I denna studie vi tillverkade en flexibel 3D mesh struktur och tillämpat det i det elastiska skiktet av en bimorph cantilever-typ vibrationer energi skördare i syfte att sänka resonansfrekvens och öka uteffekten.
I denna studie fabricerade vi en flexibel 3D mesh struktur med periodiska håligheter med hjälp av en 3D litografi metod och tillämpa det på en vibration energi skördare till lägre resonansfrekvens och öka uteffekten. Tillverkningsprocessen är huvudsakligen indelad i två delar: tredimensionella photolithography för bearbetning en 3D mesh struktur, och en bonding process av piezoelektriska filmer och mesh struktur. Med påhittade flexibla mesh struktur uppnått vi en minskning av resonansfrekvens och förbättring av uteffekt, samtidigt. Från resultaten av vibrationsprovningar uppvisade skördaren maskor-core-typ vibrationer energi (VEH) 42,6% högre utspänning än den fast-core-typ VEH. Dessutom gav de maskor-core-typ VEH 18,7 Hz resonansfrekvens, 15,8% lägre än den fasta-core-typ VEH, och 24,6 μW uteffekt, 68,5% högre än den fasta-core-typ VEH. Fördelen med den föreslagna metoden är att en komplex och flexibel struktur med håligheter i tre dimensioner kan relativt enkelt fabriceras i kort tid av metoden lutande exponering. Som det är möjligt att sänka VEH resonansfrekvens av mesh struktur, Använd i låg frekvens applikationer, såsom bärbara enheter och hushållsapparater, kan förväntas i framtiden.
Under de senaste åren har VEHs dragit stor uppmärksamhet som en elektrisk strömförsörjning av sensornoder tillämpningsföreskrifter för trådlösa sensornätverk och Sakernas Internet (IoT) program1,2,3,4, 5,6,7,8. Bland flera typer av energiomvandling i VEHs presenterar piezoelektriska-typkonvertering hög utspänning. Denna typ av konvertering är också lämplig för miniatyrisering på grund av dess hög affinitet med micromachining teknik. På grund av dessa attraktiva funktioner, har många piezoelektriska VEHs utvecklats med hjälp av piezoelektriska keramiska material och organiska polymera material9,10,11,12, 13.
Keramiska VEHs rapporterade cantilever-typ VEHs med högpresterande piezoelektriska material PZT (bly titanate zirconat) är allmänt14,15,16,17,18, och VEHs Använd ofta resonans för att få hög verkningsgrad kraftproduktion. I allmänhet, eftersom resonansfrekvensen ökar med miniatyriseringen av enhetsstorlek, är det svårt att uppnå miniatyrisering och låg-resonans frekvens samtidigt. Även om PZT har hög-High-Power-generations prestanda, är det således svårt att utveckla små PZT-baserade enheter som fungerar i en låg frekvens band utan särskilda bearbetning, såsom nanoribbon församlingar19,20, eftersom PZT är en hög styvhet material. Tyvärr, vår omgivande vibrationer som hushållsapparater, human rörelseavkänning, byggnader och broar är främst vid låga frekvenser, mindre än 30 Hz21,22,23. VEHs med dess hög-High-power-generation verkningsgrad vid låga frekvenser och liten storlek är därför idealisk för lågfrekvens-applikationer.
Det enklaste sättet att sänka resonansfrekvens är att öka spetsen av uthänget massa vikt. Fästa en hög densitet material till spetsen är allt som krävs, tillverkning är enkel och lätt. Men ju tyngre massa är, desto mer bräckliga enheten blir. Ett annat sätt att sänka frekvensen är att förlänga den fribärande24,25. I metoden förlängs avståndet från fast slutet till den fria änden av en tvådimensionell meandered form. Kisel substrat är etsad med halvledare tillverkningsteknik för att fabricera en meandered struktur. Även om metoden är effektiv för att sänka resonansfrekvens, området av piezoelektriska material minskar och, således, erhållas uteffekten minskar. Dessutom finns det en nackdel att närheten av fast slutet är ömtålig. Angående vissa polymer enheter, såsom den lågfrekventa VEH, flexibla piezoelektriska polymer PVDF används ofta. PVDF är oftast täckt med en metod som spin-beläggning och filmen är tunn, kan resonansfrekvensen minskas på grund av de låga styvhet26,27. Även om filmtjockleken är kontrollerbar i intervallet sub micron till flera mikrometer, är uppnåeliga uteffekten små på grund av tunn tjocklek. Därför, även om frekvensen kan minskas, vi inte kan erhålla tillräcklig kraftproduktion och så praktiska tillämpningen är svårt.
Här föreslår vi en bimorph-typ piezoelektriska fribärande (bestående av två lager av piezoelektriska lager och ett lager av elastiska skikt) med två flexibla piezoelektriska polymer lakan, som redan varit föremål för stretching behandling för förbättring piezoelektriska egenskaper. Dessutom antar vi en flexibel 3D mesh struktur i det elastiska skiktet av bimorph uthänget att minska resonansfrekvens och förbättra makt samtidigt. Vi fabricera 3D mesh strukturen genom att utnyttja den baksida lutande exponering metod28,29 eftersom det är möjligt att tillverka fina mönster med hög precision på kort tid. Även om 3D-utskrift är också en kandidat för att fabricera 3D mesh struktur, genomströmning är låg och den 3D-skrivaren är underlägsen photolithography i bearbetning noggrannhet30,31. I denna studie antas därför metoden baksidan lutande exponering som metod för micromachining 3D mesh struktur.
Lyckad tillverkning av 3D mesh struktur och den föreslagna bimorph VEH som beskrivs ovan är baserad på fyra kritiska och distinkta steg.
Ett första viktigt steg är bearbetning använda baksidan lutande exponering. I princip är det möjligt att tillverka en mesh struktur av lutande exponering från den övre ytan med hjälp av kontakt litografi-tekniken. Men baksidan exponering presenterar en exaktare bearbetning precision än kontakt litografi och defekter under utveckling är mindre benägna att inträffa28,29. Detta beror på att klyftan mellan photomasken och fotoresist kunde uppstå på grund av vågighet fotoresist yta. Därför ljus diffraktion uppstår och bearbetning precision sänks på grund av klyftan. Därför i denna studie tillverkade vi en mesh struktur med metoden baksidan lutande exponering. Det uppmätta värdet av strukturella vinkeln på fabricerade mesh strukturen är dessutom ca 65°, med bara en 1% fel jämfört med designade värdet av 64 °. Från resultatet, vi dra slutsatsen att det är lämpligt att tillämpa metoden baksidan lutande exponering för att fabricera mesh struktur.
Den andra kritiska steget är utvecklingsprocessen av SU-8. Om en utveckla uppstår defekten, mesh struktur förlorar inneboende flexibilitet. För att utveckla den tjocka SU-8-filmen, som normalt 10-15 min används. Denna utveckling tid är emellertid otillräckliga för utveckling av en 3D-nät struktur. 3D-nät struktur skiljer sig från 2D mönstret fabricerade av photolithographyen eftersom det har många inre hålrum inuti membranet. Om den utveckla tid är kort, utveckling inte framsteg till inre av mesh struktur, orsakar mallning misslyckande. Det är därför det är nödvändigt att tillämpa en relativt lång utvecklingstid, 20-30 min32. Om finare mönster krävs behövas ännu längre utvecklande tid. Men på den tiden har vi att överväga svullnad orsakad av långa utveckling tid33.
Nästa, metoden att utnyttja ett PDMS-bildade substrat i processen limning av PVDF film och SU-8 mesh struktur är unik. Det möjliggör spin beläggning och, som ett resultat, PVDF och SU-8 kan enkelt följas med hjälp av en spin-belagd SU-8 tunn självhäftande skikt. PVDF och SU-8 kan limmas, även med hjälp av ett kommersiellt tillgängliga instant lim. Dock härdar det självhäftande materialet efter limmet är stelnat. Dessutom är det svårt att bilda en tunn film med omedelbar limmet. Om tjockleken på instant limmet är större, kommer att det öka styvheten i hela enheten. En ökning av styvheten leder till en ökning av resonansfrekvens (dvs, det förhindrar att sänka resonansfrekvens, vilket är det huvudsakliga syftet med denna studie). Däremot, med SU-8 tunna filmen bildas av spin beläggning som ett vidhäftning lager kraftigt inte påverkar ökningen i styvhet eftersom bildade SU-8 filmen är tunn. Som mesh strukturen är gjord av SU-8, är det dessutom möjligt att öka vidhäftningshållfasthet med hjälp av samma material för vidhäftning lagret. Det är därför SU-8 vidhäftningen har tillräckligt adhesive styrka att binda en SU-8 mesh struktur och PVDF filmer. Dessutom från aspekten av reproducerbarhet av enheten vore det lämpligt att använda SU-8 tunna filmen som en vidhäftning lager, som en konstant filmtjocklek kan förverkligas genom spin beläggning film formation.
Fjärde, metoden beläggning av SU-8 är distinkt. Vi har valt en spray skikts beläggning metod för SU-8 tjocka filmen. Även om det är möjligt att bilda en tjock film av spin beläggning, stora ytans vågighet uppstår, och det är svårt att belägga filmen enhetligt34. Däremot, med metoden spray flerskiktsbehandling minskar vågighet och dämpar felet av filmtjocklek i de substrat34. Särskilt måste uppmärksamhet ges till stora vågighet eftersom när tjockleken på 3D mesh strukturen blir nonuniform, vibrationer egenskaper och stelhet i enheten ändras av delvis ökad eller minskad tjocklek.
I princip som photolithography använder UV-ljus, är fabricable former begränsade. Det är sant att vi kan tillverka komplexa strukturer såsom en 3D mesh struktur med hjälp av lutande exponering. Godtyckliga former såsom en tredimensionell struktur med en böjd form i film tjocklek riktning är dock svårt att bilda35,36. Den 3D-utskriften kan producera godtyckliga tredimensionella former, och designen är flexibel. Men genomströmning av tillverkning är låg och behandlingen precision och massproduktion är underlägsen photolithography. Det är således inte passar fabricera strukturer med fina mönster på kort tid. Dessutom bearbetning 3D CAD-data är nödvändigt, och det tar tid att skapa 3D-modellen. Däremot, när det gäller photolithography, särskilt i den lutande exponering metoden, den CAD-datan som är nödvändiga för fotomask är tvådimensionell och designen är relativt lätt. Exempelvis är orienterad design för en 3D mesh struktur bara 2D linje och utrymme mönster, som visas i figur 3. Med tanke på dessa fakta, i denna forskning, utnyttjade vi 3D litografi tekniken för att utveckla en flexibel 3D mesh struktur.
I denna studie vi tillverkade en flexibel 3D mesh struktur och tillämpat det i det elastiska skiktet av en bimorph fribärande typ VEH i syfte att sänka resonansfrekvens och ökande uteffekt. Eftersom den föreslagna metoden är användbar i att sänka resonansfrekvens, blir det användbart för vibrationer energi skördare måltavlan för låg frekvens ansökan såsom bärbara enheter, övervakning sensorer för offentliga byggnader och bridge, hushållsapparater, etc. Ytterligare förbättring av uteffekten förväntas genom att kombinera trapetsoidform, triangel form och tjocklek optimering som föreslås tidigare i andra papper37,38,39.
The authors have nothing to disclose.
Denna forskning var delvis stöds av JSPS Science Research Grant JP17H03196, JST PRESTO Grant nummer JPMJPR15R3. Stöd från MEXT nanoteknik plattform Project (The University of Tokyo mikrofabrikation plattform) till tillverkning av fotomask är mycket uppskattat.
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 |