Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

המקצרה אנרגיה רטט פיזואלקטריים מבוסס פולימר עם מבנה Meshed-Core 3D

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

Summary

במחקר זה, אנו מפוברק מבנה גמיש תלת-ממדית, להחיל אותו על השכבה אלסטי של קומביין אנרגיה bimorph רטט זיז-type לצורך הורדת תדר תהודה והגברת הספק.

Abstract

במחקר זה, אנחנו מפוברק מבנה גמיש תלת-ממדית עם חללים תקופתיים באמצעות שיטה ליתוגרפיה 3D ו החלתה קומביין אנרגיה רטט תדר תהודה ולהגדיל את הספק. תהליך ייצור בעיקר מחולק לשני חלקים: פוטוליתוגרפיה תלת מימדי לעיבוד מבנה תלת-ממדית, ואת תהליך התקשרות של סרטים פיזואלקטריים המבנה רשת. בעזרת רשת גמיש מפוברק המבנה, השגנו ההפחתה של תדר תהודה ושיפור כוח פלט, בו זמנית. את התוצאות של הבדיקות רטט, הכריה אנרגיה מרושת-core-type רטט (VEH) הציג 42.6% מתח יציאה גבוהה יותר מאשר VEH מוצק-core-type. בנוסף, VEH מרושת-core-type הניב 18.7 הרץ של תדר תהודה, 15.8% נמוך יותר VEH מוצק-core-type, ו- 24.6 μW של פלט חשמל, 68.5% גבוה יותר מאשר VEH מוצק-core-type. היתרון של השיטה המוצעת היא כי מבנה מורכב וגמיש עם חללים בשלושה ממדים יכול להיות בקלות יחסית מפוברק תוך זמן קצר על ידי שיטת החשיפה נוטה. ככל האפשר את תדר התהודה של VEH על ידי המבנה של רשת השינוי, להשתמש ביישומים בתדר נמוך, כגון מכשירים שכאלו, מכשירי הבית, צפוי בעתיד.

Introduction

בשנים האחרונות, VEHs נמשכים תשומת לב רבה בתור אספקת חשמל של חיישן צמתים עבור יישום רשתות סנסורים אלחוטית לאינטרנט של דברים (הרבה) יישומים1,2,3,4, 5,-6,-7,-8. בין מספר סוגים של המרת אנרגיה ב- VEHs, מציג פיזואלקטריים מסוג המרת מתח גבוה. סוג זה של ההמרה מתאים גם המזעור בגלל שלו זיקה גבוהה עם טכנולוגיית לעבד. בגלל תכונות אלה אטרקטיבי, רבים VEHs פיזואלקטריים אלו פותחו חומרים קרמיים פיזואלקטריים, פולימרים אורגניים חומרים9,10,11,12, 13.

VEHs קרמיקה, VEHs זיז-סוג החומר פיזואלקטריים ביצועים גבוהים PZT (עופרת חומצה טיטנית zirconate) הם נרחב באמצעות דיווח14,15,16,17,18, ו VEHs לעיתים קרובות השתמש תהודה להשגת יעילות גבוהה שמלאי. באופן כללי, תדר תהודה גודלת עם המזעור של גודל המכשיר, קשה להשיג המזעור ותדירות נמוכה-תהודה בו זמנית. למרות PZT יש ביצועי גבוה-power-הדור, לכן קשה לפתח קטן בגודל PZT מכשירים מבוססי עובדים בלהקה בתדר נמוך ללא עיבוד מיוחד, כגון nanoribbon הרכבות19,20, כי PZT הינו חומר גבוהה-קשיחות. למרבה הצער, התזוזות שמסביב שלנו כגון מכשירי חשמל, תנועה אנושית, בניינים, גשרים הם בעיקר בתדרים נמוכים, פחות מ- 30 הרץ21,22,23. לכן, VEHs עם יעילות גבוהה power מהדור שלה תדרים נמוכים, גודל קטן הינם אידיאליים עבור היישומים בתדר נמוך.

הדרך הקלה ביותר את תדר התהודה היא להגדיל את המשקל מסה של קצה הזיז. כמו הצמדת חומר בעל צפיפות הטיפ הוא כל זה נדרש, הזיוף היא פשוטה וקלה. עם זאת, הוא המסה כבדים יותר, הופך המכשיר יותר שביר. דרך נוספת להורדת התדירות היא להאריך זיז24,25. בשיטה שלו, המרחק מהקצה קבוע עד הסוף חינם נמתח meandered צורה דו-ממדית. המצע סיליקון חרוטה באמצעות מוליך למחצה טכניקת הייצור כדי לפברק מבנה meandered. למרות השיטה יעילה להורדת תדר תהודה, מקטין האזור של החומר פיזואלקטריים ו, לכן, מקטין הכוח פלט השגה. בנוסף, יש חיסרון כי בסביבה של הסוף קבוע הוא שביר. לגבי בהתקנים פולימר, כגון VEH תדירות נמוכה, פולימר גמיש פיזואלקטריים PVDF משמש לעיתים קרובות. ככל PVDF בדרך כלל מצופה בשיטה ספין-ציפוי הסרט הוא דק, ניתן לצמצם את תדר תהודה בגלל קשיחות נמוכה26,27. עובי הסרט אמנם לשליטה בטווח של תת מיקרון עד מספר מיקרונים, הכוח פלט בר-השגה הוא קטן בגלל העובי הדק. לכן, גם אם ניתן להפחית את התדירות, אנו לא יכולים להשיג מספיק ייצור חשמל, אז, היישום המעשי הוא קשה.

כאן, אנו מציעים bimorph-סוג פיזואלקטריים זיז (המורכב משתי שכבות של פיזואלקטריים שכבות, שכבה אחת של שכבת אלסטי) עם שני גיליונות פולימר פיזואלקטריים גמיש, אשר כבר היה נתון כדי למתוח טיפול לשיפור פיזואלקטריים המאפיינים. יתר על כן, אנו לאמץ מבנה גמיש תלת-ממדית בשכבה גמישה של הזיז bimorph כדי להפחית את התדירות תהודה ולשפר את הכוח בו זמנית. אנחנו לפברק את מבנה תלת-ממדית על-ידי ניצול28,29 שיטת החשיפה הישבן נוטה כי אפשר ליצור דפוסים בסדר עם דיוק גבוהה בזמן קצר. למרות הדפסת תלת-ממד הוא גם מועמד ליצור מבנה תלת-ממדית, התפוקה נמוכה, במדפסת תלת-ממד הוא נחות פוטוליתוגרפיה בעיבוד שבבי דיוק30,31. לפיכך, במחקר זה, שיטת החשיפה הישבן נוטה מאומץ כי השיטה עבור מבנה רשת לעבד 3D.

Protocol

1. ייצור של מבנה תלת-ממדית

  1. ניקוי של המצע זכוכית
    1. הכנת 30 מ"מ x 40 מ"מ זכוכית סובסטרטים.
    2. הכן את הפתרון פיראניה על ידי שפיכת 150 מ ל חומצה גופרתית (ריכוז: 96%) לתוך כוס זכוכית. ואז בעדינות מוסיפים 50 מ של מימן על-חמצני פתרון (ריכוז: 30%). ודא כי היחס בין נפח של מים חמצן חומצה גופרתית: מימן הוא 3:1.
    3. ללבוש משקפי מגן וביגוד לבטיחות בעת המזיגה הפתרונות.
    4. להגדיר מצע זכוכית ג'יג טפלון לניקוי. ואז לטבול אותו פיראניה פתרון 1 דקות.
    5. לאחר טבילה 1 דקות בתמיסה פיראניה, לשטוף את המצע זכוכית שטף 2 - 3 פעמים עם מים טהורים (גלישה 2 - 3 פעמים).
    6. הסר את טיפות מים על המצע זכוכית במכה אוויר.
  2. תכנים של התבנית מסכת Cr לחשיפה הישבן על מצע זכוכית
    1. הגדר את המצע זכוכית בחדר של מכונה המלהגים מגנטרון RF (תדר רדיו). הגדר את הכוח RF 250 W, קצב הזרימה של גז Ar 12 SCCM, קאמרית הלחץ 0.5 הרשות הפלסטינית, ואת הזמן המלהגים על 11 דקות. ואז טופס 100-200 ננומטר של כרום סרט על המצע זכוכית על-ידי RF מגנטרון התזה.
      הערה: העובי נשלטת על ידי הזמן המלהגים, לוקח בחשבון את התנאי קצב המלהגים.
    2. הגדר את המצע על הבמה תיקון בתוך תא ספין-coater. ירידה של photoresist חיובי S1813 על הסרט כרום, מעיל סרט דק μm של 1-2 על ידי ציפוי ספין ב- 4,000 סל ד ל 30 s.
    3. אופים את המצע מצופים photoresist ב 115 מעלות צלזיוס במשך 1 דקה על פלטה חמה כדי לנגב את להתנגד.
    4. פנה photomask של מצע מצופים photoresist. לחשוף אור אנכית כדי photomask UV. להבטיח מינון החשיפה היא mJ/cm 802אורך הגל הוא 405 ננומטר. השתמש את photomask המוצגת באיור1.
    5. להכין שני בקבוקונים 500 מ"ל. ואז לשפוך 150 מ ל TMAH (Tetramethylammonium הידרוקסיד: 2.38%, הממס: מים) פתרון לתוך גביע אחד מזוג 150 מ ל כרום etchant (מלחת Cerium(IV): 16%, חומצה חנקתית: 8%) לתוך כשהספל אחרים.
    6. לטבול את המצע ב 150 מ ל TMAH פתרון ולפתח את photoresist ל 30 s כדי 1 דקות.
    7. יש לשטוף את המצע עם מים טהורים.
    8. לטבול את המצע ב 150 מ ל כרום תצריב פתרון, לחרוט כרום למשך כ- 1 עד 2 דקות.
    9. לשטוף את המצע מים זכים ולהסיר טיפות מים במכה אוויר.
    10. הכן פיראניה פתרון על ידי שפיכת 150 מ ל חומצה גופרתית (ריכוז: 96%) לתוך כוס זכוכית. ואז בעדינות מוסיפים 50 מ של מימן על-חמצני פתרון (ריכוז: 30%). ודא כי היחס בין נפח של מים חמצן חומצה גופרתית: מימן הוא 3:1.
      הערה: ללבוש משקפי מגן, ביגוד, כפפות בטיחות בעת המזיגה הפתרונות. פיראניה הפתרון לאבד את הפעילות לאחר זמן מה, אז להכין בכל פעם.
    11. מניחים מצע זכוכית על ג'יג טפלון לניקוי. לאחר מכן, לטבול אותו הפתרון פיראניה עבור 15-30 s כדי להסיר את photoresist.
  3. הכנה לציפוי SU-8
    1. הגדר את המצע על הבמה תיקון בבית הבליעה ספין-coater. ירידה בערך 1 מ"ל של פתרון שרף אקרילי (ריכוז: 10%, הממס: טולואן) בצד דפוס כרום של המצע לשחרר את מבנה מפוברק כשכבה ההקרבה. לאחר מכן, יוצרים סרט דק על ידי ציפוי ספין-2,000 סל ד ל 30 s.
    2. לאפות בתנור בחום של 100 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות.
  4. SU-8 תרסיס ציפוי
    1. לשגר את coater ספריי ויוצקים פתרון אצטון לתוך המזרק לניקוי.
    2. לנקות ולהסיר שאריות בתוך הזרבובית ע י ריסוס פתרון אצטון.
      הערה: אם הניקוי אינה מספיקה, זה מוביל סתימת בזמנו של ריסוס. חזור על שלב זה פעמיים כדי לנקות בזהירות.
    3. הגדר את המצע בצלחת המצורף ב coater ספריי.
    4. מכסים את המצע כיסוי קצה כדי למנוע קצה חרוז.
    5. שופכים את photoresist שלילי SU-8 3005 לתוך המזרק.
    6. הגדר את קוטר הצינור עד 5 מ"מ, התנועה זרבובית מהירות 120 מ"מ/s, הלחץ atomization 150 kPa, הלחץ נוזל 60 kPa, המרחק בין זרבובית המצע עד 40 מ"מ, גובה במרחק עד 3 מ מ, וגם את מרווח הזמן עבור כל שכבה עד 45 ס' ספריי Multilayers סו-8 על המצע. חזור על הציפוי 10 פעמים באותה דרך.
    7. להשאיר את המצע לעמוד למשך 5 דקות לאחר ציפוי פי 10.
      הערה: בזמן עמידה, הסרט SU-8 בצורה אחידה משוטחת, בועות אוויר מעורב במהלך תרסיס ציפוי משתחררים.
    8. אופים על פלטה חמה ב 95 מעלות צלזיוס למשך 60 דקות.
    9. למדוד את עובי שכבות 10 על ידי מיקרומטר. לאחר מכן, לחשב את העובי לכל שכבה.
    10. לקבוע את מספר החזרות תרסיס ציפוי של עובי הסרט מחושב לכל שכבה הנותרים. ואז לרסס את multilayer כדי ליצור סרט עבה כדי להשיג עובי הסרט היעד. במחקר זה, שכבות 40 מוחלים על עובי 200 μm.
    11. תן את המצע לעמוד במשך 5 דקות לאחר הציפוי תרסיס רב שכבתי.
    12. אופים על פלטה חמה ב 95 מעלות צלזיוס למשך דקות 240.
    13. להשאיר את המצע SU-8 מצופה על פלטה חמה עבור 60 דקות, לאחר מכן לצנן את זה לאט לטמפרטורת החדר.
  5. 3D mesh ויוצרים מבנה
    1. מניחים את המצע על טבלת התאמת זווית על-ידי היפוך המצע (קרי, הסרט SU-8 כלפי מטה) כמוצג באיור2.
    2. לתקן את הקצה של המצע עם קלטת.
    3. להטות את הזווית של טבלת התאמה ל- 45°.
      הערה: 0° אומר שהמצע נמצא במצב אופקי. הזווית בשלב זה נקבע על ידי חוק סנל, שמחושבים על מקדם שבירה של photoresist, מקדם שבירה של אוויר. מאת בין בזווית התקרית של 45°, מבנה רשת עם זווית מבנה של 64° מפוברק.
    4. למקם את טבלת התאמת זווית תחת מקור האור UV.
    5. להחיל אור UV אנכית על המצע של מינון החשיפה של mJ/cm 1502 , אורך גל של 365 ננומטר. לאחר החשיפה, להחזיר את הזווית של התאמת טבלת 0°, להטות את זה ל- 45° בכיוון ההפוך. החל אולטרא סגול אנכית באופן זהה.
      הערה: איורים מוצגים באיור 3 א, ב'.
    6. למקם את המצע על פלטה חמה ולהגדיר את הטמפרטורה עד 95 ° C עבור PEB (לאחר חשיפה לאפות). אופים את המצע במשך 8 דקות לאחר הטמפרטורה יהפוך 95 ° C.
    7. לבטל את הכוח של הכיריים. המתן עד הטמפרטורה של הכיריים טיפות כ 40 ° C.
    8. שופכים 150 מ ל SU-8 מפתח לתוך גביע זכוכית 500 מ"ל. להגדיר את המצע ג'יג טפלון לפיתוח.
    9. שופכים 150 מ ל אלכוהול איזופרופיל (IPA) לתוך כוס זכוכית נוספת של 500 מ"ל.
    10. לפתח עבור 20-30 דק. ודא כי אם הזמן מתפתחות אינו מספיק, זה מוביל לפתיחה מספיקה של חללים רשת.
    11. לטבול את המצע עם ג'יג ב- IPA ולשטוף למשך 2 דקות.
      הערה: אם השטח של סו-8 הוא ככל הנראה לבן ובוצית, הוא מציין כי פיתוח לא מספיקות. במקרה זה, חזור על פיתוח ושטיפה שוב. לאחר פיתוח מלאה, נוצר מבנה רשת שינוי, כפי שמוצג באיור 3 ג.
  6. מבנה שחרור מן המצע זכוכית
    1. שופכים 150 מ ל טולואן פתרון לתוך גביע זכוכית 500-mL. מכסים את. הספל עם רדיד אלומיניום מאחר טולואן קל מתמוססות בטמפרטורת החדר.
    2. לטבול את המצע בפתרון טולואן במשך כ 3-4 ח' ודא השכבה ההקרבה של שרף אקרילי חרוטה, ואת המבנה SU-8 עם מבנה רשת הוא שוחרר מן המצע, כפי שמוצג באיורתלת-ממד.
    3. לנשוף אוויר אל המצע ולהסיר לחות. לאחסן אותו desiccator עד הוא משמש בשלב 4.3.

2. הכנת הסרט פיזואלקטריים

  1. הכנת גיליון PVDF. בנוסף, להכין סכין למטחנת עם להב פלדת אל-חלד, חיתוך מחצלת.
  2. לגזור את הגיליון PVDF לצורה התקן עם גיליון2 360 מ מ (10 מ"מ x 30 מ"מ על זיז ו- 6 מ"מ x 10 מ"מ עבור חיבור חשמל), כפי שמוצג באיור 3 א.
  3. במקום הסרטים PVDF שנגזרו על צלחת פטרי עם מגב תאית. לאחסן אותם desiccator.

3. הכנה של מצע להדבקה רשת שינוי מבנה וקולנוע פיזואלקטריים

  1. למזוג 10 מ"ל של הסוכן הראשי של PDMS, 1 מ"ל של ריפוי סוכן לתוך שפופרת צנטרפוגה (קרי, היחס בין נפח הוא 10:1).
  2. הגדר את הצינור צנטריפוגה ערבוב של כוכבי הלכת, defoaming מכונת ולערבב שני פתרונות עבור 1 דקות.
  3. להכין שני 30 מ"מ x 40 מ"מ זכוכית סובסטרטים.
  4. הגדר את המצע זכוכית על הבמה תיקון בבית הבליעה ספין-coater. ירידה PDMS פתרון על גבי המצע זכוכית. לאחר מכן, יוצרים את הסרט PDMS על ידי ציפוי ספין ב- 4,000 סל ד, כפי שמוצג באיור 3e.
  5. אופים את המצע על פלטה חמה ב 100 מעלות צלזיוס למשך 60 דקות לייבוש את הסרט PDMS.
  6. לבטל את הכוח של הכיריים. המתן עד הטמפרטורה של הכיריים טיפות כ 40 ° C.

4. ייצור של bimorph רטט האנרגיה המקצרה

  1. במקום לחתוך PVDF הסרטים אחד על גבי שני סובסטרטים PDMS, כפי שמוצג באיור 3f. להבטיח כי רק על ידי הצבת PVDF סרטים על פני השטח של PDMS, הם דבקים אחד לשני. אם קמטים נראים על הסרטים PVDF, להרחיב אותם עם גלגלת.
    הערה: PVDF בשני הסרטים האלה נקראים PVDF flm1 ו PVDF flm2, סובסטרטים PDMS שתי PDMS sbs1 , PDMS sbs2, מובהר.
  2. ירידה 3005 SU-8 על גבי PVDF flm1 על PDMS sbs1. לאחר מכן, יוצרות הסרט דק SU-8 על ידי ציפוי ספין ב- 4,000 סל ד, כפי שמוצג באיור 3 g.
    הערה: זה סרט דק SU-8 הופכת שכבת אדהזיה בין המבנה רשת של PVDF flm1. המקום שבו 3005 SU-8 לא הושלכה משמש עבור חיווט לרכוש חשמל.
  3. למקם את מבנה רשת SU-8 PVDF flm1 והקשר אותם כמוצג באיור3 h.
  4. ירידה 3005 SU-8 על גבי PVDF flm2 על PDMS sbs2. לאחר מכן, טופס הסרט דק SU-8 על ידי ציפוי ספין ב- 4,000 סל ד באותה דרך כשלב 4.2.
  5. לקלף PVDF flm2 מן PDMS sbs2 , ואז למקם על גבי המבנה רשת SU-8 מונחת PVDF flm1, הקפדה אותם כפי שמוצג באיור 3עכשיו, j. לאחסן את המכשיר עם המדינה משועבדות במיכל עם לחות נמוכה כגון desiccator. השאר אותה למשך כ- 12 שעות.
  6. לדחות את הפינצטה לתוך הצד התחתון של השכבה הנמוכה PVDF flm1 , קליפת בונדד 3 שכבות PVDF flm1, סו-8 רשת שינוי מבנה, PVDF flm2 בו זמנית מן המצע, כפי שמוצג באיור 3 k.

Representative Results

אנחנו מפוברק של VEH bimorph-סוג מורכב משתי שכבות של סרטים PVDF שכבת ביניים המורכבת מבנה רשת SU-8, כפי שמוצג באיור4. האלקטרודות של PVDF העליונים והתחתונים מחוברים בסדרת לקבל מתח. תמונה אופטי שתי תמונות SEM אלסטי שכבות עם רשת שינוי מבנה בקרב אנשי עסקים ותיירים כאחד. על פי התמונות, השכבה אלסטי מעובד על ידי חשיפת הישבן נוטה נראה בסדר 3D רשת שינוי דפוסי ללא פיתוח כישלון.

איור 5 מראה את התוצאות של בדיקות רטט. בבדיקות רטט, שני VEHs – אחד עם גרעין meshed והשני עם מבנה מוצק ליבות — כמו השכבה אלסטי מחושבים כדי לוודא את החוקיות של מרושת-core-type VEH. VEHs על מטרף רטט, מתרגש עם האצה רטט של 1.96 מטר לשנייה2 (0.2 גרם). שני VEHs מרושת-core- וסוג מוצק-core הראה sinusoidal פלט לסינכרון עם קלט sinusoidal. VEH מרושת-core-type הציג 42.6% מתח פלט גבוה מאשר הסוג מוצק-core VEH. איור 5b מציג את התגובה לתדר של הכוח פלט מרבית. VEH מרושת-core-type הציג תדר התהודה של 18.7 הרץ, אשר הוא 15.8% נמוך יותר VEH מוצק-core-type, והכוח של פלט של 24.6 μW, וזו 68.5% גבוה יותר מאשר VEH מוצק-core-type.

Figure 1
איור 1: Photomask הפריסה עבור פוטוליתוגרפיה ליצור שכבה אלסטית עם מבנה מרושת-core 3D. Photomask יש שני חלקים. אחד הוא האזור של מחבר חובק למעקה, השני מכיל את דפוסי קו ושטח עבור רשת-מבנה המתבנת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: הגדרת לחשיפה נוטה. אור UV חשופים אנכית המצע נוטה עם דפוס Cr הניח על שולחן התאמת זווית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: סכימטי של המקצרה אנרגיה רטט פיזואלקטריים המוצע עם מבנה מרושת-core 3D ו ייצור מתהליך הכריה. ניתן לחלק את תהליך ייצור 3 סעיפים: ()-(ד) מייצגים תהליך ייצור של מבנה תלת-ממדית, (e) - (g) מייצגים הכנת הסרט PVDF על המצע זכוכית, ו (h)-(j ) מייצג את תהליך האיחוי להקים שלוחה של bimorph. (נתונים אלו מתפרסמים תחת זהב גישה פתוחה, Creative Commons רישיון, שונו [21].) אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: (א) תצלום של bimorph מפוברק ליבות מרושת רטט האנרגיה קומביין, תמונה אופטי (ב) חתך הרוחב של המבנה מרושת-core 3D, (ג) (ד) SEM תמונות של סו-8 ליבות מרושת שכבה אלסטית. (נתונים אלו מתפרסמים תחת זהב גישה פתוחה, Creative Commons רישיון, שונו [21].) אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: (א) Sinusoidal מתח ההתנגדות עומס תחת כל תנאי תהודה (הרץ 18.7 מרושת-core, הרץ 22.2 מוצק-core) ו- (ב) מקסימום הספק כפונקציה של תדירות הרטט תחת עומס אופטימום ההתנגדות (מרושת-core 17 MΩ, מוצק ליבות 13 MΩ) ותאוצה 0.2 G. (נתונים אלו מתפרסמים תחת זהב גישה פתוחה, Creative Commons רישיון, שונו [21].) אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

הזיוף המוצלח של המבנה תלת-ממדית של bimorph המוצע VEH המתואר לעיל מבוסס על ארבעה שלבים קריטיים וייחודי.

השלב הקריטי הראשון הוא עיבוד באמצעות חשיפת הישבן נוטה. עקרונית זה אפשרי ליצור מבנה רשת על ידי חשיפה נוטה מפני השטח העליון בטכניקה ליתוגרפיה קשר. עם זאת, חשיפה הישבן מציג לדיוק עיבוד מדויק יותר מאשר קשר לליטוגרפיה, פגמים במהלך הפיתוח נוטים פחות להתרחש28,29. הסיבה לכך היא הפער בין את photomask של photoresist עלולות לצוץ עקב waviness של פני השטח photoresist. לפיכך, מתרחשת עקיפה אור, עיבוד דיוק נפגמת בגלל הפער. לפיכך, במחקר זה, אנחנו מפוברק מבנה רשת באמצעות שיטת החשיפה הישבן נוטה. בנוסף, הערך שנמדד של הזווית מבנית של מבנה רשת מפוברק הוא כ- 65°, עם רק שגיאה של 1% לעומת הערך מעוצב של 64 °. התוצאה, נוכל להסיק כי מן הראוי להחיל את שיטת החשיפה הישבן נוטה ליצור את מבנה רשת.

השלב הקריטי השני הוא תהליך הפיתוח של סו-8. אם מתפתחת פגם מתרחש, מבנה רשת מאבד את הגמישות. כדי לפתח את הסרט SU-8 עבה, בדרך כלל 10-15 דקות משמש. עם זאת, הפעם המתפתח אינה מספיקה עבור הפיתוח של מבנה תלת-ממדית. מבנה תלת-ממדית שונה מהתבנית 2D מפוברק על ידי פוטוליתוגרפיה מאחר שהוא כולל חללים פנימיים רבים הקרום. אם הזמן מתפתחות קצרה, פיתוח אינו מתקדם אל הפנים של המבנה עם רשת שינוי, גורם לכשל המתבנת. כלומר, זה הכרחי כדי להחיל את זמן פיתוח ארוכות יחסית, 20-30 דקות32. אם נדרשים דפוסים עדינה יותר, זמן פיתוח אפילו יותר ייתכן שיהיה צורך. עם זאת, באותו הזמן, נצטרך לשקול את הנפיחות נגרמת על ידי זמן פיתוח זמן33.

בשלב הבא, השיטה לנצל מצע מעוצב-PDMS בתהליך התקשרות של הסרט PVDF ומבנה רשת SU-8 היא ייחודית. זה מאפשר את ציפוי ספין, כתוצאה מכך, PVDF ו- SU-8 יכול להיות בקלות דבקה באמצעות מצופים ספין SU-8 דבק בשכבה דקה. PVDF ו- SU-8 יכול להיות בונדד, אפילו באמצעות דבק מיידית זמינים מסחרית. עם זאת, החומר דבק מתקשה לאחר שהדבק פני השטח למוצק. יתר על כן, קשה ליצור סרט דק עם הדבק מיידית. אם העובי של הדבק מיידית גדולה, יגדיל את הנוקשות של המכשיר כולו. עלייה קשיחות מובילה לעליה בשכיחות תהודה (קרי, זה מונע הנמכת תדר תהודה אשר המטרה העיקרית של מחקר זה). מצד שני, באמצעות סרט דק את סו-8 נוצרו על ידי ציפוי ספין כאשר רובד אדהזיה אינה מאוד משפיעה על העלייה בקשיחות כי הסרט SU-8 בנוי דליל. בנוסף, כמו המבנה של רשת השינוי נוצרת SU-8, אפשרי להגדיל את הכוח דבק על-ידי שימוש באותו החומר לשכבה אדהזיה. לכן הידבקות SU-8 יש מספיק כוח דבק להתחבר מבנה רשת SU-8 וסרטים PVDF. יתר על כן, מן ההיבט של הפארמצבטית של המכשיר, שזה יהיה שימושי להשתמש הסרט דק SU-8 כשכבת אדהזיה, כפי עובי הסרט קבוע ניתן למימוש על ידי ציפוי היווצרות סרט ספין.

רביעית, לשיטת ציפוי SU-8 הוא ייחודי. יש לנו נבחרת שיטת ציפוי רב שכבתי ספריי לסרט עבה של סו-8. למרות שניתן ליצור סרט עבה על ידי ציפוי ספין, מתרחשת waviness משטח גדול, וזה קשה כדי להרגיע את הסרט בצורה אחידה את34. מצד שני, באמצעות תרסיס ציפוי רב השיטה מפחיתה את waviness, מדכאת את השגיאה של עובי הסרט ב המצע34. במיוחד, תשומת הלב צריכה להינתן waviness גדול בגלל העובי של מבנה תלת-ממדית הופך לא אחידה, מאפייני רטט, קשיחות של ההתקן משתנה לפי העובי חלקית עלייה או ירידה.

בעקרון, כפי פוטוליתוגרפיה משתמשת אור UV, הצורות fabricable מוגבלים. זה נכון כי אנחנו יכולים לפברק באמצעות חשיפה נוטה מבנים מורכבים כגון מבנה תלת-ממדית. עם זאת, צורות שרירותי כגון מבנה תלת-ממדי בצורת המעוגל בכיוון עובי הסרט הם קשה לגבש35,36. הדפסת תלת-ממד יכול לייצר צורות תלת-מימדיות שרירותי, העיצוב הוא גמיש. עם זאת, התפוקה של הזיוף היא נמוכה, דיוק עיבוד וייצור המוני נחות פוטוליתוגרפיה. לכן, הוא לא מתאים בדיית מבנים עם דפוסים בסדר תוך זמן קצר. בנוסף, עיבוד נתוני תלת-ממד של CAD הוא הכרחי, זה לוקח זמן כדי ליצור את דגם התלת-ממד. מצד שני, במקרה של פוטוליתוגרפיה, במיוחד בשיטת החשיפה נוטה, צורך photomask הנתונים CAD הוא דו מימדי, העיצוב הוא קל יחסית. לדוגמה, עיצוב מונחה עבור מבנה תלת-ממדית היא רק קו 2D ודפוסי בחלל, כפי שמוצג באיור3. בהתחשב עובדות אלה, במחקר זה, נוכל לנצל את הטכניקה ליתוגרפיה תלת-ממד כדי לפתח מבנה גמיש תלת-ממדית.

במחקר זה, אנו מפוברק מבנה גמיש תלת-ממדית, להחיל אותו על השכבה אלסטי מסוג זיז bimorph VEH לצורך תדר תהודה להורדת הגדלת הספק. מאז השיטה המוצעת היא שימושית בהורדת תדר תהודה, זה יהיה שימושי לקוצרים רטט אנרגיה ממוקד עבור היישום בתדר נמוך כגון מכשירים שכאלו, ניטור חיישנים עבור מבני ציבור, גשר, מכשירי חשמל לבית, וכו '. יהיה צפוי שיפור נוסף של הספק על-ידי שילוב של צורה הבסיסי, צורת משולש, ואופטימיזציה עובי המוצעת בעבר בשנים אחרות ניירות37,38,39.

Disclosures

אין לנו לחשוף.

Acknowledgments

מחקר זה מומן בחלקו על ידי JSPS המדע המחקר גרנט JP17H03196, JST פרסטו גרנט מספר JPMJPR15R3. אנו מעריכים מאוד התמיכה מפרוייקט MEXT ננוטכנולוגיה פלטפורמה (רציף מיקרו-מלאכותית אוניברסיטה של טוקיו) כדי הזיוף של photomask.

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

  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).

Tags

הנדסה גיליון 144 קצירת PVDF פוטוליתוגרפיה SU-8 3D פולימר התקן רטט אנרגיה שינוי מבנה בתדר נמוך
המקצרה אנרגיה רטט פיזואלקטריים מבוסס פולימר עם מבנה Meshed-Core 3D
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Tsukamoto, T., Umino, Y., Hashikura, … More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter