Waiting
Login processing...

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

Engineering

En Polymer-baserte Piezoelectric vibrasjonen energi korn med en 3D Meshed kjerner

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

Summary

I denne studien vi fremstille en fleksibel 3D-nett-struktur og brukt det på elastisk laget av en bimorph cantilever type vibrasjonen energi innhøsting for å senke resonansfrekvens og øke produksjonen.

Abstract

I denne studien laget vi en fleksibel 3D-nett struktur med periodiske tomrom ved hjelp av en 3D litografi metode og bruke det på en vibrasjonen energi korn å senke resonansfrekvens og øke utgangseffekt. Fabrikasjon prosessen er hovedsakelig delt i to deler: tredimensjonale klima og jordsmonn for behandling av en 3D-nett-struktur, og et bånd forarbeide piezoelectric filmer og mesh strukturen. Med fabrikkerte fleksibel mesh strukturen oppnådd vi reduksjon av resonansfrekvens og forbedring av ytelse, samtidig. Fra resultatene av vibrasjon testene utstilt meshed-core-type vibrasjonen energi innhøsting (VEH) 42,6% høyere utgangsspenning enn solid-core-type VEH. I tillegg gitt meshed-core-type VEH 18,7 Hz av resonansfrekvens, 15.8% lavere enn solid-core-type VEH, og 24,6 μW av utgangseffekt, 68,5% høyere enn solid-core-type VEH. Fordelen av foreslåtte metoden er at en kompleks og fleksibel struktur med tomrom i tre dimensjoner kan være relativt lett fabrikkert på kort tid av metoden tilbøyelig eksponering. Det er mulig å lavere resonans frekvensen av den navnet VEH mesh struktur, bruk i lav frekvens programmer, for eksempel bærbare enheter og hvitevarer og kan forventes i fremtiden.

Introduction

De siste årene, har VEHs trukket mye oppmerksomhet som strømforsyning av sensor nodene for å implementere trådløs sensornettverk og Internett av ting (IoT) programmer1,2,3,4, 5,6,7,8. Blant flere typer energi konvertering i VEHs presenterer piezoelectric-typekonvertering høy utgangsspenning. Denne typen konvertering er også egnet for miniatyrisering på grunn av dens høy affinitet med micromachining teknologi. Fordi disse attraktive funksjoner, er mange piezoelectric VEHs utviklet med piezoelektrisk keramiske materialer og organisk polymer materiale9,10,11,12, 13.

I keramiske VEHs rapportert cantilever-type VEHs med høy ytelse piezoelectric materiale PZT (bly titanate zirconate) er vidt14,15,16,17,18, og VEHs ofte bruke resonans for å få høy effektivitet kraftproduksjon. Generelt, som resonans frekvensen øker med miniatyrisering enheten størrelse, er det vanskelig å oppnå miniatyrisering og lav-resonans frekvens samtidig. Derfor, selv om PZT har høy power generasjons ytelse, er det vanskelig å utvikle lite PZT-baserte enheter som fungerer i lavfrekvente band uten spesiell behandling, for eksempel nanoribbon samlinger19,20, fordi PZT er et stivt materiale. Dessverre er våre omkringliggende vibrasjoner husholdningsapparater, menneskelig bevegelse, bygninger og broer hovedsakelig på lave frekvenser, mindre enn 30 Hz21,22,23. VEHs med sin høyt power generasjons effektivitet på lave frekvenser og liten størrelse er derfor ideell for lavfrekvent programmer.

Den enkleste måten å redusere resonans frekvensen er å øke masse vekt tips hengende. Som knytter en høy tetthet materiale til spissen er alt som kreves, fabrikasjon er enkel og lett. Men de tyngre massen er, jo mer skjøre enheten blir. En annen måte å senke frekvensen er å forlenge cantilever24,25. I metoden er avstanden fra fast slutten til gratis slutten utvidet av en todimensjonal meandered figur. Silisium underlaget er risset inn ved hjelp av en halvleder produksjon teknikken til å dikte opp en meandered struktur. Selv om metoden er effektiv for å senke resonansfrekvens, området av piezoelectric reduseres, og dermed den oppnåelig utgangseffekten reduseres. I tillegg finnes det en ulempe at nærheten av fast slutten er skjør. Om noen polymer enheter, som den lavfrekvente VEH, fleksibel piezoelectric polymer PVDF brukes ofte. PVDF er vanligvis belagt av en spinn belegg metode og filmen er tynn, kan resonans frekvensen bli redusert på grunn av lav stivhet26,27. Selv om filmen tykkelsen er kontrollerbar i størrelsesorden sub-mikron til flere mikron, er den oppnåelige utgangseffekten liten grunn av tynne tykkelsen. Derfor, selv om frekvensen kan reduseres, vi ikke kan få tilstrekkelig kraftproduksjon, og så praktisk anvendelse er vanskelig.

Her foreslår vi en bimorph-type piezoelectric cantilever (som består av to lag av piezoelectric lag og lag av elastisk laget) med to fleksible piezoelectric polymer ark, som allerede har vært utsatt for strekking behandling for forbedring Piezoelektriske egenskaper. Videre vedta vi en fleksibel 3D-nett struktur i elastisk laget bimorph hengende å redusere resonans frekvensen og bedre effekt samtidig. Vi dikte 3D-nett strukturen ved å benytte de bakside tilbøyelig eksponering metoden28,29 fordi det er mulig å dikte fine mønstre med høy presisjon på kort tid. Selv om 3D-utskrift er også en kandidat til å dikte 3D-nett struktur, gjennomstrømningen er lav, og 3D-skriver er dårligere enn klima og jordsmonn innen maskinering nøyaktighet30,31. Derfor i denne studien er baksiden tilbøyelig eksponering metoden vedtatt som metode for micromachining 3D mesh struktur.

Protocol

1. fabrikasjon av 3D-nett

  1. Rengjøring av glass underlaget
    1. Forberede 30 x 40 mm glass underlag.
    2. Klargjør piranha løsningen ved å helle 150 mL av svovelsyre (konsentrasjon: 96%) i glass begeret. Deretter forsiktig legge 50 mL av Hydrogenperoksid løsning (konsentrasjon: 30%). Kontroller at volumkontrollen sulfuric syre: hydrogen peroxide vann er 3:1.
    3. Beskyttende briller og klær for sikkerhet mens pouring løsninger.
    4. Angi en barometer substrate i en Teflon gigg for rengjøring. Så Legg det i piranha løsning for 1 min.
    5. Etter en 1 min nedsenking i piranha løsning, skyll vasket barometer substrate 2 - 3 ganger med rent vann (overløp 2 - 3 ganger).
    6. Fjerne vanndråper på glass underlaget med luft slag.
  2. Mønstre av Cr maske mønsteret for baksiden eksponering på en barometer substrate
    1. Angi glass underlaget i et kammer av en RF (radiofrekvens) magnetron sputtering maskin. Sette RF kraft til 250 W infusjonshastigheten Ar gass til 12 SCCM, kammer presset til 0,5 Pa og sputtering tiden til 11 min. Deretter danne 100-200 nm krom film på glasset underlaget med RF magnetron sputtering.
      Merk: Tykkelsen kontrolleres sputtering da, tar hensyn til sputtering rate tilstanden.
    2. Angi underlaget på en feste scene i et spinn-coater kammer. Slippe en positiv photoresist S1813 på krom filmen og pels i 1-2 μm tynn film av spin belegg på 4000 rpm for 30 s.
    3. Stek photoresist-belagt underlaget ved 115 ° C i 1 min på en varm plate tørke resist.
    4. Kontakt en photomask og en photoresist-belagte substrat. Utsett UV lys loddrett til photomask. Kontroller at eksponering dosen er 80 mJ/cm2, og bølgelengde er 405 nm. Bruk photomask som vist i figur 1.
    5. Forberede 500 mL kanner. Så helle 150 mL av TMAH (Tetramethylammonium hydroksid: 2,38% løsemiddel: vann) løsning i et beaker og hell 150 mL av krom etsematerialer (Ammonium Cerium(IV) nitrat: 16%, salpetersyre: 8%) i andre begeret.
    6. Fordype underlaget i 150 mL TMAH løsning og utvikle photoresist for 30 å 1 min.
    7. Skylle underlaget med rent vann.
    8. Fordype underlaget i 150 mL av krom etsing løsningen og etch krom i ca 1 til 2 min.
    9. Skylle underlaget med rent vann og fjerne vanndråper med luft slag.
    10. Klargjør piranha løsning ved å helle 150 mL av svovelsyre (konsentrasjon: 96%) i glass begeret. Deretter forsiktig legge 50 mL av Hydrogenperoksid løsning (konsentrasjon: 30%). Kontroller at volumkontrollen sulfuric syre: hydrogen peroxide vann er 3:1.
      Merk: Bruk beskyttende briller, klær og hansker for sikkerhet mens pouring løsninger. Piranha løsning vil miste aktivitet etter en stund, så Forbered deg hver gang.
    11. Plass en barometer substrate på en Teflon gigg for rengjøring. Deretter Dynk kjeden i piranha løsningen etter 15-30 s fjerne photoresist.
  3. Forberedelse for SU-8 belegg
    1. Angi underlaget på fikse scenen i spin-coater kammeret. Slipp ca 1 mL av akryl harpiks løsning (konsentrasjon: 10%, løsemiddel: Toluen) på chromium mønster siden av underlaget å løslate en fabrikkert struktur som en oppofrende lag. Deretter danne en tynn film av spin belegg på 2000 rpm for 30 s.
    2. Stekes ved 100 ° C i 10 min.
  4. SU-8 spray belegg
    1. Starte spray coater og hell aceton løsning i sprøyten for rengjøring.
    2. Feilfri og fjerne rester i sprededyse ved sprøyting aceton løsning.
      Merk: Hvis rengjøring er ikke nok, det fører til tilstopping ved sprøyting. Gjenta dette trinnet to ganger til Rengjør.
    3. Angi underlaget på en tilknyttet tallerken i en spray coater.
    4. Dekk underlaget med en kant dekke å hindre kanten perle.
    5. Hell den negative photoresist SU-8 3005 i sprøyten.
    6. Angi munnstykke diameteren til 5 mm, munnstykket bevegelsen hastighet 120 mm/s, forstøving trykket 150 kPa, væsketrykk til 60 kPa, avstanden mellom munnstykke og underlaget til 40 mm, pitch avstanden til 3 mm og intervalltiden for hvert lag til 45 s. Spray SU-8 multilayers på underlaget. Gjenta belegget 10 ganger på samme måte.
    7. La underlaget stå i 5 min etter belegg 10 ganger.
      Merk: Imens stående, SU-8 filmen slås jevnt og luftbobler blandet under spray belegg er utgitt.
    8. Stekes på en stekeplate 95 ° c for 60 min.
    9. Måle tykkelsen av 10 lag av mikrometer. Deretter beregne tykkelsen per lag.
    10. Avgjøre det gjenstående antallet gjentakelser for spray belegg fra beregnet filmen tykkelsen per lag. Så spray multilayer å danne en tykk film for å oppnå målet filmen tykkelsen. I denne forskningen brukes 40 lag for 200 μm tykkelse.
    11. La underlaget står for 5 min etter flerlags spray belegg.
    12. Stekes på en stekeplate ved 95 ° C i 240 minutter.
    13. La SU-8 belagt underlaget på en varm plate for 60 min og så avkjøle den langsomt til romtemperatur.
  5. 3D mesh struktur danner
    1. Plasser underlaget på en vinkel justering tabell ved å bla underlaget (dvs. SU-8 filmen vender) som vist i figur 2.
    2. Fikse kanten av underlaget med tape.
    3. Tilt vinkel på tabellen justering til 45°.
      Merk: 0 betyr underlaget er i vannrett. Vinkelen på dette tidspunktet er bestemt av Snells lov, beregnet fra brytningsindeks av photoresist, brytningsindeks luft. Av irradiating i hendelsen vinkel på 45°, er en mesh struktur med en struktur vinkel på 64° fabrikkert.
    4. Plassere tabellen vinkel justering under UV lyskilden.
    5. Bruke UV lys loddrett på underlaget på en eksponering dose av 150 mJ/cm2 og bølgelengde 365 nm. Etter eksponering, returnere vinkel justering tabellen til 0° og vippe den til 45° i motsatt retning. Bruke UV lys loddrett på samme måte.
      Merk: Illustrasjoner er vist i figur 3a, b.
    6. Plasser underlaget på en kokeplate og angi temperaturen til 95 ° C for PEB (etter eksponering stek). Bake substrater for 8 min etter temperaturen blir 95 ° C.
    7. Slå av strømmen av kokeplate. Vent til temperaturen på varm plate faller til ca 40 ° C.
    8. Hell 150 mL SU-8 utvikler i et 500 mL glass beger. Angi underlaget i en Teflon gigg for utvikling.
    9. Hell 150 mL isopropanol (IPA) i en annen 500 mL glass kanne.
    10. Utvikle for ca 20-30 min. sikre at hvis utvikling tid ikke er nok, det fører til utilstrekkelig åpningen av mesh tomrom.
    11. Fordype underlaget med jig IPA og skyll i 2 minutter.
      Merk: Hvis overflaten av SU-8 er tilsynelatende hvit og gjørmete, indikerer det at utvikling er utilstrekkelig. I så fall gjenta utvikling og skyll igjen. Etter fullført utvikling, er en mesh struktur dannet, som vist i Figur 3 c.
  6. Strukturen utgivelse fra glass underlaget
    1. Hell 150 mL av toluen løsning i et 500 mL glass beger. Dekk begeret med aluminiumsfolie fordi toluen er lett å fordampe ved romtemperatur.
    2. Fordype underlaget i toluen løsning for ca 3-4 h. Kontroller at oppofrende laget av akryl harpiks er risset inn, og SU-8 strukturen med mesh struktur er løslatt fra underlaget, som vist i figur 3d.
    3. Blåse luft til underlaget og fjerne fuktighet. Lagre den på en desiccator før den brukes i trinn 4.3.

2. forberedelse av piezoelectric film

  1. Forberede en PVDF ark. Også forberede cutter kniv med rustfritt stål blad og kutte matte.
  2. Kuttet ut PVDF arket i enhet-figuren med en 360 mm2 ark (10 x 30 mm for cantilever og 6 x 10 mm for tilkobling), som vist i figur 3a.
  3. Plass klippe PVDF filmene på en Petriskål med en cellulose vindusvisker. Lagre dem i en desiccator.

3. forberedelse av underlaget for liming mesh struktur og piezoelektrisk film

  1. Hell 10 mL av viktigste agent PDMS og 1 mL av herding agent i en sentrifuge tube (dvs. det omtrentlige volumkontrollen er 10:1).
  2. Angi sentrifuge røret i en planetarisk omrøring og defoaming maskin og bland begge løsninger for 1 min.
  3. Forberede to 30 x 40 mm glass underlag.
  4. Angi barometer substrate på en feste scene i spin-coater kammeret. Slipp PDMS løsning på glass underlaget. Deretter danne PDMS filmen av spin belegg på 4000 rpm, som vist i figur 3e.
  5. Stek underlaget på en stekeplate ved 100 ° C for 60 min tørke PDMS filmen.
  6. Slå av strømmen av kokeplate. Vent til temperaturen på varm plate faller til ca 40 ° C.

4. fabrikasjon av bimorph vibrasjon energi innhøsting

  1. Plass klippe PVDF filmene enkeltvis på to forskjellige PDMS underlag, som vist i figur 3f. Sikre at bare ved å plassere PVDF filmer på overflaten av PDMS, de holder seg til hverandre. Hvis rynker blir sett på PVDF filmene, utvide dem med en sylinder.
    Merk: Disse to PVDF filmer kalles PVDF flm1 og PVDF flm2, og de to PDMS underlag er PDMS sbs1 og PDMS sbs2, for klarhet.
  2. Slipp SU-8 3005 på PVDF flm1 plassert på PDMS sbs1. Deretter skjemaet SU-8 tynn filmen spin belegg på 4000 rpm som vist i Figur 3 g.
    Merknad: Denne SU-8 tynn film blir en vedheft lag mellom mesh strukturen og PVDF flm1. Stedet der SU-8 3005 ikke ble droppet brukes for ledninger for å skaffe strøm.
  3. Plasser SU-8 mesh strukturen på PVDF flm1 og bånd dem som vist i Figur 3 h.
  4. Slipp SU-8 3005 på PVDF flm2 plassert på PDMS sbs2. Deretter skjemaet SU-8 tynn filmen spin belegg på 4000 rpm på samme måte som skritt 4.2.
  5. Løsner PVDF flm2 fra PDMS sbs2 og deretter plasser på SU-8 mesh strukturen på PVDF flm1, følge dem som vist i figur 3i, j. Lagre enheten med bonded staten i en beholder med lav fuktighet som desiccator. La den stå i ca 12t.
  6. Sette pinsett i undersiden av laveste laget PVDF flm1 og skallet av limt 3 lag PVDF flm1, SU-8 maske struktur og PVDF flm2 samtidig fra underlaget, som vist i Figur 3 k.

Representative Results

Vi laget en bimorph-type VEH består av to lag med PVDF filmer og et middels lag består av en SU-8 mesh struktur, som vist i Figur 4. Elektrodene på den øvre og nedre PVDF er koblet i serie å få utgangsspenning. Optisk bildet og to SEM bildene er elastisk lag med en maske. Ifølge bildene synes elastisk laget behandles av baksiden tilbøyelig eksponeringen å ha fin 3D mesh mønstre uten utvikling feil.

Figur 5 viser resultatene av vibrasjon tester. I vibrasjon testene, to VEHs, med en meshed kjerne og den andre med en solid kjerner – som elastisk lag evalueres for å kontrollere gyldigheten av meshed-core-type VEH. VEHs er satt på en vibrasjon shaker og glade med en vibrasjon akselerasjon av 1.96 m/s2 (0.2 G). Både de blandet-core-type og solid-core-type VEHs viste sinusformet utgang synkronisert med en sinusformet inngang. Meshed-core-type VEH utstilt en 42,6% høyere utgangsspenning enn solid kjerner type VEH. Figur 5b viser frekvensresponsen i maksimal utgangseffekt. Meshed-core-type VEH utstilt en resonansfrekvens på 18,7 Hz, som er 15.8% lavere enn solid-core-type VEH, og en utgangseffekt på 24,6 μW, som er 68,5% høyere enn solid-core-type VEH.

Figure 1
Figur 1: Photomask oppsettet for klima og jordsmonn å dikte elastisk lag med en 3D meshed kjerner. Photomask har to deler. Er området for å feste, og den andre inneholder linjen og mellomrom mønstrene for mesh-struktur mønstre. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: oppsett for tilbøyelig eksponering. UV-lyset er utsatt loddrett tilbøyelig underlaget med en Cr mønster plassert på vinkel justering bord. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: skjematisk av en foreslått piezoelectric vibrasjonen energi innhøsting med en 3D meshed kjerner struktur og fabrikasjon prosessen med innhøsting. Fabrikasjon prosessen kan deles inn i 3 deler: (en)-(d) representerer fabrikasjon prosessen av 3D-nett, (e)-(g) representerer utarbeidelse av PVDF filmen barometer substrate og (h)-(j ) representerer liming prosessen å danne en bimorph cantilever. (Disse tallene er utgitt under gull åpen tilgang, Creative Commons lisens og har blitt endret fra [21].) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: (a) fotografi fabrikkerte bimorph meshed kjerner vibrasjonen energi innhøsting, (b) cross-sectional optisk image av 3D meshed kjerner, (c) og (d) SEM bilder av SU-8 meshed kjerner elastisk laget. (Disse tallene er utgitt under gull åpen tilgang, Creative Commons lisens og har blitt endret fra [21].) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: (a) sinusformet utgangsspenning Last motstand under hver resonans tilstand (meshed kjerner 18,7 Hz, solid kjerner 22,2 Hz) og (b) maksimal utgangseffekt som en funksjon av vibrasjonsfrekvens under optimale motstand (meshed-core 17 MΩ, solid kjerner 13 MΩ) og 0.2 G akselerasjon. (Disse tallene er utgitt under gull åpen tilgang, Creative Commons lisens og har blitt endret fra [21].) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Vellykket fabrikasjon av 3D-nett strukturen og den foreslåtte bimorph VEH beskrevet ovenfor er basert på fire kritisk og karakteristiske trinn.

Det første kritiske trinnet behandler bruke baksiden tilbøyelig eksponering. I prinsippet er det mulig å dikte opp en maske struktur av tilbøyelig eksponering fra den øvre overflaten ved hjelp av kontakt litografi teknikk. Men baksiden eksponering presenterer en mer nøyaktig behandling presisjon enn kontakt litografi, og feil under utvikling er mindre sannsynlig å forekomme28,29. Dette skyldes at gapet mellom photomask og photoresist kan oppstå på grunn av waviness av photoresist overflaten. Derfor lett Diffraksjon oppstår og behandling presisjon senkes på grunn av gapet. Derfor i denne studien laget vi en mesh struktur med metoden baksiden tilbøyelig eksponering. I tillegg er målt verdien av strukturelle vinkelen av fabrikkerte mesh ca 65°, med bare en feil på 1% sammenlignet med designet verdien av 64 °. Fra resultatet, vi konkludere med at det er riktig å bruke baksiden tilbøyelig eksponering metoden å utvikle mesh strukturen.

Det andre kritiske trinnet er utviklingsprosessen SU-8. Hvis en oppstår feil, mesh strukturen mister iboende fleksibilitet. For å utvikle tykk SU-8 filmen, brukes 10-15 min vanligvis. Utvikling nå er imidlertid ikke nok for utvikling av en 3D-nett-struktur. 3D-nett strukturen skiller seg fra 2D mønsteret fabrikkert av klima og jordsmonn fordi den har mange interne tomrom i membranen. Hvis utvikle tiden er kort, ikke utviklingen videre til interiøret mesh strukturen, forårsaker mønstre feil. Dvs hvorfor det er nødvendig å bruke en relativt lang utviklingstid, 20-30 min32. Hvis finere mønstre, kan enda lenger utvikling tid være nødvendig. Men på den tiden må vi vurdere hevelse skyldes lenge utvikling tid33.

Deretter er metoden å utnytte en PDMS-formet underlaget i liming prosessen av PVDF film og SU-8 mesh struktur unik. Det gjør spinn belegg og resultatet PVDF og SU-8 kan lett følges ved hjelp av et spinn-belagt SU-8 tynt lim lag. PVDF og SU-8 kan festes ved å bruke en kommersielt tilgjengelig øyeblikkelig lim. Men beskytter det selvklebende materialet når limet er styrket. Videre er det vanskelig å danne en tynn film med umiddelbar limet. Hvis tykkelsen på instant limet er større, øker stivhet av hele enheten. En økning i stivhet fører til en økning i resonans frekvensen (dvs. det forhindrer senke resonans frekvensen, som er det viktigste formålet med denne studien). På den annen side, bruker SU-8 tynn film dannet av spin belegg som et lag i vedheft sterkt ikke påvirker økningen i stivhet fordi dannet SU-8 filmen er tynn. I tillegg som mesh strukturen er laget av SU-8, er det mulig å øke limet styrke ved hjelp av det samme materialet for vedheft laget. Det er derfor SU-8 vedheft har nok limet styrke å bånd en SU-8 mesh struktur og PVDF filmer. Videre fra aspektet av reproduserbarhet for enheten, ville det være nyttig å bruke SU-8 tynn film som et lag i vedheft, som en konstant film tykkelse kan realiseres ved spin belegg filmen dannelsen.

Fjerde er belegg SU-8 særegne. Vi har valgt en spray flerlags belegg metode for SU-8 tykke filmen. Selv om det er mulig å danne en tykk film av spin belegg, stor overflate waviness skjer, og det er vanskelig å coat filmen jevnt34. På den annen side, med metoden spray multi-belegg reduserer waviness og undertrykker feil av filmen tykkelse i underlaget34. Særlig må oppmerksomhet gis til store waviness fordi når tykkelsen på 3D-nett strukturen blir uensartet, vibrasjon egenskaper og stivhet av enheten er endret av delvis økt eller redusert tykkelsen.

I prinsippet som klima og jordsmonn bruker UV-lys, er fabricable figurene begrenset. Det er sant at vi kan utvikle komplekse strukturer som en 3D-nett-struktur ved å bruke tilbøyelig eksponering. Men er tilfeldig figurer som en tredimensjonal struktur med en buet figur i filmen tykkelse retning vanskelig å danne35,36. 3D-utskrift kan produsere vilkårlig tredimensjonale figurer, og design er fleksibel. Imidlertid gjennomstrømningen av fabrikasjon er lav, og behandling presisjon og masseproduksjon er dårligere enn klima og jordsmonn. Således, det er ikke egnet for fabrikasjon strukturer med fine mønstre på kort tid. I tillegg behandler 3D DAK-data er nødvendig, og det tar tid å lage 3D-modellen. Derimot, når det gjelder klima og jordsmonn, spesielt i metoden tilbøyelig eksponering i CAD-dataene som er nødvendig for photomask er todimensjonal, og er relativt lett. For eksempel er orientert design for en 3D-nett-struktur bare 2D linjen og mellomrom mønstre, som vist i Figur 3. Vurderer disse fakta, i denne forskningen, utnyttet vi 3D litografi teknikken å utvikle en fleksibel 3D-nett-struktur.

I denne studien vi fremstille en fleksibel 3D-nett-struktur og brukt det på elastisk laget en bimorph cantilever type VEH for å senke resonansfrekvens og økende utgangseffekt. Siden den foreslåtte metoden er nyttig i å senke resonansfrekvens, vil det være nyttig for vibrasjon energi innhøsting mål for lavfrekvent program som bærbare enheter, overvåking sensorer for offentlige bygninger og bro, hvitevarer, osv. Ytterligere forbedring av utgangseffekt forventes ved å kombinere trapesform, trekant form og tykkelse optimalisering som foreslås tidligere i andre papirer37,38,39.

Disclosures

Vi har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Denne forskningen ble delvis støttet av JSP Science Research Grant JP17H03196, JST VIPs Grant nummer JPMJPR15R3. Støtte fra MEXT nanoteknologi plattform Project (The University of Tokyo Microfabrication plattform) til fabrikasjon av photomask er verdsatt.

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

Engineering problemet 144 vibrasjon energihøsting PVDF SU-8 3D klima og jordsmonn polymer enhet mesh struktur lav frekvens
En Polymer-baserte Piezoelectric vibrasjonen energi korn med en 3D Meshed kjerner
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