इस अध्ययन में, हम एक लचीला 3 डी जाल संरचना गढ़े और यह प्रतिध्वनि आवृत्ति को कम करने और उत्पादन शक्ति में वृद्धि के प्रयोजन के लिए एक द्वि रूपी cantilever-प्रकार कंपन ऊर्जा हार्वेस्टर की लोचदार परत को लागू किया ।
इस अध्ययन में, हम एक 3 डी लिथोग्राफी विधि का उपयोग करके आवधिक voids के साथ एक लचीला 3 डी जाल संरचना गढ़े और यह कम अनुनाद आवृत्ति और उत्पादन शक्ति में वृद्धि करने के लिए एक कंपन ऊर्जा हार्वेस्टर के लिए आवेदन । निर्माण प्रक्रिया मुख्य रूप से दो भागों में विभाजित है: 3 डी जाल संरचना के प्रसंस्करण के लिए तीन आयामी फोटोलिथग्राफी, और पीजोइलेक्ट्रिक फिल्मों और मेष संरचना की एक संबंध प्रक्रिया । गढ़े लचीला जाल संरचना के साथ, हम गूंज आवृत्ति और उत्पादन शक्ति के सुधार, एक साथ की कमी हासिल की । कंपन परीक्षणों के परिणामों से, मेशेद-कोर-प्रकार के कंपन ऊर्जा हार्वेस्टर (वेह) ने ठोस-कोर-प्रकार वेह की तुलना में ४२.६% अधिक आउटपुट वोल्टेज प्रदर्शित किया । इसके अतिरिक्त, मेशेद-कोर-प्रकार वेह में १८.७ हर्ट्ज प्रतिध्वनि आवृत्ति, १५.८% ठोस-कोर-प्रकार की तुलना में कम है, और आउटपुट पावर का २४.६ μw, ठोस-कोर-प्रकार वेह की तुलना में ६८.५% अधिक है । प्रस्तावित विधि का लाभ यह है कि तीन आयामों में voids के साथ एक जटिल और लचीला संरचना अपेक्षाकृत आसानी से झुका जोखिम विधि द्वारा एक कम समय में गढ़े जा सकता है । के रूप में यह मेष संरचना, इस तरह के पहनने योग्य उपकरणों और घर उपकरणों के रूप में कम आवृत्ति अनुप्रयोगों में उपयोग, भविष्य में उम्मीद की जा सकती है की गूंज आवृत्ति को कम करने के लिए संभव है ।
हाल के वर्षों में, vehs वायरलेस सेंसर नेटवर्क और चीजों की इंटरनेट (iot) अनुप्रयोगों को लागू करने के लिए सेंसर नोड्स के एक बिजली की आपूर्ति के रूप में ज्यादा ध्यान खींचा है1,2,3,4, 5,6,7,8. vehs में ऊर्जा रूपांतरण के कई प्रकार के अलावा, piezoelectric-प्रकार रूपांतरण उच्च उत्पादन वोल्टेज प्रस्तुत करता है । इस प्रकार के रूपांतरण भी miniaturization के लिए उपयुक्त है क्योंकि माइक्रोमाइनिंग प्रौद्योगिकी के साथ अपने उच्च संबध की । इन आकर्षक सुविधाओं की वजह से, कई piezoelectric vehs विकसित किया गया है piezoelectric सिरेमिक सामग्री और कार्बनिक बहुलक सामग्री का उपयोग कर9,10,11,12, 13.
सिरेमिक vehs में, cantilever-प्रकार vehs उच्च प्रदर्शन piezoelectric सामग्री का उपयोग pzt (सीसा titanate zirconate) व्यापक रूप से रिपोर्ट कर रहे हैं14,15,16,17,18, और vehs अक्सर उच्च दक्षता बिजली उत्पादन प्राप्त करने के लिए प्रतिध्वनि का उपयोग करें । सामान्य रूप में, डिवाइस आकार के miniaturization के साथ गूंज आवृत्ति बढ़ जाती है के रूप में, यह एक साथ miniaturization और कम अनुनाद आवृत्ति को प्राप्त करने के लिए मुश्किल है. इस प्रकार, हालांकि pzt उच्च शक्ति-पीढ़ी के प्रदर्शन है, यह छोटे आकार pzt आधारित उपकरणों का विकास करने के लिए मुश्किल है कि विशेष प्रसंस्करण के बिना एक कम आवृत्ति बैंड में काम करते हैं, जैसे nanoribbon विधानसभाओं19,20, क्योंकि pzt एक उच्च कठोरता सामग्री है । दुर्भाग्य से, इस तरह के घरेलू उपकरणों, मानव गति, इमारतों, और पुलों के रूप में हमारे आसपास के कंपन कम आवृत्तियों पर मुख्य रूप से कर रहे हैं, से कम 30 हर्ट्ज21,22,23. इसलिए, vehs अपनी उच्च शक्ति के साथ कम आवृत्तियों और छोटे आकार पर पीढ़ी दक्षता कम आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए आदर्श होते हैं.
सबसे आसान तरीका अनुनाद आवृत्ति को कम करने के लिए cantilever की नोक के बड़े पैमाने पर वजन बढ़ाने के लिए है । के रूप में टिप करने के लिए एक उच्च घनत्व सामग्री संलग्न है कि सभी की आवश्यकता है, निर्माण सरल और आसान है । हालांकि, भारी द्रव्यमान है, और अधिक नाजुक उपकरण बन जाता है । आवृत्ति को कम करने का एक और तरीका है ब्रैकट24,25लंबा है । विधि में, निश्चित अंत से मुक्त अंत करने के लिए दूरी एक द्वि-आयामी meandered आकार द्वारा विस्तारित है । सिलिकॉन सब्सट्रेट एक अर्धचालक विनिर्माण तकनीक का उपयोग कर एक meandered संरचना बनाना धंसा है । हालांकि विधि प्रतिध्वनि आवृत्ति को कम करने के लिए प्रभावी है, piezoelectric सामग्री के क्षेत्र में कमी आती है और, इस प्रकार, प्राप्य उत्पादन शक्ति कम हो जाती है. इसके अलावा, एक नुकसान यह है कि आसपास के तय अंत नाजुक है । कुछ बहुलक उपकरणों के बारे में, जैसे कम आवृत्ति वेह, लचीला piezoelectric बहुलक pvdf अक्सर प्रयोग किया जाता है । के रूप में pvdf आमतौर पर एक स्पिन कोटिंग विधि द्वारा लेपित है और फिल्म पतली है, गूंज आवृत्ति कम कठोरता26,27की वजह से कम किया जा सकता है । हालांकि फिल्म मोटाई उप माइक्रोन की सीमा में कई microns के लिए चलाया जाता है, प्राप्य उत्पादन बिजली की पतली मोटाई की वजह से छोटा है । इसलिए, भले ही आवृत्ति कम किया जा सकता है, हम पर्याप्त बिजली उत्पादन प्राप्त नहीं कर सकता, और इसलिए, व्यावहारिक अनुप्रयोग मुश्किल है.
यहां, हम एक bimorph-प्रकार piezoelectric कैंटिलीवर (piezoelectric परतों की दो परतों और लोचदार परत की एक परत से मिलकर) का प्रस्ताव दो लचीला piezoelectric बहुलक चादरें, जो पहले से ही सुधार के लिए उपचार खींच के अधीन किया गया है के साथ पीजोइलेक्ट्रिक विशेषताओं का इसके अलावा, हम प्रतिध्वनि आवृत्ति को कम करने और एक साथ शक्ति में सुधार करने के लिए द्वि रूपी कैंटिलीवर की लोचदार परत में एक लचीला 3 डी जाल संरचना को अपनाने । हम पीठ इच्छुक जोखिम विधि28,29 का उपयोग करके 3 डी जाल संरचना किर क्योंकि यह एक कम समय में उच्च परिशुद्धता के साथ ठीक पैटर्न बनाना संभव है । हालांकि 3 डी मुद्रण भी एक उंमीदवार के लिए 3 डी जाल संरचना बनाना है, प्रवाह कम है, और 3d प्रिंटर30,31मशीनिंग सटीकता में photolithography के अवर है । इसलिए, इस अध्ययन में, पीठ झुका जोखिम विधि के लिए विधि के रूप में अपनाया है माइक्रो 3 डी जाल संरचना.
3 डी जाल संरचना और प्रस्तावित द्वि रूपी वेह के ऊपर वर्णित सफल निर्माण चार महत्वपूर्ण और विशिष्ट चरणों पर आधारित है ।
पहला महत्वपूर्ण कदम पीठ इच्छुक जोखिम का उपयोग कर प्रसंस्करण है । सिद्धांत रूप में, यह संपर्क लिथोग्राफी तकनीक का उपयोग कर ऊपरी सतह से झुका जोखिम द्वारा एक जाल संरचना बनाना संभव है । हालांकि, पीठ एक्सपोजर संपर्क लिथोग्राफी से अधिक सटीक प्रसंस्करण परिशुद्धता प्रस्तुत करता है, और विकास के दौरान दोष कम से28,29होने की संभावना है । इसका कारण यह है photomask और photoresist के बीच की खाई photoresist सतह की लहराता के कारण उत्पन्न हो सकता है. इसलिए, प्रकाश डिवर्तन होता है और प्रसंस्करण परिशुद्धता अंतर की वजह से कम है । इसलिए, इस अध्ययन में, हम एक जाल संरचना निर्मित पीठ इच्छुक जोखिम विधि का उपयोग कर । इसके अलावा, गढ़े जाल संरचना के संरचनात्मक कोण के मापा मूल्य के बारे में है ६५ °, के साथ की तुलना में सिर्फ एक 1% त्रुटि के रूप में ६४ ° के डिजाइन मूल्य. परिणाम से, हम निष्कर्ष है कि यह उपयुक्त है पीठ इच्छुक जोखिम विधि लागू करने के लिए जाल संरचना बनाना ।
दूसरा अहम कदम एसयू-8 के विकास की प्रक्रिया है । यदि एक विकासशील दोष होता है, जाल संरचना अंतर्निहित लचीलापन खो देता है. मोटी SU-8 फिल्म विकसित करने के लिए, आम तौर पर 10-15 मिनट का उपयोग किया जाता है । हालांकि, इस विकासशील समय एक 3 डी जाल संरचना के विकास के लिए अपर्याप्त है । 3 डी जाल संरचना फोटो द्वारा निर्मित 2d पैटर्न से अलग है क्योंकि यह झिल्ली के अंदर कई आंतरिक voids है । यदि विकासशील समय कम है, विकास जाल संरचना के इंटीरियर के लिए प्रगति नहीं करता है, patterning विफलता के कारण. यही कारण है कि, यह एक अपेक्षाकृत लंबे समय के विकास को लागू करने के लिए आवश्यक है, 20-30 ंयूनतम३२। अगर महीन पैटर्न की आवश्यकता होती है, तो भी अब विकासशील समय आवश्यक हो सकता है । हालांकि, उस समय हमें लंबे विकास समय३३के कारण होने वाली सूजन पर विचार करना होगा ।
अगले, विधि pvdf फिल्म और SU-8 जाल संरचना के संबंध प्रक्रिया में एक pdms का गठन सब्सट्रेट का दोहन करने के लिए अद्वितीय है । यह स्पिन कोटिंग संभव बनाता है और, एक परिणाम के रूप में, pvdf और su-8 आसानी से एक स्पिन-लेपित SU-8 पतली चिपकने वाला परत का उपयोग कर पालन किया जा सकता है । pvdf और SU-8 भी एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध तत्काल गोंद का उपयोग करके, बंधुआ जा सकता है । हालांकि, चिपकने वाला सामग्री चिपकने के बाद मज़बूत बनाता है जम जाता है । इसके अलावा, यह तत्काल गोंद के साथ एक पतली फिल्म बनाने के लिए मुश्किल है । अगर झटपट गोंद की मोटाई बड़ी है, तो इससे पूरे डिवाइस की कठोरता बढ़ेगी । कठोरता में वृद्धि अनुनाद आवृत्ति में वृद्धि की ओर जाता है (यानी, यह प्रतिध्वनि आवृत्ति को कम करने से रोकता है, जो इस अध्ययन का मुख्य उद्देश्य है) । दूसरी ओर, su-8 पतली एक आसंजन परत के रूप में स्पिन कोटिंग द्वारा गठित फिल्म का उपयोग बहुत कठोरता में वृद्धि को प्रभावित नहीं करता है क्योंकि गठित su-8 फिल्म पतली है । इसके अलावा, के रूप में जाल संरचना SU-8 से बना है, यह आसंजन परत के लिए एक ही सामग्री का उपयोग करके चिपकने वाला शक्ति को बढ़ाने के लिए संभव है. यही कारण है कि su-8 आसंजन के लिए एक su-8 जाल संरचना और pvdf फिल्मों बांड के लिए पर्याप्त चिपकने वाला ताकत है । इसके अलावा, डिवाइस की reproducibility के पहलू से, यह एक आसंजन परत के रूप में SU-8 पतली फिल्म का उपयोग करने के लिए उपयोगी होगा, एक निरंतर फिल्म मोटाई स्पिन कोटिंग फिल्म गठन द्वारा महसूस किया जा सकता है के रूप में ।
चौथा, SU-8 की कोटिंग विधि विशिष्ट है । हम SU-8 मोटी फिल्म के लिए एक स्प्रे बहुपरत कोटिंग विधि का चयन किया है । हालांकि यह स्पिन कोटिंग द्वारा एक मोटी फिल्म बनाने के लिए संभव है, बड़ी सतह लहराता होता है, और यह फिल्म समान रूप से३४कोट करने के लिए मुश्किल है । दूसरी ओर, स्प्रे बहु कोटिंग विधि का उपयोग कर लहराता कम कर देता है और सब्सट्रेट३४में फिल्म मोटाई की त्रुटि को रोकता है । विशेष रूप से, ध्यान बड़ी लहराता करने के लिए दिया जा करने की जरूरत है क्योंकि जब 3 डी जाल संरचना की मोटाई nonuniform हो जाता है, कंपन विशेषताओं और डिवाइस की कठोरता आंशिक रूप से वृद्धि हुई है या कम मोटाई से बदल जाता है.
सिद्धांत रूप में, के रूप में photolithography यूवी प्रकाश का उपयोग करता है, fabricable आकार सीमित कर रहे हैं । यह सच है कि हम इस तरह के इच्छुक जोखिम का उपयोग करके एक 3 डी जाल संरचना के रूप में जटिल संरचनाओं बनाना कर सकते हैं । हालांकि, फिल्म मोटाई दिशा में एक घुमावदार आकार के साथ एक त्रि-आयामी संरचना जैसे मनमाने ढंग से आकार३५,३६के रूप में मुश्किल होते हैं । 3 डी प्रिंटिंग मनमाने ढंग से तीन आयामी आकार का उत्पादन कर सकते हैं, और डिजाइन लचीला है । हालांकि, निर्माण की थ्रुपुट कम है, और प्रसंस्करण परिशुद्धता और बड़े पैमाने पर उत्पादन प्रकाश विज्ञान से हीन हैं । इस प्रकार, यह एक कम समय में ठीक पैटर्न के साथ संरचनाओं fabricating के लिए उपयुक्त नहीं है । इसके अलावा, प्रसंस्करण 3 डी सीएडी डेटा आवश्यक है, और यह 3 डी मॉडल बनाने के लिए समय लगता है । दूसरी ओर, प्रकाश की स्थिति में, विशेष रूप से इच्छुक जोखिम विधि में, photomask के लिए आवश्यक CAD डेटा द्वि-आयामी है, और डिजाइन अपेक्षाकृत आसान है । उदाहरण के लिए, एक 3 डी जाल संरचना के लिए उन्मुख डिजाइन सिर्फ 2 डी लाइन और अंतरिक्ष पैटर्न, के रूप में चित्रा 3में दिखाया गया है । इन तथ्यों को ध्यान में रखते हुए, इस शोध में, हम 3 डी लिथोग्राफी तकनीक का दोहन करने के लिए एक लचीला 3 डी जाल संरचना विकसित करना ।
इस अध्ययन में, हम एक लचीला 3 डी जाल संरचना गढ़े और यह प्रतिध्वनि आवृत्ति को कम करने और उत्पादन शक्ति में वृद्धि के प्रयोजन के लिए एक द्वि रूपी ब्रैकट प्रकार वेह की लोचदार परत के लिए आवेदन किया । प्रस्तावित विधि अनुनाद आवृत्ति को कम करने में उपयोगी है के बाद से, यह इस तरह के पहनने योग्य उपकरणों के रूप में कम आवृत्ति आवेदन के लिए लक्षित कंपन ऊर्जा हार्वेस्टर के लिए उपयोगी हो जाएगा, सार्वजनिक इमारतों और पुल, घर उपकरणों, आदि के लिए निगरानी सेंसर उत्पादन शक्ति के आगे सुधार trapezoidal आकार, त्रिकोण आकार, और मोटाई अनुकूलन जो पहले से अन्य कागजात३७,३८,३९में प्रस्तावित है के संयोजन से उम्मीद की जाएगी ।
The authors have nothing to disclose.
यह शोध आंशिक रूप से jsps विज्ञान अनुसंधान अनुदान JP17H03196, jsps presto अनुदान संख्या JPMJPR15R3 द्वारा समर्थित किया गया था । mext नैनो मंच परियोजना से समर्थन (टोक्यो microfabrication मंच के विश्वविद्यालय) photomask के निर्माण के लिए बहुत सराहना की है ।
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 |