I denne studien vi fremstille en fleksibel 3D-nett-struktur og brukt det på elastisk laget av en bimorph cantilever type vibrasjonen energi innhøsting for å senke resonansfrekvens og øke produksjonen.
I denne studien laget vi en fleksibel 3D-nett struktur med periodiske tomrom ved hjelp av en 3D litografi metode og bruke det på en vibrasjonen energi korn å senke resonansfrekvens og øke utgangseffekt. Fabrikasjon prosessen er hovedsakelig delt i to deler: tredimensjonale klima og jordsmonn for behandling av en 3D-nett-struktur, og et bånd forarbeide piezoelectric filmer og mesh strukturen. Med fabrikkerte fleksibel mesh strukturen oppnådd vi reduksjon av resonansfrekvens og forbedring av ytelse, samtidig. Fra resultatene av vibrasjon testene utstilt meshed-core-type vibrasjonen energi innhøsting (VEH) 42,6% høyere utgangsspenning enn solid-core-type VEH. I tillegg gitt meshed-core-type VEH 18,7 Hz av resonansfrekvens, 15.8% lavere enn solid-core-type VEH, og 24,6 μW av utgangseffekt, 68,5% høyere enn solid-core-type VEH. Fordelen av foreslåtte metoden er at en kompleks og fleksibel struktur med tomrom i tre dimensjoner kan være relativt lett fabrikkert på kort tid av metoden tilbøyelig eksponering. Det er mulig å lavere resonans frekvensen av den navnet VEH mesh struktur, bruk i lav frekvens programmer, for eksempel bærbare enheter og hvitevarer og kan forventes i fremtiden.
De siste årene, har VEHs trukket mye oppmerksomhet som strømforsyning av sensor nodene for å implementere trådløs sensornettverk og Internett av ting (IoT) programmer1,2,3,4, 5,6,7,8. Blant flere typer energi konvertering i VEHs presenterer piezoelectric-typekonvertering høy utgangsspenning. Denne typen konvertering er også egnet for miniatyrisering på grunn av dens høy affinitet med micromachining teknologi. Fordi disse attraktive funksjoner, er mange piezoelectric VEHs utviklet med piezoelektrisk keramiske materialer og organisk polymer materiale9,10,11,12, 13.
I keramiske VEHs rapportert cantilever-type VEHs med høy ytelse piezoelectric materiale PZT (bly titanate zirconate) er vidt14,15,16,17,18, og VEHs ofte bruke resonans for å få høy effektivitet kraftproduksjon. Generelt, som resonans frekvensen øker med miniatyrisering enheten størrelse, er det vanskelig å oppnå miniatyrisering og lav-resonans frekvens samtidig. Derfor, selv om PZT har høy power generasjons ytelse, er det vanskelig å utvikle lite PZT-baserte enheter som fungerer i lavfrekvente band uten spesiell behandling, for eksempel nanoribbon samlinger19,20, fordi PZT er et stivt materiale. Dessverre er våre omkringliggende vibrasjoner husholdningsapparater, menneskelig bevegelse, bygninger og broer hovedsakelig på lave frekvenser, mindre enn 30 Hz21,22,23. VEHs med sin høyt power generasjons effektivitet på lave frekvenser og liten størrelse er derfor ideell for lavfrekvent programmer.
Den enkleste måten å redusere resonans frekvensen er å øke masse vekt tips hengende. Som knytter en høy tetthet materiale til spissen er alt som kreves, fabrikasjon er enkel og lett. Men de tyngre massen er, jo mer skjøre enheten blir. En annen måte å senke frekvensen er å forlenge cantilever24,25. I metoden er avstanden fra fast slutten til gratis slutten utvidet av en todimensjonal meandered figur. Silisium underlaget er risset inn ved hjelp av en halvleder produksjon teknikken til å dikte opp en meandered struktur. Selv om metoden er effektiv for å senke resonansfrekvens, området av piezoelectric reduseres, og dermed den oppnåelig utgangseffekten reduseres. I tillegg finnes det en ulempe at nærheten av fast slutten er skjør. Om noen polymer enheter, som den lavfrekvente VEH, fleksibel piezoelectric polymer PVDF brukes ofte. PVDF er vanligvis belagt av en spinn belegg metode og filmen er tynn, kan resonans frekvensen bli redusert på grunn av lav stivhet26,27. Selv om filmen tykkelsen er kontrollerbar i størrelsesorden sub-mikron til flere mikron, er den oppnåelige utgangseffekten liten grunn av tynne tykkelsen. Derfor, selv om frekvensen kan reduseres, vi ikke kan få tilstrekkelig kraftproduksjon, og så praktisk anvendelse er vanskelig.
Her foreslår vi en bimorph-type piezoelectric cantilever (som består av to lag av piezoelectric lag og lag av elastisk laget) med to fleksible piezoelectric polymer ark, som allerede har vært utsatt for strekking behandling for forbedring Piezoelektriske egenskaper. Videre vedta vi en fleksibel 3D-nett struktur i elastisk laget bimorph hengende å redusere resonans frekvensen og bedre effekt samtidig. Vi dikte 3D-nett strukturen ved å benytte de bakside tilbøyelig eksponering metoden28,29 fordi det er mulig å dikte fine mønstre med høy presisjon på kort tid. Selv om 3D-utskrift er også en kandidat til å dikte 3D-nett struktur, gjennomstrømningen er lav, og 3D-skriver er dårligere enn klima og jordsmonn innen maskinering nøyaktighet30,31. Derfor i denne studien er baksiden tilbøyelig eksponering metoden vedtatt som metode for micromachining 3D mesh struktur.
Vellykket fabrikasjon av 3D-nett strukturen og den foreslåtte bimorph VEH beskrevet ovenfor er basert på fire kritisk og karakteristiske trinn.
Det første kritiske trinnet behandler bruke baksiden tilbøyelig eksponering. I prinsippet er det mulig å dikte opp en maske struktur av tilbøyelig eksponering fra den øvre overflaten ved hjelp av kontakt litografi teknikk. Men baksiden eksponering presenterer en mer nøyaktig behandling presisjon enn kontakt litografi, og feil under utvikling er mindre sannsynlig å forekomme28,29. Dette skyldes at gapet mellom photomask og photoresist kan oppstå på grunn av waviness av photoresist overflaten. Derfor lett Diffraksjon oppstår og behandling presisjon senkes på grunn av gapet. Derfor i denne studien laget vi en mesh struktur med metoden baksiden tilbøyelig eksponering. I tillegg er målt verdien av strukturelle vinkelen av fabrikkerte mesh ca 65°, med bare en feil på 1% sammenlignet med designet verdien av 64 °. Fra resultatet, vi konkludere med at det er riktig å bruke baksiden tilbøyelig eksponering metoden å utvikle mesh strukturen.
Det andre kritiske trinnet er utviklingsprosessen SU-8. Hvis en oppstår feil, mesh strukturen mister iboende fleksibilitet. For å utvikle tykk SU-8 filmen, brukes 10-15 min vanligvis. Utvikling nå er imidlertid ikke nok for utvikling av en 3D-nett-struktur. 3D-nett strukturen skiller seg fra 2D mønsteret fabrikkert av klima og jordsmonn fordi den har mange interne tomrom i membranen. Hvis utvikle tiden er kort, ikke utviklingen videre til interiøret mesh strukturen, forårsaker mønstre feil. Dvs hvorfor det er nødvendig å bruke en relativt lang utviklingstid, 20-30 min32. Hvis finere mønstre, kan enda lenger utvikling tid være nødvendig. Men på den tiden må vi vurdere hevelse skyldes lenge utvikling tid33.
Deretter er metoden å utnytte en PDMS-formet underlaget i liming prosessen av PVDF film og SU-8 mesh struktur unik. Det gjør spinn belegg og resultatet PVDF og SU-8 kan lett følges ved hjelp av et spinn-belagt SU-8 tynt lim lag. PVDF og SU-8 kan festes ved å bruke en kommersielt tilgjengelig øyeblikkelig lim. Men beskytter det selvklebende materialet når limet er styrket. Videre er det vanskelig å danne en tynn film med umiddelbar limet. Hvis tykkelsen på instant limet er større, øker stivhet av hele enheten. En økning i stivhet fører til en økning i resonans frekvensen (dvs. det forhindrer senke resonans frekvensen, som er det viktigste formålet med denne studien). På den annen side, bruker SU-8 tynn film dannet av spin belegg som et lag i vedheft sterkt ikke påvirker økningen i stivhet fordi dannet SU-8 filmen er tynn. I tillegg som mesh strukturen er laget av SU-8, er det mulig å øke limet styrke ved hjelp av det samme materialet for vedheft laget. Det er derfor SU-8 vedheft har nok limet styrke å bånd en SU-8 mesh struktur og PVDF filmer. Videre fra aspektet av reproduserbarhet for enheten, ville det være nyttig å bruke SU-8 tynn film som et lag i vedheft, som en konstant film tykkelse kan realiseres ved spin belegg filmen dannelsen.
Fjerde er belegg SU-8 særegne. Vi har valgt en spray flerlags belegg metode for SU-8 tykke filmen. Selv om det er mulig å danne en tykk film av spin belegg, stor overflate waviness skjer, og det er vanskelig å coat filmen jevnt34. På den annen side, med metoden spray multi-belegg reduserer waviness og undertrykker feil av filmen tykkelse i underlaget34. Særlig må oppmerksomhet gis til store waviness fordi når tykkelsen på 3D-nett strukturen blir uensartet, vibrasjon egenskaper og stivhet av enheten er endret av delvis økt eller redusert tykkelsen.
I prinsippet som klima og jordsmonn bruker UV-lys, er fabricable figurene begrenset. Det er sant at vi kan utvikle komplekse strukturer som en 3D-nett-struktur ved å bruke tilbøyelig eksponering. Men er tilfeldig figurer som en tredimensjonal struktur med en buet figur i filmen tykkelse retning vanskelig å danne35,36. 3D-utskrift kan produsere vilkårlig tredimensjonale figurer, og design er fleksibel. Imidlertid gjennomstrømningen av fabrikasjon er lav, og behandling presisjon og masseproduksjon er dårligere enn klima og jordsmonn. Således, det er ikke egnet for fabrikasjon strukturer med fine mønstre på kort tid. I tillegg behandler 3D DAK-data er nødvendig, og det tar tid å lage 3D-modellen. Derimot, når det gjelder klima og jordsmonn, spesielt i metoden tilbøyelig eksponering i CAD-dataene som er nødvendig for photomask er todimensjonal, og er relativt lett. For eksempel er orientert design for en 3D-nett-struktur bare 2D linjen og mellomrom mønstre, som vist i Figur 3. Vurderer disse fakta, i denne forskningen, utnyttet vi 3D litografi teknikken å utvikle en fleksibel 3D-nett-struktur.
I denne studien vi fremstille en fleksibel 3D-nett-struktur og brukt det på elastisk laget en bimorph cantilever type VEH for å senke resonansfrekvens og økende utgangseffekt. Siden den foreslåtte metoden er nyttig i å senke resonansfrekvens, vil det være nyttig for vibrasjon energi innhøsting mål for lavfrekvent program som bærbare enheter, overvåking sensorer for offentlige bygninger og bro, hvitevarer, osv. Ytterligere forbedring av utgangseffekt forventes ved å kombinere trapesform, trekant form og tykkelse optimalisering som foreslås tidligere i andre papirer37,38,39.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskningen ble delvis støttet av JSP Science Research Grant JP17H03196, JST VIPs Grant nummer JPMJPR15R3. Støtte fra MEXT nanoteknologi plattform Project (The University of Tokyo Microfabrication plattform) til fabrikasjon av photomask er verdsatt.
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 |