Waiting
Login processing...

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

Engineering

Et Polymer-baseret piezoelektriske vibrationer energi mejetærsker 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 denne undersøgelse, vi opdigtet en fleksibel 3D mesh struktur og anvendt det til det elastiske lag af en bimorph cantilever-type vibrationer energi mejetærsker med henblik på at sænke resonansfrekvens og øge output-effekt.

Abstract

I denne undersøgelse fabrikeret vi en fleksibel 3D mesh struktur med periodiske brud ved hjælp af en 3D litografi metode og anvende det til en vibration energi mejetærsker at sænke resonansfrekvens og øge output-effekt. Fabrikationsproces er primært opdelt i to dele: tre-dimensionelle fotolitografi for behandling af en 3D-maske struktur, og limning proces af piezoelektriske film og trådnet strukturen. Med den opdigtede fleksible mesh struktur opnåede vi reduktion af resonansfrekvens og forbedring af udgangseffekt, samtidig. Fra resultater af vibrationer udstillet fintmaskede-core-type vibrationer energi mejetærsker (VEH) 42,6% højere output spænding end solid kerne typen VEH. Derudover givet fintmaskede-core-type VEH 18,7 Hz resonans frekvens, 15,8% lavere end solid kerne typen VEH, og 24.6 μW af udgangseffekt, 68,5% højere end solid kerne typen VEH. Fordelen ved den foreslåede metode er, at en kompleks og fleksibel struktur med hulrum i tre dimensioner kan være relativt nemt fabrikeret i kort tid af metoden tilbøjelig eksponering. Som det er muligt at sænke VEH resonansfrekvens ved trådnet strukturen, skal du bruge i lavfrekvens-programmer, såsom bærbare enheder og hus apparater, kan forventes i fremtiden.

Introduction

I de seneste år, har mariannegrothhansen tegnet meget opmærksomhed som en elektrisk strømforsyning af sensor noder for gennemførelsen af trådløse sensornetværk og tingenes Internet (IoT) programmer1,2,3,4, 5,6,7,8. Blandt flere typer af Energikonvertering i mariannegrothhansen præsenterer piezoelektriske typekonvertering højt output spænding. Denne type konvertering er også velegnet til miniaturisering på grund af sin høje affinitet med mikro teknologi. På grund af disse attraktive funktioner, er mange piezoelektriske mariannegrothhansen blevet udviklet ved hjælp af piezoelektriske keramiske materialer og økologisk polymer materialer9,10,11,12, 13.

I keramiske mariannegrothhansen rapporteret cantilever-type mariannegrothhansen ved hjælp af high-performance piezoelektriske materiale PZT (bly titanate zirconate) er almindeligt14,15,16,17,18, og mariannegrothhansen ofte brug resonans for at opnå høj effektivitet elproduktion. I almindelighed, som resonansfrekvens stiger med miniaturisering af enhedens størrelse, er det vanskeligt at opnå miniaturisering og lav resonansfrekvens samtidigt. Derfor, selv om PZT har høj power generation ydeevne, er det svært at udvikle små PZT-baserede enheder, der fungerer i en lav frekvens band uden særlig behandling, såsom nanoribbon forsamlinger19,20, fordi PZT er en høj-stivhed materiale. Desværre er vores omgivende vibrationer som husholdningsapparater, menneskelig bevægelse, bygninger og broer hovedsagelig ved lave frekvenser, mindre end 30 Hz21,22,23. Derfor er mariannegrothhansen med dens høj power generation virkningsgrad ved lave frekvenser og lille størrelse ideelle til lavfrekvens-applikationer.

Den nemmeste måde at sænke resonansfrekvens er at øge spidsen af cantilever masse vægt. Vedhæfter en high-density materiale til spidsen er alle, der er påkrævet, fabrikation er enkel og nem. Men jo tungere massen er, jo mere skrøbelige enheden bliver. En anden måde at sænke frekvensen er at forlænge cantilever24,25. Afstanden fra den faste ende til den frie ende forlænges i metoden, af en todimensional meandered figur. Silicium substrat er ætset ved hjælp af en semiconductor manufacturing teknik til at fabrikere en meandered struktur. Selv om metoden er effektiv til at sænke resonansfrekvens, området i den piezoelektriske materiale falder, og således den opnåelige udgangseffekt falder. Derudover er der en ulempe, i nærheden af faste slutningen er skrøbelig. Med hensyn til nogle polymer enheder, såsom lav-frekvens VEH, fleksibel piezoelektriske polymer PVDF bruges ofte. Som PVDF er normalt belagt med et spin-coating metode og filmen er tynd, kan resonansfrekvens reduceres på grund af lav stivhed26,27. Selv om filmtykkelse er styrbar i rækken af sub micron til flere mikron, er opnåelige udgangseffekten små på grund af den tynde tykkelsen. Derfor, selv om frekvensen kan reduceres, vi ikke kan få tilstrækkelig power generation, og så praktiske anvendelse er vanskeligt.

Her foreslår vi en bimorph-type piezoelektriske cantilever (bestående af to lag af piezoelektriske lag og et lag af elastiske lag) med to fleksible piezoelektriske polymer ark, der har allerede været udsat for stretching behandling for forbedring af piezoelektriske egenskaber. Desuden, vi vedtager en fleksibel 3D mesh struktur i det elastiske lag af bimorph cantilever at reducere resonansfrekvens og forbedre magt samtidigt. Vi fabrikere 3D-maske struktur ved at udnytte bagside tilbøjelig eksponering metode28,29 , fordi det er muligt at fabrikere fine mønstre med høj præcision i løbet af kort tid. Selv om 3D-print er også en kandidat til at fremstille 3D-maske struktur, gennemløb er lav, og den 3D printer er ringere end fotolitografi i bearbejdning nøjagtighed30,31. Derfor, i denne undersøgelse, backside tilbøjelig eksponering metode er vedtaget som metode til mikro 3D mesh struktur.

Protocol

1. fremstilling af 3D-maske struktur

  1. Rengøring af glas substrat
    1. Forberede 30 mm x 40 mm glas substrater.
    2. Forbered piranha løsning ved at hælde 150 mL svovlsyre (koncentration: 96%) i glas bægerglas. Derefter forsigtigt tilsættes 50 mL hydrogenperoxidopløsning (koncentration: 30%). Sikre, at forholdet mellem mængde svovlsyre syre: hydrogen peroxid vand 3:1.
    3. Bære beskyttelsesbriller og tøj til sikkerhed mens hælde løsninger.
    4. Sat et glas substrat i en Teflon jig til rengøring. Derefter nedsænke det i piranha løsning for 1 min.
    5. Efter en 1 min fordybelse i piranha løsning, skyl vasket glas substrat 2 - 3 gange med rent vand (overløb 2 - 3 gange).
    6. Fjerne vanddråber på glas substrat med luft slag.
  2. Mønstre af Cr maske mønster for bagside eksponering på et glas substrat
    1. Sæt glas substrat i et kammer i et RF (Radio-frekvens) magnetron spruttende maskine. Indstille RF power til 250 W, strømningshastigheden af Ar gas til 12 SCCM, kammeret pres til 0,5 Pa, og den spruttende tid til 11 min. Derefter danne 100-200 nm af chrom folie på glas substrat af RF magnetron sputtering.
      Bemærk: Tykkelsen er kontrolleret af den spruttende tid, under hensyntagen til den spruttende sats betingelse.
    2. Sætte underlaget på en fastsættelse af scenen i en spin-coater kammer. Drop en positiv photoresist S1813 på filmens chrom og frakke 1-2 μm tynde film af spin coating på 4.000 rpm for 30 s.
    3. Bage photoresist-belagt underlaget ved 115 ° C i 1 min på en varmeplade tørre at modstå.
    4. Kontakt en photomask og en photoresist-belagt substrat. Udsætte UV-lys lodret ned til photomask. Sikre, at eksponering dosis er 80 mJ/cm2, og bølgelængde er 405 nm. Bruge photomask vist i figur 1.
    5. Forbered to 500 mL bægerglas. Så hæld 150 mL af TMAH (Tetramethylammonium hydroxid: 2,38%, opløsningsmiddel: vand) løsning i et bæger og hæld 150 mL af chrom TIPkan (Cerium(IV) ammoniumnitrat: 16%, salpetersyre: 8%) i de andre bægerglas.
    6. Fordyb substrat i 150 mL af TMAH løsning og udvikle photoresist for 30 s til 1 min.
    7. Skyl substrat med rent vand.
    8. Fordyb substrat i 150 mL af chrom ætsning løsning og etch chrom til omkring 1-2 min.
    9. Skyl substrat med rent vand og fjerne vanddråber med luften slag.
    10. Forbered piranha løsning ved at hælde 150 mL svovlsyre (koncentration: 96%) i glas bægerglas. Derefter forsigtigt tilsættes 50 mL hydrogenperoxidopløsning (koncentration: 30%). Sikre, at forholdet mellem mængde svovlsyre syre: hydrogen peroxid vand 3:1.
      Bemærk: Bær beskyttende briller, beklædning og handsker for sikkerhed mens hælde løsninger. Piranha løsning vil miste aktivitet efter et stykke tid, så forberede hver gang.
    11. Placere et glas substrat på en Teflon jig til rengøring. Derefter nedsænke det i piranha løsning til 15-30 s til at fjerne photoresist.
  3. Forberedelse til SU-8 belægning
    1. Sætte underlaget på stadiet fastsættelse i spin-coater kammer. Drop ca. 1 mL af akryl harpiks løsning (koncentration: 10%, opløsningsmiddel: toluen) i chrom mønster side af substrat til at frigive en opdigtet struktur som en blote lag. Derefter danne en tynd film af spin coating ved 2.000 omdrejninger for 30 s.
    2. Bages ved 100 ° C i 10 min.
  4. SU-8 spray coating
    1. Lancere spray coater og hæld acetone løsning i sprøjten for rengøring.
    2. Ren og ophæve rester inde spray dyse ved sprøjtning acetone løsning.
      Bemærk: Hvis rengøring er utilstrækkelig, det fører til tilstopning på tidspunktet for sprøjtning. Gentag dette trin to gange for at omhyggeligt.
    3. Sætte underlaget på en vedhæftet plade i en spray coater.
    4. Dække underlaget med en kant dække at forhindre kant perle.
    5. Hæld den negative photoresist SU-8 3005 ind i sprøjten.
    6. Indstille dyse diameter 5 mm dyse bevægelse hastighed til 120 mm/s, forstøvning presset til 150 kPa, væsketryk til 60 kPa, afstanden mellem dyse og substrat til 40 mm, pitch afstanden til 3 mm og tidsinterval for hvert lag til 45 s. Spray SU-8 flerlagsmaterialer på underlaget. Gentag belægningen 10 gange på samme måde.
    7. Forlade substrat til at stå i 5 min efter belægning 10 gange.
      Bemærk: I løbet af stående tid, SU-8 film er ensartet fladtrykt, og luftbobler blandet under spray coating er frigivet.
    8. Bages på en varm tallerken ved 95 ° C i 60 min.
    9. Måle tykkelsen af 10 lag af mikrometer. Derefter beregne tykkelsen pr. lag.
    10. Bestemme det resterende antal gentagelser for spray coating fra den beregnede filmtykkelse pr. lag. Derefter spray flerlags for at danne en tyk film for at opnå målet filmtykkelse. I denne forskning, er 40 lag anvendt til tykkelse 200 μm.
    11. Lad substrat stå i 5 min efter multilayer spray coating.
    12. Bages på en varm tallerken ved 95 ° C til 240 min.
    13. Forlade SU-8 belagt underlaget på en varmeplade i 60 min og derefter afkøles det langsomt til stuetemperatur.
  5. 3D mesh struktur danner
    1. Placer underlaget på en vinkel justering tabel ved at vende substratet (dvs. SU-8 film er vender nedad) som vist i figur 2.
    2. Lave kanten af underlaget med tape.
    3. Tilt vinkel på tabellen justering til 45°.
      Bemærk: 0° betyder, at underlaget er i vandret tilstand. Vinkel på dette tidspunkt afgøres af Snells lov, beregnet fra brydningsindekset af photoresist, brydningsindekset af luft. Ved bestråling i en hændelse vinkel på 45°, er en mesh struktur med en struktur vinkel på 64° opdigtet.
    4. Placere tabellen vinkel justering under UV-lyskilden.
    5. Anvende UV-lys lodret på underlaget på en eksponering dosis af 150 mJ/cm2 og en bølgelængde på 365 nm. Efter eksponering, returnere vinklen på justering tabel til 0° og vippe det til 45° i den modsatte retning. Gælde UV-lys lodret på samme måde.
      Bemærk: Illustrationer er vist i figur 3a, b.
    6. Sætte underlaget på en varm tallerken og Indstil temperaturen til 95 ° C for PEB (efter eksponering bages). Bage substrat for 8 min efter temperaturen bliver 95 ° C.
    7. Sluk for strømmen af varmepladen. Vent, indtil temperaturen af varmepladen falder til ca 40 ° C.
    8. Hæld 150 mL af SU-8 udvikleren i en 500 mL glas bægerglas. Sætte underlaget i en Teflon jig for udvikling.
    9. Hæld 150 mL isopropanol (IPA) i en anden 500 mL glas bægerglas.
    10. Udvikle i ca 20-30 min. Kontroller at hvis den tredje gang ikke er nok, det fører til utilstrækkelig åbningen af trådnet hulrum.
    11. Fordyb substrat med jig i IPA og skyl for 2 min.
      Bemærk: Hvis overfladen af SU-8 er tilsyneladende hvid og mudret, angiver det, at udvikling er utilstrækkelig. I så fald skal gentage udvikling og skylning igen. Efter komplet udvikling, er en mesh struktur dannet, som vist i figur 3 c.
  6. Struktur frigivelse fra glas substrat
    1. Hæld 150 mL toluen løsning i en 500 mL glas bægerglas. Bægerglasset dækkes med alufolie fordi toluen er let at fordamper ved stuetemperatur.
    2. Fordyb substrat i toluen løsning for ca 3-4 h. sikre, at det blote lag af akryl harpiks er ætset, og SU-8 struktur med trådnet strukturen er frigivet fra underlaget, som vist i figur 3d.
    3. Blæse luft til underlaget og fugt fjernes. Opbevar det i en ekssikkator, indtil det er brugt i trin 4.3.

2. forberedelse af piezoelektriske film

  1. Forberede en PVDF ark. Også, forberede en cutter kniv med en rustfri stål klinge og skære måtten.
  2. Skåret ud PVDF ark til enhedsfiguren med en 360 mm2 ark (10 mm x 30 mm for cantilever og 6 mm x 10 mm for elektrisk forbindelse), som vist i figur 3a.
  3. Placer de afskårne PVDF film på en petriskål med en cellulose visker. Gemme dem i en ekssikkator.

3. forberedelse af substrat til limning mesh struktur og piezoelektrisk film

  1. Hæld 10 mL af den vigtigste agent PDMS og 1 mL hærdning agent i et centrifugeglas (dvs. forholdet mellem omtrentlige mængde er 10:1).
  2. Centrifugeglasset i en planetarisk omrøring og defoaming maskine og bland begge løsninger for 1 min.
  3. Forbered to 30 mm x 40 mm glas substrater.
  4. Sæt glas substrat på en fastsættelse af scenen i spin-coater kammer. Drop PDMS løsning på glas substrat. Derefter danne PDMS film af spin coating på 4.000 rpm, som vist i figur 3e.
  5. Bage substrat på en varmeplade ved 100 ° C i 60 min tørre PDMS film.
  6. Sluk for strømmen af varmepladen. Vent, indtil temperaturen af varmepladen falder til ca 40 ° C.

4. fabrikation af bimorph vibrationer energi mejetærsker

  1. Placer cut PVDF filmene én efter én på to forskellige PDMS substrater, som vist i figur 3f. Sikre, at kun ved at placere PVDF film på overfladen af PDMS, de tilslutter sig hinanden. Hvis rynker er set på PVDF film, udvide dem med en rulle.
    Bemærk: Disse to PVDF film hedder PVDF flm1 og PVDF flm2, og de to PDMS substrater er PDMS sbs1 og PDMS sbs2, af hensyn til klarheden.
  2. Drop SU-8 3005 på PVDF flm1 placeret på PDMS sbs1. Derefter form SU-8 tynde film af spin coating på 4.000 rpm som vist i figur 3 g.
    Bemærk: Denne SU-8 tynde film bliver en vedhæftning lag mellem trådnet strukturen og PVDF flm1. Det sted, hvor SU-8 3005 ikke var faldet bruges til ledninger til at erhverve el.
  3. Placer SU-8 mesh struktur på PVDF flm1 og lænker dem som vist i figur 3 h.
  4. Drop SU-8 3005 på PVDF flm2 placeret på PDMS sbs2. Derefter form SU-8 tynde film af spin coating på 4.000 rpm på samme måde som trin 4.2.
  5. Skrælle PVDF flm2 fra PDMS sbs2 og Placer oven på SU-8 mesh struktur placeret på PVDF flm1, tilslutte dem som vist i figur 3i, Jørgensen. Opbevare enheden med den agglomererede stat i en beholder med lav fugtighed som ekssikkator. Lad det i ca 12 timer.
  6. Sætte pincet i bunden af det laveste lag PVDF flm1 og skræl off agglomererede 3 lag PVDF flm1, SU-8 mesh struktur og PVDF flm2 samtidig fra underlaget, som vist i figur 3 k.

Representative Results

Vi fremstillet en bimorph-type VEH består af to lag af PVDF film og et mellemliggende lag består af en SU-8 mesh struktur, som vist i figur 4. Elektroderne på den øvre og nedre PVDF er forbundet i serie at opnå udgangsspændingen. Den optiske image og de to billeder, SEM er elastiske lag med en mesh struktur. Ifølge billederne synes den elastiske lag behandles af bagsiden tilbøjelig eksponering at have fine 3D mesh mønstre uden udvikling svigt.

Figur 5 viser resultaterne af vibrationer tests. I vibrationer tests, to mariannegrothhansen — en med en småmaskede redskaber kerne og den anden med en solid core struktur — som det elastiske lag er evalueret for at kontrollere gyldigheden af fintmaskede-core-type VEH. Mariannegrothhansen er indstillet på en vibration shaker og ophidset med en vibration acceleration af 1.96 m/s2 (0,2 G). Begge de fintmaskede-core-type og solid kerne typen mariannegrothhansen viste sinusformet output synkroniseret med en sinusformet input. Det fintmaskede-core-type VEH udstillet en 42,6% højere output spænding end solid core type VEH. Figur 5b viser hyppighed svaret i den maksimale udgangseffekt. Fintmaskede-core-type VEH udstillet en resonansfrekvens af 18,7 Hz, som er 15,8% lavere end solid kerne typen VEH, og en output-effekt af 24.6 μW, som er 68,5% højere end solid kerne typen VEH.

Figure 1
Figur 1: Photomask layout for fotolitografi at fabrikere elastiske lag med en 3D fintmaskede core struktur. Photomask består af to dele. En er området for fastspænding, og det andet indeholder de linje og plads mønstre til mesh-struktur mønster. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Set-up for tilbøjelig eksponering. UV-lys er udsat vertikalt for tilbøjelig bærematerialet med en Cr mønster placeret på vinkel justering bord. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: skematisk af en foreslået piezoelektriske vibrationer energi mejetærsker med en 3D fintmaskede core struktur og opdigte oparbejde af harvester. Fabrikationsproces kan opdeles i 3 sektioner: (en)-(d) repræsenterer fabrikationsproces af 3D-maske struktur, (e)-(g) repræsenterer udarbejdelsen af PVDF filmen på et glas substrat, og (h)-(Jørgensen ) repræsenterer limning processen med at danne en bimorph cantilever. (Disse tal er udgivet under guld Open Access, Creative Commons licens og er blevet ændret fra [21].) Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: (a) fotografi af opdigtede bimorph fintmaskede kerne vibration energi mejetærsker, b tværsnits optisk billede af den 3D fintmaskede core struktur, c og d SEM billeder af SU-8 fintmaskede core elastiske lag. (Disse tal er udgivet under guld Open Access, Creative Commons licens og er blevet ændret fra [21].) Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: a en sinusformet output spænding på belastningsmodstand under hver resonans tilstand (fintmaskede core 18,7 Hz, solid core 22,2 Hz) og (b) maksimale udgangseffekt som en funktion af vibrationer hyppighed under optimale belastningsmodstand (fintmaskede-core 17 MΩ, solid core 13 MΩ) og 0,2 G acceleration. (Disse tal er udgivet under guld Open Access, Creative Commons licens og er blevet ændret fra [21].) Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Den succesfulde fabrikation af 3D mesh struktur og den foreslåede bimorph VEH beskrevet ovenfor er baseret på fire vigtige og karakteristiske trin.

Det første vigtige skridt er behandling ved hjælp af bagsiden tilbøjelig eksponering. I princippet er det muligt at fabrikere en mesh struktur af tilbøjelig eksponering fra den øvre overflade ved hjælp af kontakt litografi teknik. Men bagsiden eksponering præsenterer en mere præcis forarbejdning præcision end kontakt litografi, og fejl under udvikling er mindre tilbøjelige til at forekomme28,29. Dette skyldes, at afstanden mellem photomask og photoresist kunne opstå på grund af waviness af photoresist overflade. Derfor, lys diffraktion opstår og forarbejdning præcision er sænket på grund af afstanden. Derfor, i denne undersøgelse, vi opdigtet en mesh struktur ved hjælp af metoden bagside tilbøjelig eksponering. Derudover er den målte værdi af de strukturelle vinkel af opdigtede mesh struktur omkring 65°, med bare 1% fejl forhold designet værdien af 64 °. Fra resultatet konkludere vi, at det er hensigtsmæssigt at anvende metoden bagside tilbøjelig eksponering for at fabrikere trådnet strukturen.

Det andet vigtige skridt er udviklingsprocessen af SU-8. Hvis en udvikler opstår defekt, trådnet strukturen mister iboende fleksibilitet. For at udvikle den tykke SU-8 film, er typisk 10-15 min brugt. Denne tredje gang er dog utilstrækkelig til udviklingen af en 3D-maske struktur. 3D-maske struktur afviger fra den 2D mønster fabrikeret af fotolitografi, fordi det har mange indre hulrum inde i membranen. Hvis udviklingslandene tiden er kort, videre udvikling ikke til indre af mesh struktur, forårsager mønstre fiasko. Det er derfor, det er nødvendigt at anvende en relativt lang udviklingstid, 20-30 min32. Hvis finere mønstre er krævede, kan endnu længere udvikling tid være nødvendigt. Men på tidspunktet, vi skal overveje hævelse forårsaget af lange udvikling tid33.

Næste, metoden til at udnytte en PDMS-dannet substrat i limning processen med PVDF film og SU-8 mesh struktur er unikke. Det muliggør spin coating, og som et resultat, PVDF og SU-8 kan nemt overholdes ved hjælp af en spin-belagt SU-8 tynd selvklæbende lag. PVDF og SU-8 kan være bundet, selv ved hjælp af en kommercielt tilgængelig instant lim. Men den klæbende materiale hærder efter at limen er størknet. Desuden er det vanskeligt at danne en tynd film med instant limen. Hvis tykkelsen af instant limen er større, vil det øge stivheden af hele enheden. En stigning i stivhed fører til en stigning i resonansfrekvens (dvs. det forhindrer sænke den resonansfrekvens, som er det vigtigste formål med denne undersøgelse). På den anden side ved hjælp af SU-8 tynd hinde dannet af spin coating, da en vedhæftning lag høj grad ikke påvirker stigningen i stivhed fordi de dannede SU-8 film er tynd. Derudover som trådnet strukturen er lavet af SU-8, er det muligt at øge den klæbende styrke ved hjælp af det samme materiale til laget vedhæftning. Det er derfor SU-8 vedhæftning har nok klæbestyrke til bond en SU-8 mesh struktur og PVDF film. Desuden fra aspekt af reproducerbarhed af enheden, ville det være nyttigt at bruge SU-8 tynd film som en vedhæftning lag, som en konstant filmtykkelse kan realiseres af spin coating film dannelse.

Fjerde er metoden belægning af SU-8 karakteristisk. Vi har valgt en spray multilayer belægning metode for SU-8 tyk film. Selv om det er muligt at danne en tyk film af spin coating, store overflade waviness opstår, og det er vanskeligt at belægge filmen ensartet34. På den anden side ved hjælp af metoden spray multi belægning reducerer waviness og undertrykker fejlen af filmtykkelse substrat34. Særlig skal opmærksomhed gives til store waviness fordi når tykkelsen af 3D-maske struktur bliver uensartet, vibrationer karakteristika og stivhed af enheden er ændret af den delvist øget eller nedsat tykkelse.

I princippet, da fotolitografi bruger UV-lys, er de fabricable figurer begrænset. Det er rigtigt, at vi kan fremstille komplekse strukturer som en 3D-maske struktur ved hjælp af skrå eksponering. Vilkårlig figurer som en tredimensionel struktur med en buet form i filmen tykkelse retning er imidlertid vanskeligt at danne35,36. 3D-printning kan producere vilkårlige tre-dimensionelle figurer, og designet er fleksibel. Dog gennemløb af fabrikation er lav, og forarbejdning præcision og masseproduktion er ringere end fotolitografi. Det er således ikke egnet til opdigte strukturer med fine mønstre på kort tid. Hertil kommer, behandling af 3D CAD data er nødvendige, og det tager tid at oprette 3D-modellen. På den anden side i fotolitografi, især i metoden tilbøjelig eksponering den CAD-data, der er nødvendige for photomask er to-dimensionelle, og designet er forholdsvis let. For eksempel, er den orienteret design for en 3D-maske struktur bare 2D linje og plads mønstre, som vist i figur 3. I betragtning af disse kendsgerninger i denne forskning, udnyttet vi 3D litografi teknik for at udvikle en fleksibel 3D mesh struktur.

I denne undersøgelse, vi opdigtet en fleksibel 3D mesh struktur og anvendt det til det elastiske lag af typen bimorph cantilever VEH sænkning resonansfrekvens og stigende udgangseffekt. Da den foreslåede metode er nyttig til at sænke resonansfrekvens, vil det være nyttigt for vibration energi mejetærsker indskyde nemlig lavfrekvente overførelse såsom bærbare enheder, overvågning sensorer til offentlige bygninger og bro, hus apparater, osv. Yderligere forbedring af udgangseffekt forventes ved at kombinere trapezform, trekant form og tykkelse optimering, som tidligere foreslået i andre papirer37,38,39.

Disclosures

Vi har intet at videregive.

Acknowledgments

Denne forskning blev delvist støttet af JSP'ER videnskab forskning Grant JP17H03196, JST PRESTO Grant nummer JPMJPR15R3. Støtte fra MEXT Nanotechnology Platform projekt (The University of Tokyo Microfabrication Platform) til fabrikation af photomask er meget værdsat.

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 udsteder 144 vibrationer energi høst PVDF SU-8 3D fotolitografi polymer enhed mesh struktur lav-frekvens
Et Polymer-baseret piezoelektriske vibrationer energi mejetærsker 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