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Engineering

Ein Polymer-basierten piezoelektrischen Schwingungen Energy Harvester mit eine 3D-Struktur Meshed-Core

Published: February 20, 2019 doi: 10.3791/59067
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1,2
1Gunma University, 2JST PRESTO

Summary

In dieser Studie wir eine flexible 3D Mesh-Struktur hergestellt und wendete sie auf die Elastikschicht bimorphe Cantilever-Typ Vibrationen Energy Harvester zum Zwecke der Senkung der Resonanzfrequenz und Erhöhung der Ausgangsleistung.

Abstract

In dieser Studie stellte wir eine flexible 3D Mesh-Struktur mit periodischen Hohlräume durch mit einer 3D Lithographie-Methode und Anwendung auf eine Schwingung Energie Erntemaschine zu senken Resonanz-Frequenz und Leistung zu erhöhen. Der Fertigungsprozess ist hauptsächlich in zwei Teile geteilt: dreidimensionale Photolithographie für die Verarbeitung eine 3D Mesh-Struktur und ein Bonding-Verfahren von piezoelektrischen Filmen und die Mesh-Struktur. Die fabrizierten flexible Netzstruktur haben wir die Verringerung der Resonanzfrequenz und Verbesserung der Leistung, gleichzeitig. Aus den Ergebnissen der Vibrationstests ausgestellt vernetzt-Kern-Typ Vibrationen Energy Harvester (VEH) 42,6 % höhere Ausgangsspannung als Solid-Core-Typ VEH. Darüber hinaus ergab die vernetzt-Kern-Typ VEH 18,7 Hz Resonanzfrequenz, 15,8 % niedriger als der Solid-Core-Typ VEH und 24,6 Wμ Ausgangsleistung, 68,5 % höher als der Solid-Core-Typ VEH. Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist, dass eine komplexe und flexible Struktur mit Hohlräumen in drei Dimensionen durch die geneigte Belichtungsmethode relativ leicht in kurzer Zeit hergestellt werden kann. Wie es möglich ist, die Resonanzfrequenz der VEH zu senken, indem die Mesh-Struktur, Verwendung in Niederfrequenz-Anwendungen, wie z. B. tragbare Geräte und Haushaltsgeräte, erwarten in der Zukunft.

Introduction

VEHs haben in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit als eine Stromversorgung von Sensorknoten für die Umsetzung von drahtlosen Sensornetzwerken und Internet der Dinge (IoT) Anwendungen1,2,3,4gezeichnet, 5,6,7,8. Unter mehreren Arten der Energieumwandlung in VEHs präsentiert piezoelektrischen Typkonvertierung hohe Ausgangsspannung. Diese Art der Konvertierung eignet sich auch zur Miniaturisierung aufgrund seiner hohen Affinität mit Mikromaterialbearbeitung Technologie. Aufgrund dieser attraktiven Features wurden viele piezoelektrischen VEHs mit piezoelektrischen keramischen Materialien und organischen Polymeren Materialien9,10,11,12entwickelt, 13.

In Keramik VEHs berichtet Cantilever-Typ VEHs mit Hochleistungs-piezoelektrischen Material PZT (Blei-Titanat-Zirconate) sind allgemein14,15,16,17,18und die VEHs oft verwenden Sie Resonanz, um hocheffiziente Stromerzeugung zu erhalten. Im Allgemeinen steigt die Resonanzfrequenz mit der Miniaturisierung von der Gerätegröße ist es schwierig, Miniaturisierung und niedrige Resonanzfrequenz gleichzeitig zu erreichen. So obwohl PZT Leistung high-power-Generation hat, ist es schwierig, kleine PZT-basierte Geräte, die in einer Niederfrequenz-Band ohne besondere Verarbeitung, z. B. Nanoribbon Baugruppen19,20, arbeiten zu entwickeln, weil PZT ist ein Material, hohe Steifigkeit. Leider sind unsere umliegenden Schwingungen wie Haushaltsgeräte, menschliche Bewegung, Gebäude und Brücken vor allem bei tiefen Frequenzen, weniger als 30 Hz21,22,23. Daher sind VEHs mit seiner high-power-Generation Wirkungsgrad bei niedrigen Frequenzen und die geringe Größe ideal für Niederfrequenz-Anwendungen.

Der einfachste Weg um die Resonanzfrequenz zu senken ist das Gewicht der Spitze des Nadelträgers erhöhen. Als Befestigung eine High-Density-Material an der Spitze ist alles, was erforderlich ist, die Herstellung ist einfach und leicht. Aber je schwerer die Masse ist, desto anfälliger wird das Gerät. Eine weitere Möglichkeit zur Senkung der Häufigkeit soll der Freischwinger24,25verlängern. Bei der Methode ist die Entfernung von festen Ende an das freie Ende durch eine zweidimensionale schlängelte Form erweitert. Die Silizium-Substrat wird geätzt mit einer Technik für die Halbleiterfertigung, um schlängelte Struktur zu fabrizieren. Obwohl die Methode zur Senkung der Resonanzfrequenz wirksam ist, der Bereich des piezoelektrischen Materials verringert und somit verringert sich die erhältlichen Ausgangsleistung. Darüber hinaus gibt es ein Nachteil, dass die Nähe des festen Endes zerbrechlich ist. Über einige Polymer Geräte, z. B. die Niederfrequenz-VEH wird flexible piezoelektrische Polymer PVDF häufig verwendet. PVDF ist in der Regel durch ein Spin-Coating-Verfahren beschichtet und der Film ist dünn, kann die Resonanzfrequenz aufgrund der geringen Steifigkeit26,27reduziert werden. Obwohl die Schichtdicke im Bereich von Sub-Mikrometer zu mehreren Mikrometern steuerbar ist, ist die erreichbare Ausgangsleistung wegen der dünnen Dicke klein. Daher, auch wenn die Häufigkeit verringert werden kann, erhalten wir kann nicht ausreichende Stromerzeugung und praktische Anwendung ist also schwierig.

Hier schlagen wir eine piezoelektrische Freischwinger bimorphe-Typ (bestehend aus zwei Schichten von piezoelektrischen Schichten und eine Schicht von Elastikschicht) mit zwei flexiblen piezoelektrischen Polymer-Blättern, die bereits zu stretching Behandlung zur Verbesserung unterzogen wurden der piezoelektrischen Eigenschaften. Darüber hinaus nehmen wir eine flexible 3D Mesh-Struktur in der Elastikschicht bimorphe Freischwinger zu reduzieren die Resonanzfrequenz und verbessern gleichzeitig die macht. Wir fertigen 3D Mesh-Struktur durch die Nutzung der Rückseite geneigte Belichtung Methode28,29 , weil es möglich ist, feine Muster mit hoher Präzision in kurzer Zeit herzustellen. Obwohl 3D-Druck auch ein Kandidat, 3D Mesh-Struktur zu fabrizieren, der Durchsatz ist niedrig, und der 3D-Drucker Photolithographie in der Zerspanung Genauigkeit30,31unterlegen ist. Daher wird in dieser Studie die Rückseite geneigt Belichtungsmethode als die Methode für die Mikromaterialbearbeitung 3D Mesh-Struktur übernommen.

Protocol

1. Herstellung von 3D Mesh-Struktur

  1. Reinigung von Glassubstrat
    1. Bereiten Sie 30 x 40 mm Glassubstrate.
    2. Bereiten Sie die Piranha-Lösung von strömenden 150 mL Schwefelsäure (Konzentration: 96 %) in das Glasgefäß. Fügen Sie dann sanft 50 mL Wasserstoffperoxid-Lösung (Konzentration: 30 %). Sicherstellen Sie, dass das Volumenverhältnis schweflige Säure: Wasserstoff Peroxid Wasser 3:1.
    3. Schutzbrille, Kleidung für Sicherheit beim Ausgießen der Lösungen.
    4. Ein Glassubstrat inmitten einer Teflon-Spannvorrichtung für die Reinigung. Dann tauchen sie in Piranha-Lösung für 1 min.
    5. Nach einem 1 min Wasserlagerung Piranha Lösung, spülen Sie die gewaschenen Glassubstrat 2-3 Mal mit reinem Wasser (Überlauf 2-3 Mal).
    6. Entfernen Sie die Wassertropfen auf dem Glassubstrat mit Blasluft.
  2. Strukturierung des Musters Cr Maske für die Rückseite Exposition auf einem Glassubstrat
    1. Legen Sie das Glassubstrat in einer Kammer mit einer RF (Radio-Frequency) Magnetron Sputtern Maschine. Legen Sie die HF-Leistung auf 250 W, die Strömungsgeschwindigkeit des Ar Gas bis 12 SCCM, der Kammerdruck auf 0,5 Pa und die Sputter Zeit, 11 min. Dann bilden Sie sich 100-200 nm Chrom Folie auf dem Glassubstrat durch RF-Magnetron-Sputtern.
      Hinweis: Die Dicke der Sputter Zeit steuert unter Berücksichtigung der Sputter Rate Zustand.
    2. Das Substrat auf einer Befestigung Bühne in einer Kammer Spin Coater eingestellt. Ein positiver Photoresist S1813 auf der Chrom-Film fallen und Mantel die 1-2 μm dünne Folie von Spin Coating bei 4.000 u/min für 30 s.
    3. Backen Sie das Fotolack beschichtete Substrat bei 115 ° C für 1 min auf einer heißen Platte zum Trocknen der Resist.
    4. Wenden Sie sich an einer Fotomaske und einem Fotolack beschichtete Substrat. UV-Licht vertikal auf der Fotomaske aussetzen. Sicherzustellen, dass die Strahlendosis 80 mJ/cm2, und die Wellenlänge 405 beträgt nm. Verwenden Sie die Fotomaske in Abbildung 1dargestellt.
    5. Bereiten Sie zwei 500 mL Becher. Gießen Sie dann 150 mL TMAH (Tetramethylammonium Hydroxid: 2,38 % Lösungsmittel: Wasser) Lösung in ein Becherglas und gießen Sie 150 mL Chrom Ätzmittel (Cerium(IV) Ammoniumnitrat: 16 %, Salpetersäure: 8 %) in den anderen Becher.
    6. Tauchen Sie das Substrat in 150 mL TMAH-Lösung und entwickeln den Fotolack für 30 s bis 1 Minute.
    7. Das Substrat mit reinem Wasser abspülen.
    8. Tauchen Sie das Substrat in der 150 mL Chrom Radierung Lösung und Ätzen Sie Chrom für ca. 1 bis 2 Minuten.
    9. Spülen Sie das Substrat mit reinem Wasser und entfernen Sie Wassertropfen mit Blasluft.
    10. Bereiten Sie Piranha Lösung durch strömenden 150 mL Schwefelsäure (Konzentration: 96 %) in das Glasgefäß. Fügen Sie dann sanft 50 mL Wasserstoffperoxid-Lösung (Konzentration: 30 %). Sicherstellen Sie, dass das Volumenverhältnis schweflige Säure: Wasserstoff Peroxid Wasser 3:1.
      Hinweis: Tragen Sie Schutzbrillen, Kleidung und Handschuhe für Sicherheit beim Ausgießen der Lösungen. Piranha-Lösung wird Aktivität nach einer Weile verlieren, so bereiten Sie jedes Mal.
    11. Legen Sie ein Glassubstrat auf eine Teflon-Spannvorrichtung für die Reinigung. Dann tauchen sie in die Piranha-Lösung für 15-30 s, den Fotolack entfernen.
  3. Vorbereitung für die Beschichtung von SU-8
    1. Das Substrat auf der Befestigung Bühne in der Spin Coater Kammer festgelegt. Fallen etwa 1 mL Acrylharz-Lösung (Konzentration: 10 %, Lösungsmittel: Toluol) Chrom Muster an das Substrat, eine vorgefertigte Struktur als eine Opferschicht freizugeben. Dann bilden einen dünnen Film von Spin Coating bei 2.000 u/min für 30 s.
    2. Bei 100 ° C für 10 min. backen.
  4. SU-8 Spritzen
    1. Starten Sie das Spray Coater und Aceton-Gemisch in die Spritze für die Reinigung.
    2. Reinigen Sie und entfernen Sie Rückstände im Inneren der Sprühdüse durch Aceton-Lösung besprühen.
      Hinweis: Wenn die Reinigung nicht ausreicht, führt zu Verstopfung zum Zeitpunkt der Spritzen. Wiederholen Sie diesen Schritt zweimal, um sorgfältig reinigen.
    3. Legen Sie das Substrat auf einer angeschlossenen Platte in einem Spray Coater.
    4. Decken Sie das Substrat mit einem Rand Deckel Rand Wulst zu verhindern.
    5. Gießen Sie die negative Photoresist SU-8 3005 in die Spritze.
    6. Legen Sie den Durchmesser der Düse 5 mm, die Düse Bewegungstempo um 120 mm/s, die Zerstäubung Druck 150 kPa, den Flüssigkeitsdruck zu 60 kPa, der Abstand zwischen Düse und Substrat bis 40 mm, Pitchabstand bis 3 mm und die Intervallzeit für jede Schicht bis 45 s. Spray SU-8 Multilayern auf dem Substrat. Wiederholen Sie die Beschichtung 10 Mal auf die gleiche Weise.
    7. Lassen Sie das Substrat für 5 min nach der Beschichtung stehen 10 Mal.
      Hinweis: Während der Standzeit der SU-8 Film ist gleichmäßig flach, und die Luftblasen während Spritzen gemischt werden freigesetzt.
    8. Auf einer heißen Platte bei 95 ° C für 60 min. backen.
    9. Messen Sie die Dicke von 10 Schichten von Mikrometer. Dann berechnen Sie die Dicke pro Schicht.
    10. Bestimmen Sie die verbleibende Anzahl der Wiederholungen für Spritzen aus den berechneten Schichtdicke pro Schicht. Dann sprühen Sie die Multilayer bilden eine dicke Folie um die Ziel-Schichtdicke zu erreichen. In dieser Studie werden 40 Schichten auf die 200 μm Dicke aufgetragen.
    11. Lassen Sie das Substrat für 5 min nach der mehrschichtigen Spritzen stehen.
    12. Auf einer heißen Platte bei 95 ° C für 240 min. backen.
    13. Lassen Sie die SU-8 beschichtete Substrat auf einer heißen Platte für 60 min. und dann kühlen Sie langsam auf Raumtemperatur ab.
  5. 3D mesh-Struktur zu bilden
    1. Legen Sie das Substrat auf einen Winkel Anpassung Tisch durch Umklappen das Substrat (z. B. SU-8 Film nach unten) wie in Abbildung 2dargestellt.
    2. Fixieren Sie der Rand des Substrats mit Klebeband.
    3. Der Kippwinkel des Tisches Anpassung auf 45°.
      Hinweis: 0° bedeutet, dass das Substrat im waagerechten Zustand befindet. Der Winkel zu diesem Zeitpunkt richtet sich nach Snell Gesetz, von dem Brechungsindex von Fotolack, der Brechungsindex der Luft berechnet. Durch Bestrahlung bei einem Einfallswinkel von 45° ist eine Mesh-Struktur mit einem Struktur-Winkel von 64 ° hergestellt.
    4. Legen Sie die Winkel-Anpassung-Tabelle unter der UV-Lichtquelle.
    5. Wenden Sie UV-Licht vertikal auf das Substrat eine Strahlendosis von 150 mJ/cm2 und einer Wellenlänge von 365 nm. Bringen Sie nach der Exposition den Winkel der Anpassung Tabelle auf 0° und 45 ° in der entgegengesetzten Richtung zu kippen. Gelten Sie UV-Licht vertikal in gleicher Weise.
      Hinweis: Abbildungen sind in Abbildung 3a, bangezeigt.
    6. Legen Sie das Substrat auf einer heißen Platte und die Temperatur auf 95 ° C für PEB (Post Exposure Bake). Backen Sie das Substrat für 8 min, nachdem die Temperatur 95 ° c wird
    7. Schalten Sie das Gerät von der heißen Platte. Warten Sie, bis die Temperatur der Heizplatte auf ca. 40 ° C sinkt.
    8. Gießen Sie 150 mL von SU-8 Entwickler in einen 500-mL-Becherglas. Das Substrat in einer Teflon-Spannvorrichtung für die Entwicklung gesetzt.
    9. Gießen Sie 150 mL Isopropanol (IPA) in einem anderen 500 mL-Becherglas.
    10. Für etwa 20 bis 30 min. Stellen Sie sicher, dass wenn die Entwicklungszeit nicht ausreicht, es zu unzureichender Eröffnung des Mesh Hohlräume führt entwickeln.
    11. Tauchen Sie das Substrat mit Jig in IPA und spülen Sie 2 min. lang.
      Hinweis: Wenn die Oberfläche des SU-8 offenbar weiß und schlammig ist, bedeutet dies, dass Entwicklung nicht ausreicht. In diesem Fall wiederholen Sie Entwicklung und wieder ausspülen. Nach der vollständigen Entwicklung wird eine Mesh-Struktur gebildet, wie in Abbildung 3 cgezeigt.
  6. Struktur-Freisetzung aus dem Glassubstrat
    1. Gießen Sie 150 mL Toluol-Lösung in einen 500-mL-Becherglas. Decken Sie das Becherglas mit Alufolie ab, da Toluol leicht bei Raumtemperatur verdunsten kann.
    2. Tauchen Sie das Substrat in Toluol Lösung für ca. 3-4 h. Achten Sie darauf, das die Opferschicht aus Acrylharz geätzt und die SU-8-Struktur mit der Mesh-Struktur wird vom Substrat, wie in Abbildung 3dgezeigt.
    3. Luft auf das Substrat und Feuchtigkeit zu entfernen. Bewahren Sie es in den Exsikkator gestellt, bis es in Schritt 4.3 verwendet wird.

2. Vorbereitung des piezoelektrischen film

  1. Bereiten Sie eine PVDF. Darüber hinaus bereiten Sie eine Cuttermesser mit einer Klinge aus rostfreiem Stahl und Schneidematte.
  2. Ausschneiden der PVDF-Blatt der Gerät-Form mit einem 360 mm2 Blatt (10 x 30 mm für Freischwinger und 6 x 10 mm für den elektrischen Anschluss), wie in Abbildung 3agezeigt.
  3. Legen Sie die geschnittenen PVDF-Filme auf eine Petrischale mit ein Zellulose-Abstreifer. Speichern Sie sie in den Exsikkator gestellt.

3. Vorbereitung des Untergrunds zum Verkleben von Mesh-Struktur und piezoelektrische film

  1. Gießen Sie 10 mL der Hauptwirkstoff des PDMS und 1 mL Härtemittel in ein Zentrifugenröhrchen (d. h. ist das ungefähre Volumen-Verhältnis 10:1).
  2. Inmitten Sie die Zentrifugenröhrchen einer planetarischen rühren und Entschäumung Maschine und mischen Sie beide Lösungen für 1 min.
  3. Bereiten Sie zwei 30 mm x 40 mm Glassubstrate.
  4. Der Spin Coater Kammer inmitten Sie das Glassubstrat auf einer Befestigung Bühne. Drop PDMS Lösung auf dem Glassubstrat. Dann bilden Sie die PDMS Film durch Spin-Coating bei 4.000 u/min, wie in Abbildung 3egezeigt.
  5. Backen Sie das Substrat auf einer heißen Platte bei 100 ° C für 60 min. Trocknen den PDMS-Film.
  6. Schalten Sie das Gerät von der heißen Platte. Warten Sie, bis die Temperatur der Heizplatte auf ca. 40 ° C sinkt.

4. Herstellung von bimorphe Vibrationen Energy harvester

  1. Legen Sie die geschnittenen PVDF Filme eins nach dem anderen auf zwei verschiedenen PDMS-Substraten, wie in Abbildung 3fgezeigt. Stellen Sie sicher, dass nur indem PVDF-Filme auf der Oberfläche des PDMS, sie aneinander haften. Wenn Falten auf der PVDF-Filmen zu sehen sind, erweitern sie mit einer Walze.
    Hinweis: Diese beiden PVDF-Filme heißen PVDF flm1 und PVDF flm2und die zwei PDMS-Substrate sind PDMS sbs1 und PDMS sbs2, aus Gründen der Übersichtlichkeit.
  2. Fallen Sie SU-8 3005 auf PVDF flm1 gebrachten PDMS sbs1. Dann, in Form der SU-8 dünne Film von Spin Coating bei 4.000 u/min, wie in Abbildung 3 ggezeigt.
    Hinweis: Diese SU-8 dünne Folie wird eine Haftung-Schicht zwischen der Netzstruktur und PVDF flm1. Der Ort, wo die SU-8 3005 nicht fiel, dient zur Verdrahtung, um elektrische Leistung zu erwerben.
  3. Die SU-8-Mesh-Struktur auf PVDF flm1 und binden sie wie in Abbildung 3 h.
  4. Fallen Sie SU-8 3005 auf PVDF flm2 gebrachten PDMS sbs2. Dann, in Form der SU-8 dünne Film von Spin Coating bei 4.000 u/min in der gleichen Weise wie Schritt 4.2.
  5. PVDF-flm2 von PDMS sbs2 ziehen Sie ab und dann legen Sie auf die SU-8-Mesh-Struktur auf PVDF flm1, haften sie, wie in Abbildung 3i, jplatziert. Lagern Sie das Gerät mit dem gebundenen Zustand in einen Behälter mit niedriger Luftfeuchtigkeit wie Exsikkator. Lassen Sie es für ca. 12 h.
  6. Geklebte 3 Schichten PVDF-flm1der Pinzette in die Unterseite des untersten Schicht PVDF flm1 und Peel abschrecken, SU-8 mesh-Struktur und PVDF flm2 gleichzeitig vom Substrat, wie in Abbildung 3 kdargestellt.

Representative Results

Wir fabrizierten ein bimorphe-Typ VEH bestehend aus zwei Schichten von PVDF-Filmen und einer Zwischenschicht eine SU-8-Mesh-Struktur, bestehend aus wie in Abbildung 4dargestellt. Die Elektroden des oberen und unteren PVDF sind in Reihe, Ausgangsspannung zu erhalten verbunden. Das optische Bild und die beiden SEM Bilder sind Elastikschichten mit einem Mesh-Struktur. Nach den Bildern scheint die Elastikschicht verarbeitet durch die Rückseite geneigte Belichtung feine 3D mesh-Muster Entwicklung störungsfrei.

Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse der Vibrationstests. In den Vibrationstests, zwei VEHs — eins mit einem engmaschigen Kern und das andere mit einer Solid-Core-Struktur – als die Elastikschicht werden ausgewertet, um die Gültigkeit vernetzt-Kern-Typ VEH. Die VEHs sind auf Vibration Shaker und begeistert mit einer Vibration Beschleunigung von 1,96 m/s2 (0,2 G). Das vernetzt-Kern-Typ und Solid-Core-Typ VEHs zeigte sinusförmigen Ausgang mit einem sinusförmigen Eingang synchronisiert. Vernetzt-Kern-Typ VEH stellte eine Ausgangsspannung von 42,6 % höhere als der Solid-Core-Typ VEH. Abbildung 5 b zeigt den Frequenzgang der maximalen Ausgangsleistung. Vernetzt-Kern-Typ VEH stellte eine Resonanzfrequenz von 18,7 Hz, die 15,8 % niedriger als der Solid-Core-Typ VEH und eine Ausgangsleistung von 24,6 Wμ, d. h. 68,5 % höher als der Solid-Core-Typ VEH.

Figure 1
Abbildung 1: Fotomaske Layout für Photolithographie, elastische Schicht mit einer 3D vernetzt-Kern-Struktur zu fabrizieren. Die Fotomaske besteht aus zwei Teilen. Einer ist der Bereich zum Spannen, und zum anderen enthält die Zeile und Raum Muster für Mesh-Struktur Musterung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Aufbau für geneigte Belichtung. UV-Licht ausgesetzt ist vertikal auf dem geneigten Untergrund mit einem Cr-Muster auf Winkel Anpassung Tisch platziert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: Schematische der vorgeschlagenen piezoelektrischen Schwingungen Energy Harvester mit 3D Struktur vernetzt-Kern und den Fertigungsprozess des Harvesters. Der Fertigungsprozess kann in 3 Abschnitte unterteilt werden: (ein)-(d) repräsentieren den Fertigungsprozess des 3D Mesh-Struktur, (e)-(g) repräsentieren die Vorbereitung der PVDF-Film auf einem Glassubstrat und (h)-(j ) repräsentieren das Klebeverfahren bimorphe Freischwinger zu bilden. (Diese Daten werden veröffentlicht unter Gold Open Access, Creative Commons Lizenz und wurden aus [21] geändert.) Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4: (a) Foto von der vorgefertigten bimorphe vernetzt-Kern Vibration Energie Harvester, (b) Cross-sectional optisches Bild von der 3D vernetzt Kernstruktur (c) und (d) SEM Bilder von SU-8 vernetzt-elastische Kernschicht. (Diese Daten werden veröffentlicht unter Gold Open Access, Creative Commons Lizenz und wurden aus [21] geändert.) Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5: (a) sinusförmige Ausgangsspannung des Lastwiderstandes unter jeder Resonanzbedingung (18,7 Hz vernetzt-Kern, Solid-Core 22,2 Hz) und (b) maximale Ausgangsleistung als Funktion der Frequenz der Schwingung unter optimaler Lastwiderstand (vernetzt-Kern 17 MΩ, Solid-Core 13 MΩ) und 0,2 G Beschleunigung. (Diese Daten werden veröffentlicht unter Gold Open Access, Creative Commons Lizenz und wurden aus [21] geändert.) Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Discussion

Die erfolgreiche Herstellung von 3D Mesh-Struktur und die vorgeschlagenen bimorphe VEH oben beschriebenen basiert auf vier kritische und unverwechselbare Schritte.

Der erste wichtige Schritt ist die Verarbeitung mit Rückseite geneigte Belichtung. Im Prinzip ist es möglich, eine Mesh-Struktur durch die geneigte Exposition von der oberen Oberfläche mit der Kontakt Lithographie-Technik zu fabrizieren. Jedoch Rückseite Ausstellung stellt eine genauere Bearbeitung Präzision als Kontakt Lithographie und Mängel während der Entwicklung sind weniger wahrscheinlich,28,29auftreten. Und zwar deshalb, weil die Lücke zwischen der Fotomaske und den Fotolack aufgrund der Welligkeit der Fotolack Oberfläche entstehen könnten. Daher Lichtbeugung auftritt und Verarbeitung von Präzision sinkt aufgrund der Lücke. In dieser Studie hergestellt wir daher eine Mesh-Struktur mit der Rückseite geneigt Belichtungsmethode. Darüber hinaus ist der gemessene Wert der strukturellen Winkel von vorgefertigten Mesh-Struktur ca. 65°, mit nur 1 % Fehler im Vergleich zu den gestalteten Wert von 64 °. Aus dem Ergebnis schließen wir, dass es angemessen ist, gelten die Rückseite geneigt Belichtungsmethode um die Mesh-Struktur zu fabrizieren.

Der zweite wichtige Schritt ist der Entwicklungsprozess von SU-8. Wenn eine sich entwickelnde Auftritt defekt, die Netzstruktur Flexibilität verliert. Für die Entwicklung der SU-8-Dickschicht dient in der Regel 10-15 Minuten. Diese Entwicklungszeit reicht jedoch für die Entwicklung einer 3D Mesh-Struktur. 3D Mesh-Struktur unterscheidet sich von der 2D Muster von Photolithographie hergestellt, weil es viele interne Hohlräume innerhalb der Membran hat. Wenn die Entwicklungszeit kurz ist, Entwicklung nicht in das Innere der Netzstruktur, Musterung Störung verursacht Fortschritt. Das ist warum, ist es notwendig, eine relativ lange Entwicklungszeit, 20-30 min32. Wenn feinere Muster erforderlich sind, kann noch mehr Entwicklungszeit erforderlich sein. Wir müssen jedoch zu diesem Zeitpunkt die Schwellung verursacht durch lange Entwicklung Zeit33zu betrachten.

Als nächstes ist die Methode, PDMS gebildet Substrat in der Klebevorgang PVDF Film und SU-8-Mesh-Struktur zu nutzen einzigartig. Spin-Beschichtung ermöglicht und infolgedessen, PVDF und SU-8 eingehalten werden können leicht mit einer Spin-beschichtete SU-8 dünne Kleberschicht. PVDF und SU-8 kann verklebt werden, auch unter Verwendung eines handelsüblichen Sekundenkleber. Der Klebstoff härtet jedoch nachdem der Klebstoff verfestigt wird. Darüber hinaus ist es schwierig, einen dünnen Film mit dem Sekundenkleber zu bilden. Wenn die Dicke der Sekundenkleber größer ist, erhöht sich die Steifigkeit des gesamten Geräts. Eine Erhöhung der Steifigkeit führt zu einer Erhöhung der Resonanzfrequenz (d.h., es verhindert Absenken der Resonanzfrequenz, ist der Hauptzweck dieser Studie). Auf der anderen Seite mit Hilfe der SU-8 Dünnschicht gebildet durch Spin-Beschichtung wie eine Adhäsion Schicht nicht stark die Erhöhung der Steifigkeit auswirkt weil die gebildete SU-8 Film dünn ist. Darüber hinaus die Mesh-Struktur von SU-8 durchgeführt wird, ist es möglich, die Haftfestigkeit zu erhöhen, indem das gleiche Material für die Adhäsion Schicht. Deshalb die SU-8 Haftung hat genügend Klebekraft, eine SU-8-Mesh-Struktur und PVDF Filme zu verbinden. Darüber hinaus unter dem Aspekt der Reproduzierbarkeit des Geräts wäre es sinnvoll, die SU-8-Dünnschicht als Adhäsion Schicht, zu verwenden wie eine konstanter Schichtdicke von Spin coating Filmbildung realisiert werden kann.

Viertens, zeichnet sich das Beschichtungsverfahren von SU-8. Wir haben eine mehrschichtige Beschichtung Sprühverfahren für die SU-8 dicke Folie ausgewählt. Es ist, zwar möglich, eine dicke Folie durch Spin-Coating bilden große Welligkeit der Oberfläche tritt, und es ist schwierig, den Film gleichmäßig beschichten34. Auf der anderen Seite mit der Spray-Multi-Coating-Verfahren reduziert die Welligkeit und unterdrückt den Fehler der Schichtdicke in der Substrat-34. Aufmerksamkeit muss insbesondere große Welligkeit gegeben werden, da wird die Dicke der 3D Mesh-Struktur uneinheitliche, Schwingungsverhalten und Steifigkeit des Gerätes wird durch die teilweise erhöhte oder verringerte Dicke geändert.

Im Prinzip wie Photolithographie UV-Licht verwendet, sind die fabricable Formen beschränkt. Es ist wahr, dass wir komplexe Strukturen wie ein 3D Mesh-Struktur mithilfe von geneigten Exposition fabrizieren kann. Beliebige Formen wie eine dreidimensionale Struktur mit einer gebogenen Form in Dickenrichtung Film sind jedoch schwierig,35,36bilden. Der 3D-Druck kann beliebige dreidimensionale Formen zu produzieren, und das Design ist flexibel. Jedoch der Durchsatz der Fabrikation ist gering, und die Präzision der Verarbeitung und Massenproduktion sind schlechter als Photolithographie. So ist es nicht geeignet für die Herstellung von Strukturen mit feinen Mustern in kurzer Zeit. Darüber hinaus Verarbeitung von 3D CAD-Daten ist notwendig, und es braucht Zeit, um das 3D-Modell zu erstellen. Auf der anderen Seite bei Photolithographie, insbesondere die geneigten Belichtungsmethode die CAD Daten für die Fotomaske ist zweidimensional, und das Design ist relativ einfach. Zum Beispiel ist das orientierte Design für ein 3D Mesh-Struktur nur die 2D Linie und Raum Muster, wie in Abbildung 3dargestellt. In Anbetracht dieser Tatsachen in dieser Forschung genutzt wir die 3D Lithographie-Technik, um eine flexible 3D Mesh-Struktur zu entwickeln.

In dieser Studie wir eine flexible 3D Mesh-Struktur hergestellt und auf der Elastikschicht bimorphe Freischwinger Typ VEH zum Zwecke der Senkung Resonanzfrequenz und zunehmende Ausgangsleistung angewendet. Da die vorgeschlagene Methode nützlich ist bei der Senkung der Resonanzfrequenz, ist es für Vibrationen Energie Erntemaschine für Niederfrequenz-Anwendung wie z. B. tragbare Geräte gezielt überwachen Sensoren für öffentliche Gebäude und Brücke, Haushaltsgeräte, etc. nützlich. Weitere Verbesserung der Leistung dürften durch die Kombination der Trapezform, Dreiecksform und Dicke Optimierung, die zuvor in anderen Papieren37,38,39vorgeschlagen wird.

Disclosures

Wir haben nichts zu veröffentlichen.

Acknowledgments

Diese Forschung wurde teilweise von JSPS Science Research Grant JP17H03196, JST PRESTO Grant Nummer JPMJPR15R3 unterstützt. Die Unterstützung von MEXT Nanotechnologie Plattform Projekt (The University of Tokyo Microfabrication Plattform) zur Herstellung der Fotomaske wird sehr geschätzt.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
SU-8 3005 Nihon Kayaku Negative photoresist
KF Piezo Film Kureha Piezoelectric PVDF film, 40 mm
Vibration Shaker IMV CORPORATION m030/MA1 Vibration Shaker
Spray coater Nanometric Technology Inc. DC110-EX
Sputtering equipment Canon Anelva Corporation E-200S
PDMS Dow Corning Toray Co. Ltd SILPOT 184 W/C Dimethylpolysiloxane
Spin coater MIKASA Co. Ltd 1H-DX2
Digital oscilloscope Teledyne LeCroy Japan Corporation WaveRunner 44Xi-A
SEM JEOL Ltd. JCM-5700LV
Digital microscope Keyence Corporation VHX-1000

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Tsukamoto, T., Umino, Y., Hashikura, K., Shiomi, S., Yamada, K., Suzuki, T. A Polymer-based Piezoelectric Vibration Energy Harvester with a 3D Meshed-Core Structure. J. Vis. Exp. (144), e59067, doi:10.3791/59067 (2019).

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