Waiting
Login processing...

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

Engineering

Un recolector de energía vibración piezoeléctrico con polímeros con una estructura de base de Meshed 3D

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

Summary

En este estudio, había fabricado en una estructura flexible de malla 3D y aplica a la capa elástica de una cosechadora bimorfo tipo cantilever vibración energética con el fin de reducir la frecuencia de resonancia y el aumento de potencia de salida.

Abstract

En este estudio, hemos fabricado una estructura flexible malla 3D con vacíos periódicos utilizando un método de litografía 3D y aplicando a una cosechadora de energía de vibración a baja frecuencia de resonancia y aumentar la potencia de salida. El proceso de fabricación se divide principalmente en dos partes: Fotolitografía tridimensional para el procesamiento de una estructura de malla 3D y un proceso de vinculación de películas piezoeléctricas y la estructura de malla. Con la estructura fabricada de malla flexible, hemos logrado la reducción de la frecuencia de resonancia y la mejora de potencia de salida, al mismo tiempo. De los resultados de las pruebas de vibración, la cosechadora de la energía de vibración de malla--tipo de la base (VEH) exhibió 42,6% tensión de salida mayor que el sólido núcleo de tipo VEH. Además, lo VEH tipo malla-base produjo 18,7 Hz de frecuencia de resonancia, 15,8% más bajo que los VEH tipo de núcleo sólido y 24,6 μW de potencia de salida, 68.5% superior a la sólida base de tipo VEH. La ventaja del método propuesto es que una estructura compleja y flexible con espacios vacíos en tres dimensiones puede fabricarse fácilmente en poco tiempo por el método de exposición inclinada. Como es posible reducir la frecuencia de resonancia de lo VEH en la estructura de malla, uso en aplicaciones de baja frecuencia, como los dispositivos portátiles y aparatos de la casa, se puede esperar en el futuro.

Introduction

En los últimos años, VEHs han llamado mucho la atención como una fuente de alimentación eléctrica de los nodos de sensor para la implementación de redes de sensores inalámbricos y de Internet de las cosas (IoT) aplicaciones1,2,3,4, 5,6,7,8. Entre varios tipos de conversión de energía en VEHs, conversión de tipo piezoeléctrico presenta alto voltaje de salida. Este tipo de conversión es también conveniente para miniaturización debido a su alta afinidad con la tecnología de micromecanizado. Debido a estas características atractivas, han desarrollado muchos VEHs piezoeléctricos usando materiales cerámicos piezoeléctricos y polímeros orgánicos materiales9,10,11,12, 13.

En cerámica VEHs, VEHs de tipo voladizo con material piezoeléctrico de alto rendimiento PZT (zirconato titanato de plomo) son ampliamente registrados14,15,16,17,18y los VEHs a menudo usan resonancia para obtener generación de energía de alta eficiencia. En general, a medida que la frecuencia de resonancia aumenta con la miniaturización del tamaño del dispositivo, es difícil lograr la miniaturización y la frecuencia de resonancia baja simultáneamente. Así, aunque PZT tiene rendimiento de generación de alta potencia, es difícil desarrollar dispositivos basados en PZT pequeñas que funcionan en una banda de baja frecuencia sin tratamiento especial, tales como asambleas de nanoribbon19,20, porque PZT es un material de alta rigidez. Lamentablemente, nuestras vibraciones circundantes tales como electrodomésticos, movimiento humano, edificios y puentes están principalmente en las frecuencias bajas, menos de 30 Hz21,22,23. Por lo tanto, VEHs con su eficiencia de generación de alta potencia en bajas frecuencias y de pequeño tamaño son ideales para las aplicaciones de baja frecuencia.

La forma más fácil de reducir la frecuencia de resonancia es aumentar el peso total de la punta del voladizo. Como colocar un material de alta densidad en la punta es todo lo que se requiere, la fabricación es simple y fácil. Sin embargo, es el más pesado de la masa, más frágil el dispositivo se convierte. Otra forma de bajar la frecuencia es alargar el voladizo24,25. En el método, la distancia desde el extremo fijo en el extremo libre se extiende por una forma meandered bidimensional. El sustrato de silicio se graba utilizando una técnica de fabricación de semiconductores para fabricar una estructura meandered. Aunque el método es eficaz para bajar la frecuencia de resonancia, el área del material piezoeléctrico disminuye y, por lo tanto, disminuye la potencia obtenible. Además, es una desventaja que la vecindad del extremo fijo es frágil. Acerca de algunos dispositivos de polímero, como el VEH de baja frecuencia, a menudo se utiliza polímero piezoeléctrico flexible PVDF. PVDF es cubierto generalmente por un método spin-coating y la película es delgada, puede reducirse la frecuencia de resonancia debido a la baja rigidez26,27. Aunque el grueso de la película es controlable en el rango de sub micras a varios micrones, la potencia de salida alcanzable es pequeña debido al grueso fino. Por lo tanto, aunque la frecuencia puede reducirse, no podemos obtener suficiente generación de energía, y por lo tanto, es difícil aplicación práctica.

Aquí, proponemos un voladizo piezoeléctrico bimorfo tipo (compuesto por dos capas de capas piezoeléctricas y una capa de capa elástica) con dos hojas de polímero piezoeléctrico flexible, que ya han sido sometidas a tratamiento para mejora de estiramiento de las características piezoeléctricas. Además, adoptamos una estructura flexible malla 3D en la capa elástica de la micropalanca bimorfo para reducir la frecuencia de resonancia y mejorar el poder simultáneamente. Fabricamos la estructura de malla 3D mediante la utilización de la parte trasera inclinada exposición método28,29 ya es posible fabricar patrones finos con alta precisión en poco tiempo. Aunque la impresión 3D es también candidata a fabricar la estructura de malla 3D, el rendimiento es bajo, y la impresora 3D es inferior a la fotolitografía en el mecanizado de precisión de30,31. Por lo tanto, en este estudio, el método de exposición de la parte trasera inclinada es adoptado como el método de estructura de malla de micro fabricación 3D.

Protocol

1. fabricación de la estructura de malla 3D

  1. Limpieza del sustrato de vidrio
    1. Preparar 30 x 40 mm substratos de vidrio.
    2. Preparar la solución Piraña vertiendo 150 mL de ácido sulfúrico (concentración: 96%) en el vaso de vidrio. Entonces suavemente añadir 50 mL de solución de peróxido de hidrógeno (concentración: 30%). Asegúrese de que la relación volumen de agua de peróxido de ácido sulfúrico: hidrógeno es 3:1.
    3. Usar gafas protectoras y ropa de seguridad mientras lo vierte las soluciones.
    4. Encuentra un sustrato de vidrio en una plantilla de teflón para la limpieza. Luego sumergirlo en solución de piraña durante 1 minuto.
    5. Después de una inmersión de 1 minuto en solución de piraña, enjuagar el sustrato de vidrio lavado 2 - 3 veces con agua pura (desbordamiento de 2 - 3 veces).
    6. Quite las gotas de agua en el substrato de vidrio con golpe de aire.
  2. Dibujo del patrón de máscara de Cr para la exposición de la parte trasera en un substrato de cristal
    1. Encuentra el sustrato de vidrio en una cámara de una máquina de pulverización de magnetrón de RF (radiofrecuencia). Establece la potencia de RF de 250 W, caudal de gas Ar a SCCM 12, la presión a 0,5 Pa y el tiempo de pulverización catódica a 11 min. Luego formar 100-200 nm de la película de cromo en el substrato de cristal de la farfulla del magnetrón RF.
      Nota: El espesor es controlado por el tiempo de pulverización catódica, teniendo en cuenta la condición de tasa farfulla.
    2. Establecer el sustrato en una etapa de fijación en una cámara de spin coater. Un photoresist positivo S1813 la gota en la película de cromo y capa de la película delgada de 1-2 μm por capa de vuelta a 4.000 rpm durante 30 s.
    3. Hornear el sustrato revestido de fotoprotección a 115 ° C durante 1 min en un plato caliente para resistir en seco.
    4. Póngase en contacto con un photomask y un sustrato recubierto de fotoprotección. Exponer la luz verticalmente a la fotomáscara UV. Asegurar que la dosis de exposición es 80 mJ/cm2, y la longitud de onda de 405 nm. Utilice el photomask que se muestra en la figura 1.
    5. Prepare dos vasos de precipitado de 500 mL. Luego vierte 150 mL de TMAH (hidróxido de Tetrametilamonio: 2,38%, solvente: agua) solución en un vaso y vierte 150 mL de reactivo de cromo (nitrato de amonio cerio (IV): 16%, ácido nítrico: 8%) en el otro vaso.
    6. Sumergir el sustrato en 150 mL de solución TMAH y desarrollar la fotoresistencia de 30 s a 1 min.
    7. Enjuagar el sustrato con agua pura.
    8. Sumergir el sustrato en 150 mL de cromo, solución de la aguafuerte y grabado cromo para alrededor de 1 a 2 minutos.
    9. Enjuagar el sustrato con agua pura y eliminar las gotas de agua con golpe de aire.
    10. Preparar solución Piraña vertiendo 150 mL de ácido sulfúrico (concentración: 96%) en el vaso de vidrio. Entonces suavemente añadir 50 mL de solución de peróxido de hidrógeno (concentración: 30%). Asegúrese de que la relación volumen de agua de peróxido de ácido sulfúrico: hidrógeno es 3:1.
      Nota: Use gafas de protección, ropa y guantes de seguridad mientras lo vierte las soluciones. Solución Piraña perder actividad después de un rato, así que prepárate cada vez.
    11. Colocar un sustrato de vidrio en una plantilla de teflón para la limpieza. A continuación, sumergirlo en la solución Piraña para 15-30 s quitar la fotoresistencia.
  3. Preparación para la capa SU-8
    1. Establecer el sustrato en la etapa de fijación en la cámara de centrifugado-barnizadora. Gota aproximadamente 1 mL de solución de resina acrílica (concentración: 10%, solvente: tolueno) en el lado de patrón de cromo del sustrato para liberar una estructura fabricada como una capa sacrificial. Entonces, forman una fina capa por capa de hacer girar a 2.000 rpm por 30 s.
    2. Hornear a 100 ° C durante 10 minutos.
  4. Capa de aerosol de SU-8
    1. Inicie la máquina de pintar spray y verter acetona solución en la jeringa para la limpieza.
    2. Limpiar y eliminar residuos dentro de la boquilla de rociado por aspersión de solución de acetona.
      Nota: Si la limpieza es insuficiente, conduce a la obstrucción en el momento de pulverización. Repita este paso dos veces para limpiar.
    3. Establecer el sustrato en una adjunta en un recubridor de aerosol.
    4. Cubrir el sustrato con una cubierta del borde para evitar que el grano del borde.
    5. Vierta el photoresist negativo SU-8 3005 en la jeringa.
    6. Establecer el diámetro de la boquilla 5 m m, el movimiento de la boquilla velocidad a 120 mm/s, la presión de atomización a 150 kPa, la presión del líquido a 60 kPa, la distancia entre la boquilla y el sustrato a 40 mm, la distancia de la echada de 3 mm y el intervalo de tiempo para que cada capa 45 s. Spray SU-8 multicapas en el substrato. Repita la capa 10 veces de la misma manera.
    7. Dejar el sustrato a reposar 5 min después de la capa 10 veces.
      Nota: Durante el tiempo de reposo, la película de SU-8 uniformemente se aplana y se liberan las burbujas de aire mezcladas en la capa de aerosol.
    8. Hornear en una placa caliente a 95 ° C durante 60 minutos.
    9. Medir el espesor de 10 capas micrómetro. A continuación, calcula el espesor por capa.
    10. Determinar el número restante de repeticiones para la capa de aerosol del espesor calculado de película por capa. Luego rocíe el multicapa para formar una película gruesa para lograr el espesor de película de destino. En esta investigación, se aplican 40 capas de un grosor de 200 μm.
    11. Deje que el sustrato a reposar 5 min después de la capa de múltiples capas de rociador.
    12. Hornear en una placa caliente a 95 ° C durante 240 minutos.
    13. Dejar el sustrato de SU-8 cubierta en una placa caliente de 60 minutos y luego enfriar lentamente a temperatura ambiente.
  5. Forma la estructura de malla 3D
    1. Colocar el sustrato en una tabla de ajuste de ángulo por los bancos el sustrato (es decir, la película de SU-8 hacia abajo) como se muestra en la figura 2.
    2. Fije el borde del sustrato con cinta.
    3. El ángulo de la tabla de ajuste a 45° de inclinación.
      Nota: 0° significa que el sustrato se encuentra en estado horizontal. El ángulo en este tiempo se determina por la ley de Snell, calculada a partir del índice de refracción de la fotoprotección, el índice de refracción del aire. Por radiación en un ángulo de incidencia de 45°, se fabrica una estructura de malla con un ángulo de la estructura de 64°.
    4. Coloque la tabla de ajuste de ángulo debajo de la fuente de luz UV.
    5. Aplicar luz UV verticalmente al sustrato en una dosis de exposición de 150 mJ/cm2 y una longitud de onda de 365 nm. Después de la exposición, retomar el ángulo de la tabla de ajuste de 0° e inclinar a 45° en la dirección opuesta. Aplica UV luz vertical de la misma manera.
      Nota: Las ilustraciones se muestran en la figura 3a, b.
    6. Colocar el sustrato en una placa caliente y la temperatura a 95 ° C para PEB (post-exposición cueza al horno). Hornear el sustrato durante 8 min después la temperatura se convierte en 95 ° C.
    7. Desconecte la alimentación de la placa. Espere hasta que la temperatura de la placa desciende a aproximadamente 40 ° C.
    8. Vierta un vaso de precipitados de vidrio de 500 mL a 150 mL de revelador de SU-8. Establecer el sustrato en una plantilla de teflón para el desarrollo.
    9. Verter 150 mL de isopropanol (IPA) en otro vaso de vidrio de 500 mL.
    10. Desarrollar durante aproximadamente 20 a 30 minutos Asegúrese de que si el tiempo de desarrollo no es suficiente, lleva a insuficiente apertura de los huecos de la malla.
    11. Sumergir el sustrato con plantilla en IPA y enjuague por 2 min.
      Nota: Si la superficie de SU-8 al parecer es blanca y fangosa, indica que el desarrollo es insuficiente. En ese caso, repita el desarrollo y enjuague otra vez. Después del desarrollo completo, se forma una estructura de malla, como se muestra en la Figura 3C.
  6. Liberación de la estructura del substrato de cristal
    1. Verter 150 mL de solución de tolueno en un vaso de precipitados de vidrio de 500 mL. Cubrir el vaso con papel de aluminio porque el tolueno es fácil que se evapore a temperatura ambiente.
    2. Sumergir el sustrato en una solución de tolueno durante aproximadamente 3-4 h. Asegúrese de que está grabada la capa sacrificial de resina acrílica y la estructura de SU-8 con la estructura de la malla es liberada del substrato, como se muestra en la Figura 3d.
    3. Soplar el aire en el sustrato y eliminar la humedad. Almacenar en un desecador hasta que se utiliza en el paso 4.3.

2. preparación de la película piezoeléctrica

  1. Preparar una hoja PVDF. Además, preparar un cuchillo de corte con una cuchilla de acero inoxidable y la almohadilla de corte.
  2. Corte la lámina PVDF a la forma del dispositivo con una hoja de 360 mm2 (10 x 30 mm de voladizo y 6 mm x 10 mm para la conexión eléctrica), como se muestra en la figura 3a.
  3. Coloque el corte películas PVDF en una placa Petri con un limpiador de celulosa. Guárdelos en un desecador.

3. preparación de sustrato para la Unión de la estructura del acoplamiento y la película piezoeléctrica

  1. Vierta 10 mL del agente principal de PDMS y 1 mL de agente de curado en un tubo de centrífuga (es decir, la relación aproximada de volumen es de 10:1).
  2. El tubo de centrífuga en una agitación planetaria y máquina del despumante y mezclar ambas soluciones de 1 minuto.
  3. Preparar dos de 30 x 40 mm substratos de vidrio.
  4. Establecer el sustrato de vidrio en una etapa de fijación en la cámara de centrifugado-barnizadora. Gota solución de PDMS en el substrato de cristal. Luego, formar la película PDMS por la capa de la vuelta a 4.000 rpm, como se muestra en la figura 3e.
  5. Hornear el sustrato sobre una placa caliente a 100 ° C durante 60 min secar la película PDMS.
  6. Desconecte la alimentación de la placa. Espere hasta que la temperatura de la placa desciende a aproximadamente 40 ° C.

4. fabricación de cosechadoras de energía de vibración bimorfo

  1. Colocar las películas PVDF cortadas uno por uno en dos sustratos diferentes, PDMS, como se muestra en la figura 3f. Asegurarse de que sólo mediante la colocación de películas PVDF en la superficie de PDMS, se adhieran entre sí. Si las arrugas se ven en las películas PVDF, extenderlos con un rodillo.
    Nota: Estas dos películas PVDF se llaman flm1 PVDF y PVDF flm2y los dos substratos PDMS sbs1 PDMS y PDMS sbs2, aras de la claridad.
  2. Deje caer SU-8 3005 en el flm1 PVDF a PDMS sbs1. Luego, formar la película fina de SU-8 por la capa de la vuelta a 4.000 rpm, como se muestra en la figura 3 g.
    Nota: Esta película delgada SU-8 se convierte en una capa de adherencia entre la estructura de malla y flm1 PVDF. El lugar donde el SU-8 3005 se cayó no se utiliza para el cableado para adquirir energía eléctrica.
  3. Coloque la estructura de la malla de SU-8 en la flm1 PVDF y adherir a ellas como se muestra en la figura 3 h.
  4. SU-8 3005 en el flm2 PVDF a PDMS sbs2de la gota. Luego, formar la película fina de SU-8 por la capa de la vuelta a 4.000 rpm de la misma manera como paso 4.2.
  5. Despegue flm2 PVDF de PDMS sbs2 y luego coloque encima de la estructura de la malla de SU-8 a flm1 PVDF, los adhiriéndose a como se muestra en la figura 3i, j. Guarde el dispositivo con el estado de servidumbre en un contenedor con baja humedad como desecador. Deje por cerca de 12 horas.
  6. Poner las pinzas en la parte inferior de la capa más baja flm1 PVDF y la cáscara de servidumbre 3 capas PVDF flm1, SU-8 malla estructura y PVDF flm2 simultáneamente del substrato, como se muestra en la figura 3 k.

Representative Results

Hemos fabricado un VEH tipo bimorfo compuesto por dos capas de películas PVDF y una capa intermedia compuesta de una estructura de malla de SU-8, como se muestra en la figura 4. Los electrodos de la PVDF superior e inferior están conectados en serie para obtener el voltaje de la salida. La imagen óptica y las dos imágenes de SEM son capas elástico con una estructura de malla. Según las imágenes, la capa elástica de procesados por la exposición de la parte trasera inclinada parece tener 3D fina malla patrones sin falta de desarrollo.

La figura 5 muestra los resultados de pruebas de vibración. En las pruebas de vibración, dos VEHs — uno con un núcleo con malla y el otro con una estructura de núcleo sólido, como la capa elástico son evaluados para verificar la validez de malla--tipo VEH. Los VEHs en una coctelera de vibración y excitados con una aceleración de 1,96 m/s2 (0,2 G). Tanto el tipo de base de malla y tipo de núcleo sólido VEHs demostradas sinusoidal salida sincronizada con una entrada sinusoidal. El tipo de base de malla VEH exhibió un 42,6% voltaje de salida mayor que el núcleo sólido tipo VEH. La figura 5b muestra la respuesta de frecuencia de la potencia de salida máxima. El tipo de base de malla VEH exhibió una frecuencia de resonancia de 18,7 Hz, que es 15,8% inferior a lo VEH tipo de núcleo sólido y una potencia de salida de 24,6 μW, que es 68.5% mayor que el sólido núcleo de tipo VEH.

Figure 1
Figura 1: Diseño de fotomáscara para Fotolitografía fabricar la capa elástico con una estructura de base de malla 3D. El photomask consta de dos partes. Uno es el área para la sujeción, y el otro contiene los patrones de línea y el espacio para el diseño de la estructura del acoplamiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: montaje para la exposición inclinada. La luz UV está expuesta verticalmente al sustrato inclinado con un patrón de Cr a tabla de ajuste de ángulo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: esquema de un recolector de energía propuesta de vibraciones piezoeléctrico con una estructura de base de malla 3D y el proceso de fabricación de la cosechadora. El proceso de fabricación puede dividirse en 3 secciones: (a)-(d) representar el proceso de fabricación de la estructura de malla 3D, (e)-(g) representa la preparación de la película PVDF sobre un sustrato de vidrio y (h)-(j ) representan el proceso de vinculación para formar un voladizo bimorfo. (Estas cifras se publican bajo oro acceso abierto, Creative Commons licencia y han sido modificados de [21].) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: (a) fotografía de la máquina segador de energía de vibración base malla bimorfo fabricado, óptico de la imagen (b) corte transversal de la estructura de base de malla 3D (c) e imágenes de (d) SEM de la capa elástica de la base con malla de SU-8. (Estas cifras se publican bajo oro acceso abierto, Creative Commons licencia y han sido modificados de [21].) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: voltaje de salida (a) Sinusoidal de la resistencia de carga bajo cada condición de resonancia (Hz 18,7 malla-core, núcleo macizo 22,2 Hz) y (b) máximo de potencia de salida en función de la frecuencia de vibración bajo resistencia de la carga óptima (malla-core 17 MΩ, núcleo macizo 13 MΩ) y una aceleración de 0,2 G. (Estas cifras se publican bajo oro acceso abierto, Creative Commons licencia y han sido modificados de [21].) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

La exitosa fabricación de la estructura de malla 3D y la propuesta bimorfo VEH descrito anteriormente se basa en cuatro pasos fundamentales y distintivos.

El primer paso crítico es procesado usando exposición parte trasera inclinada. En principio, es posible fabricar una estructura de malla por la exposición inclinada desde la superficie superior usando la técnica de litografía contacto. Sin embargo, la exposición de la parte trasera presenta un procesamiento más precisión que la litografía contacto y defectos durante el desarrollo están menos probables que ocurran28,29. Esto es porque la brecha entre el photomask y la fotoresistencia podría presentarse debido a la ondulación de la superficie de la fotoresistencia. Por lo tanto, se produce la difracción de la luz y procesamiento de precisión baja debido a la brecha. Por lo tanto, en este estudio, hemos fabricado una estructura de malla utilizando el método de exposición de la parte trasera inclinada. Además, el valor medido del ángulo estructural de la estructura de malla fabricado es aproximadamente 65°, con sólo un error de 1% en comparación con el valor de diseño de 64 °. Del resultado, concluimos que es apropiado aplicar el método de exposición de la parte trasera inclinada para fabricar la estructura de malla.

El segundo paso crítico es el proceso de desarrollo de SU-8. Si un desarrollo defecto ocurre, la estructura de la malla pierde flexibilidad inherente. Para el desarrollo de la película gruesa SU-8, 10-15 min se utiliza típicamente. Sin embargo, esta vez en vías de desarrollo es insuficiente para el desarrollo de una estructura de malla 3D. La estructura de malla 3D difiere el patrón 2D fabricado por Fotolitografía porque tiene muchos vacíos internos dentro de la membrana. Si el tiempo de desarrollo es corto, desarrollo no avanza al interior de la estructura de malla, causando falta de patrones. Es por ello, es necesario aplicar un tiempo de desarrollo relativamente largo, de 20-30 min32. Si se necesitan patrones más finos, incluso ya en desarrollo tiempo puede ser necesario. Sin embargo, en aquel momento, tenemos que considerar la inflamación causada por el largo desarrollo de tiempo33.

A continuación, el método para explotar un sustrato PDMS-formado en el proceso de adhesión de la película PVDF y SU-8 malla estructura es único. Permite girar la capa y, consecuentemente, PVDF y SU-8 pueden fácilmente adherir utilizando una cubierto de vuelta SU-8 fina capa adhesiva. PVDF y SU-8 pueden ser enlazado, incluso mediante el uso de un pegamento instantáneo disponible comercialmente. Sin embargo, el material adhesivo se endurece después de que el adhesivo se solidifica. Por otra parte, es difícil formar una delgada película con el pegamento instantáneo. Si el espesor del pegamento instantáneo es mayor, aumentará la rigidez de todo el dispositivo. Un aumento en la rigidez conduce a un aumento en la frecuencia de resonancia (es decir, evita bajar la frecuencia de resonancia, que es el objetivo principal de este estudio). Por otro lado, usando la película delgada de SU-8 formada por capa de vuelta como una capa de adherencia no mucho afecta el aumento en rigidez porque la película formada de SU-8 es delgada. Además, como la estructura de la malla se hace de SU-8, es posible incrementar la resistencia adhesiva utilizando el mismo material para la capa de adherencia. Por esta razón la adhesión de SU-8 tiene fuerza suficiente adhesivo para adherir a una estructura de malla de SU-8 y las películas PVDF. Además, desde el aspecto de la reproducibilidad del dispositivo, sería útil usar el SU-8 fina película como capa de adherencia, como un grosor constante puede ser realizado por giro capa de formación de la película.

En cuarto lugar, destaca el método de la capa de SU-8. Hemos seleccionado un método de recubrimiento multicapa de aerosol para la película gruesa SU-8. Aunque es posible formar una película de espesor por capa de la vuelta, gran ondulación superficial se produce, y es difícil de cubrir uniformemente la película34. Por otro lado, utilizando el método de la multi-capa de aerosol reduce la ondulación y suprime el error de espesor de película en el sustrato34. Particular atención debe prestarse a ondulación grande porque cuando el espesor de la estructura de malla 3D llega a ser no uniforme, las características de vibración y la rigidez del dispositivo es cambiado por el grueso parcial aumento o disminución.

En principio, como Fotolitografía utiliza luz UV, las formas fabricable son limitadas. Es cierto que podemos fabricar estructuras complejas tales como una estructura de malla 3D mediante el uso de exposición inclinada. Sin embargo, formas arbitrarias como una estructura tridimensional con una forma curvada en la dirección del espesor de la película son difíciles de formar35,36. La impresión 3D puede producir formas tridimensionales arbitrarias, y el diseño es flexible. Sin embargo, el rendimiento de la fabricación es bajo, y la precisión de proceso y producción en masa son inferiores a la fotolitografía. Así, no es conveniente para la fabricación de estructuras con patrones finos en poco tiempo. Además, procesamiento de datos CAD 3D es necesario, y toma tiempo para crear el modelo 3D. Por otra parte, en el caso de fotolitografía, especialmente en el método de exposición inclinado, los datos de CAD necesarios para el photomask están bidimensionales, y el diseño es relativamente fácil. Por ejemplo, el diseño orientado por una estructura de malla 3D es sólo la línea 2D y patrones de espacio, como se muestra en la figura 3. Teniendo en cuenta estos hechos, en esta investigación, hemos explotado la técnica de litografía 3D para desarrollar una estructura flexible de malla 3D.

En este estudio, había fabricado en una estructura flexible de malla 3D y aplica a la capa elástica de un tipo de voladizo bimorfo VEH a efectos de baja frecuencia de resonancia y aumento de potencia de salida. Puesto que el método propuesto es útil en la disminución de la frecuencia de resonancia, será útil para vibración energía máquina segador destinado a aplicaciones de baja frecuencia como dispositivos portátiles, monitoreo de sensores para aplicaciones de la casa, edificios públicos y puente, etcetera. Mejora adicional de la potencia de salida se espera mediante la combinación de la forma trapezoidal, forma de triángulo y optimización del espesor que se propone anteriormente en otros artículos37,38,39.

Disclosures

No tenemos nada que revelar.

Acknowledgments

Esta investigación fue apoyada parcialmente por JSP ciencia investigación Grant JP17H03196, PRESTO JST concesión número JPMJPR15R3. El apoyo del proyecto de plataforma de nanotecnología de MEXT (plataforma de microfabricación de la Universidad de Tokio) a la fabricación de la fotomáscara se aprecia grandemente.

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

Ingeniería edición 144 recolección PVDF Fotolitografía SU-8 3D dispositivo de polímero de la energía de vibración estructura baja frecuencia del acoplamiento
Un recolector de energía vibración piezoeléctrico con polímeros con una estructura de base de Meshed 3D
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