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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |