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-baserade piezoelektrisk Vibration energi skördare med 3D Meshed-Core struktur

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

Summary

I denna studie vi tillverkade en flexibel 3D mesh struktur och tillämpat det i det elastiska skiktet av en bimorph cantilever-typ vibrationer energi skördare i syfte att sänka resonansfrekvens och öka uteffekten.

Abstract

I denna studie fabricerade vi en flexibel 3D mesh struktur med periodiska håligheter med hjälp av en 3D litografi metod och tillämpa det på en vibration energi skördare till lägre resonansfrekvens och öka uteffekten. Tillverkningsprocessen är huvudsakligen indelad i två delar: tredimensionella photolithography för bearbetning en 3D mesh struktur, och en bonding process av piezoelektriska filmer och mesh struktur. Med påhittade flexibla mesh struktur uppnått vi en minskning av resonansfrekvens och förbättring av uteffekt, samtidigt. Från resultaten av vibrationsprovningar uppvisade skördaren maskor-core-typ vibrationer energi (VEH) 42,6% högre utspänning än den fast-core-typ VEH. Dessutom gav de maskor-core-typ VEH 18,7 Hz resonansfrekvens, 15,8% lägre än den fasta-core-typ VEH, och 24,6 μW uteffekt, 68,5% högre än den fasta-core-typ VEH. Fördelen med den föreslagna metoden är att en komplex och flexibel struktur med håligheter i tre dimensioner kan relativt enkelt fabriceras i kort tid av metoden lutande exponering. Som det är möjligt att sänka VEH resonansfrekvens av mesh struktur, Använd i låg frekvens applikationer, såsom bärbara enheter och hushållsapparater, kan förväntas i framtiden.

Introduction

Under de senaste åren har VEHs dragit stor uppmärksamhet som en elektrisk strömförsörjning av sensornoder tillämpningsföreskrifter för trådlösa sensornätverk och Sakernas Internet (IoT) program1,2,3,4, 5,6,7,8. Bland flera typer av energiomvandling i VEHs presenterar piezoelektriska-typkonvertering hög utspänning. Denna typ av konvertering är också lämplig för miniatyrisering på grund av dess hög affinitet med micromachining teknik. På grund av dessa attraktiva funktioner, har många piezoelektriska VEHs utvecklats med hjälp av piezoelektriska keramiska material och organiska polymera material9,10,11,12, 13.

Keramiska VEHs rapporterade cantilever-typ VEHs med högpresterande piezoelektriska material PZT (bly titanate zirconat) är allmänt14,15,16,17,18, och VEHs Använd ofta resonans för att få hög verkningsgrad kraftproduktion. I allmänhet, eftersom resonansfrekvensen ökar med miniatyriseringen av enhetsstorlek, är det svårt att uppnå miniatyrisering och låg-resonans frekvens samtidigt. Även om PZT har hög-High-Power-generations prestanda, är det således svårt att utveckla små PZT-baserade enheter som fungerar i en låg frekvens band utan särskilda bearbetning, såsom nanoribbon församlingar19,20, eftersom PZT är en hög styvhet material. Tyvärr, vår omgivande vibrationer som hushållsapparater, human rörelseavkänning, byggnader och broar är främst vid låga frekvenser, mindre än 30 Hz21,22,23. VEHs med dess hög-High-power-generation verkningsgrad vid låga frekvenser och liten storlek är därför idealisk för lågfrekvens-applikationer.

Det enklaste sättet att sänka resonansfrekvens är att öka spetsen av uthänget massa vikt. Fästa en hög densitet material till spetsen är allt som krävs, tillverkning är enkel och lätt. Men ju tyngre massa är, desto mer bräckliga enheten blir. Ett annat sätt att sänka frekvensen är att förlänga den fribärande24,25. I metoden förlängs avståndet från fast slutet till den fria änden av en tvådimensionell meandered form. Kisel substrat är etsad med halvledare tillverkningsteknik för att fabricera en meandered struktur. Även om metoden är effektiv för att sänka resonansfrekvens, området av piezoelektriska material minskar och, således, erhållas uteffekten minskar. Dessutom finns det en nackdel att närheten av fast slutet är ömtålig. Angående vissa polymer enheter, såsom den lågfrekventa VEH, flexibla piezoelektriska polymer PVDF används ofta. PVDF är oftast täckt med en metod som spin-beläggning och filmen är tunn, kan resonansfrekvensen minskas på grund av de låga styvhet26,27. Även om filmtjockleken är kontrollerbar i intervallet sub micron till flera mikrometer, är uppnåeliga uteffekten små på grund av tunn tjocklek. Därför, även om frekvensen kan minskas, vi inte kan erhålla tillräcklig kraftproduktion och så praktiska tillämpningen är svårt.

Här föreslår vi en bimorph-typ piezoelektriska fribärande (bestående av två lager av piezoelektriska lager och ett lager av elastiska skikt) med två flexibla piezoelektriska polymer lakan, som redan varit föremål för stretching behandling för förbättring piezoelektriska egenskaper. Dessutom antar vi en flexibel 3D mesh struktur i det elastiska skiktet av bimorph uthänget att minska resonansfrekvens och förbättra makt samtidigt. Vi fabricera 3D mesh strukturen genom att utnyttja den baksida lutande exponering metod28,29 eftersom det är möjligt att tillverka fina mönster med hög precision på kort tid. Även om 3D-utskrift är också en kandidat för att fabricera 3D mesh struktur, genomströmning är låg och den 3D-skrivaren är underlägsen photolithography i bearbetning noggrannhet30,31. I denna studie antas därför metoden baksidan lutande exponering som metod för micromachining 3D mesh struktur.

Protocol

1. tillverkning av 3D mesh struktur

  1. Rengöring av glassubstrat
    1. Förbereda 30 x 40 mm glas substrat.
    2. Förbereda den piranha lösningen genom att hälla 150 mL svavelsyra (koncentration: 96%) till glasbägare. Sedan varsamt Tillsätt 50 mL Väteperoxidlösning (koncentration: 30%). Se till att volymförhållandet sulfuric syra: väte peroxid vatten 3:1.
    3. Använd skyddsglasögon och skyddskläder för säkerhet medan hälla lösningarna.
    4. Ställ in ett glassubstrat i en Teflon Jigg för rengöring. Sedan doppa det i piranha lösning för 1 min.
    5. Efter en 1 min nedsänkning i piranha lösning, skölj tvättade glassubstrat 2 - 3 gånger med rent vatten (overflow 2 - 3 gånger).
    6. Ta bort vattnet droppar på glassubstrat med air blow.
  2. Mönstring av Cr mask mönster för baksidan exponering på en glass substrate
    1. Ställ glassubstrat i en kammare av en RF (Radio-frekvens) magnetron sputtring maskin. Ange RF makt till 250 W, flödet av Ar gas till 12 SCCM, kammare trycket till 0,5 Pa och sputtring tiden till 11 min. 100-200 nm krom film på glassubstrat bilda av RF magnetron sputtering.
      Obs: Tjockleken styrs av sputtring tiden, med hänsyn till villkoret sputtring ränta.
    2. Ange substratet på ett fastställande skede i en spin-bestrykare kammare. Släppa en positiv fotoresist S1813 på krom filmen och belägga den 1-2 μm tunn filmen av spin beläggning vid 4000 rpm för 30 s.
    3. Grädda fotoresist-belagd underlaget vid 115 ° C i 1 min på en värmeplatta att torka resist.
    4. Kontakta en photomasken och en fotoresist-belagd substrat. Exponera UV-ljus lodrätt så att fotomask. Se till att exponeringen dosen är 80 mJ/cm2, och våglängden är 405 nm. Använd den photomasken som visas i figur 1.
    5. Förbered två 500 mL-bägare. Häll 150 mL av TMAH (tetrametylammoniumhydroxid: 2,38%, lösningsmedel: vatten) lösning i en bägare och häll 150 mL av krom etsmedel (ammoniumnitrat Cerium(IV): 16%, salpetersyra: 8%) i den andra bägaren.
    6. Fördjupa underlaget i 150 mL TMAH lösning och utveckla fotoresist för 30 s till 1 min.
    7. Skölj underlaget med rent vatten.
    8. Fördjupa underlaget i krom etsning lösning 150 mL och etch krom för ca 1 till 2 min.
    9. Skölj underlaget med rent vatten och ta bort vattendroppar med air blow.
    10. Förbereda piranha lösning genom att hälla 150 mL svavelsyra (koncentration: 96%) till glasbägare. Sedan varsamt Tillsätt 50 mL Väteperoxidlösning (koncentration: 30%). Se till att volymförhållandet sulfuric syra: väte peroxid vatten 3:1.
      Observera: Bära skyddsglasögon, kläder och handskar för säkerhet medan hälla lösningarna. Piranha lösning kommer att förlora aktivitet efter ett tag, så Förbered varje gång.
    11. Placera ett glassubstrat på en Teflon Jigg för rengöring. Sedan, fördjupa det i piranha lösningen för 15-30 s för att ta bort fotoresist.
  3. Förberedelse för SU-8 beläggning
    1. Ställa in substratet på fastställande scenen i spin-bestrykare kammaren. Släppa cirka 1 mL AKRYLHARTS lösning (koncentration: 10%, lösningsmedel: toluen) på krom mönster sidan av substratet att släppa en fabricerade struktur som ett uppoffrande lager. Sedan bilda en tunn film av spin beläggning vid 2.000 rpm för 30 s.
    2. Grädda i 100 ° C i 10 min.
  4. SU-8 spray beläggning
    1. Starta den spray bestrykare och häll aceton lösningen i sprutan för rengöring.
    2. Rengör och ta bort rester inuti spridarmunstycket genom sprutning aceton lösning.
      Obs: Om rengöring är otillräcklig, det leder till igensättning vid tidpunkten för sprutning. Upprepa detta två gånger för att noggrant rengöra.
    3. Ställ in substratet på ett bifogade tallrik i en spray bestrykare.
    4. Täcka underlaget med en kant täcker att förhindra kanten pärla.
    5. Häll den negativa fotoresist SU-8 3005 i sprutan.
    6. Ställa in munstycke diameter 5 mm, munstycke rörelsen hastighet till 120 mm/s, atomisering trycket till 150 kPa, vätsketrycket till 60 kPa, avståndet mellan munstycket och substrat till 40 mm, pitch avståndet till 3 mm, och intervalltiden för varje lager till 45 s. Spray SU-8 multilayers på substratet. Upprepa beläggningen 10 gånger på samma sätt.
    7. Lämna substratet att stå för 5 min efter beläggning 10 gånger.
      Obs: Under stående, SU-8 filmen är enhetligt tillplattade, och luftbubblorna blandas under spray beläggning är släppt.
    8. Grädda på en värmeplatta vid 95 ° C i 60 min.
    9. Mät tjockleken på 10 lager mikrometer. Sedan beräkna tjocklek per lager.
    10. Avgöra det återstående antalet repetitioner för spray beläggning från den beräknade filmtjockleken per skikt. Spraya sedan den skiktade för att bilda en tjock film för att Skikttjockleken för målet. I denna forskning tillämpas 40 lager för en 200 μm tjocklek.
    11. Låt substratet stå för 5 min efter multilayer spray beläggning.
    12. Grädda på en värmeplatta vid 95 ° C för 240 min.
    13. Lämna SU-8 belagda substratet på en värmeplatta för 60 min och sedan kyla den långsamt till rumstemperatur.
  5. 3D mesh struktur bildar
    1. Placera substratet på en vinkel justering tabell genom att vända substratet (dvs SU-8 filmen är vänd nedåt) som visas i figur 2.
    2. Fixa i utkanten av substratet med tejp.
    3. Luta tabellen justering vinkel till 45°.
      Obs: 0° innebär substratet är i det övergripande statligt. Vinkeln på denna tid bestäms av Snells lag, räknat från brytningsindex för fotoresist, brytningsindex luft. Genom att bestråla en incident vinkel på 45°, är en mesh struktur med en struktur vinkel av 64° fabricerade.
    4. Placera tabellen vinkel justering under UV ljuskällan.
    5. Tillämpas UV-ljus vertikalt mot underlaget vid en exponeringsdos 150 mJ/cm2 och en våglängd 365 nm. Efter exponering, returnera vinkel justering tabell till 0° och luta den till 45° i motsatt riktning. Använda UV-ljus lodrätt på samma sätt.
      Obs: Illustrationer visas i figur 3a, b.
    6. Placera substratet på en värmeplatta och Ställ in temperaturen till 95 ° C för spricka (efter exponering baka). Baka substratet i 8 min efter temperaturen blir 95 ° C.
    7. Slå av strömmen på värmeplattan. Vänta tills temperaturen i värmeplattan sjunker till ca 40 ° C.
    8. Häll 150 mL av SU-8 utvecklare i en 500 mL-glasbägare. Som substrat i en Teflon Jigg för att utveckla.
    9. Häll 150 mL isopropanol (IPA) i en annan 500 mL-glasbägare.
    10. Utveckla för cirka 20-30 min. se till att om den utveckla tid inte räcker, det leder till otillräcklig öppnandet av mesh tomrummen.
    11. Fördjupa underlaget med jigg i IPA och skölj i 2 min.
      Obs: Om ytan av SU-8 är tydligen vita och leriga, indikerar det att utveckling är otillräcklig. Upprepa i så fall, utvecklingen och sköljning igen. Efter fullständig utveckling bildas en mesh struktur, som visas i figur 3 c.
  6. Struktur release från glassubstrat
    1. Häll 150 mL toluen lösning i en 500 mL-glasbägare. Täck bägaren med aluminiumfolie eftersom toluen är lätt att förångas i rumstemperatur.
    2. Fördjupa substratet i toluen lösning för ca 3-4 h. se till att det uppoffrande lagret av AKRYLHARTS är etsad, och SU-8 struktur med mesh struktur är släppt från underlaget, som visas i figur 3d.
    3. Blåsa luft till substratet och avlägsna fukt. Förvara den i en torkugn tills den används i steg 4,3.

2. beredning av piezoelektriska film

  1. Förbereda ett PVDF blad. Också, förbereda en cutter kniv med blad i rostfritt stål och skärmatta.
  2. Klipp ut bladet PVDF till formen enhet med en 360 mm2 ark (10 x 30 mm för fribärande och 6 mm x 10 mm för elektrisk anslutning), som visas i figur 3a.
  3. Placera de skurna PVDF-filmerna på en petriskål med en cellulosa torkare. Förvara dem i en exsickator.

3. beredning av substrat för limning mesh struktur och piezoelektriska film

  1. Häll 10 mL av det huvudsakliga medlet PDMS och 1 mL härdare i ett centrifugrör (dvs förhållandet ungefärlig mängd är 10:1).
  2. Centrifugeringsröret i en planetarisk omrörning och emulsionsbehandling maskin och blanda båda lösningarna för 1 min.
  3. Förbered två 30 mm x 40 mm glas substrat.
  4. Ställ glassubstrat på en fastställande scen i spin-bestrykare kammaren. Släppa PDMS lösning på glas substratet. Sedan bilda PDMS filmen av spin beläggning vid 4.000 rpm, som visas i figur 3e.
  5. Grädda substratet på en värmeplatta vid 100 ° C i 60 min torka PDMS filmen.
  6. Slå av strömmen på värmeplattan. Vänta tills temperaturen i värmeplattan sjunker till ca 40 ° C.

4. tillverkning av bimorph vibrationer energi skördare

  1. Placera de skurna PVDF filmerna en av på två olika PDMS substrat, som visas i figur 3f. Se till att bara genom att placera PVDF filmer på ytan av PDMS, de följer varandra. Om rynkor ses med PVDF-filmerna, utöka dem med en roller.
    Obs: Dessa två PVDF filmer kallas PVDF flm1 och PVDF flm2, och de två PDMS substratesna är PDMS sbs1 och PDMS sbs2, för tydlighetens skull.
  2. Släppa SU-8 3005 på den PVDF flm1 placeras på PDMS sbs1. Sedan formuläret SU-8 tunna filmen av spin beläggning vid 4.000 rpm som visas i figur 3 g.
    Obs: Denna SU-8 tunn film blir en vidhäftning lagret mellan mesh struktur och den PVDF flm1. Den plats där de SU-8 3005 inte övergavs används för ledningar för att förvärva elkraft.
  3. Placera SU-8 mesh strukturen på den PVDF flm1 och bond dem visas i figur 3 h.
  4. Släppa SU-8 3005 på den PVDF flm2 placeras på PDMS sbs2. Sedan formuläret SU-8 tunna filmen av spin beläggning vid 4.000 rpm på samma sätt som steg 4,2.
  5. Lossnar PVDF flm2 från PDMS sbs2 och placera ovanpå SU-8 mesh strukturen placeras på PVDF flm1, följa dem som visas i figur 3i, j. Förvara inte enheten med limmade staten i en behållare med låg luftfuktighet såsom exsickator. Lämna den för ca 12 h.
  6. Sätta pincetten i undersidan av det lägsta lagret PVDF flm1 och peel off bundna 3 lager PVDF flm1, SU-8 mesh struktur och PVDF flm2 samtidigt från underlaget, som visas i figur 3 k.

Representative Results

Vi tillverkade en bimorph-typ VEH består av två lager av PVDF filmer och ett mellanliggande skikt består av en SU-8 mesh struktur, som visas i figur 4. Elektroderna på den övre och nedre PVDF är anslutna i serie för att erhålla utspänning. Optiska bilden och de två SEM-bilderna är elastiskt lager med mesh struktur. Enligt bilderna verkar det elastiska skiktet bearbetas av baksidan lutande exponering har fina 3D mesh mönster utan utveckling misslyckande.

Figur 5 visar resultaten av vibrationsprovningar. I vibration test, två VEHs — en med småmaskig kärna och den andra med en solid-core struktur — som det elastiska skiktet utvärderas för att kontrollera giltigheten av maskor-core-typ VEH. VEHs ställs på en vibration shaker och upphetsad med en vibrationsaccelerationen 1,96 m/s2 (0,2 G). Båda de maskor-core-typ och solid-core-typ VEHs visade sinusformad utdata synkroniseras med en sinusformad ingång. De maskor-core-typ VEH uppvisade en 42,6% högre utspänning än solid-core typ VEH. Figur 5b visar frekvenssvaret av den maximala effekten. De maskor-core-typ VEH uppvisade en resonansfrekvens på 18,7 Hz, som är 15,8% lägre än den fasta-core-typ VEH, och en uteffekt av 24,6 μW, vilket är 68,5% högre än den fasta-core-typ VEH.

Figure 1
Figur 1: Photomasken layout för photolithography att fabricera elastiska skikt med 3D maskor-core struktur. Photomasken har två delar. En är området för fastspänning och den andra innehåller linje och utrymme mönster för mesh-struktur mönster. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: Set-up för lutande exponering. UV-ljus är utsatt vertikalt till lutande substratet med Cr mönster placeras på vinkel justering tabell. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: Schematisk av en föreslagna piezoelektrisk vibration energi skördare 3D maskor-core struktur och tillverkningsprocessen av skördaren. Tillverkningsprocessen kan delas in i 3 sektioner: (en)-(d) representerar tillverkningsprocessen av 3D mesh struktur, (e)-(g) representerar utarbetandet av PVDF filmen på ett glassubstrat, och (h)-(j ) representerar limning processen att bilda en bimorph cantilever. (Dessa siffror publiceras under guld Open Access, Creative Commons-licens och har ändrats från [21].) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: (a) fotografi av fabricerade bimorph maskor-core vibrationer energi skördare, (b) tvärsnitts optiska bilden 3D maskor-core struktur, (c) och (d) SEM-bilder av SU-8 maskor-core elastiska skikt. (Dessa siffror publiceras under guld Open Access, Creative Commons-licens och har ändrats från [21].) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: a sinusformad utspänning av laddamotståndet under varje resonansen villkora (maskor-core 18,7 Hz, solid-core 22,2 Hz) och (b) högsta uteffekt som en funktion av vibrationer frekvens under optimal belastning motstånd (maskor-core 17 MΩ, solid-core 13 MΩ) och 0,2 G acceleration. (Dessa siffror publiceras under guld Open Access, Creative Commons-licens och har ändrats från [21].) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Lyckad tillverkning av 3D mesh struktur och den föreslagna bimorph VEH som beskrivs ovan är baserad på fyra kritiska och distinkta steg.

Ett första viktigt steg är bearbetning använda baksidan lutande exponering. I princip är det möjligt att tillverka en mesh struktur av lutande exponering från den övre ytan med hjälp av kontakt litografi-tekniken. Men baksidan exponering presenterar en exaktare bearbetning precision än kontakt litografi och defekter under utveckling är mindre benägna att inträffa28,29. Detta beror på att klyftan mellan photomasken och fotoresist kunde uppstå på grund av vågighet fotoresist yta. Därför ljus diffraktion uppstår och bearbetning precision sänks på grund av klyftan. Därför i denna studie tillverkade vi en mesh struktur med metoden baksidan lutande exponering. Det uppmätta värdet av strukturella vinkeln på fabricerade mesh strukturen är dessutom ca 65°, med bara en 1% fel jämfört med designade värdet av 64 °. Från resultatet, vi dra slutsatsen att det är lämpligt att tillämpa metoden baksidan lutande exponering för att fabricera mesh struktur.

Den andra kritiska steget är utvecklingsprocessen av SU-8. Om en utveckla uppstår defekten, mesh struktur förlorar inneboende flexibilitet. För att utveckla den tjocka SU-8-filmen, som normalt 10-15 min används. Denna utveckling tid är emellertid otillräckliga för utveckling av en 3D-nät struktur. 3D-nät struktur skiljer sig från 2D mönstret fabricerade av photolithographyen eftersom det har många inre hålrum inuti membranet. Om den utveckla tid är kort, utveckling inte framsteg till inre av mesh struktur, orsakar mallning misslyckande. Det är därför det är nödvändigt att tillämpa en relativt lång utvecklingstid, 20-30 min32. Om finare mönster krävs behövas ännu längre utvecklande tid. Men på den tiden har vi att överväga svullnad orsakad av långa utveckling tid33.

Nästa, metoden att utnyttja ett PDMS-bildade substrat i processen limning av PVDF film och SU-8 mesh struktur är unik. Det möjliggör spin beläggning och, som ett resultat, PVDF och SU-8 kan enkelt följas med hjälp av en spin-belagd SU-8 tunn självhäftande skikt. PVDF och SU-8 kan limmas, även med hjälp av ett kommersiellt tillgängliga instant lim. Dock härdar det självhäftande materialet efter limmet är stelnat. Dessutom är det svårt att bilda en tunn film med omedelbar limmet. Om tjockleken på instant limmet är större, kommer att det öka styvheten i hela enheten. En ökning av styvheten leder till en ökning av resonansfrekvens (dvs, det förhindrar att sänka resonansfrekvens, vilket är det huvudsakliga syftet med denna studie). Däremot, med SU-8 tunna filmen bildas av spin beläggning som ett vidhäftning lager kraftigt inte påverkar ökningen i styvhet eftersom bildade SU-8 filmen är tunn. Som mesh strukturen är gjord av SU-8, är det dessutom möjligt att öka vidhäftningshållfasthet med hjälp av samma material för vidhäftning lagret. Det är därför SU-8 vidhäftningen har tillräckligt adhesive styrka att binda en SU-8 mesh struktur och PVDF filmer. Dessutom från aspekten av reproducerbarhet av enheten vore det lämpligt att använda SU-8 tunna filmen som en vidhäftning lager, som en konstant filmtjocklek kan förverkligas genom spin beläggning film formation.

Fjärde, metoden beläggning av SU-8 är distinkt. Vi har valt en spray skikts beläggning metod för SU-8 tjocka filmen. Även om det är möjligt att bilda en tjock film av spin beläggning, stora ytans vågighet uppstår, och det är svårt att belägga filmen enhetligt34. Däremot, med metoden spray flerskiktsbehandling minskar vågighet och dämpar felet av filmtjocklek i de substrat34. Särskilt måste uppmärksamhet ges till stora vågighet eftersom när tjockleken på 3D mesh strukturen blir nonuniform, vibrationer egenskaper och stelhet i enheten ändras av delvis ökad eller minskad tjocklek.

I princip som photolithography använder UV-ljus, är fabricable former begränsade. Det är sant att vi kan tillverka komplexa strukturer såsom en 3D mesh struktur med hjälp av lutande exponering. Godtyckliga former såsom en tredimensionell struktur med en böjd form i film tjocklek riktning är dock svårt att bilda35,36. Den 3D-utskriften kan producera godtyckliga tredimensionella former, och designen är flexibel. Men genomströmning av tillverkning är låg och behandlingen precision och massproduktion är underlägsen photolithography. Det är således inte passar fabricera strukturer med fina mönster på kort tid. Dessutom bearbetning 3D CAD-data är nödvändigt, och det tar tid att skapa 3D-modellen. Däremot, när det gäller photolithography, särskilt i den lutande exponering metoden, den CAD-datan som är nödvändiga för fotomask är tvådimensionell och designen är relativt lätt. Exempelvis är orienterad design för en 3D mesh struktur bara 2D linje och utrymme mönster, som visas i figur 3. Med tanke på dessa fakta, i denna forskning, utnyttjade vi 3D litografi tekniken för att utveckla en flexibel 3D mesh struktur.

I denna studie vi tillverkade en flexibel 3D mesh struktur och tillämpat det i det elastiska skiktet av en bimorph fribärande typ VEH i syfte att sänka resonansfrekvens och ökande uteffekt. Eftersom den föreslagna metoden är användbar i att sänka resonansfrekvens, blir det användbart för vibrationer energi skördare måltavlan för låg frekvens ansökan såsom bärbara enheter, övervakning sensorer för offentliga byggnader och bridge, hushållsapparater, etc. Ytterligare förbättring av uteffekten förväntas genom att kombinera trapetsoidform, triangel form och tjocklek optimering som föreslås tidigare i andra papper37,38,39.

Disclosures

Vi har inget att redovisa.

Acknowledgments

Denna forskning var delvis stöds av JSPS Science Research Grant JP17H03196, JST PRESTO Grant nummer JPMJPR15R3. Stöd från MEXT nanoteknik plattform Project (The University of Tokyo mikrofabrikation plattform) till tillverkning av fotomask är mycket uppskattat.

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

Ingenjörsvetenskap utfärda 144 vibrationsenergin skörd PVDF SU-8 3D photolithography polymer enhet mesh struktur låg frekvens
En Polymer-baserade piezoelektrisk Vibration energi skördare med 3D Meshed-Core struktur
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