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Engineering

Uma colhedora de energia de vibração piezo baseado em polímero com uma estrutura de Meshed-Core 3D

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

Summary

Neste estudo, nós fabricada uma estrutura flexível de malha 3D e aplicou-à camada elástica de uma colhedora de energia de vibração tipo cantilever bimorph com a finalidade de reduzir a frequência de ressonância e aumentando a potência de saída.

Abstract

Neste estudo, nós fabricada uma estrutura flexível de malha 3D com periódicos vazios usando um método da litografia 3D e aplicá-la a um colector de energia de vibração para diminuir a frequência de ressonância e aumentar a potência de saída. O processo de fabricação principalmente é dividido em duas partes: fotolitos tridimensional para o processamento de uma estrutura de malha 3D e um processo de colagem de filmes piezoelétricos e a estrutura de malha. Com a estrutura de malha flexível fabricada, conseguimos a redução da frequência de ressonância e melhoria da potência de saída, simultaneamente. Partir dos resultados dos testes de vibração, a colhedora de energia de vibração de malha-core-tipo (VEH) exibiu 42,6% tensão de saída maior do que o sólido-core-tipo VEH. Além disso, a malha-core-tipo VEH rendeu 18,7 Hz de frequência de ressonância, 15,8% menor do que o sólido-core-tipo VEH e 24,6 μW de potência de saída, 68,5% maior do que o sólido-core-tipo VEH. A vantagem do método proposto é que uma estrutura complexa e flexível com vazios em três dimensões pode ser relativamente fácil forjada em um curto espaço de tempo pelo método de exposição inclinado. Como é possível reduzir a frequência de ressonância do VEH pela estrutura de malha, uso em aplicações de baixa frequência, tais como dispositivos wearable e eletrodomésticos, pode ser esperado no futuro.

Introduction

Nos últimos anos, VEHs tem atraído muita atenção como uma fonte de alimentação elétrica de nós sensores para a implementação de redes de sensores sem fio e Internet das coisas (IoT) aplicações1,2,3,4, 5,6,7,8. Entre vários tipos de conversão de energia em VEHs, conversão de tipo piezoelétrico apresenta tensão de saída alta. Este tipo de conversão também é adequado para miniaturização devido sua alta afinidade com tecnologia micromaquinação. Devido a estas características atraentes, muitos VEHs piezoelétricos têm sido desenvolvidos usando materiais cerâmicos piezoelétricos e polímero orgânico materiais9,10,11,12, 13.

Em cerâmicas VEHs, tipo cantilever VEHs usando material piezoelétrico de alta performance PZT (zirconato de titanato de chumbo) são amplamente relataram14,15,16,17,18e os VEHs geralmente usam ressonância para obter a geração de energia de alta eficiência. Em geral, à medida que a frequência de ressonância aumenta com a miniaturização do tamanho do dispositivo, é difícil conseguir miniaturização e baixo-ressonância frequência simultaneamente. Assim, apesar de PZT tem desempenho elevado-poder-geração, é difícil desenvolver pequenas PZT-com dispositivos que funcionam em uma banda de baixa frequência sem processamento especial, tais como conjuntos de nanoribbon19,20, porque PZT é um material de alta rigidez. Infelizmente, nossas vibrações circundantes, tais como eletrodomésticos, movimento humano, edifícios e pontes são principalmente em baixas frequências, menos do que 30 Hz21,22,23. Portanto, VEHs com sua eficiência de geração de poder elevado em baixas frequências e tamanho pequeno são ideais para as aplicações de baixa frequência.

A maneira mais fácil para reduzir a frequência de ressonância é aumentar o peso em massa da ponta do cantilever. Como anexar um material de alta densidade para a ponta é tudo o que é necessário, a fabricação é simples e fácil. No entanto, a massa o mais pesado é, quanto mais frágil o dispositivo torna-se. Outra forma de diminuir a frequência é para alongar o cantilever24,25. O método, a distância entre a extremidade fixa à extremidade livre é prorrogada por uma forma meandered bidimensional. O substrato de silício é gravado usando uma técnica de fabricação de semicondutores para fabricar uma estrutura meandered. Embora o método é eficaz para a redução de frequência de ressonância, a área do material piezoelétrico diminui e, assim, diminui a potência de saída obtenível. Além disso, há uma desvantagem que nas proximidades da extremidade fixa é frágil. Em relação a alguns dispositivos de polímero, tais como a baixa frequência VEH, polímero piezoelétrico flexível PVDF é usado frequentemente. Como PVDF é geralmente revestida por um método de revestimento de rotação e o filme é fino, a frequência de ressonância pode ser reduzida por causa da baixa rigidez26,27. Embora a espessura da película é controlável na faixa de sub mícron a vários microns, a potência de saída atingível é pequena por causa da espessura fina. Portanto, mesmo se a frequência pode ser reduzida, não podemos obter suficiente geração de energia e, portanto, aplicação prática difícil.

Aqui, propomos um cantilever piezoelétrico bimorph-tipo (consistindo de duas camadas de piezoelétricas camadas e uma camada de camada elástica) com duas folhas de polímero flexível piezoelétrico, que já tenham sido submetidos a tratamento para melhoria de alongamento de características piezoelétricas. Além disso, adotamos uma estrutura flexível de malha 3D na camada elástica do cantilever bimorph para reduzir a frequência de ressonância e melhorar o poder simultaneamente. Podemos fabricar a estrutura de malha 3D, utilizando o método de exposição do traseiro inclinado28,29 , porque é possível fabricar padrões bem com alta precisão em um curto espaço de tempo. Embora a impressão 3D é também um candidato para fabricar a estrutura de malha 3D, a produtividade é baixa, e a impressora 3D é inferior à photolithography em usinagem de precisão,30,31. Portanto, neste estudo, o método de exposição traseiro inclinado é adotado como o método de estrutura de malha micromaquinação o 3D.

Protocol

1. a fabricação da estrutura de malha 3D

  1. Limpeza do substrato de vidro
    1. Prepare-se substratos de vidro 30 x 40 mm.
    2. Preparar a solução de piranha por derramamento de 150 mL de ácido sulfúrico (concentração: 96%) para o copo de vidro. Em seguida, delicadamente adicionar 50 mL de solução de peróxido de hidrogênio (concentração: 30%). Certifique-se de que a relação do volume de água de peróxido ácido sulfúrico: hidrogênio é 3:1.
    3. Use óculos de protecção e vestuário de segurança ao derramar as soluções.
    4. Defina um substrato de vidro em um gabarito de Teflon para limpeza. Em seguida mergulhe-a em solução de piranha por 1 min.
    5. Depois de uma 1 min imersão em solução de piranha, lave o substrato de vidro lavado 2 - 3 vezes com água pura (estouro de 2 - 3 vezes).
    6. Remova as gotas de água sobre o substrato de vidro com sopro de ar.
  2. Padronização do padrão máscara Cr para a exposição sobre um substrato de vidro traseiro
    1. Defina o substrato de vidro em uma câmara de uma máquina de sputtering do magnétron RF (radiofrequência). Ajustar a potência de RF de 250 W, a taxa de fluxo de gás de Ar para 12 SCCM, a pressão da câmara a 0,5 Pa e o tempo de pulverização catódica-11 min. Em seguida, forma 100-200 nm da película de cromo sobre o substrato de vidro por sputtering do magnétron de RF.
      Nota: A espessura é controlada pelo tempo que sputtering, tendo em conta a condição de taxa sputtering.
    2. Defina o substrato em um palco de fixação em uma câmara de centrifugação-aplicador. Soltar um fotorresiste positivo S1813 sobre o filme de cromo e revestir a 1-2 μm película pelo revestimento de rotação a 4.000 rpm por 30 s.
    3. Asse o substrato revestido fotorresiste a 115 ° C por 1 min em uma chapa quente para secar a resistir.
    4. Entrar em contato com uma Fotomáscara e um substrato revestido fotorresiste. Expor luz verticalmente para a Fotomáscara UV. Garantir que a dose de exposição é 80 mJ/cm2, e o comprimento de onda é 405 nm. Use a Fotomáscara mostrada na Figura 1.
    5. Prepare dois copos de 500 mL. Em seguida, despeje a 150 mL de ouvido (hidróxido de tetrametilamónio: 2.38%, solvente: água) solução em um copo e despeje 150 mL de ácido cromo (Cerium(IV) de nitrato de amónio: 16%, ácido nítrico: 8%) no outro copo.
    6. Mergulhe o substrato em 150 mL de solução de ouvido e desenvolver o fotorresiste por 30 s a 1 min.
    7. Lave o substrato com água pura.
    8. Mergulhe o substrato na 150 mL de cromo, solução de gravura e etch cromo por cerca de 1 a 2 min.
    9. Lave o substrato com água pura e remover as gotas de água com sopro de ar.
    10. Preparar a solução de piranha por derramamento de 150 mL de ácido sulfúrico (concentração: 96%) para o copo de vidro. Em seguida, delicadamente adicionar 50 mL de solução de peróxido de hidrogênio (concentração: 30%). Certifique-se de que a relação do volume de água de peróxido ácido sulfúrico: hidrogênio é 3:1.
      Nota: Usar óculos de proteção, roupas e luvas de segurança ao derramar as soluções. Solução de piranha vai perder atividade depois de um tempo, por isso preparem cada vez.
    11. Coloque um substrato de vidro sobre um gabarito de Teflon para limpeza. Em seguida, mergulhá-lo na solução de 15-30 s para remover o fotorresiste piranha.
  3. Preparação para o revestimento de SU-8
    1. Defina o substrato na fase de fixação na câmara de centrifugação-aplicador. Queda de aproximadamente 1 mL de solução de resina acrílica (concentração: 10%, solventes: tolueno) do lado do padrão de cromo do substrato para liberar uma estrutura fabricada como uma camada sacrificial. Em seguida, formar uma fina película por revestimento de rotação de 2.000 rpm para 30 s.
    2. Leve ao forno a 100 ° C por 10 min.
  4. Revestimento de pulverizador da SU-8
    1. Lançar o aplicador spray e coloque a solução de acetona para a seringa para limpeza.
    2. Limpar e remover resíduos no interior do bocal de pulverizador pulverizando solução de acetona.
      Nota: Se a limpeza for insuficiente, leva à obstrução no momento da pulverização. Repita este passo duas vezes para limpar cuidadosamente.
    3. Defina o substrato em um prato anexado em um aplicador de spray.
    4. Cobri o substrato com uma capa de borda para evitar grânulo de borda.
    5. Despeje o negativo fotorresiste 3005 SU-8 para a seringa.
    6. Defina o diâmetro do bocal de 5 mm, o movimento de bocal velocidade de 120 mm/s, a pressão de atomização para 150 kPa, a pressão do líquido de 60 kPa, a distância entre o bocal e o substrato a 40 mm, a distância de arremesso de 3 mm e o tempo de intervalo para cada camada de 45 s. Spray SU-8 multicamadas no substrato. Repeti o revestimento 10 vezes da mesma maneira.
    7. Deixe o substrato ficar por 5 min após o revestimento 10 vezes.
      Nota: Durante o tempo em pé, o filme de SU-8 é uniformemente achatado, e as bolhas de ar misturadas durante o revestimento de pulverizador são liberadas.
    8. Asse num prato aquecido a 95 ° C por 60 min.
    9. Medir a espessura de 10 camadas por micrômetro. Em seguida, calcule a espessura por camada.
    10. Determine o número de repetições para revestimento de pulverizador da espessura da película calculado por camada. Em seguida pulverize as multicamadas para formar uma película grossa para atingir a espessura de película de alvo. Nesta pesquisa, 40 camadas são aplicadas para uma espessura de 200 μm.
    11. Deixe o substrato ficar por 5 min após o revestimento de pulverizador multicamadas.
    12. Asse num prato aquecido a 95 ° C para 240 min.
    13. Deixe o substrato revestido SU-8 em uma chapa quente para 60 min e depois resfriá-lo lentamente à temperatura ambiente.
  5. Formação de estrutura de malha 3D
    1. Coloque o substrato em uma tabela de ajuste de ângulo por capotar o substrato (ou seja, o filme de SU-8 é virado para baixo) como mostrado na Figura 2.
    2. Fixe a borda do substrato com fita.
    3. O ângulo da tabela de ajuste para 45° de inclinação.
      Nota: 0°, que o substrato é no estado horizontal. O ângulo neste momento é determinado pela lei de Snell, calculado a partir do índice de refração do fotorresiste, índice de refração do ar. Por irradiação num incidente ângulo de 45°, uma estrutura de malha com um ângulo de estrutura de 64° é fabricada.
    4. Coloque a tabela de ajuste de ângulo sob a fonte de luz UV.
    5. Aplicar luz UV verticalmente ao substrato em uma dose de exposição de 150 mJ/cm2 e comprimento de onda de 365 nm. Após a exposição, retornar o ângulo da tabela de ajuste de 0° e incliná-lo para 45° na direção oposta. Aplica UV luz verticalmente na mesma maneira.
      Nota: Ilustrações são mostradas na Figura 3a, b.
    6. Coloque o substrato em um prato quente e definir a temperatura de 95 ° C para PEB (pós-exposição Asse). Asse o substrato durante 8 min depois que a temperatura se torna a 95 ° C.
    7. Desligue a alimentação da placa quente. Espere até que a temperatura da placa quente cai para cerca de 40 ° C.
    8. Despeje um copo de vidro de 500 mL, 150 mL de desenvolvedor de SU-8. Defina o substrato em um gabarito de Teflon para o desenvolvimento.
    9. Despeje outro copo de vidro de 500 mL, 150 mL de isopropanol (IPA).
    10. Desenvolva-se por aproximadamente 20 a 30 min. Certifique-se de que, se o tempo em desenvolvimento não é suficiente, isso leva a insuficiente abertura de malha de espaços vazios.
    11. Mergulhe o substrato com gabarito no IPA e enxaguar por 2 min.
      Nota: Se a superfície do SU-8 é aparentemente branco e enlameado, ele indica que o desenvolvimento é insuficiente. Neste caso, repita o desenvolvimento e enxaguar novamente. Após completo desenvolvimento, uma estrutura de malha é formada, como mostrado na Figura 3C.
  6. Estrutura de lançamento do substrato de vidro
    1. Despeje um copo de vidro de 500 mL, 150 mL de solução de tolueno. Cubra o copo com folha de alumínio porque tolueno é fácil para evaporar à temperatura ambiente.
    2. Mergulhe o substrato na solução de tolueno para aproximadamente 3-4 h. Assegure-se que a camada sacrificial de resina acrílica é gravada, e a estrutura de SU-8 com a estrutura de malha é liberada a partir do substrato, como mostrado na Figura 3d.
    3. Sopro de ar para o substrato e remover a umidade. Armazená-lo num exsicador até é usado na etapa 4.3.

2. preparação do filme piezoelétrico

  1. Prepare uma folha PVDF. Além disso, prepare uma faca de corte com uma lâmina de aço inoxidável e esteira de corte.
  2. Corte a folha PVDF para a forma de dispositivo com uma folha de2 360 mm (10 x 30 mm para cantilever e 6 x 10 mm para conexão elétrica), como mostrado na Figura 3a.
  3. Coloque os filmes PVDF cortados sobre uma placa de Petri com um limpador de celulose. Armazená-los em um dessecador.

3. preparação do substrato para colagem de estrutura de malha e filme piezoelétrico

  1. Despeje 10 mL do agente principal de PDMS e 1 mL de agente de cura para um tubo de centrifugação (ou seja, a proporção de volume aproximado é 10:1).
  2. Conjunto do tubo de centrífuga em uma agitação planetária e máquina de espumação e misturar as duas soluções por 1 min.
  3. Prepare duas 30 mm x 40 mm substratos de vidro.
  4. Defina o substrato de vidro num palco de fixação na câmara de centrifugação-aplicador. Gota de solução PDMS sobre o substrato de vidro. Em seguida, forma o filme PDMS por revestimento de rotação a 4.000 rpm, como mostrado na Figura 3e.
  5. Asse o substrato num prato aquecido a 100 ° C por 60 min secar o filme PDMS.
  6. Desligue a alimentação da placa quente. Espere até que a temperatura da placa quente cai para cerca de 40 ° C.

4. fabricação de colheitadeira de energia de vibração bimorph

  1. Coloque os corte PVDF filmes um em dois diferentes substratos PDMS, como mostrado na Figura 3f. Certifique-se de que apenas colocando filmes PVDF na superfície do PDMS, aderem uns aos outros. Se as rugas são vistas em filmes de PVDF, estendê-las com um rolo.
    Nota: Estes dois filmes PVDF são chamados flm1 PVDF e PVDF flm2, e os dois substratos PDMS são sbs1 PDMS e PDMS sbs2, por razões de clareza.
  2. 3005 SU-8 para o PVDF flm1 colocados no PDMS sbs1de cair. Em seguida, forma a película fina de SU-8 por revestimento de rotação a 4.000 rpm, como mostrado na Figura 3 g.
    Nota: Esta película fina de SU-8 torna-se uma camada de aderência entre a estrutura de malha e o flm1 PVDF. O lugar onde o 3005 SU-8 não foi descartado é usado para a fiação para adquirir energia elétrica.
  3. Coloque a estrutura de malha de SU-8 sobre o flm1 PVDF e uni-los, conforme mostrado na Figura 3 h.
  4. Largue 3005 SU-8 para o PVDF flm2 colocados no PDMS sbs2. Em seguida, forma a película fina de SU-8 por revestimento de rotação a 4.000 rpm, da mesma forma como passo 4.2.
  5. Descole PVDF flm2 de sbs2 PDMS e coloque em cima da estrutura de malha de SU-8 colocada na flm1 PVDF, aderindo a eles como mostrado na Figura 3i, j. Armazene o dispositivo com o estado de ligado em um recipiente com baixa umidade como exsicador. Deixe por cerca de 12 h.
  6. Adiar a pinça no lado inferior da camada mais baixa flm1 PVDF e casca ligadas 3 camadas flm1 PVDF, SU-8 mesh estrutura e PVDF flm2 simultaneamente de substrato, como mostrado na Figura 3 k.

Representative Results

Temos fabricado um VEH bimorph-tipo composto de duas camadas de filmes PVDF e uma camada intermediária, composta de uma estrutura de malha de SU-8, como mostrado na Figura 4. Os eletrodos de PVDF o superior e inferior são conectados em série para obter a tensão de saída. A imagem óptica e as duas imagens SEM são camadas elásticas com uma estrutura de malha. De acordo com as imagens, a camada elástica processada pela exposição traseiro inclinado parece ter 3D bem malha padrões sem falha de desenvolvimento.

A Figura 5 mostra os resultados dos ensaios de vibração. Nos testes de vibração, duas VEHs — uma com um núcleo de malha e o outro com uma estrutura sólida-núcleo — como a camada elástica são avaliados para verificar a validade de malha-core-tipo VEH. Os VEHs são definidas num agitador de vibração e animados com uma aceleração de vibração de 1,96 m/s2 (0,2 G). Tanto as malha-core-tipo e sólido-core-tipo VEHs mostrou saída senoidal sincronizada com uma entrada senoidal. A malha-core-tipo VEH exibiu uma tensão de saída 42,6% maior do que o tipo de núcleo sólido VEH. Figura 5b mostra a resposta de frequência da potência máxima de saída. A malha-core-tipo VEH exibiu uma frequência de ressonância de 18,7 Hz, que é de 15,8% menor do que o sólido-core-tipo VEH e uma potência de saída de 24,6 μW, que é de 68,5% maior do que o sólido-core-tipo VEH.

Figure 1
Figura 1: Layout de Fotomáscara para fotolitos fabricar camada elástica com uma estrutura de malha-núcleo 3D. A Fotomáscara tem duas partes. Uma é a área para fixação, e a outra contém os padrões de linha e espaço para padronização de malha-estrutura. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: set-up para exposição inclinada. A luz UV é exposta verticalmente ao substrato inclinado com um padrão de Cr colocado na tabela de ajuste de ângulo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: esquema de uma colhedora de energia de vibração piezo proposto com uma estrutura de malha-núcleo 3D e o processo de fabricação de harvester. O processo de fabricação pode ser dividido em 3 seções: (a)-(d) representam o processo de fabricação da estrutura de malha 3D, (e)-(g) representam a preparação do filme PVDF sobre um substrato de vidro e (h)-(j ) representam o processo de ligação para formar um bimorph cantilever. (Estes números são publicados sob ouro acesso aberto, Creative Commons licença e foram modificadas de [21].) Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: (uma) fotografia da colheitadeira de energia de vibração de malha-núcleo bimorph fabricados, imagem óptica (b) seção transversal da estrutura de malha-núcleo 3D, (c) e (d) SEM imagens de camada elástica de malha-núcleo de SU-8. (Estes números são publicados sob ouro acesso aberto, Creative Commons licença e foram modificadas de [21].) Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: tensão de saída (a) Sinusoidal da resistência de carga sob cada condição de ressonância (18,7 Hz malha-núcleo, núcleo sólido 22,2 Hz) e (b) a máxima potência de saída em função da frequência da vibração sob carga óptima resistência (17 malha-núcleo MΩ, núcleo sólido 13 MΩ) e aceleração de 0,2 G. (Estes números são publicados sob ouro acesso aberto, Creative Commons licença e foram modificadas de [21].) Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

A fabricação bem sucedida da estrutura de malha 3D e o bimorph proposto VEH descrito acima é baseado em quatro etapas essenciais e distintivas.

O primeiro passo crítico é processamento usando exposição traseiro inclinado. Em princípio, é possível fabricar uma estrutura de malha pela exposição inclinada da superfície superior usando a técnica de litografia de contato. No entanto, exposição traseiro apresenta uma precisão de processamento mais precisa do que contato litografia e defeitos durante o desenvolvimento são menos prováveis de ocorrer28,29. Isso ocorre porque o fosso entre a Fotomáscara e o fotorresiste pode surgir devido a ondulação da superfície fotorresiste. Por isso, ocorre difração de luz e precisão de processamento é reduzido devido a lacuna. Portanto, neste estudo, nós fabricada uma estrutura de malha usando o método de exposição traseiro inclinado. Além disso, o valor de medição do ângulo estrutural da estrutura de malha fabricada é cerca de 65°, com apenas um erro de 1% em comparação com o valor projetado de 64 °. Do resultado, podemos concluir que é apropriado aplicar o método de exposição traseiro inclinado para fabricar a estrutura da malha.

O segundo passo crítico é o processo de desenvolvimento de SU-8. Se o desenvolvimento de um defeito ocorrer, a estrutura de malha perde flexibilidade inerente. Para desenvolver a película grossa de SU-8, geralmente 10-15 min é usado. No entanto, desta vez em desenvolvimento é insuficiente para o desenvolvimento de uma estrutura de malha 3D. A estrutura de malha 3D difere do padrão 2D fabricado por fotolitografia, porque tem muitos espaços vazios internos dentro da membrana. Se o tempo de desenvolvimento é curto, desenvolvimento não progride para o interior da estrutura da malha, causando falha de padronização. Isto é porque, é necessário aplicar um tempo relativamente longo de desenvolvimento, de 20-30 min32. Se os padrões mais finos são necessários, tornando ainda mais tempo pode ser necessário. No entanto, naquele tempo,... temos que considerar o inchaço causado por longo tempo desenvolvimento33.

Em seguida, o método de explorar um substrato de PDMS-formado no processo de adesão da película PVDF e estrutura de malha de SU-8 é exclusivo. Faz o revestimento de rotação possível e, em consequência, PVDF e SU-8 podem ser facilmente aderida usando uma rotação-revestido SU-8 fina camada adesiva. PVDF e SU-8 podem ser ligado, mesmo usando uma cola instantânea disponível comercialmente. No entanto, o material adesivo endurece depois que o adesivo é solidificado. Além disso, é difícil formar uma película fina com a cola instantânea. Se a espessura da cola instantânea for maior, vai aumentar a rigidez de todo o dispositivo. Um aumento na rigidez leva a um aumento da frequência de ressonância (ou seja, evita reduzindo a frequência de ressonância, que é o objetivo principal deste estudo). Por outro lado, usando a SU-8 fina película formada por revestimento de rotação como uma camada de adesão não afetam grandemente o aumento na rigidez porque o filme de SU-8 formado é fino. Além disso, como a estrutura de malha é feita de SU-8, é possível aumentar a resistência adesiva usando o mesmo material para a camada de aderência. É por isso que a adesão de SU-8 tem suficiente força adesiva a ligação de uma estrutura de malha de SU-8 e filmes PVDF. Além disso, desde o aspecto da reprodutibilidade do dispositivo, seria útil usar a película fina de SU-8 como uma camada de adesão, como uma espessura de película constante pode ser realizada pela formação de película de revestimento de spin.

Em quarto lugar, o método de revestimento de SU-8 é distinto. Nós selecionamos um método de revestimento multicamada de pulverização para a película grossa de SU-8. Embora seja possível formar uma película grossa por revestimento de rotação, ocorre grande ondulação de superfície, e é difícil revestir o filme uniformemente34. Por outro lado, usando o método de revestimento multi pulverizador reduz a ondulação e suprime o erro de espessura de filme no substrato34. Particularmente, atenção deve ser dada à grande ondulação, porque quando a espessura da estrutura de malha 3D torna-se não uniforme, as características de vibração e rigidez do dispositivo é alterado pela parcialmente aumentada ou diminuição da espessura.

Em princípio, como fotolitos usam luz UV, as formas de fabricable são limitadas. É verdade que nós podemos fabricar estruturas complexas como uma estrutura de malha 3D usando exposição inclinada. No entanto, formas arbitrárias como uma estrutura tridimensional com uma forma curvada na direção de espessura de filme são difíceis formar35,36. A impressão 3D pode produzir formas tridimensionais arbitrárias, e o projeto é flexível. No entanto, a taxa de transferência de fabricação é baixa, e a precisão de processamento e produção em massa são inferiores a fotolitografia. Assim, não é apropriado para a fabricação de estruturas com padrões bem em um curto espaço de tempo. Além disso, processamento de dados de CAD 3D é necessário, e leva tempo para criar o modelo 3D. Por outro lado, no caso de fotolitografia, especialmente no método de exposição inclinado, os dados de CAD necessários para a Fotomáscara serão bidimensionais, e o projeto é relativamente fácil. Por exemplo, o projeto orientado para uma estrutura de malha 3D é apenas a linha 2D e os padrões de espaço, como mostrado na Figura 3. Tendo em conta estes factos, nesta pesquisa, nós explorada a técnica de litografia 3D para desenvolver uma estrutura flexível de malha 3D.

Neste estudo, nós fabricada uma estrutura flexível de malha 3D e aplicou-à camada elástica de um tipo de consola bimorph VEH com a finalidade de redução de frequência de ressonância e o crescente poder da saída. Desde que o método proposto é útil em reduzir a frequência de ressonância, será útil para vibração energética colheitadeira direcionada para aplicação de baixa frequência, tais como dispositivos de wearable, monitoramento de sensores para edifícios públicos e ponte, eletrodomésticos, etc. Reforço de potência de saída seria de esperar, combinando a forma trapezoidal, forma de triângulo e otimização de espessura que é proposta anteriormente em outros papéis37,38,39.

Disclosures

Nós não temos nada para divulgar.

Acknowledgments

Esta pesquisa foi parcialmente suportada pelo JSPS Science Research Grant JP17H03196, JST PRESTO Grant número JPMJPR15R3. O apoio do projeto de plataforma de nanotecnologia MEXT (a Universidade de Tóquio Microfabrication plataforma) para a fabricação de Fotomáscara é muito apreciado.

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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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).

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Uma colhedora de energia de vibração piezo baseado em polímero com uma estrutura de Meshed-Core 3D
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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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