału jako warstwy adhezyjnej. Dlatego przyczepność SU-8 ma wystarczającą siłę klejenia, aby połączyć strukturę siatki SU-8 i folie PVDF. Ponadto, z punktu widzenia powtarzalności urządzenia, przydatne byłoby zastosowanie cienkiej warstwy SU-8 jako warstwy adhezyjnej, ponieważ stała grubość warstwy może być uzyskana poprzez tworzenie powłoki wirowej.

Po czwarte, metoda powlekania SU-8 jest charakterystyczna. Dla grubej warstwy SU-8 wybraliśmy metodę natryskiwania wielowarstwowego. Chociaż możliwe jest utworzenie grubej warstwy przez powlekanie wirowe, występuje duża falistość powierzchni i trudno jest równomiernie pokryć folię34. Z drugiej strony, zastosowanie metody natryskiwania wielowarstwowego zmniejsza falistość i niweluje błąd grubości warstwy w podłożu34. Szczególnie należy zwrócić uwagę na dużą falistość, ponieważ gdy grubość struktury siatki 3D staje się niejednolita, charakterystyka drgań i sztywność urządzenia są zmieniane przez częściowo zwiększoną lub zmniejszoną grubość.

Zasadniczo, ponieważ fotolitografia wykorzystuje światło UV, możliwe do wytworzenia kształty są ograniczone. Prawdą jest, że możemy wytwarzać złożone konstrukcje, takie jak struktura siatki 3D, używając nachylonej ekspozycji. Jednak dowolne kształty, takie jak trójwymiarowa struktura z zakrzywionym kształtem w kierunku grubości warstwy, są trudne do uformowania35,36. Druk 3D może tworzyć dowolne trójwymiarowe kształty, a projekt jest elastyczny. Jednak przepustowość produkcji jest niska, a precyzja obróbki i masowa produkcja są gorsze od fotolitografii. W związku z tym nie nadaje się do wytwarzania konstrukcji z drobnymi wzorami w krótkim czasie. Ponadto konieczne jest przetwarzanie danych CAD 3D, a stworzenie modelu 3D wymaga czasu. Z kolei w przypadku fotolitografii, zwłaszcza w metodzie naświetlania pochyłego, dane CAD niezbędne dla fotomaski są dwuwymiarowe, a projekt stosunkowo łatwy. Na przykład zorientowany projekt struktury siatki 3D to tylko wzory linii i przestrzeni 2D, jak pokazano na rysunku 3. Biorąc pod uwagę te fakty, w tym badaniu wykorzystaliśmy technikę litografii 3D do opracowania elastycznej struktury siatki 3D.

W tym badaniu wyprodukowaliśmy elastyczną strukturę siatki 3D i zastosowaliśmy ją do elastycznej warstwy bimorficznego wspornika typu VEH w celu obniżenia częstotliwości rezonansowej i zwiększenia mocy wyjściowej. Ponieważ proponowana metoda jest przydatna w obniżaniu częstotliwości rezonansowej, będzie przydatna w przypadku kombajnów wibracyjnych przeznaczonych do zastosowań o niskiej częstotliwości, takich jak urządzenia do noszenia, czujniki monitorujące budynki użyteczności publicznej i mosty, urządzenia gospodarstwa domowego itp. Dalsza poprawa mocy wyjściowej byłaby oczekiwana poprzez połączenie kształtu trapezu, kształtu trójkąta i optymalizacji grubości, która jest wcześniej proponowana w innych pracach 37,38,39.

Oświadczenia

Nie mamy nic do ujawnienia.

Podziękowania

To badanie było częściowo wspierane przez JSPS Science Research Grant JP17H03196, JST PRESTO Grant Number JPMJPR15R3. Bardzo doceniane jest wsparcie ze strony MEXT Nanotechnology Platform Project (The University of Tokyo Microfabrication Platform) dla produkcji fotomaski.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
SU-8 3005Nihon KayakuNegatywny fotorezystor
KF Piezo FilmKurehaPiezoelektryczna folia PVDF, 40 mm
DC110-EX
Sprzęt do rozpylaniaCanon Anelva CorporationE-200S
PDMSDow Corning Toray Co. LtdSILPOT 184 W/CDimethylpolysiloxane
Powlekarka wirowaMIKASA Co., Ltd1H-DX2
Oscyloskop cyfrowyTeledyne LeCroy Japan CorporationWaveRunner 44Xi-A
SEMJEOL Ltd.JCM-5700LV
Mikroskop cyfrowyKeyence CorporationVHX-1000
Wytrząsarka wibracyjna IMV CORPORATION m030 / MA1 Wytrząsarka wibracyjna Powłoka natryskowa Nanometric Technology Inc.

Bibliografia

  1. Karim, F., Zeadally, S. Energy harvesting in wireless sensor networks A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 55, 1041-1054 (2016).
  2. Wei, C., Jing, X. A comprehensive review on vibration energy harvesting: Modelling and realization. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 74, 1-18 (2017).
  3. Priya, S., et al. A Review on Piezoelectric Energy Harvesting: Materials, Methods, and Circuits. Energy Harvesting and Systems. 4 (1), 3-39 (2017).
  4. Arroyo, E., Badel, A., Formosa, F., Wu, Y., Qiu, J. Comparison of electromagnetic and piezoelectric vibration energy harvesters: Model and experiments. Sensors and Actuators, A: Physical. 183, 148-156 (2012).
  5. Inoue, S., et al. A Fluidic Vibrational Energy Harvester for Implantable Medical Device Applications. IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines. 137 (6), 152-158 (2017).
  6. Sano, C., Mitsuya, H., Ono, S., Miwa, K., Toshiyoshi, H., Fujita, H. Triboelectric energy harvesting with surface-charge-fixed polymer based on ionic liquid. Science and Technology of Advanced Materials. 19 (1), 317-323 (2018).
  7. Tsutsumino, T., Suzuki, Y., Kasagi, N., Sakane, Y. Seismic Power Generator Using High-Performance Polymer Electret. Int. Conf. MEMS'06. 06, 98-101 (2006).
  8. Arakawa, Y., Suzuki, Y., Kasagi, N. Micro Seismic Power Generator Using Electret Polymer Film. The Fourth International Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications Power MEMS 2004. , 37-38 (2004).
  9. Kim, S. G., Priya, S., Kanno, I. Piezoelectric MEMS for energy harvesting. MRS Bulletin. 37 (11), 1039-1050 (2012).
  10. Rocha, J. G., Gonçalves, L. M., Rocha, P. F., Silva, M. P., Lanceros-Méndez, S. Energy harvesting from piezoelectric materials fully integrated in footwear. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 57 (3), 813-819 (2010).
  11. Chen, D., Chen, K., Brown, K., Hang, A., Zhang, J. X. J. Liquid-phase tuning of porous PVDF-TrFE film on flexible substrate for energy harvesting. Applied Physics Letters. 110, 153902(2017).
  12. Kim, H. S., Kim, J. H., Kim, J. A review of piezoelectric energy harvesting based on vibration. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 12 (6), 1129-1141 (2011).
  13. Aktakka, E. E., Peterson, R. L., Najafi, K. Thinned-PZT on SOI process and design optimization for piezoelectric inertial energy harvesting. Transducers'11. , 1649-1652 (2011).
  14. Xu, R., et al. Screen printed PZT/PZT thick film bimorph MEMS cantilever device for vibration energy harvesting. Sensors and Actuators, A: Physical. 188, 383-388 (2012).
  15. Shen, D., et al. Micromachined PZT cantilever based on SOI structure for low frequency vibration energy harvesting. Sensors and Actuators, A: Physical. 154 (1), 103-108 (2009).
  16. Bin Fang, H., et al. Fabrication and performance of MEMS-based piezoelectric power generator for vibration energy harvesting. Microelectronics Journal. 37 (11), 1280-1284 (2006).
  17. Lefeuvre, E., Badel, A., Richard, C., Petit, L., Guyomar, D. A comparison between several vibration-powered piezoelectric generators for standalone systems. Sensors and Actuators, A: Physical. 126 (2), 405-416 (2006).
  18. Ishida, K., et al. Insole pedometer with piezoelectric energy harvester and 2 v organic circuits. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 48 (1), 255-264 (2013).
  19. Qi, Y., Kim, J., Nguyen, T. D., Lisko, B., Purohit, P. K., Mcalpine, M. C. Enhanced Piezoelectricity and Stretchability in Energy Harvesting Devices Fabricated from Buckled PZT Ribbons. Nano Letters. 11 (3), 1331-1336 (2011).
  20. Dagdeviren, C., et al. Conformal piezoelectric systems for clinical and experimental characterization of soft tissue biomechanics. Nature Materials. 14 (7), 728-736 (2015).
  21. Tsukamoto, T., Umino, Y., Shiomi, S., Yamada, K., Suzuki, T. Bimorph piezoelectric vibration energy harvester with flexible 3D meshed-core structure for low frequency vibration. Science and Technology of Advanced Material. 19 (1), 660-668 (2018).
  22. Bayrashev, A., Parker, A., Robbins, W. P., Ziaie, B. Low frequency wireless powering of microsystems using piezoelectric-magnetostrictive laminate composites. TRANSDUCERS 2003 - 12th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Digest of Technical Papers. 2, 1707-1710 (2003).
  23. Yildirim, T., Ghayesh, M. H., Li, W., Alici, G. A review on performance enhancement techniques for ambient vibration energy harvesters. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 71, 435-449 (2017).
  24. Karami, M. A., Inman, D. J. Electromechanical modeling of the low-frequency zigzag micro-energy harvester. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 22 (3), 271-282 (2011).
  25. Liu, H., Lee, C., Kobayashi, T., Tay, C. J., Quan, C. Piezoelectric MEMS-based wideband energy harvesting systems using a frequency-up-conversion cantilever stopper. Sensors and Actuators, A: Physical. 186, 242-248 (2012).
  26. Ramadan, K. S., Sameoto, D., Evoy, S. A review of piezoelectric polymers as functional materials for electromechanical transducers. Smart Materials and Structures. 23 (3), 033001(2014).
  27. Sharma, T., Je, S. S., Gill, B., Zhang, J. X. J. Patterning piezoelectric thin film PVDF-TrFE based pressure sensor for catheter application. Sensors and Actuators, A: Physical. 177, 87-92 (2012).
  28. Lee, J. B., Choi, K. H., Yoo, K. Innovative SU-8 lithography techniques and their applications. Micromachines. 6 (1), 1-18 (2015).
  29. Kim, K., et al. A tapered hollow metallic microneedle array using backside exposure of SU-8. Journal of Micromechanics and Microengineering. 14 (4), 597-603 (2004).
  30. Vaezi, M., Seitz, H., Yang, S. A review on 3D micro-additive manufacturing technologies. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 67 (5-8), 1721-1754 (2013).
  31. Gates, B. D., Xu, Q., Stewart, M., Ryan, D., Willson, C. G., Whitesides, G. M. New approaches to nanofabrication: Molding, printing, and other techniques. Chemical Reviews. 105 (4), 1171-1196 (2005).
  32. Zhang, J., Tan, K. L., Gong, H. Q. Characterization of the polymerization of SU-8 photoresist and its applications in micro-electro-mechanical systems (MEMS). Polymer Testing. 20 (6), 693-701 (2001).
  33. Chuang, Y. J., Tseng, F. G., Lin, W. K. Reduction of diffraction effect of UV exposure on SU-8 negative thick photoresist by air gap elimination. Microsystem Technologies. 8 (4-5), 308-313 (2002).
  34. Akamatsu, M., Terao, K., Takao, H., Shimokawa, F., Oohira, F., Suzuki, T. Improvement of coating uniformity for thick photoresist using a partial spray coat. The 7th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (IEEE-NEMS2012). , W3P-33 (2012).
  35. Ingrole, A., Hao, A., Liang, R. Design and modeling of auxetic and hybrid honeycomb structures for in-plane property enhancement. Materials and Design. 117, 72-83 (2017).
  36. Schubert, C., Van Langeveld, M. C., Donoso, L. A. Innovations in 3D printing: A 3D overview from optics to organs. British Journal of Ophthalmology. 98 (2), 159-161 (2014).
  37. Muthalif, A. G. A., Nordin, N. H. D. Optimal piezoelectric beam shape for single and broadband vibration energy harvesting: Modeling, simulation and experimental results. Mechanical Systems and Signal Processing. 54, 417-426 (2015).
  38. Tai, W. C., Zuo, L. On optimization of energy harvesting from base-excited vibration. Journal of Sound and Vibration. 411, 47-59 (2017).
  39. Song, J., Zhao, G., Li, B., Wang, J. Design optimization of PVDF-based piezoelectric energy harvesters. Heliyon. 3 (9), e00377(2017).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Polimerowy przetwornik energii wibracyjnejstruktura 3D z siatkowym rdzeniemmetoda litografii 3Dredukcja cz stotliwo ci rezonansowejpoprawa mocy wyj ciowejrozpylanie magnetronowe RFproces powlekania wirowegostruktura siatki z SU 8wi zanie filmu PVDFzastosowania niskocz stotliwo ciowe
Piezoelektryczny kombajn wibracyjny na bazie polimerów ze strukturą 3D z rdzeniem siatkowym 3D
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.