JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
工程学

Une moissonneuse d’énergie de Vibration piézoélectrique à base de polymères avec une Structure de Meshed-Core 3D

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

Summary

Dans cette étude, nous avons fabriqué une structure flexible de maillage 3D et appliquée à la couche élastique d’un exploitant d’énergie de vibration de type cantilever bimorphe dans le but de réduire la fréquence de résonance et augmenter la puissance de sortie.

Abstract

Dans cette étude, nous avons fabriqué une structure flexible de maillage 3D avec vides périodiques en utilisant une méthode de lithographie 3D et appliquer sur une moissonneuse d’énergie de vibration pour abaisser la fréquence de résonance et d’augmenter la puissance de sortie. Le procédé de fabrication est principalement divisé en deux parties : photolithographie en trois dimensions pour le traitement d’une structure de maillage 3D et un processus de collage de films piezoélectriques et la structure de la maille. La structure de maille souple fabriqué, nous sommes arrivés à la réduction de la fréquence de résonance et l’amélioration de la puissance de sortie, en même temps. Partir des résultats des essais de vibration, la moissonneuse d’énergie de vibration de type maillé-core (VEH) exposé 42,6 % tension de sortie plus élevée que le VEH solide-core-type. En outre, le filet à mailles-core-type VEH a donné 18,7 Hz de fréquence de résonance, 15,8 % plus bas que le VEH de type solid-core et 24,6 μW de puissance de sortie, 68,5 % plus élevé que le VEH solide-core-type. L’avantage de la méthode proposée est qu’une structure complexe et flexible avec vides en trois dimensions peut être relativement facilement fabriquée en peu de temps par la méthode d’exposition incliné. Comme il est possible de réduire la fréquence de résonance de la véh par la structure de la maille, utiliser dans des applications de basse fréquence, telles que des dispositifs portables et appareils de la maison, peut s’attendre à l’avenir.

Introduction

Ces dernières années, VEHs suscité beaucoup d’intérêt comme un bloc d’alimentation électrique des nœuds de capteurs pour la mise en œuvre de réseaux de capteurs sans fil et Internet des objets (IDO) applications1,2,3,4, 5,6,7,8. Parmi plusieurs types de conversion de l’énergie en VEHs, conversion de type piézoélectrique présente tension de sortie élevée. Ce type de transformation est également adapté pour la miniaturisation en raison de sa grande affinité avec la technologie de micro-usinage. En raison de ces caractéristiques attrayantes, nombreux VEHs piézoélectriques ont été développés en utilisant des matériaux céramiques piézoélectriques et polymère organique matériaux9,10,11,12, 13.

En céramique VEHs, VEHs cantilever-type à l’aide de matériaux piézoélectrique haute performance PZT (zirconate titanate de plomb) sont largement rapporté14,15,16,17,18et les VEHs souvent utiliser par résonance pour obtenir la production d’électricité de haute efficacité. En général, parce que la fréquence de résonance augmente avec la miniaturisation de la taille de l’unité, il est difficile d’atteindre la miniaturisation et la fréquence de résonance basse en même temps. Ainsi, bien que lun a high-power-génération performance, il est difficile de développer des petites lun des équipements qui fonctionnent dans une bande de basses fréquences sans traitement spécial, tels que des assemblées nanoribbon19,20, parce que LUN est un matériau de haute rigidité. Malheureusement, nos vibrations environnantes tels que les appareils ménagers, les mouvements humains, les bâtiments et les ponts sont principalement à basse fréquence, inférieure à 30 Hz21,22,23. VEHs avec son efficacité de high-power-génération à basses fréquences et de petite taille sont donc idéales pour les applications de basse fréquence.

La meilleure façon de réduire la fréquence de résonance est d’augmenter le poids de masse de l’extrémité du levier. Que de joindre un matériau de haute densité à la pointe est tout ce qui est nécessaire, la fabrication est simple et facile. Cependant, plus la masse est, devient plus fragile de l’appareil. Une autre façon de faire baisser la fréquence est de rallonger le cantilever24,25. Dans la méthode, la distance entre l’extrémité fixe à l’extrémité libre est prolongée par une forme à deux dimensions de meandered. Le substrat de silicium est gravé en utilisant une technique de fabrication des semi-conducteurs pour fabriquer une structure meandered. Bien que la méthode est efficace pour réduire la fréquence de résonance, la zone du matériau piézoélectrique diminue et, par conséquent, la puissance de sortie disponible diminue. En outre, il y a un inconvénient que le voisinage de l’extrémité fixe est fragile. Au sujet de certains appareils de polymères, tels que le VEH de basse fréquence, polymère piézoélectrique flexible PVDF est souvent utilisé. Comme le PVDF est généralement recouvert par une méthode d’enduction centrifuge et le film est mince, la fréquence de résonance peut être réduite en raison de la faible rigidité26,27. Même si l’épaisseur du film est contrôlable dans la gamme des sub-micronique à quelques microns, la puissance de sortie possible est faible en raison de l’épaisseur mince. Par conséquent, même si la fréquence peut être réduite, nous ne pouvons pas obtenir suffisamment d’électricité, et donc, l’application pratique est difficile.

Ici, nous vous proposons un bimorphe type piézoélectrique en porte-à-faux (constitué de deux couches de couches piézoélectriques et une couche de couche élastique) avec deux feuilles de polymère piézoélectrique flexible, qui ont déjà été soumis à l’étirement de traitement pour l’amélioration des caractéristiques piézoélectriques. En outre, nous adoptons une structure flexible de maillage 3D dans la couche élastique du levier bimorphe pour réduire la fréquence de résonance et améliorer la puissance en même temps. Nous fabriquons la structure du maillage 3D en utilisant le dos incliné exposition méthode28,29 , parce qu’il est possible de fabriquer des modèles fines avec une grande précision en peu de temps. Bien que l’impression 3D est également un candidat pour fabriquer la structure maille 3D, le débit est faible, et l’imprimante 3D est inférieure à la photolithographie dans l’usinage de précision de30,31. Par conséquent, dans cette étude, la méthode d’exposition arrière incliné est adoptée comme méthode pour la structure de maille de micro-usinage 3D.

Protocol

1. fabrication de la structure du maillage 3D Nettoyage du substrat verre Préparer des substrats de verre 30 x 40 mm. Préparer la solution de piranha en verser 150 mL d’acide sulfurique (concentration : 96 %) dans le bol de verre. Puis doucement ajouter 50 mL de solution de peroxyde d’hydrogène (concentration : 30 %). Veiller à ce que le rapport du volume de l’eau de l’acide sulfurique : hydrogène peroxyde est de 3:1. Portez des lunettes de protection et des vêtements de sécurité tout en versant les solutions. Définissez un substrat de verre dans un gabarit de Teflon pour le nettoyage. Puis plonger dans piranha solution pendant 1 min. Après une immersion de 1 min dans une solution de piranha, rincer le substrat de verre lavé 2 – 3 fois avec de l’eau pure (2 – 3 fois de déborder). Enlever les gouttes d’eau sur le substrat de verre avec jet d’air. Répétition du motif masque Cr pour l’exposition de dos sur un substrat de verre Définissez le substrat de verre dans une chambre d’une machine de pulvérisation cathodique magnétron RF (radiofréquence). Sélectionner la puissance de RF à 250 W, le débit de gaz Ar à 12 SCCM, pression dans la chambre à 0,5 Pa et le temps de pulvérisation de 11 min. Puis former 100-200 nm de film Chrome sur le substrat en verre par pulvérisation cathodique magnétron de RF.Remarque : L’épaisseur est contrôlée lors de la pulvérisation, compte tenu de la condition de taux pulvérisation. Définissez le substrat sur une scène de fixation dans une chambre de spin-coater. Supprimez une résine photosensible positive S1813 sur le film Chrome et recouvrir la couche mince de 1 à 2 μm par enduction centrifuge à 4 000 tr/min pendant 30 s. Faire cuire le substrat enduit de résine photosensible à 115 ° C pendant 1 min sur une plaque chauffante pour sécher le resist. Contacter un photomasque et un substrat enduit de résine photosensible. Exposer les ultraviolets verticalement à la photolithographie. S’assurer que la dose d’exposition est 80 mJ/cm2, et la longueur d’onde est de 405 nm. Utilisez le photomasque illustré à la Figure 1. Préparer deux béchers de 500 mL. Puis verser 150 mL de TMAH (hydroxyde de Tétraméthylammonium : 2,38 %, solvant : eau) la solution dans un bécher et verser 150 mL de chromium etchant (ampérométrie ammonitrate : 16 %, acide nitrique : 8 %) dans l’autre bécher. Immerger le substrat dans 150 mL de solution TMAH et développer la résine photosensible pendant 30 s à 1 min. Rincer le substrat à l’eau pure. Immerger le substrat dans le 150 mL de solution de gravure de Chrome et chrome pour environ 1 à 2 min de gravure. Rincer le substrat à l’eau pure et éliminer les gouttelettes d’eau avec jet d’air. Préparer la solution de piranha en verser 150 mL d’acide sulfurique (concentration : 96 %) dans le bol de verre. Puis doucement ajouter 50 mL de solution de peroxyde d’hydrogène (concentration : 30 %). Veiller à ce que le rapport du volume de l’eau de l’acide sulfurique : hydrogène peroxyde est de 3:1.NOTE : Porter des lunettes de protection, vêtements et gants de sécurité tout en versant les solutions. Solution de Piranha vont perdre leur activité après un certain temps, afin de préparer chaque fois. Placer un substrat de verre sur un gabarit de Teflon pour le nettoyage. Ensuite, plonger dans la solution de piranha pour 15-30 s enlever la résine photosensible. Préparation pour le revêtement de SU-8 Définissez le substrat sur la scène de fixation dans la chambre spin coater. Déposer environ 1 mL de solution de résine acrylique (concentration : 10 %, solvant : toluène) du côté du modèle de Chrome du substrat pour libérer une structure fabriquée comme une couche sacrificielle. Alors, forment une couche mince par enduction centrifuge à 2 000 tr/min pendant 30 s. Cuire au four à 100 ° C pendant 10 min. SU-8 jet enduit Lancez la coucheuse spray et verser la solution d’acétone dans la seringue pour le nettoyage. Nettoyer et enlever les résidus à l’intérieur de la buse de pulvérisation de solution d’acétone.Remarque : Si le nettoyage est insuffisant, il mène au colmatage au moment de la pulvérisation. Répétez cette opération deux fois pour nettoyer soigneusement. Définissez le substrat sur une plaque attachée dans une coucheuse de pulvérisation. Couvrir le substrat avec un rebord pour empêcher les perles de bord. Verser la résine photosensible négative 3005 SU-8 dans la seringue. Définir le diamètre de la buse à 5 mm, le mouvement de buse vitesse à 120 mm/s, la pression de vaporisation à 150 kPa de la pression du fluide de 60 kPa, la distance entre la buse et le substrat à 40 mm, la distance de la hauteur à 3 mm et l’intervalle de temps pour chaque couche à 45 s. Spray SU-8 multicouches sur le substrat. Répéter le revêtement 10 fois de la même manière. Laisser le substrat reposer pendant 5 min après revêtement 10 fois.Remarque : Pendant le temps de repos, le film de SU-8 est uniformément aplati et les bulles d’air mélangés durant l’enrobage de pulvérisation sont libérées. Cuire au four sur une plaque de cuisson à 95 ° C pendant 60 min. Mesurer l’épaisseur de 10 couches de micromètre. Puis, calculer l’épaisseur par couche. Déterminer le nombre de répétitions pour jet enduit de l’épaisseur du film calculé par couche. Puis pulvériser le multicouche pour former un film épais pour atteindre l’épaisseur de la couche cible. Dans cette recherche, 40 couches sont appliquées pour une épaisseur de 200 μm. Laisser le substrat pendant 5 min après le revêtement multicouche spray. Cuire au four sur une plaque de cuisson à 95 ° C pendant 240 min. Laisser le substrat de SU-8 couché sur une plaque chauffante pendant 60 min et ensuite refroidir lentement à température ambiante. 3D mesh structure formant Placer le substrat sur une table de réglage d’angle de retourner le substrat (c’est-à-dire, le film de SU-8 vers le bas) comme illustré à la Figure 2. Fixer le bord du substrat avec du ruban. L’angle du tableau de rajustement à 45° d’inclinaison.Remarque : 0° signifie que le substrat est à l’état horizontal. L’angle en ce moment est déterminé par la loi de Snell-Descartes, calculée à partir de l’indice de réfraction de la résine photosensible, l’indice de réfraction de l’air. En irradiant à un angle d’incidence de 45°, une structure de maille avec un angle de la structure de 64° est fabriquée. Placer le tableau de rajustement angle sous la source de lumière UV. Appliquer la lumière UV verticalement sur le substrat à une dose d’exposition de 150 mJ/cm2 et une longueur d’onde de 365 nm. Après l’exposition, retourner l’angle du tableau de rajustement à 0° et inclinez-le à 45° dans la direction opposée. Appliquer les ultraviolets verticalement de la même manière.Nota : Les Illustrations sont montrées dans la Figure 3 a, b. Placez le substrat sur une plaque chauffante et régler la température à 95 ° C pour PEB (cuisson au four après l’exposition). Faire cuire le substrat pendant 8 min après que la température a atteint 95 ° C. Coupez l’alimentation de la plaque chauffante. Attendez que la température de la plaque chaude tombe à environ 40 ° C. Verser 150 mL de SU-8 développeur dans un bécher de verre de 500 mL. Définissez le substrat dans un gabarit de Teflon pour le développement. Verser 150 mL d’isopropanol (IPA) dans un autre bécher de verre de 500 mL. Développer pendant environ 20 à 30 min. veiller à ce que si le temps de développement ne suffit pas, il entraîne une ouverture insuffisante des vides de maille. Immerger le substrat avec jig en IPA et rincer pendant 2 min.Remarque : Si la surface du SU-8 est apparemment blanc et boueux, il indique que le développement est insuffisant. Dans ce cas, répétez les développement et rincer à nouveau. Après développement complet, une structure de maille est formée, comme illustré à la Figure 3C. Communiqué de la structure du substrat de verre Versez 150 mL de toluène solution dans un bécher de verre de 500 mL. Couvrir le bécher avec du papier aluminium car le toluène est facile à s’évaporer à température ambiante. Immerger le substrat dans une solution de toluène pour environ 3-4 h. veiller à ce que la couche sacrificielle de résine acrylique est gravé à l’eau-forte et la structure SU-8 avec la structure de la maille est libérée du substrat, comme illustré à la Figure 3d. Soufflez de l’air au substrat et enlever l’humidité. Stockez-la dans un dessicateur, jusqu’à ce qu’il est utilisé à l’étape 4.3. 2. préparation du film piézoélectrique Préparer une feuille PVDF. En outre, préparer un coupe-couteau avec une lame en acier inoxydable et le tapis de découpe. Découper la feuille PVDF à la forme de l’appareil avec une feuille de2 360 mm (10 mm x 30 mm pour cantilever et 6 mm x 10 mm pour le raccordement électrique), comme illustré à la Figure 3 a. Placer les films PVDF coupées sur une boîte de pétri avec un essuie-glace de cellulose. Rangez-les dans un dessicateur. 3. préparation du substrat pour le collage de structure de maille et film piézoélectrique Verser 10 mL de l’agent principal du PDMS et 1 mL d’agent de polymérisation dans un tube à centrifuger (c.-à-d., le rapport entre le volume approximatif est de 10:1). Le tube à centrifuger dans une agitation planétaire et démoussage machine et mélanger les deux solutions pendant 1 min. Préparer deux 30 x 40 mm des substrats de verre. Mettre le substrat en verre sur une scène de fixation dans la chambre spin coater. Goutte de solution PDMS sur le substrat de verre. Ensuite, former le film PDMS par enduction centrifuge à 4 000 tr/min, comme illustré dans la Figure 3e. Faire cuire le substrat sur une plaque de cuisson à 100 ° C pendant 60 min sécher le film PDMS. Coupez l’alimentation de la plaque chauffante. Attendez que la température de la plaque chaude tombe à environ 40 ° C. 4. fabrication bimorphe récolteuse de vibrations énergétiques Placer les films PVDF coupes un par un sur deux différents substrats PDMS, tel qu’illustré dans Figure 3f. Veiller à ce que, simplement en plaçant des films PVDF sur la surface de PDMS, ils adhèrent les uns aux autres. Si les rides sont visibles sur les films PVDF, étendre avec un rouleau.Remarque : Ces deux films PVDF sont appelés flm1 PVDF et PVDF flm2, et les deux substrats PDMS sont PDMS sbs1 et sbs2 PDMS, par souci de clarté. Laisser tomber SU-8 3005 sur le PVDF flm1 placé sur PDMS sbs1. Puis, forme la couche mince par enduction centrifuge à 4 000 tr/min comme illustré en Figure 3 gSU-8.NOTE : Ce film mince de SU-8 devient une couche d’adhérence entre la structure de la maille et le PVDF flm1. L’endroit où le 3005 SU-8 a été pas abandonné est utilisé pour le câblage en vue d’acquérir l’énergie électrique. Placer la structure de maille de SU-8 sur le flm1 PVDF et lient eux tel qu’illustré à la Figure 3 h. Laisser tomber SU-8 3005 sur le PVDF flm2 placé sur PDMS sbs2. Puis, forme la couche mince par enduction centrifuge à 4 000 tr/min de la même manière que l’étape 4.2 SU-8. Décollez de PVDF flm2 de sbs2 PDMS et puis placer sur le dessus de la structure de maille de SU-8 placée sur flm1 PVDF, adhérant eux tel qu’illustré dans Figure 3i, j. Rangez l’appareil avec l’état servile dans un récipient avec une humidité faible comme le dessiccateur. Laissez-le pendant environ 12 h. Rebuté les pinces dans la partie inférieure de la couche la plus basse flm1 PVDF et peel servile 3 couches PVDF flm1, SU-8 mesh structure et PVDF flm2 simultanément du substrat, comme illustré à la Figure 3 k.

Representative Results

Nous avons fabriqué un véh bimorphe-type composé de deux couches de films PVDF et une couche intermédiaire composé d’une structure de maille de SU-8, tel qu’illustré à la Figure 4. Les électrodes de la PVDF supérieur et inférieur sont reliés en série pour obtenir la tension de sortie. L’optique de l’image et les deux images de SEM sont des couches élastiques avec une structure de maille. Selon les images, la couche élastique traitée par l’exposition arrière incliné semble avoir 3D fine maille motifs sans défaillance de développement. Figure 5 montre les résultats d’essais de vibration. Dans les essais de vibration, deux VEHs — l’un avec un noyau de maillé et l’autre avec une structure solide-core — comme la couche élastique sont évalués afin de vérifier la validité des mailles-core-type VEH. Les VEHs sont mis sur un agitateur de vibration et excitées avec une accélération de vibration de 1,96 m/s2 (0,2 G). Les deux les type maillé-core et solide-core-type VEHs a montré la sortie sinusoïdale synchronisée avec une entrée sinusoïdale. Le filet à mailles-core-type VEH présentait une tension de sortie supérieure de 42,6 % au cœur solide type VEH. Figure 5 b montre la réponse en fréquence de la puissance de sortie maximale. Le VEH maillé-core-type présentait une fréquence de résonance de 18,7 Hz, ce qui est de 15,8 % de moins que le VEH solide-core-type et une puissance de sortie de 24,6 μW, soit 68,5 % plus élevé que le VEH solide-core-type. Figure 1 : Mise en page de photomasque pour photolithographie fabriquer une couche élastique avec une structure de filet à mailles-core 3D. La photolithographie est en deux parties. L’une est la zone de blocage, et l’autre contient les schémas de ligne et espace pour la structuration de la structure de la maille. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 2 : mise en place d’exposition inclinée. Lumière UV est exposé verticalement le support incliné avec un motif de Cr placé sur le tableau de rajustement à angle. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 3 : schéma d’un exploitant d’énergie de vibration piézoélectrique proposée avec une structure de filet à mailles-core 3D et le procédé de fabrication de l’arracheuse. Le procédé de fabrication peut être divisé en 3 sections : (a)-(d) représentent le processus de fabrication de la structure du maillage 3D, (e)-(g) représentent la préparation du film PVDF sur un substrat de verre et le (h)-(j ) représentent le processus de collage pour former un cantilever bimorphe. (Ces chiffres sont publiés au titre de l’or libre accès, Creative Commons licence et ont été modifiés du [21].) S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 4 : (a) photographie des bimorphe fabriqué moissonneuse de maillé-core vibration énergétique, image optique (b) coupe transversale de la structure 3D de maillé-core, (c) et (d) SEM images de couche élastique de SU-8 mailles-base. (Ces chiffres sont publiés au titre de l’or libre accès, Creative Commons licence et ont été modifiés du [21].) S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 5 : tension de sortie (a) sinusoïdal de résistance de la charge au titre de chaque condition de résonance (mailles-core 18,7 Hz, Hz 22,2 solide-core) et la puissance de sortie Maximum (b) en fonction de la fréquence de vibration sous la résistance de charge optimale (mailles-core 17 MΩ, solid-core MΩ 13) et l’accélération de 0,2 G. (Ces chiffres sont publiés au titre de l’or libre accès, Creative Commons licence et ont été modifiés du [21].) S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Discussion

La fabrication réussie de la structure du maillage 3D et le bimorphe proposée véh décrit ci-dessus est basé sur quatre étapes essentielles et distinctives.

La première étape critique est le traitement à l’aide de l’exposition arrière incliné. En principe, il est possible de fabriquer une structure treillis en exposition inclinée de la face supérieure en utilisant la technique de la lithographie par contact. Toutefois, l’exposition arrière présente une précision de traitement plus précise que la lithographie par contact et défauts au cours du développement sont moins susceptibles de se produire28,29. C’est parce que l’écart entre le photomasque et la résine photosensible peut résulter de l’ondulation de la surface de la résine photosensible. Par conséquent, diffraction de la lumière se produit, et le traitement de précision est abaissée en raison de l’écart. Donc, dans cette étude, nous avons fabriqué une maille structure à l’aide de la méthode d’exposition arrière incliné. En outre, la valeur mesurée de l’angle structurel de la structure treillis préfabriqués est environ 65°, avec juste une erreur de 1 % par rapport à la valeur conçue de 64 °. Du résultat, nous concluons qu’il est approprié d’appliquer la méthode d’exposition arrière incliné pour fabriquer la structure de la maille.

La deuxième étape critique est le processus de développement du SU-8. Si un pays en développement défaillance se produit, la structure de maille perd souplesse inhérente. Pour développer le film épais de SU-8, 10-15 min est généralement utilisé. Cependant, cette fois-ci en développement est insuffisante pour le développement d’une structure de maillage 3D. La structure du maillage 3D diffère du modèle 2D fabriqué par photolithographie, parce qu’il a de nombreux vides internes à l’intérieur de la membrane. Si le temps de développement est court, le développement ne progresse pas à l’intérieur de la structure de la maille, provoquant l’échec de structuration. C’est pourquoi, il est nécessaire d’appliquer un temps de développement relativement long, 20-30 min32. Si des motifs plus fines sont nécessaires, des temps encore plus longtemps en développement peuvent être nécessaire. Toutefois, à ce moment-là, nous devons considérer l’enflure causée par le long développement temps33.

Ensuite, la méthode d’exploiter un substrat PDMS-formé dans le processus d’attachement du film PVDF et SU-8 structure de maille est unique. Il permet enduction centrifuge et, en conséquence, PVDF et SU-8 peuvent être facilement ont adhéré à l’aide d’une enduit de spin SU-8 mince couche de colle. PVDF et SU-8 peuvent être collés, même en utilisant une colle instantanée disponible dans le commerce. Toutefois, le matériel adhésif durcit après que l’adhésif est solidifié. En outre, il est difficile de former une couche mince avec la colle instantanée. Si l’épaisseur de la colle instantanée est plus grande, cela augmente la rigidité de l’ensemble du dispositif. Une augmentation de rigidité entraîne une augmentation de la fréquence de résonance (c.-à-d., il empêche les abaisser la fréquence de résonance, qui est le but principal de cette étude). En revanche, à l’aide de la couche mince de SU-8 formé par enduction centrifuge comme une couche d’adhérence ne grandement affecte l’augmentation de la rigidité du film ainsi formé SU-8 étant très mince. En outre, comme la structure de maille est faite de SU-8, il est possible d’augmenter la force d’adhérence en utilisant le même matériau pour la couche d’adhérence. C’est pourquoi l’adhérence de SU-8 a assez de force adhésive pour coller une structure de maille de SU-8 et les films PVDF. En outre, du point de vue de la reproductibilité de l’appareil, il serait utile d’utiliser le SU-8 couches minces comme une couche d’adhérence, comme une épaisseur constante peut être réalisée par spin coating formation du film.

Quatrièmement, la méthode de revêtement de SU-8 se distingue. Nous avons sélectionné une méthode de revêtement multicouche de pulvérisation pour le film épais de SU-8. Bien qu’il soit possible de former une pellicule épaisse par enduction centrifuge, grande surface ondulation se produit, et il est difficile d’enduire le film uniformément34. En revanche, en utilisant la méthode de revêtement multi jet réduit l’ondulation et supprime l’erreur de l’épaisseur de film dans le substrat34. En particulier, attention doit être accordée aux grande ondulation car lorsque l’épaisseur de la structure du maillage 3D devient non uniforme, les caractéristiques vibratoires et la rigidité de l’appareil est modifié par l’épaisseur partiellement augmenté ou diminué.

En principe, photolithographie utilise la lumière UV, les formes réalisables sont limitées. Il est vrai que nous pouvons fabriquer des structures complexes comme une structure de maillage 3D en utilisant une exposition inclinée. Cependant, des formes arbitraires comme une structure en trois dimensions avec une forme incurvée dans le sens d’épaisseur de film sont difficiles à former35,36. L’impression 3D peut produire des formes en trois dimensions arbitraires, et la conception est flexible. Toutefois, le débit de la fabrication est faible et la précision de la transformation et la production de masse sont inférieures à la photolithographie. Ainsi, il n’est pas adapté pour la fabrication de structures avec des motifs très bien en peu de temps. En outre, le traitement des données de CAO 3D est nécessaire, et il faut du temps pour créer le modèle 3D. En revanche, dans le cas de photolithographie, surtout dans la méthode d’exposition incliné, les données CAO nécessaires pour le photomasque sont à deux dimensions, et la conception est relativement facile. Par exemple, la conception orientée pour une structure de maillage 3D est juste la ligne 2D et les modèles de l’espace, comme illustré à la Figure 3. Compte tenu de ces faits, dans cette recherche, nous avons exploité la technique de la lithographie 3D pour développer une structure flexible de maillage 3D.

Dans cette étude, nous avons fabriqué une structure flexible de maillage 3D et appliquée à la couche élastique de type cantilever bimorphe VEH aux fins de la fréquence de résonance descente et montée en puissance sortie. Étant donné que la méthode proposée est utile en réduisant la fréquence de résonance, il sera utile pour moissonneuse d’énergie vibration ciblé pour application basse fréquence tels que les périphériques portables, surveillance des capteurs pour les bâtiments publics et pont, Electroménager, etc.. On attendrait de perfectionner davantage de puissance de sortie en combinant la forme trapézoïdale, forme triangle et optimisation de l’épaisseur qui est proposée dans les autres documents37,38,39.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Cette recherche a été financée partiellement par JSPS Science Research Grant JP17H03196, JST PRESTO Grant nombre JPMJPR15R3. L’appui du projet de plate-forme de nanotechnologie MEXT (plate-forme de Microfabrication de l’Université de Tokyo) pour la fabrication de photomask est grandement appréciée.

Materials

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). , (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

Polymer-basedPiezoelectricVibration Energy Harvester3D Meshed-core StructureFlexible Mesh StructureLow Frequency ApplicationsRF Magnetron SputteringChromium FilmPositive PhotoresistTMAH SolutionChromium EtchingAcrylic ResinNegative Photoresist SU-8

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image