Waiting
Login processing...

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

Engineering

Polimer esaslı piezoelektrik titreşim enerji hasat 3D Meshed çekirdekli yapısı ile

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

Summary

Bu çalışmada biz esnek 3B Kafes yapısı fabrikasyon ve rezonans frekansı düşürücü ve çıkış gücü artırmak amacıyla bir bimorph konsol tipi titreşim enerji hasat elastik tabakası uygulanır.

Abstract

Bu çalışmada, bir 3D Taş baskı yöntemiyle ve rezonans frekansını düşür ve çıkış gücü artırmak için titreşim enerji hasat uygulayarak esnek 3B Kafes yapısı periyodik boşlukları ile fabrikasyon. İmalat süreci esas olarak iki bölüme ayrılır: bir 3B Kafes yapısı ve yapıştırma işlemi piezoelektrik filmlerin ve kafes yapısı işlemek için üç boyutlu fotolitografi. Fabrikasyon esnek kafes yapısı ile biz aynı anda rezonans frekansı azalma ve çıkış gücü, iyileşme elde. Titreşim Test sonuçlarından, meshed çekirdek tipi titreşim enerji hasat (olsun) %42.6 daha yüksek çıkış voltajı daha katı çekirdek türü VEH sergiledi. Buna ek olarak, meshed çekirdek türü VEH rezonans frekansı, % 15,8 katı çekirdek türü VEH düşük 18.7 Hz ve çıkış gücü, %68.5 katı çekirdek türü olsun yüksek 24.6 μW vermiştir. Önerilen yöntem boşlukları üç boyutlu karmaşık ve esnek yapısıyla nispeten kolayca kısa sürede eğimli pozlama yöntemi tarafından sahte olduğu ki avantajdır. Kafes yapısı tarafından olsun, rezonans frekansını düşür, gibi taşınabilir aygıtlar ve ev aletleri, düşük frekans uygulamalarında kullanmak mümkün olduğu kadar gelecekte beklenebilir.

Introduction

Son yıllarda, VEHs kablosuz algılayıcı ağlar ve Internet of Things (çok) uygulamaları1,2,3,4uygulanması için sensör düğümlerinin bir elektrik güç kaynağı olarak çok dikkat çektiği, 5,6,7,8. VEHs enerji dönüşüm çeşitli türleri arasında piezoelektrik türü dönüştürme yüksek çıkış voltajı sunar. Bu tür bir dönüşüm de mikro işleme teknolojisi ile yüksek onun ilgi nedeniyle küçültme için uygundur. Bu çekici özellikler nedeniyle, piezoelektrik seramik malzemeler ve organik polimer malzemeler9,10,11,12kullanarak birçok piezoelektrik VEHs geliştirilmiştir, 13.

14,15,16,17,18ve VEHs yüksek performanslı piezoelektrik malzeme PZT (kurşun titanate zirconate) çoğu yaygın olarak kullanarak konsol tipi VEHs seramik VEHs içinde rapor sık sık rezonans yüksek verimli enerji üretimi elde etmek için kullanın. Genel olarak, aygıt boyutu küçültme ile rezonans frekansı arttıkça, minyatür ve düşük rezonans frekansı aynı anda elde etmek zordur. PZT yüksek power nesil performans vardır, böylece, çünkü nanoribbon derlemeler19,20, gibi özel bir işlem olmadan düşük frekans bandında çalışan küçük ölçekli PZT tabanlı aygıtlar geliştirmek için zor olsa da PZT yüksek sertlik malzemedir. Ne yazık ki, ev aletleri, hareket insan, binalar ve köprüler gibi çevreleyen bizim titreşimler ağırlıklı olarak düşük frekanslar, 30 Hz21,22,23daha az altındadır. Bu nedenle, VEHs yüksek power nesil verimliliğini düşük frekansları ve küçük boyutu ile düşük frekans uygulamaları için idealdir.

Konsol ucu kitle ağırlığını artırmak için rezonans frekansını düşür için en kolay yoludur. Yüksek yoğunluklu bir malzeme için belgili tanımlık uç takılması olarak tüm bu gereklidir, fabrikasyon basit ve kolay olduğunu. Ancak, bu ağır kitle, aygıt daha kırılgan hale gelir. Frekans düşürücü başka bir konsol24,25uzatmak için yoludur. Yönteminde sabit sonundan itibaren mesafe ücretsiz sonuna iki boyutlu meandered şekle göre genişletilir. Silikon substrat meandered bir yapı imal etmek bir yarı iletken üretim tekniği kullanarak kazınmış. Yöntem rezonans frekansı düşürülmesi için etkili olmasına rağmen piezoelektrik malzeme alan azalır ve böylece, elde edilebilecek çıkış gücü azalır. Buna ek olarak, sabit bitiş çevresinde kırılgan bir dezavantaj vardır. Düşük frekanslı VEH gibi bazı polimer aygıtları ile ilgili esnek piezoelektrik polimer PVDF kez kullanılır. PVDF genellikle bir spin-kaplama yöntemi ile kaplanır ve film ince gibi rezonans frekansı nedeniyle düşük sertlik26,27azaltılabilir. Film kalınlığı birkaç mikron için alt mikron aralığındaki kontrol edilebilir olsa da, ulaşılabilir çıkış gücü nedeniyle ince kalınlık küçüktür. Bu nedenle, sıklığı azalır bile, yeterli enerji üretimi elde edemiyor ve bu yüzden, pratik uygulama zordur.

Burada, biz (piezoelektrik katmanları ve elastik tabakanın bir katman iki katmandan oluşan) bir bimorph tipi piezoelektrik prensibine göre zaten arıtma iyileştirilmesi için germe için tabi tutulmuş iki esnek piezoelektrik polimer yaprak ile teklif piezoelektrik özellikleri. Ayrıca, bir esnek 3B Kafes yapısı rezonans frekansı azaltmak ve güç aynı anda geliştirmek bimorph konsol elastik tabakası içinde evlat edinmek. 3B Kafes yapısı kısa sürede yüksek hassasiyetle iyi kalıpları imal etmek mümkündür çünkü eğimli arka pozlama yöntemi28,29 kullanarak imal. 3D baskı da 3B Kafes yapısı imal etmek bir aday olsa da, daha fazla işlem hacmi düşük olup doğruluk30,31işleme içinde fotolitografi daha aşağı 3D yazıcıdır. Bu nedenle, bu çalışmada, eğimli arka pozlama yöntemi için mikro işleme 3B Kafes yapısı yöntemi olarak kabul edilir.

Protocol

1. 3B Kafes yapısı imalatı

  1. Cam alt katman temizlik
    1. 30 x 40 mm cam yüzeylerde hazırlayın.
    2. Piranha çözüm tarafından dökme 150 mL sülfürik asit hazırlamak (konsantrasyon: % 96) cam kabı. Sonra yavaşça 50 mL hidrojen peroksit çözeltisi ekleyin (konsantrasyon: % 30). Sülfürik asit: hidrojen peroksit su hacim oranı 3:1 olduğundan emin olun.
    3. Koruyucu gözlük ve çözümleri dökme güvenliği için giyim giymek.
    4. Cam alt katman temizlik için bir Teflon jig ayarlayın. O zaman bu piranha çözüm 1 dk. için bırakın.
    5. Piranha çözümde 1dk daldırma sonra yıkanmış cam alt katman 2 - 3 kez saf su ile durulama (2 - 3 kez taşması).
    6. Su damlaları hava darbe ile cam alt katman üzerinde kaldırın.
  2. Cam alt katman üzerinde arka pozlama için Cr maskesi deseninin desenlendirme
    1. Cam alt katman bir RF (radyo frekans) magnetron sputtering makine odasında ayarlayın. 250 W, Ar gaz debisi 12 SCCM, 0,5 odası basınç için RF güç ayarla Pa ve sputtering saat 11 dk. O zaman 100-200 nm krom film SAÇTIRMA RF magnetron tarafından üzerinde cam alt katman oluşturur.
      Not: Kalınlığı sputtering oranı durumu dikkate alarak sputtering zaman, kontrol edilir.
    2. Belgili tanımlık substrate sabitleme bir sahnede bir spin-coater odasında ayarlayın. Pozitif fotorezist S1813 krom filimde bırakın ve spin kaplama 30 4000 devirde tarafından 1-2 mikron ince film kat s.
    3. Fotorezist kaplı substrat resist kuru sıcak tabakta 1 dk. için 115 ° C'de pişirin.
    4. Bir photomask ve fotorezist kaplı substrat başvurun. UV ışığı dikey olarak photomask için maruz. Maruz kalma doz 80 mJ/cm2' dir ve dalga boyunu 405 olduğundan emin olun nm. Şekil 1' de gösterilen photomask kullanın.
    5. İki 500 mL kadehler hazırlayın. TMAH 150 mL dökün (Tetramethylammonium hidroksit: %2.38, Çözücü: su) çözüm içine bir ölçek kabı ve dökmek krom etchant 150 mL (amonyum Cerium(IV) nitrat: %16, nitrik asit: % 8) diğer kabı.
    6. TMAH çözüm 150 ml substrat bırakın ve fotorezist 30 geliştirmek s 1 dak.
    7. Belgili tanımlık substrate saf su ile durulayın.
    8. Çözüm gravür krom 150 ml substrat bırakın ve yaklaşık 1-2 min için krom etch.
    9. Belgili tanımlık substrate saf su ile durulayın ve Su damlacıkları hava darbe ile kaldırın.
    10. Piranha çözüm tarafından dökme 150 mL sülfürik asit hazırlamak (konsantrasyon: % 96) cam kabı. Sonra yavaşça 50 mL hidrojen peroksit çözeltisi ekleyin (konsantrasyon: % 30). Sülfürik asit: hidrojen peroksit su hacim oranı 3:1 olduğundan emin olun.
      Not: çözümleri dökme sırasında koruyucu gözlük, giyim ve güvenliği için eldiven giymek. Piranha çözüm etkinliği bir süre sonra kaybetmek, her zaman hazır olun.
    11. Cam alt katman temizlik için bir Teflon jig yerleştirin. O zaman, piranha çözüm fotorezist kaldırmak 15-30 s için bırakın.
  3. SU-8 kaplama için hazırlık
    1. Belgili tanımlık substrate sabitleme sahnede spin-coater odasında ayarlayın. Yaklaşık 1 mL Akrilik Reçine çözeltisi damla (konsantrasyon: % 10, Çözücü: toluen) fabrikasyon bir yapı kurban bir katman olarak serbest bırakmak için belgili tanımlık substrate krom desen tarafında. O zaman, spin kaplama 2000 devirde 30 tarafından ince bir film oluşturmak s.
    2. 10 dk 100 ° C'de pişirin.
  4. SU-8 sprey kaplama
    1. Sprey coater başlatmak ve temizlik için şırınga içine aseton solüsyonu dökün.
    2. Temiz ve aseton çözüm püskürtme sprey başlığı içinde kalıntıları çıkarmak.
      Not: temizlik yeterli değilse, o püskürtme sırasında tıkanma için açar. İki kere dikkatli bir şekilde temizlemek için bu adımı yineleyin.
    3. Belgili tanımlık substrate sprey coater ekli bir plaka üzerinde ayarlayın.
    4. Belgili tanımlık substrate kenar boncuk önlemek için bir kenar kapak kapak.
    5. Negatif fotorezist SU-8 3005 şırınga içine dökün.
    6. Meme çapı 5 mm için meme hareket hızı 120 mm/s, atomization basıncı 150 kPa, 60 kPa için sıvı basıncı, meme ve 40 mm, substrat arasındaki mesafeyi 3 mm aralığı uzaklık ve 45 her katman için aralığı saat s. sprey SU-8 multilayers substrat üzerine. Kaplama aynı şekilde 10 kez tekrarlayın.
    7. 5 dk sonra kaplama durmak belgili tanımlık substrate bırakın 10 kat.
      Not: SU-8 film düzgün ayakta süre içinde düzleştirilir ve sprey kaplama sırasında karışık hava kabarcıkları serbest bırakılır.
    8. Sıcak tabakta 60 dk için 95 ° C'de pişirin.
    9. 10 katman kalınlığı mikrometresi tarafından ölçmek. Sonra tabaka başına kalınlığı hesaplamak.
    10. Tekrar sprey kaplama tabaka başına hesaplanan film kalınlığı üzerinden için kalan sayısını belirleyin. Daha sonra hedef film kalınlığı elde etmek için kalın bir film oluşturmak için çok katmanlı sprey. Bu araştırma, 40 katmanları 200 mikron kalınlık için uygulanır.
    11. 5 dk sonra çok katmanlı sprey kaplama ayakta substrat izin.
    12. Sıcak tabakta 240 min için 95 ° C'de pişirin.
    13. 60 dk sıcak tabakta SU-8 kaplı yüzey bırakın ve sonra yavaş yavaş oda sıcaklığına cool.
  5. 3B Kafes yapısı oluşturan
    1. Belgili tanımlık substrate substrat saygısız tarafından bir açı ayarı masaya koyun (yani, SU-8 film karşı karşıya) Şekil 2' de gösterildiği gibi.
    2. Belgili tanımlık substrate kenar bant ile düzeltmek.
    3. Ayarlama tablo açısını 45 ° tilt.
      Not: 0° yatay durumda substrat anlamına gelir. Bu sefer açıyla fotorezist, hava kırılma indisini Kırılma indisi hesaplanan Snell kanunla belirlenir. Bir olay 45 ° açıyla irradiating tarafından bir kafes yapısı 64° yapısı açısı ile fabrikasyon olduğunu.
    4. Açı ayarı tablo UV ışık kaynağı altında yerleştirin.
    5. UV ışığı dikey bir maruz kalma doz 150 mJ/cm2 ve bir dalga boyu 365 substrat uygulamak nm. Maruz kaldıktan sonra ayarlama tablo açısını 0 ° ile dönmek ve ters yönde 45 ° tilt. UV ışığı dikey olarak aynı şekilde uygulanır.
      Not: Resimler şekil 3a, biçinde gösterilir.
    6. Substrat sıcak bir tabağa yerleştirin ve sıcaklığı 95 ° C-PEB (sonrası pozlama fırında) için ayarlayın. Sıcaklığı 95 ° c olduktan sonra substrat 8 dk pişirin
    7. Sıcak plaka elektriğini. Sıcak plaka sıcaklığı yaklaşık 40 ° c düşene kadar bekleyin
    8. SU-8 geliştirici 150 mL, 500 mL cam kabı dökün. Belgili tanımlık substrate geliştirmek için bir Teflon jig ayarlayın.
    9. İsopropanol (IPA) 150 mL başka bir 500 mL cam kabı dökün.
    10. Yaklaşık 20-30 dk. gelişmekte olan zaman yeterli değilse, o kafes boşlukları yetersiz açılışına açar sağlamak için geliştirmek.
    11. Belgili tanımlık substrate jig IPA ve durulama için 2 dk ile bırakın.
      Not: beyaz ve çamurlu SU-8 yüzeyine Görünüşe göre ise, bu geliştirme yetersiz olduğunu belirtir. Bu durumda, geliştirme ve tekrar durulama yineleyin. Geliştirme sonra şekil 3 ciçinde gösterildiği gibi bir kafes yapısı oluşturulur.
  6. Cam alt katman yapısı açıklaması
    1. 150 mL toluen çözeltisi 500 mL cam kabı dökün. Çünkü tolüen oda sıcaklığında buharlaşır kolaydır alüminyum folyo ile kabı kapağı.
    2. Yaklaşık 3-4 h. kurban Akrilik Reçine tabakası kazınmış ve kafes yapısı SU-8 yapısıyla--dan belgili tanımlık substrate, serbest kalır emin olun toluen çözüm substrat şekil 3dgösterildiği gibi bırakın.
    3. Blow substrat için hava ve nem kaldırın. 4.3. adımda kullanılana kadar bir desiccator içinde saklayın.

2. piezoelektrik film hazırlanması

  1. PVDF sayfası hazırlamak. Ayrıca, bir kesici bıçak paslanmaz çelik bıçak ve kesme mat ile hazırlayın.
  2. PVDF sayfası bir 360 mm2 levha (10 mm x 30 mm için konsol ve 6 mm x 10 mm elektrik bağlantısı için) ile aygıt şekil için şekil 3aiçinde gösterildiği gibi kesti.
  3. Kesme PVDF filmleri selüloz silecek ile Petri kabına yerleştirin. Onları bir desiccator içinde saklayın.

3. kafes yapısı ve piezoelektrik film yapıştırma için hazırlanması substrat

  1. Ana Ajan PDMS ve Ajan bir santrifüj tüpüne kür 1 mL 10 mL dökün (yani, yaklaşık hacim oranı 10: 1'dir).
  2. Bir gezegen karıştırma ve makine defoaming santrifüj tüpü ayarla ve her iki çözüm de 1 dakika karıştırın.
  3. İki 30 mm x 40 mm cam yüzeylerde hazırlayın.
  4. Cam alt katman spin-coater odasında üzerinde sabitleme bir sahne. PDMS çözüm cam alt katman üzerine bırakın. O zaman, PDMS film spin kaplama 4000 devirde tarafından şekil 3eiçinde gösterildiği gibi oluşturur.
  5. Belgili tanımlık substrate PDMS film kurumaya 60 dk için 100 ° C'de sıcak tabakta pişirin.
  6. Sıcak plaka elektriğini. Sıcak plaka sıcaklığı yaklaşık 40 ° c düşene kadar bekleyin

4. bimorph titreşim enerji biçerdöver imalatı

  1. Kesme PVDF filmleri tek tek iki farklı PDMS yüzeylerde, üzerine şekil 3fgösterildiği gibi yerleştirin. PVDF filmleri PDMS yüzeye yerleştirerek, onlar birbirlerine uymasını sağlamak. Kırışıklıkları PVDF filmleri görülüyorsa, onları bezi ile genişletmek.
    Not: Bu iki PVDF Filmler PVDF flm1 ve PVDF flm2adı verilen ve iki PDMS yüzeylerde PDMS sbs1 ve PDMS sbs2, netlik uğruna.
  2. SU-8 3005 PDMS sbs1üzerinde yerleştirilen PVDF flm1 üzerine bırakın. Sonra form tarafından spin kaplama 4000 şekil 3 giçinde gösterildiği gibi devir/dakika, SU-8 ince film.
    Not: Bu SU-8 ince film kafes yapısı ve PVDF flm1arasındaki bir yapışma katman haline gelir. Nerede SU-8 3005 değil bırakıldı yer kablolama için elektrik enerjisi elde etmek için kullanılır.
  3. SU-8 kafes yapısı üzerinde PVDF flm1 koyun ve onları s şekil 3' te gösterilen bağ.
  4. SU-8 3005 PDMS sbs2üzerinde yerleştirilen PVDF flm2 üzerine bırakın. Sonra adım 4.2 olarak aynı şekilde spin kaplama 4000 devirde tarafından SU-8 ince ince tabaka oluştururlar.
  5. PVDF flm2 PDMS sbs2 üzerinden akasındaki ve PVDF flm1 şekil 3I, jiçinde gösterildiği gibi kalarak, yerleştirilen SU-8 kafes yapısı üzerine yerleştirin. Gümrüklü devlet cihazla desiccator gibi düşük nem ile bir kapta saklayın. 12 h için bırakın.
  6. Cımbız gümrüklü 3 kat PVDF flm1en düşük katmanının PVDF flm1 ve kabuğu alt tarafında koymak, SU-8 kafes yapısı ve PVDF flm2 aynı anda--dan belgili tanımlık substrate, şekil 3 kiçinde gösterildiği gibi.

Representative Results

PVDF filmleri iki kat ve bir SU-8 kafes yapısı, şekil 4' te gösterildiği gibi oluşan bir ara katman oluşan bir bimorph tipi VEH imal edilmiştir. Üst ve alt PVDF elektrotlar çıkış gerilimi elde etmek için seri bağlı. Optik görüntü ve iki SEM görüntüleri ile bir kafes yapısı elastik katmanlardır. Göre görüntüler, eğimli arka pozlama tarafından işlenmiş elastik katman iyi 3D mesh desen geliştirme hatası olmadan görünüyor.

Şekil 5 titreşim test sonuçları gösterir. Titreşim testlerde, iki VEHs — bir örgü bir çekirdek ve diğer katı çekirdekli yapısı ile — Elastik katman olarak meshed çekirdek türü VEH geçerliliğini doğrulamak için değerlendirilir. VEHs bir titreşim shaker ayarla ve 1.96 m/s2 (0.2 G) bir titreşim ivme ile heyecanlı. Meshed çekirdek türü ve katı çekirdek türü VEHs sinüs çıkış sinüsoidal bir giriş ile senkronize gösterdi. Meshed çekirdek türü VEH %42.6 daha yüksek çıkış voltajı daha katı çekirdek türü VEH sergiledi. Şekil 5b maksimum çıkış gücü frekans cevabı gösterir. Meshed çekirdek türü VEH %68.5 katı çekirdek türü olsun yüksek olduğu bir rezonans frekansı 18.7 Hz, % 15,8 katı çekirdek türü VEH düşük olan ve 24.6 μW, bir çıkış gücü sergiledi.

Figure 1
Şekil 1: Fotolitografi elastik katman bir 3D meshed çekirdekli yapısı ile imal etmek için Photomask düzen. Photomask iki bölümden oluşur. Bir sıkma alandır ve diğer kafes yapısı desenlendirme için çizgi ve alan desenleri vardır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2: Kurulum eğimli pozlama için. UV ışık Dikey Eğimli yüzey açı ayarı masanın üzerine yerleştirilen bir Cr deseni ile ortaya çıkar. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Resim 3: bir önerilen piezoelektrik titreşim enerji hasat bir 3D meshed çekirdekli yapısı ve hasat imalat süreci ile şematik. İmalat süreci 3 bölüme ayrılabilir: (bir)-3B Kafes yapısı, (e) imalat işleminin temsil eder (d)-(g) temsil bir cam alt katman ve (h) PVDF filmde hazırlanması-(j ) bir bimorph konsol oluşturmak için bağ işlemini temsil edecek. (Bu rakamlar altın altında yayımlanan açık erişim, Creative Commons lisansı ve [21] değiştirdiniz.) Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4: (a) fabrikasyon bimorph meshed çekirdekli titreşim enerji hasat, (b) kesitsel görüntü 3D meshed çekirdekli yapısı (c) ve (d) SEM görüntüleri SU-8 meshed çekirdekli elastik tabakasının fotoğrafı. (Bu rakamlar altın altında yayımlanan açık erişim, Creative Commons lisansı ve [21] değiştirdiniz.) Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 5
Şekil 5: (a) sinüs çıkış voltajı titreşim frekansı optimum yük direnci altında bir fonksiyonu olarak her rezonans durumu (meshed çekirdekli 18.7 Hz, katı çekirdekli 22,2 Hz) ve (b) maksimum çıkış gücü altında yük direnci (meshed çekirdekli 17 MΩ, katı çekirdekli 13 MΩ) ve 0.2 G hızlandırma. (Bu rakamlar altın altında yayımlanan açık erişim, Creative Commons lisansı ve [21] değiştirdiniz.) Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Discussion

3B Kafes yapısı ve VEH yukarıda açıklanan dört kritik ve farklı basamaklarında dayanmaktadır önerilen bimorph başarılı imalatı.

İlk kritik adım eğimli arka pozlama kullanarak işleme. Prensip olarak, bir kafes yapısı iletişim litografi tekniği kullanarak üst yüzeyinden eğimli maruz imal etmek mümkündür. Ancak, arka pozlama kişi litografi daha doğru işleme duyarlık sunar ve geliştirme sırasında kusurları28,29ortaya olasılığı daha düşüktür. Bunun nedeni photomask ve fotorezist arasındaki boşluğu fotorezist yüzeyinde waviness nedeniyle ortaya çıkabilecek. Bu nedenle, hafif kırınım oluşur ve hassas işleme boşluk nedeniyle indirilir. Bu nedenle, bu çalışmada, biz bir kafes yapısı eğimli arka pozlama yöntemi kullanılarak imal edilmiştir. Buna ek olarak, ölçülen fabrikasyon kafes yapısı yapısal açısı ile sadece % 1 hata 64 ° tasarlanmış değeri ile karşılaştırıldığında yaklaşık 65 ° değeridir. Sonuç, kafes yapısı imal etmek eğimli arka pozlama yöntemi uygulamak uygun olduğu sonucuna varıldı.

İkinci önemli adım SU-8 geliştirme sürecidir. Bir geliştirme defekt oluşur, kafes yapısı doğal esneklik kaybeder. Kalın SU-8 filmi banyo için genellikle 10-15 dk kullanılır. Ancak, gelişmekte olan bu sefer bir 3B Kafes yapısı gelişimi için yeterli değil. Birçok iç boşlukları membran içinde olduğundan fotolitografi tarafından fabrikasyon 2D desen 3B Kafes yapısı farklıdır. Gelişen zaman kısa ise, geliştirme desenlendirme hatasına neden kafes yapısı iç ilerleme değil. Yani neden, nispeten uzun geliştirme zamanı, 20-30 dk32uygulamak gerekli. Daha hassas desenler gerekiyorsa, hatta artık gelişmekte olan saat gerekli olabilir. Ancak, o zaman, uzun geliştirme saat33tarafından neden şişme düşünmek zorundayız.

Daha sonra PDMS kurulan substrat PVDF film ve SU-8 kafes yapısı yapıştırma işleminde yararlanma yöntemi benzersizdir. Spin kaplama sağlar ve sonuç olarak, PVDF ve SU-8 kolayca spin kaplı SU-8 ince bir yapışkan tabaka kullanarak yapıştırılır. PVDF ve SU-8, hatta piyasada bulunan bir anlık tutkal kullanarak bağlı. Ancak, yapıştırıcı katılaşmış sonra yapışkan malzeme sertleşir. Ayrıca, anlık tutkal ile ince bir film oluşturmak zordur. Anlık yapıştırıcı kalınlığı büyükse, tüm cihaz sertlik artacaktır. Rijidite artışı rezonans frekansı bir artışa yol açar (yani, bu çalışmanın temel amacı rezonans frekansı düşürücü önler). Öte yandan, çünkü kurulan SU-8 film ince bir yapışma tabakası büyük ölçüde artış içinde sertlik etkilemez spin kaplama tarafından oluşmuştur SU-8 ince film kullanarak. Ayrıca, SU-8 Toplam: kafes yapısı yapılmış gibi yapışma katmanı için aynı malzeme kullanarak yapışkanlı gücünü artırmak mümkündür. Bu yüzden SU-8 yapışma bir SU-8 kafes yapısı ve PVDF filmleri bağ için yapıştırıcı yeterli güce sahip. Ayrıca, tekrarlanabilirlik cihazın açıdan sürekli film kalınlığı film yapma kabiliyeti kaplama spin tarafından fark edilebilir gibi bir yapışma katmanı gibi SU-8 ince film kullanmak yararlı olur.

Dördüncü olarak, kaplama SU-8 farklı yöntemidir. SU-8 kalın film için bir sprey çok katmanlı kaplama yöntemi seçtiniz. Spin kaplama tarafından kalın bir film oluşturmak mümkün olsa da, büyük yüzey dalgalılık oluşur ve bu film düzgün kat zordur34. Öte yandan, sprey çoklu kaplama yöntemi kullanarak dalgalılık azaltır ve substrat34film kalınlığı hatasını bastırır. Özellikle, dikkat 3B Kafes yapısı kalınlığı nonuniform olduğunda, titreşim özellikleri ve sertlik cihazın değişti çünkü tarafından kısmen artan veya azalan kalınlığı için büyük dalgalılık verilmesi gerekiyor.

Prensip olarak, UV ışık, fotolitografi kullanır gibi fabricable şekiller sınırlıdır. Biz meyilli pozlama kullanarak 3B Kafes yapısı gibi karmaşık yapılar imal doğrudur. Bununla birlikte, film kalınlığı yönde kavisli şekli ile üç boyutlu bir yapı gibi rasgele şekiller35,36oluşturmak zordur. 3D baskı rasgele üç boyutlu şekiller oluşturabilir ve tasarım esnektir. Ancak, fabrikasyon verim düşük olduğunu ve işleme hassas ve seri üretim için fotolitografi aşağı olan. Bu nedenle, yapılar kısa sürede iyi desenleri ile imalatı için uygun değildir. Buna ek olarak, 3D CAD veri işleme gereklidir ve 3D modelini oluşturmak için zaman alır. Öte yandan, fotolitografi, özellikle eğimli pozlama yöntemde, söz konusu olduğunda CAD veri photomask için gerekli iki boyutlu ve tasarım nispeten kolaydır. Örneğin, odaklı bir 3B Kafes yapısı sadece 2D çizgi ve alan desen, şekil 3' te gösterilen tasarımıdır. Bu araştırmada, bu gerçekleri göz önünde bulundurarak bir esnek 3B Kafes yapısı geliştirmek için 3D litografi tekniği kullandı.

Bu çalışmada biz esnek 3B Kafes yapısı fabrikasyon ve düşürücü rezonans frekansı ve artan çıkış gücü amacıyla bir bimorph konsol türü VEH elastik tabakası uygulanır. Önerilen yöntem rezonans frekansı düşürerek yararlı olduğu için Algılayıcılar, kamu binaları ve köprü, ev aletleri, vb için izleme titreşim enerji hasat hedef gibi taşınabilir aygıtlar, düşük frekans uygulaması için yararlı olacaktır. Çıkış gücü daha da geliştirilmesi yamuk şekli, üçgen şekli ve diğer kağıtlar37,38,39daha önce önerilen kalınlığı optimizasyonu birleştirerek beklenir.

Disclosures

İfşa etmek yok.

Acknowledgments

Bu araştırma kısmen JSP'ler bilim araştırma Grant JP17H03196 JST PRESTO Grant numarası JPMJPR15R3 tarafından desteklenmiştir. MEXT nanoteknoloji Platform Projesi (University of Tokyo Microfabrication platformu) destek photomask imalatı için büyük beğeni topluyor.

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

Mühendislik 144 hasat PVDF SU-8 3D fotolitografi polimer aygıt titreşim enerji yayın kafes yapısı düşük frekans
Polimer esaslı piezoelektrik titreşim enerji hasat 3D Meshed çekirdekli yapısı ile
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