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Engineering

3 डी मेशेड-कोर संरचना के साथ एक बहुलक आधारित piezoelectric कंपन ऊर्जा हार्वेस्टर

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

Summary

इस अध्ययन में, हम एक लचीला 3 डी जाल संरचना गढ़े और यह प्रतिध्वनि आवृत्ति को कम करने और उत्पादन शक्ति में वृद्धि के प्रयोजन के लिए एक द्वि रूपी cantilever-प्रकार कंपन ऊर्जा हार्वेस्टर की लोचदार परत को लागू किया ।

Abstract

इस अध्ययन में, हम एक 3 डी लिथोग्राफी विधि का उपयोग करके आवधिक voids के साथ एक लचीला 3 डी जाल संरचना गढ़े और यह कम अनुनाद आवृत्ति और उत्पादन शक्ति में वृद्धि करने के लिए एक कंपन ऊर्जा हार्वेस्टर के लिए आवेदन । निर्माण प्रक्रिया मुख्य रूप से दो भागों में विभाजित है: 3 डी जाल संरचना के प्रसंस्करण के लिए तीन आयामी फोटोलिथग्राफी, और पीजोइलेक्ट्रिक फिल्मों और मेष संरचना की एक संबंध प्रक्रिया । गढ़े लचीला जाल संरचना के साथ, हम गूंज आवृत्ति और उत्पादन शक्ति के सुधार, एक साथ की कमी हासिल की । कंपन परीक्षणों के परिणामों से, मेशेद-कोर-प्रकार के कंपन ऊर्जा हार्वेस्टर (वेह) ने ठोस-कोर-प्रकार वेह की तुलना में ४२.६% अधिक आउटपुट वोल्टेज प्रदर्शित किया । इसके अतिरिक्त, मेशेद-कोर-प्रकार वेह में १८.७ हर्ट्ज प्रतिध्वनि आवृत्ति, १५.८% ठोस-कोर-प्रकार की तुलना में कम है, और आउटपुट पावर का २४.६ μw, ठोस-कोर-प्रकार वेह की तुलना में ६८.५% अधिक है । प्रस्तावित विधि का लाभ यह है कि तीन आयामों में voids के साथ एक जटिल और लचीला संरचना अपेक्षाकृत आसानी से झुका जोखिम विधि द्वारा एक कम समय में गढ़े जा सकता है । के रूप में यह मेष संरचना, इस तरह के पहनने योग्य उपकरणों और घर उपकरणों के रूप में कम आवृत्ति अनुप्रयोगों में उपयोग, भविष्य में उम्मीद की जा सकती है की गूंज आवृत्ति को कम करने के लिए संभव है ।

Introduction

हाल के वर्षों में, vehs वायरलेस सेंसर नेटवर्क और चीजों की इंटरनेट (iot) अनुप्रयोगों को लागू करने के लिए सेंसर नोड्स के एक बिजली की आपूर्ति के रूप में ज्यादा ध्यान खींचा है1,2,3,4, 5,6,7,8. vehs में ऊर्जा रूपांतरण के कई प्रकार के अलावा, piezoelectric-प्रकार रूपांतरण उच्च उत्पादन वोल्टेज प्रस्तुत करता है । इस प्रकार के रूपांतरण भी miniaturization के लिए उपयुक्त है क्योंकि माइक्रोमाइनिंग प्रौद्योगिकी के साथ अपने उच्च संबध की । इन आकर्षक सुविधाओं की वजह से, कई piezoelectric vehs विकसित किया गया है piezoelectric सिरेमिक सामग्री और कार्बनिक बहुलक सामग्री का उपयोग कर9,10,11,12, 13.

सिरेमिक vehs में, cantilever-प्रकार vehs उच्च प्रदर्शन piezoelectric सामग्री का उपयोग pzt (सीसा titanate zirconate) व्यापक रूप से रिपोर्ट कर रहे हैं14,15,16,17,18, और vehs अक्सर उच्च दक्षता बिजली उत्पादन प्राप्त करने के लिए प्रतिध्वनि का उपयोग करें । सामान्य रूप में, डिवाइस आकार के miniaturization के साथ गूंज आवृत्ति बढ़ जाती है के रूप में, यह एक साथ miniaturization और कम अनुनाद आवृत्ति को प्राप्त करने के लिए मुश्किल है. इस प्रकार, हालांकि pzt उच्च शक्ति-पीढ़ी के प्रदर्शन है, यह छोटे आकार pzt आधारित उपकरणों का विकास करने के लिए मुश्किल है कि विशेष प्रसंस्करण के बिना एक कम आवृत्ति बैंड में काम करते हैं, जैसे nanoribbon विधानसभाओं19,20, क्योंकि pzt एक उच्च कठोरता सामग्री है । दुर्भाग्य से, इस तरह के घरेलू उपकरणों, मानव गति, इमारतों, और पुलों के रूप में हमारे आसपास के कंपन कम आवृत्तियों पर मुख्य रूप से कर रहे हैं, से कम 30 हर्ट्ज21,22,23. इसलिए, vehs अपनी उच्च शक्ति के साथ कम आवृत्तियों और छोटे आकार पर पीढ़ी दक्षता कम आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए आदर्श होते हैं.

सबसे आसान तरीका अनुनाद आवृत्ति को कम करने के लिए cantilever की नोक के बड़े पैमाने पर वजन बढ़ाने के लिए है । के रूप में टिप करने के लिए एक उच्च घनत्व सामग्री संलग्न है कि सभी की आवश्यकता है, निर्माण सरल और आसान है । हालांकि, भारी द्रव्यमान है, और अधिक नाजुक उपकरण बन जाता है । आवृत्ति को कम करने का एक और तरीका है ब्रैकट24,25लंबा है । विधि में, निश्चित अंत से मुक्त अंत करने के लिए दूरी एक द्वि-आयामी meandered आकार द्वारा विस्तारित है । सिलिकॉन सब्सट्रेट एक अर्धचालक विनिर्माण तकनीक का उपयोग कर एक meandered संरचना बनाना धंसा है । हालांकि विधि प्रतिध्वनि आवृत्ति को कम करने के लिए प्रभावी है, piezoelectric सामग्री के क्षेत्र में कमी आती है और, इस प्रकार, प्राप्य उत्पादन शक्ति कम हो जाती है. इसके अलावा, एक नुकसान यह है कि आसपास के तय अंत नाजुक है । कुछ बहुलक उपकरणों के बारे में, जैसे कम आवृत्ति वेह, लचीला piezoelectric बहुलक pvdf अक्सर प्रयोग किया जाता है । के रूप में pvdf आमतौर पर एक स्पिन कोटिंग विधि द्वारा लेपित है और फिल्म पतली है, गूंज आवृत्ति कम कठोरता26,27की वजह से कम किया जा सकता है । हालांकि फिल्म मोटाई उप माइक्रोन की सीमा में कई microns के लिए चलाया जाता है, प्राप्य उत्पादन बिजली की पतली मोटाई की वजह से छोटा है । इसलिए, भले ही आवृत्ति कम किया जा सकता है, हम पर्याप्त बिजली उत्पादन प्राप्त नहीं कर सकता, और इसलिए, व्यावहारिक अनुप्रयोग मुश्किल है.

यहां, हम एक bimorph-प्रकार piezoelectric कैंटिलीवर (piezoelectric परतों की दो परतों और लोचदार परत की एक परत से मिलकर) का प्रस्ताव दो लचीला piezoelectric बहुलक चादरें, जो पहले से ही सुधार के लिए उपचार खींच के अधीन किया गया है के साथ पीजोइलेक्ट्रिक विशेषताओं का इसके अलावा, हम प्रतिध्वनि आवृत्ति को कम करने और एक साथ शक्ति में सुधार करने के लिए द्वि रूपी कैंटिलीवर की लोचदार परत में एक लचीला 3 डी जाल संरचना को अपनाने । हम पीठ इच्छुक जोखिम विधि28,29 का उपयोग करके 3 डी जाल संरचना किर क्योंकि यह एक कम समय में उच्च परिशुद्धता के साथ ठीक पैटर्न बनाना संभव है । हालांकि 3 डी मुद्रण भी एक उंमीदवार के लिए 3 डी जाल संरचना बनाना है, प्रवाह कम है, और 3d प्रिंटर30,31मशीनिंग सटीकता में photolithography के अवर है । इसलिए, इस अध्ययन में, पीठ झुका जोखिम विधि के लिए विधि के रूप में अपनाया है माइक्रो 3 डी जाल संरचना.

Protocol

1.3 डी जाल संरचना का निर्माण

  1. कांच सब्सट्रेट की सफाई
    1. 30 मिमी x ४० मिमी गिलास substrates तैयार करते हैं ।
    2. पिरांहा का घोल बनाकर तैयार करें घनघोर सल्फ्यूरिक एसिड की १५० मिलीलीटर (एकाग्रता: ९६%) गिलास बीकर में । फिर धीरे हाइड्रोजन पेरोक्साइड समाधान के ५० मिलीलीटर जोड़ें (एकाग्रता: 30%) । सुनिश्चित करें कि सल्फ्यूरिक एसिड की मात्रा अनुपात: हाइड्रोजन पेरोक्साइड पानी 3:1 है ।
    3. सुरक्षा के लिए सुरक्षात्मक चश्मे और कपड़े पहनें जबकि समाधान डालने के लिए ।
    4. सफाई के लिए एक teflon जिग में एक गिलास सब्सट्रेट सेट करें । तो यह पिरांहा समाधान में 1 मिनट के लिए विसर्जित कर दिया ।
    5. एक 1 मिनट पिरांहा समाधान में विसर्जन के बाद, धोया गिलास सब्सट्रेट शुद्ध पानी के साथ 2-3 बार कुल्ला (अतिप्रवाह 2-3 बार) ।
    6. हवा का झटका के साथ कांच सब्सट्रेट पर पानी की बूंदों को हटा दें ।
  2. एक गिलास सब्सट्रेट पर बैकसाइड एक्सपोजर के लिए सीआर मास्क पैटर्न की पैटर्निंग
    1. एक आरएफ (रेडियो आवृत्ति) मैग्नेट्रॉन sputtering मशीन के एक चैंबर में कांच सब्सट्रेट सेट करें । २५० डब्ल्यू के लिए आरएफ शक्ति सेट, एआर गैस की प्रवाह दर 12 sccm के लिए, चैंबर दबाव ०.५ फिलीस्तीनी अथॉरिटी के लिए, और 11 मिनट के लिए sputtering समय । फिर फार्म 100-200 क्रोमियम फिल्म के एनएम ग्लास पर आरएफ मैग्नेट्रॉन sputtering द्वारा सब्सट्रेट ।
      नोट: मोटाई sputtering समय द्वारा नियंत्रित किया जाता है, खाते में sputtering दर हालत ले रही है ।
    2. एक स्पिन-कोटर चैंबर में एक फिक्सिंग चरण पर सब्सट्रेट सेट करें । ड्रॉप एक सकारात्मक photoresist S1813 क्रोमियम फिल्म पर और कोट 1-2 μm पतली फिल्म स्पिन कोटिंग द्वारा ४,००० आरपीएम पर 30 s के लिए.
    3. प्रतिरोध को सुखाने के लिए एक गर्म थाली पर 1 मिनट के लिए ११५ डिग्री सेल्सियस पर photoresist-लेपित सब्सट्रेट सेंकना ।
    4. एक photomask और एक photoresist-लेपित सब्सट्रेट से संपर्क करें । photomask के लिए खड़ी यूवी प्रकाश बेनकाब । यह सुनिश्चित करें कि एक्सपोजर खुराक ८० एमजे/सेमी2है, और तरंग दैर्घ्य ४०५ एनएम है । चित्र 1में दर्शाए गए फ़ोटोमास्क का उपयोग करें ।
    5. २ ५०० मिलीलीटर यूरिन तैयार करें । फिर एक बीकर में tmah (टेट्रामेथिलामोनियम हाइड्रॉक्साइड: २.३८%, सॉल्वेंट: पानी) समाधान के १५० मिलीलीटर डालो और क्रोमियम etchant के १५० एमएल डालना (अमोनियम cerium (चतुर्थ) नाइट्रेट: 16%, नाइट्रिक एसिड: 8%) दूसरे बीकर में ।
    6. १५० में सब्सट्रेट विसर्जित tmah समाधान की मिलीलीटर और photoresist के लिए विकसित करने के लिए 30 s करने के लिए 1 मिनट.
    7. शुद्ध पानी के साथ सब्सट्रेट कुल्ला ।
    8. क्रोमियम नक़्क़ाशी समाधान के १५० मिलीलीटर में सब्सट्रेट विसर्जित और के बारे में 1 से 2 मिनट के लिए क्रोमियम खोदना ।
    9. शुद्ध पानी के साथ सब्सट्रेट कुल्ला और हवा उड़ा के साथ पानी की बूंदों को हटा दें ।
    10. पिरांहा घोल को घनघोर द्वारा तैयार करें १५० मिलीलीटर सल्फ्यूरिक एसिड (एकाग्रता: ९६%) गिलास बीकर में । फिर धीरे हाइड्रोजन पेरोक्साइड समाधान के ५० मिलीलीटर जोड़ें (एकाग्रता: 30%) । सुनिश्चित करें कि सल्फ्यूरिक एसिड की मात्रा अनुपात: हाइड्रोजन पेरोक्साइड पानी 3:1 है ।
      नोट: सुरक्षा के लिए सुरक्षात्मक चश्मे, कपड़े, और दस्ताने पहनते हैं, जबकि समाधान डालने का समय । पिरांहा समाधान थोड़ी देर के बाद गतिविधि खो देंगे, इसलिए हर बार तैयार करें ।
    11. सफाई के लिए एक teflon जिग पर एक गिलास सब्सट्रेट प्लेस । फिर, यह पिरांहा समाधान में विसर्जित करने के लिए 15-30 s photoresist को दूर करने के लिए.
  3. SU-8 कोटिंग के लिए तैयारी
    1. स्पिन-कोटर चैंबर में फिक्सिंग चरण पर सब्सट्रेट सेट करें । ड्रॉप लगभग 1 एक्रिलिक राल समाधान की मिलीलीटर (एकाग्रता: 10%, विलायक: टोलुईन) क्रोमियम पैटर्न की ओर सब्सट्रेट एक बलि परत के रूप में एक गढ़े संरचना जारी करने के लिए । फिर, 30 एस के लिए २,००० आरपीएम पर स्पिन कोटिंग द्वारा एक पतली फिल्म के रूप में ।
    2. 10 मिनट के लिए १०० डिग्री सेल्सियस पर बनाओ ।
  4. SU-8 स्प्रे कोटिंग
    1. स्प्रे कोटर लॉन्च और सफाई के लिए सिरिंज में एसीटोन समाधान डालना ।
    2. साफ और एसीटोन समाधान छिड़काव द्वारा स्प्रे नोक के अंदर अवशेषों को दूर ।
      नोट: यदि सफाई अपर्याप्त है, यह छिड़काव के समय कॉलेस्ट्रॉल की ओर जाता है । ध्यान से साफ करने के लिए इस चरण को दो बार दोहराएं ।
    3. एक स्प्रे कोटर में एक संलग्न थाली पर सब्सट्रेट सेट करें ।
    4. बढ़त मनका को रोकने के लिए एक किनारे कवर के साथ सब्सट्रेट कवर ।
    5. सिरिंज में नकारात्मक photoresist सु-८ ३००५ डालो ।
    6. 5 मिमी के लिए नोक व्यास सेट, नोजल आंदोलन गति के लिए १२० mm/s, atomization दबाव १५० kpa के लिए, द्रव दबाव ६० केपीए के लिए, नोजल के बीच की दूरी और ४० मिमी के लिए सब्सट्रेट, पिच दूरी 3 मिमी के लिए, और अंतराल समय के लिए प्रत्येक परत के लिए ४५ s. Spray SU-8 सब्सट्रेट पर बहुपरत । एक ही रास्ते में 10 बार कोटिंग दोहराएं ।
    7. सब्सट्रेट 10 बार कोटिंग के बाद 5 मिनट के लिए खड़े करने के लिए छोड़ दें ।
      नोट: खड़े समय के दौरान, SU-8 फिल्म एक समान रूप से चपटा है, और हवा के बुलबुले स्प्रे कोटिंग के दौरान मिश्रित जारी कर रहे हैं ।
    8. ६० मिनट के लिए ९५ डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म थाली पर बनाओ ।
    9. माइक्रोमीटर द्वारा 10 परतों की मोटाई को मापने । फिर, परत प्रति मोटाई की गणना ।
    10. परत प्रति परिकलित फिल्म मोटाई से स्प्रे कोटिंग के लिए repetitions की शेष संख्या निर्धारित करें । फिर एक मोटी फिल्म बनाने के लिए लक्ष्य फिल्म मोटाई को प्राप्त करने के लिए बहुपरत स्प्रे । इस शोध में, ४० परतों एक २०० μm मोटाई के लिए लागू कर रहे हैं ।
    11. बहुपरत स्प्रे कोटिंग के बाद 5 मिनट के लिए सब्सट्रेट खड़े हो जाओ ।
    12. २४० मिनट के लिए ९५ डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म थाली पर बनाओ ।
    13. ६० मिनट के लिए एक गर्म थाली पर SU-8 लेपित सब्सट्रेट छोड़ दो और फिर धीरे से कमरे के तापमान को शांत ।
  5. 3 डी जाल संरचना बनाने
    1. एक कोण समायोजन तालिका पर सब्सट्रेट (यानी, SU-8 फिल्म नीचे का सामना करना पड़ रहा है) flipping के रूप में चित्रा 2में दिखाया द्वारा सब्सट्रेट रखें ।
    2. टेप के साथ सब्सट्रेट के किनारे को ठीक करें ।
    3. समायोजन तालिका के कोण को ४५ ° तक घुमाएं ।
      नोट: 0 ° का अर्थ है सब्सट्रेट क्षैतिज स्थिति में है । इस समय कोण है snell कानून द्वारा निर्धारित किया जाता है, photoresist के अपवर्तनांक, हवा के अपवर्तनांक से गणना की । ४५ ° के एक घटना कोण पर मिलावट द्वारा, ६४ ° के एक संरचना कोण के साथ एक जाल संरचना गढ़े है ।
    4. यूवी प्रकाश स्रोत के तहत कोण समायोजन तालिका रखें ।
    5. १५० mj/cm2 और ३६५ एनएम की तरंगदैर्घ्य के एक जोखिम की खुराक पर ऊर्ध्व को सब्सट्रेट करने के लिए लंबवत प्रकाश लागू करें । एक्सपोज़र के बाद, समायोजन तालिका के कोण को 0 ° पर लौटाएं और इसे विपरीत दिशा में ४५ ° पर घुमाएं । यूवी प्रकाश एक ही तरह से खड़ी लागू करें ।
      नोट: रेखांकन चित्रा 3a, बीमें दिखाए जाते हैं ।
    6. एक गर्म थाली पर सब्सट्रेट प्लेस और peb (पोस्ट-एक्सपोजर सेंकना) के लिए ९५ डिग्री सेल्सियस के लिए तापमान निर्धारित किया है । तापमान ९५ डिग्री सेल्सियस हो जाता है के बाद 8 मिनट के लिए सब्सट्रेट सेंकना ।
    7. हॉट प्लेट की पॉवर बंद कर दीजिये. गर्म थाली के तापमान लगभग ४० डिग्री सेल्सियस तक गिरता है जब तक रुको ।
    8. एक ५०० मिलीलीटर गिलास बीकर में SU-8 डेवलपर की १५० मिलीलीटर डालो । विकासशील के लिए एक teflon जिग में सब्सट्रेट सेट करें ।
    9. एक और ५०० मिलीलीटर गिलास बीकर में isopropanol (आइपीएल) के १५० मिलीलीटर डालो ।
    10. लगभग 20 से 30 मिनट के लिए विकसित करना सुनिश्चित करें कि यदि विकासशील समय पर्याप्त नहीं है, तो यह मेष रिक्तियों के अपर्याप्त खुलने की ओर जाता है ।
    11. आइपीएल में जिग के साथ सब्सट्रेट विसर्जित और 2 मिनट के लिए कुल्ला ।
      नोट: यदि SU-8 की सतह जाहिरा तौर पर सफेद और मैला है, यह इंगित करता है कि विकास अपर्याप्त है. उस मामले में, दोहराएं विकास और फिर से rinsing । पूर्ण विकास के बाद, एक जाल संरचना का गठन किया जाता है, जैसा कि चित्रा 3 सीमें दिखाया गया है ।
  6. कांच सब्सट्रेट से संरचना रिलीज
    1. एक ५००-मिलीलीटर गिलास बीकर में टोलूईन समाधान की १५० मिलीलीटर डालो । एल्यूमीनियम पन्नी के साथ बीकर कवर क्योंकि टोलूईन कमरे के तापमान पर लुप्त हो जाना आसान है ।
    2. लगभग 3-4 एच के लिए टोलूईन समाधान में सब्सट्रेट विसर्जित सुनिश्चित करें कि एक्रिलिक राल की बलि परत etched है, और SU-8 जाल संरचना के साथ संरचना सब्सट्रेट से जारी किया गया है, के रूप में चित्रा 3 डीमें दिखाया गया है.
    3. सब्सट्रेट करने के लिए हवा को उड़ाने और नमी को हटा दें । इसे एक desiccator में स्टोर जब तक यह चरण ४.३ में प्रयोग किया जाता है ।

2. पीएसजोइलेक्ट्रिक फिल्म की तैयारी

  1. एक pvdf शीट तैयार करें । इसके अलावा, एक स्टेनलेस स्टील ब्लेड और चटाई काटने के साथ एक कटर चाकू तैयार करते हैं ।
  2. एक ३६० मिमी2 शीट के साथ डिवाइस के आकार के लिए पीवीडीएफ शीट को काटें (10 मिमी x 30 मिमी और बिजली के कनेक्शन के लिए 6 मिमी x 10 मिमी), जैसा कि चित्रा 3aमें दिखाया गया है ।
  3. एक सेल्यूलोज वाइपर के साथ एक पेट्री डिश पर कट पीवीडीएफ फिल्में रखें । उंहें एक desiccator में स्टोर ।

3. बंधन मेष संरचना और piezoelectric फिल्म के लिए सब्सट्रेट की तैयारी

  1. एक अपकेंद्री ट्यूब में pdms और इलाज एजेंट के 1 मिलीलीटर के मुख्य एजेंट के 10 मिलीलीटर डालो (अर्थात्, अनुमानित मात्रा अनुपात 10:1 है) ।
  2. एक ग्रहों सरगर्मी और defoaming मशीन में अपकेंद्रित्र ट्यूब सेट और 1 मिनट के लिए दोनों समाधान मिश्रण ।
  3. तैयार २ ३० मिमी x ४० मिमी गिलास substrates ।
  4. स्पिन-कोटर चैंबर में एक फिक्सिंग चरण पर कांच सब्सट्रेट सेट करें । कांच सब्सट्रेट पर ड्रॉप pdms समाधान । फिर, ४,००० rpm पर स्पिन कोटिंग द्वारा pdms फिल्म के रूप में, चित्रा 3eमें दिखाया गया है ।
  5. pdms फिल्म सूखी करने के लिए ६० मिनट के लिए १०० डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म थाली पर सब्सट्रेट सेंकना ।
  6. हॉट प्लेट की पॉवर बंद कर दीजिये. गर्म थाली के तापमान लगभग ४० डिग्री सेल्सियस तक गिरता है जब तक रुको ।

4. बिमोर्फ कंपन ऊर्जा हार्वेस्टर के निर्माण

  1. कट pvdf फिल्मों एक दो अलग pdms substrates पर एक एक करके प्लेस, के रूप में चित्रा 3fमें दिखाया गया है । सुनिश्चित करें कि सिर्फ पीडीएमएस की सतह पर पीवीडीएफ फिल्मों को रखकर, वे एक दूसरे का पालन करते हैं । यदि झुर्रियों pvdf फिल्मों पर देखा जाता है, उंहें एक रोलर के साथ विस्तार ।
    नोट: इन दो pvdf फिल्मों pvdf flm1 और pvdf flm2कहा जाता है, और दो pdms substrates है pdms sbs1 और pdms sbs2, स्पष्टता की खातिर ।
  2. छोड़ SU-८ ३००५ पर pvdf flm1 pdms sbs1पर रखा । फिर, चित्रा 3 जीमें दिखाया गया है के रूप में ४,००० आरपीएम पर स्पिन कोटिंग द्वारा SU-8 पतली फिल्म के रूप में.
    नोट: यह SU-8 पतली फिल्म जाल संरचना और pvdf flm1के बीच एक आसंजन परत बन जाता है । जगह है जहां SU-८ ३००५ नहीं गिराया गया था तारों के लिए बिजली का अधिग्रहण करने के लिए प्रयोग किया जाता है ।
  3. pvdf flm1 पर SU-8 जाल संरचना प्लेस और उन्हें चित्रा 3hमें दिखाया गया के रूप में बांड ।
  4. छोड़ SU-८ ३००५ पर pvdf flm2 pdms sbs2पर रखा । फिर, ४,००० आरपीएम पर स्पिन कोटिंग द्वारा SU-8 पतली फिल्म के रूप में कदम ४.२ के रूप में उसी तरह.
  5. पीडीएमएस sbs2 से pvdf flm2 छील और फिर SU-8 जाल pvdf flm1पर रखा संरचना के शीर्ष पर जगह है, उंहें पालन के रूप में चित्रा 3i, जंमूमें दिखाया गया है । एक कंटेनर में इस तरह के desiccator के रूप में कम नमी के साथ बंधुआ राज्य के साथ डिवाइस स्टोर । के बारे में 12 ज के लिए छोड़ दें ।
  6. सबसे कम परत pvdf flm1 के नीचे की ओर में चिमटी रखो और बंद छील 3 परतों pvdf flm1, SU-8 जाल संरचना, और pvdf flm2 एक साथ सब्सट्रेट से, के रूप में चित्रा 3kमें दिखाया गया है ।

Representative Results

हम एक bimorph प्रकार वेह pvdf फिल्मों की दो परतों से बना है और एक मध्यवर्ती एक SU-8 जाल संरचना से बना परत, के रूप में चित्र 4में दिखाया गया । आउटपुट वोल्टेज प्राप्त करने के लिए ऊपरी और निचले pvdf के इलेक्ट्रोड श्रृंखला में जुड़े हुए हैं. ऑप्टिकल छवि और दो SEM छवियों एक जाल संरचना के साथ लोचदार परतें हैं । छवियों के अनुसार, लोचदार परत पीठ झुका जोखिम द्वारा संसाधित करने के लिए विकास की विफलता के बिना ठीक 3d जाल पैटर्न प्रतीत होता है ।

चित्रा 5 कंपन परीक्षण के परिणाम से पता चलता है । कंपन परीक्षणों में, दो vehs-एक meshed कोर के साथ एक और एक ठोस कोर संरचना के साथ दूसरे-के रूप में लोचदार परत के लिए meshed-कोर प्रकार वेह की वैधता सत्यापित मूल्यांकन कर रहे हैं । vehs एक कंपन शेखर पर सेट और १.९६ मी के एक कंपन त्वरण के साथ उत्साहित कर रहे है2 (०.२ जी) । दोनों meshed-कोर प्रकार और ठोस कोर प्रकार vehs एक sinusoidal इनपुट के साथ सिंक्रनाइज़ sinusoidal उत्पादन दिखाया । मेशेद-कोर-प्रकार वेह ने ठोस-कोर प्रकार वेह की तुलना में ४२.६% अधिक आउटपुट वोल्टेज का प्रदर्शन किया । चित्रा 5b अधिकतम उत्पादन शक्ति की आवृत्ति प्रतिक्रिया से पता चलता है. मेशेद-कोर-टाइप वेह ने १८.७ हर्ट्ज की प्रतिध्वनि आवृत्ति का प्रदर्शन किया, जो कि ठोस-कोर-प्रकार की तुलना में १५.८% कम है, और २४.६ μw की एक उत्पादन शक्ति है, जो कि ठोस-कोर-प्रकार वेह की तुलना में ६८.५% अधिक है ।

Figure 1
चित्रा 1: एक 3d meshed-कोर संरचना के साथ लोचदार परत के निर्माण के लिए फोटोइटोग्राफी के लिए photomask लेआउट। photomask दो भागों है । एक clamping के लिए क्षेत्र है, और अंय लाइन और जाल के लिए अंतरिक्ष पैटर्न-संरचना patterning शामिल हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: झुका जोखिम के लिए सेट अप । यूवी प्रकाश खड़ी एक सीआर पैटर्न कोण समायोजन मेज पर रखा के साथ झुका सब्सट्रेट करने के लिए उजागर है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: एक 3 डी meshed-कोर संरचना और हार्वेस्टर के निर्माण की प्रक्रिया के साथ एक प्रस्तावित piezoelectric कंपन ऊर्जा हार्वेस्टर के योजनाबद्ध । निर्माण प्रक्रिया 3 वर्गों में विभाजित किया जा सकता है:(एक)-(घ) 3 डी जाल संरचना की निर्माण प्रक्रिया का प्रतिनिधित्व करते हैं, (ई)-(जी) एक गिलास सब्सट्रेट पर pvdf फिल्म की तैयारी का प्रतिनिधित्व करते हैं, और (ज)-(जंमू ) एक द्वि रूपी कैन्टीलीवर बनाने के लिए संबंध प्रक्रिया का प्रतिनिधित्व करते हैं । (ये आंकड़े गोल्ड ओपन एक्सेस, क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस के तहत प्रकाशित कर रहे हैं और [21] से संशोधित किया गया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: (क) गढ़े हुए द्वि रूपी की फोटोग्राफ मेशेड-कोर कंपन एनर्जी हार्वेस्टर, (ख) 3डी मेशेड-कोर संरचना के क्रॉस-सेक्शनल ऑप्टिकल इमेज, (सी) और (d) एसयू-8 मेशेड-कोर लोचदार लेयर के एसएम इमेजेज । (ये आंकड़े गोल्ड ओपन एक्सेस, क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस के तहत प्रकाशित कर रहे हैं और [21] से संशोधित किया गया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: (एक) sinusoidal उत्पादन वोल्टेज प्रत्येक गूंज हालत के तहत लोड प्रतिरोध की (meshed-कोर १८.७ हर्ट्ज, ठोस कोर २२.२ हर्ट्ज) और (ख) इष्टतम लोड प्रतिरोध के तहत कंपन आवृत्ति के एक समारोह के रूप में अधिकतम उत्पादन शक्ति (meshed-कोर 17 mω, ठोस कोर 13 mω) और ०.२ जी त्वरण । (ये आंकड़े गोल्ड ओपन एक्सेस, क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस के तहत प्रकाशित कर रहे हैं और [21] से संशोधित किया गया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Discussion

3 डी जाल संरचना और प्रस्तावित द्वि रूपी वेह के ऊपर वर्णित सफल निर्माण चार महत्वपूर्ण और विशिष्ट चरणों पर आधारित है ।

पहला महत्वपूर्ण कदम पीठ इच्छुक जोखिम का उपयोग कर प्रसंस्करण है । सिद्धांत रूप में, यह संपर्क लिथोग्राफी तकनीक का उपयोग कर ऊपरी सतह से झुका जोखिम द्वारा एक जाल संरचना बनाना संभव है । हालांकि, पीठ एक्सपोजर संपर्क लिथोग्राफी से अधिक सटीक प्रसंस्करण परिशुद्धता प्रस्तुत करता है, और विकास के दौरान दोष कम से28,29होने की संभावना है । इसका कारण यह है photomask और photoresist के बीच की खाई photoresist सतह की लहराता के कारण उत्पन्न हो सकता है. इसलिए, प्रकाश डिवर्तन होता है और प्रसंस्करण परिशुद्धता अंतर की वजह से कम है । इसलिए, इस अध्ययन में, हम एक जाल संरचना निर्मित पीठ इच्छुक जोखिम विधि का उपयोग कर । इसके अलावा, गढ़े जाल संरचना के संरचनात्मक कोण के मापा मूल्य के बारे में है ६५ °, के साथ की तुलना में सिर्फ एक 1% त्रुटि के रूप में ६४ ° के डिजाइन मूल्य. परिणाम से, हम निष्कर्ष है कि यह उपयुक्त है पीठ इच्छुक जोखिम विधि लागू करने के लिए जाल संरचना बनाना ।

दूसरा अहम कदम एसयू-8 के विकास की प्रक्रिया है । यदि एक विकासशील दोष होता है, जाल संरचना अंतर्निहित लचीलापन खो देता है. मोटी SU-8 फिल्म विकसित करने के लिए, आम तौर पर 10-15 मिनट का उपयोग किया जाता है । हालांकि, इस विकासशील समय एक 3 डी जाल संरचना के विकास के लिए अपर्याप्त है । 3 डी जाल संरचना फोटो द्वारा निर्मित 2d पैटर्न से अलग है क्योंकि यह झिल्ली के अंदर कई आंतरिक voids है । यदि विकासशील समय कम है, विकास जाल संरचना के इंटीरियर के लिए प्रगति नहीं करता है, patterning विफलता के कारण. यही कारण है कि, यह एक अपेक्षाकृत लंबे समय के विकास को लागू करने के लिए आवश्यक है, 20-30 ंयूनतम३२। अगर महीन पैटर्न की आवश्यकता होती है, तो भी अब विकासशील समय आवश्यक हो सकता है । हालांकि, उस समय हमें लंबे विकास समय३३के कारण होने वाली सूजन पर विचार करना होगा ।

अगले, विधि pvdf फिल्म और SU-8 जाल संरचना के संबंध प्रक्रिया में एक pdms का गठन सब्सट्रेट का दोहन करने के लिए अद्वितीय है । यह स्पिन कोटिंग संभव बनाता है और, एक परिणाम के रूप में, pvdf और su-8 आसानी से एक स्पिन-लेपित SU-8 पतली चिपकने वाला परत का उपयोग कर पालन किया जा सकता है । pvdf और SU-8 भी एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध तत्काल गोंद का उपयोग करके, बंधुआ जा सकता है । हालांकि, चिपकने वाला सामग्री चिपकने के बाद मज़बूत बनाता है जम जाता है । इसके अलावा, यह तत्काल गोंद के साथ एक पतली फिल्म बनाने के लिए मुश्किल है । अगर झटपट गोंद की मोटाई बड़ी है, तो इससे पूरे डिवाइस की कठोरता बढ़ेगी । कठोरता में वृद्धि अनुनाद आवृत्ति में वृद्धि की ओर जाता है (यानी, यह प्रतिध्वनि आवृत्ति को कम करने से रोकता है, जो इस अध्ययन का मुख्य उद्देश्य है) । दूसरी ओर, su-8 पतली एक आसंजन परत के रूप में स्पिन कोटिंग द्वारा गठित फिल्म का उपयोग बहुत कठोरता में वृद्धि को प्रभावित नहीं करता है क्योंकि गठित su-8 फिल्म पतली है । इसके अलावा, के रूप में जाल संरचना SU-8 से बना है, यह आसंजन परत के लिए एक ही सामग्री का उपयोग करके चिपकने वाला शक्ति को बढ़ाने के लिए संभव है. यही कारण है कि su-8 आसंजन के लिए एक su-8 जाल संरचना और pvdf फिल्मों बांड के लिए पर्याप्त चिपकने वाला ताकत है । इसके अलावा, डिवाइस की reproducibility के पहलू से, यह एक आसंजन परत के रूप में SU-8 पतली फिल्म का उपयोग करने के लिए उपयोगी होगा, एक निरंतर फिल्म मोटाई स्पिन कोटिंग फिल्म गठन द्वारा महसूस किया जा सकता है के रूप में ।

चौथा, SU-8 की कोटिंग विधि विशिष्ट है । हम SU-8 मोटी फिल्म के लिए एक स्प्रे बहुपरत कोटिंग विधि का चयन किया है । हालांकि यह स्पिन कोटिंग द्वारा एक मोटी फिल्म बनाने के लिए संभव है, बड़ी सतह लहराता होता है, और यह फिल्म समान रूप से३४कोट करने के लिए मुश्किल है । दूसरी ओर, स्प्रे बहु कोटिंग विधि का उपयोग कर लहराता कम कर देता है और सब्सट्रेट३४में फिल्म मोटाई की त्रुटि को रोकता है । विशेष रूप से, ध्यान बड़ी लहराता करने के लिए दिया जा करने की जरूरत है क्योंकि जब 3 डी जाल संरचना की मोटाई nonuniform हो जाता है, कंपन विशेषताओं और डिवाइस की कठोरता आंशिक रूप से वृद्धि हुई है या कम मोटाई से बदल जाता है.

सिद्धांत रूप में, के रूप में photolithography यूवी प्रकाश का उपयोग करता है, fabricable आकार सीमित कर रहे हैं । यह सच है कि हम इस तरह के इच्छुक जोखिम का उपयोग करके एक 3 डी जाल संरचना के रूप में जटिल संरचनाओं बनाना कर सकते हैं । हालांकि, फिल्म मोटाई दिशा में एक घुमावदार आकार के साथ एक त्रि-आयामी संरचना जैसे मनमाने ढंग से आकार३५,३६के रूप में मुश्किल होते हैं । 3 डी प्रिंटिंग मनमाने ढंग से तीन आयामी आकार का उत्पादन कर सकते हैं, और डिजाइन लचीला है । हालांकि, निर्माण की थ्रुपुट कम है, और प्रसंस्करण परिशुद्धता और बड़े पैमाने पर उत्पादन प्रकाश विज्ञान से हीन हैं । इस प्रकार, यह एक कम समय में ठीक पैटर्न के साथ संरचनाओं fabricating के लिए उपयुक्त नहीं है । इसके अलावा, प्रसंस्करण 3 डी सीएडी डेटा आवश्यक है, और यह 3 डी मॉडल बनाने के लिए समय लगता है । दूसरी ओर, प्रकाश की स्थिति में, विशेष रूप से इच्छुक जोखिम विधि में, photomask के लिए आवश्यक CAD डेटा द्वि-आयामी है, और डिजाइन अपेक्षाकृत आसान है । उदाहरण के लिए, एक 3 डी जाल संरचना के लिए उन्मुख डिजाइन सिर्फ 2 डी लाइन और अंतरिक्ष पैटर्न, के रूप में चित्रा 3में दिखाया गया है । इन तथ्यों को ध्यान में रखते हुए, इस शोध में, हम 3 डी लिथोग्राफी तकनीक का दोहन करने के लिए एक लचीला 3 डी जाल संरचना विकसित करना ।

इस अध्ययन में, हम एक लचीला 3 डी जाल संरचना गढ़े और यह प्रतिध्वनि आवृत्ति को कम करने और उत्पादन शक्ति में वृद्धि के प्रयोजन के लिए एक द्वि रूपी ब्रैकट प्रकार वेह की लोचदार परत के लिए आवेदन किया । प्रस्तावित विधि अनुनाद आवृत्ति को कम करने में उपयोगी है के बाद से, यह इस तरह के पहनने योग्य उपकरणों के रूप में कम आवृत्ति आवेदन के लिए लक्षित कंपन ऊर्जा हार्वेस्टर के लिए उपयोगी हो जाएगा, सार्वजनिक इमारतों और पुल, घर उपकरणों, आदि के लिए निगरानी सेंसर उत्पादन शक्ति के आगे सुधार trapezoidal आकार, त्रिकोण आकार, और मोटाई अनुकूलन जो पहले से अन्य कागजात३७,३८,३९में प्रस्तावित है के संयोजन से उम्मीद की जाएगी ।

Disclosures

हमारे पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

यह शोध आंशिक रूप से jsps विज्ञान अनुसंधान अनुदान JP17H03196, jsps presto अनुदान संख्या JPMJPR15R3 द्वारा समर्थित किया गया था । mext नैनो मंच परियोजना से समर्थन (टोक्यो microfabrication मंच के विश्वविद्यालय) photomask के निर्माण के लिए बहुत सराहना की है ।

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

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3 डी मेशेड-कोर संरचना के साथ एक बहुलक आधारित piezoelectric कंपन ऊर्जा हार्वेस्टर
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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).

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