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Ingegneria

3D Meshed 코어 구조를 가진 폴리머 기반 압 전 진동 에너지 수확

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

Summary

이 연구에서 우리는 유연한 3D 메쉬 구조를 조작 하 고 출력을 증가 하 고 공 진 주파수를 낮추는 목적 bimorph 캔틸레버 형 진동 에너지 수확의 탄성 레이어에 적용.

Abstract

이 연구에서 우리는 3D 리소 그래피 방법을 사용 하 여 낮은 공 진 주파수와 출력 증가를 진동 에너지 수확기에 그것을 적용 하 여 정기적인 무효와 유연한 3D 메쉬 구조를 조작. 제조 공정은 주로 두 부분으로 분할 된다: 3D 메쉬 구조와 압 전 필름의 접합 과정 및 메쉬 구조 처리를 위한 3 차원 사진 평판. 조작된 유연한 메쉬 구조와 함께 우리 달성 공명 주파수의 감소와 출력 전력의 개선을 동시에. 진동 테스트의 결과에서 메쉬 코어 타입 진동 에너지 수확 (VEH) 42.6% 솔리드 코어 타입 VEH 보다 더 높은 출력 전압을 전시. 또한, 메쉬 코어 타입 VEH 나왔고 공명 주파수, 솔리드 코어 타입 VEH 보다 15.8%의 18.7 Hz 및 68.5% 솔리드 코어 타입 VEH 보다 높은 출력의 24.6 μW. 제안된 된 방법의 장점은 그 복잡 하 고 유연한 구조와 3 차원에서 기 날조 될 수 있다 비교적 쉽게 짧은 시간에 경사 노출 방법으로. 메쉬 구조는 VEH의 공명 주파수 낮은, 착용 형 장치 및 집 가전 제품 등 낮은 주파수 응용 프로그램에서 사용 하는 미래에 예상 될 수 있다.

Introduction

최근 몇 년 동안, VEHs는 무선 센서 네트워크와 사물의 인터넷 (IoT) 응용 프로그램1,2,,34, 구현 하기 위한 센서 노드 전력 공급으로 많은 관심을 모으고 5,6,,78. VEHs에 에너지 변환의 여러 종류 중에서 압 전 형식 변환 높은 출력 전압을 제공합니다. 변환의이 유형은 이다 또한 미세 기술로 그것의 높은 친 화력 때문에 소형화에 적합. 이러한 매력적인 기능으로 인해 많은 압 전 VEHs 개발 된 압 전 세라믹 재료 및 유기 폴리머 재료9,10,11,12,를 사용 하 여 13.

세라믹 VEHs, 외팔보 형 VEHs 압 (리드 타이타늄 zirconate)는 널리-고성능 압 전 재료를 사용 하 여 보고14,15,,1617,18에 VEHs 종종 고효율 발전소를 공명을 사용 합니다. 일반적으로, 공명 주파수 장치 크기의 소형화와 함께 증가, 소형화 및 낮은 공 진 주파수를 동시에 달성 하기 어렵습니다. 따라서, 비록 압이 높은 전력 세대 성능, 그것은 소형 압 기반 장치 개발 nanoribbon 어셈블리19,20, 같은 특별 한 처리 없이 낮은 주파수 대역에서 작동 하는 때문에 어렵다 압은 높은 강성 소재. 불행히도, 가전, 인간의 움직임, 건물, 교량 등 우리의 주변 진동 낮은 주파수, 30 Hz21,,2223미만에서 주로 있다. 따라서, 낮은 주파수와 작은 크기에 그것의 높은 전력 생성 효율 VEHs 낮은 주파수 응용 프로그램에 이상적입니다.

낮은 공 진 주파수는 가장 쉬운 방법은 캔틸레버의 팁의 대량 체중 증가입니다. 고밀도 물자 끝에 연결로 모든 필수, 제작은 간단 하 고 쉽게 이다. 그러나, 무거운 질량, 더 깨지기 쉬운 장치 된다. 주파수를 낮추는의 또 다른 방법은 캔틸레버24,25길게 하 이다. 메서드에서 무료 끝에 고정된 끝에서 거리는 2 차원 meandered 모양에 의해 확장 됩니다. 실리콘 기판 meandered 구조를 조작 하는 반도체 제조 기술을 사용 하 여 에칭 이다. 방법은 공 진 주파수를 낮추는 효과가 있지만 압 전 재료의 감소와, 따라서, 얻을 수 있는 출력 전력 감소. 또한, 고정 된 끝의 부근은 깨지기 쉬운 단점이 있다. 낮은 주파수 VEH 등 일부 폴리머 장치에 관한 유연한 압 전 폴리머 PVDF는 자주 사용 한다. PVDF는 일반적으로 스핀 코팅 방법으로 코팅 하 고 영화는 얇은, 공명 주파수는 낮은 강성26,27때문에 줄어들 수 있다. 필름 두께 몇 미크론을 서브 미크론의 범위에서 제어할 수 있는, 달성 가능한 출력은 작은 얇은 두께 때문에. 따라서, 주파수는 감소 될 수 있다, 하는 경우에 우리는 충분 한 발전을 가져올 수 없습니다 고 그래서, 실용적인 응용 프로그램은 어렵습니다.

여기, 우리는 bimorph 형 압 전 캔틸레버 (압 전 층 및 탄성 층의 1 층의 2 개의 층으로 구성 된) 스트레칭 개선에 대 한 치료를 받게 되었습니다 이미 두 유연한 압 전 폴리머 시트와 제안 압 전 특성. 또한, 우리는 공 진 주파수를 줄이고 힘을 동시에 향상을 bimorph 캔틸레버의 탄성 층에서 유연한 3D 메쉬 구조를 채택 한다. 우리는 짧은 시간에 높은 정밀 미세 패턴을 조작 가능 하기 때문에 경사 뒷면 노출 방법28,29 를 이용 하 여 3D 메쉬 구조를 조작. 3D 인쇄는 또한 3D 메쉬 구조를 조작 하는 후보, 처리량이 낮은, 그리고 3D 프린터 사진 평판 가공 정확도30,31에 게 열 등입니다. 따라서, 본이 연구에서는 경사 뒷면 노출 방법 미세 3D 메쉬 구조에 대 한 방법으로 채택 된다.

Protocol

1입니다. 3D 메쉬 구조의 제조 유리 기판의 청소 30 m m x 40 m m 유리 기판 준비. 황산의 따르는 150 mL 피 솔루션 준비 (농도: 96%) 으로 유리 비 커. 다음 과산화 수소 솔루션 50 mL를 부드럽게 추가 (농도: 30%). 황산 산: 수소 과산화 수소 물 볼륨 비율 3:1 인지 확인 합니다. 보호 안경 및 안전에 대 한 솔루션을 붓는 동안 의류를 착용. 청소를 위해 테 플 론 지 그에서 유리 기판을 설정 합니다. 다음 1 분 동안 피 라 솔루션에 그것을 담가. 1 분 침수 피 솔루션에서 후 린스 순수한 물으로 2-3 번 씻어 유리 기판 (오버플로 2-3 회). 공기 타격으로 유리 기판에 물 방울을 제거 합니다. 유리 기판에 뒷면 노출에 대 한 Cr 마스크 패턴의 패턴 RF (라디오 주파수) 마 그 네트 론 스퍼터 링 시스템의 챔버에 유리 기판을 설정 합니다. RF 전력 250 W, Ar 가스의 유량 12 SCCM, 0.5 챔버 압력 설정 Pa, 및 11 분에 스퍼터 링 시간. 다음 RF 마 그 네트 론 스퍼터 링에 의해 유리 기판에 크롬 영화의 100-200 nm를 형성 한다.참고: 두께 제어 됩니다 스퍼터 링으로 스퍼터 링 속도 상태를 고려. Spin coater 챔버에 기판 고정 무대에서 설정 합니다. 크롬 필름에 긍정적인 감광 제 S1813를 삭제 하 고 30에 대 한 4000 rpm 스핀 코팅에 의해 1-2 μ m의 얇은 필름 코트 s. 감광 제 코팅 기판 건조는 저항 하는 뜨거운 접시에 1 분 동안 115 ° C에서 구워. 문의 포토 마스크와 감광 제 코팅 기판. UV는 포토 마스크를 수직으로 빛을 노출 합니다. 노출 복용량은 80 mJ/cm2및 파장은 405 nm. 그림 1에 표시 된 포토 마스크를 사용 합니다. 2 개의 500 mL 비 커를 준비 합니다. TMAH의 150ml를 붓는 다 (에틸 수산화: 2.38%, 용 매: 물)으로 한 비 커와 부 크롬 etchant의 150 mL (Cerium(IV) 질 산 암모늄: 16%, 질소 산: 8%) 에 비 커. TMAH 솔루션의 150 ml에서 기판 담가 그리고 30에 대 한 포토 레지스트를 개발 1 분 s. 순수한 물으로 기판 린스. 크롬 에칭 솔루션의 150ml에서 기판 담가 그리고 약 1 ~ 2 분에 대 한 크롬 에칭. 순수한 물으로 기판 린스를 공기 타격으로 물방울을 제거 합니다. 황산의 따르는 150 mL 피 솔루션 준비 (농도: 96%) 으로 유리 비 커. 다음 과산화 수소 솔루션 50 mL를 부드럽게 추가 (농도: 30%). 황산 산: 수소 과산화 수소 물 볼륨 비율 3:1 인지 확인 합니다.참고: 솔루션을 붓는 동안 보호 안경, 의류, 및 안전을 위해 장갑을 착용 하십시오. 피 솔루션 잠시 후 활동을 잃을 것 이다, 그래서 각 시간을 준비. 유리 기판 청소를 위해 테 플 론 지 그 장소. 다음, 15-30 s는 포토 레지스트 제거를 위한 피 솔루션에 그것을 담가. 수-8 코팅에 대 한 준비 Spin coater 챔버에 기판 고정 무대에서 설정 합니다. 아크릴 수 지 솔루션의 약 1 mL 드롭 (농도: 10%, 용 매: 톨루엔) 희생 층으로 조립된 구조를 공개 하는 기판의 크롬 패턴에. 다음, 30 2000 rpm 스핀 코팅 하 여 박막을 형성 s. 10 분 동안 100 ° C에서 구워. 수-8 스프레이 코팅 스프레이 coater를 시작 하 고 청소를 위해 주사기에 아세톤 솔루션을 붓는 다. 깨끗 하 고 아세톤 솔루션을 분사 하 여 스프레이 노즐 내부의 잔류물을 제거.참고: 청소 충분 하지 않으면, 그것은 살포 시 막힘을 리드. 두 번 신중 하 게 청소 하려면이 단계를 반복 합니다. 스프레이 coater에서 연결 된 접시에 기질을 설정 합니다. 기질 지 비드를 방지 하기 위해 지 커버 커버. 부정적인 감광 수 8 3005 주사기에 부 어. 설정 노즐 직경 5mm, 노즐 이동 속도 120 m m/s, 150 kPa, 60 kPa에 유체 압력, 노즐, 40mm, 기판 사이의 거리를 무화 압력 3 m m 피치 거리 및 45 각 계층에 대 한 간격 시간 s. 스프레이 수-8 다층 기판에. 같은 방법으로 코팅 10 회를 반복 한다. 코팅 후 5 분 동안 서 서 기판 두고 10 번.참고: 서 시간 동안 수 8 필름은 균일 하 게 평평 하 게 하 고 혼합 스프레이 코팅 시 공기 방울 해제 됩니다. 60 분 동안 95 ° C에서 철판에 구워. 마이크로미터를 10 층의 두께 측정 한다. 그런 다음 레이어 당 두께 계산 합니다. 스프레이 코팅 층 당 계산 된 필름 두께에서 대 한 반복의 나머지 수를 결정 합니다. 그런 다음 대상 필름 두께 달성 하기 위해 박막을 형성 하는 다층 스프레이. 이 연구에서 40 층 200 μ m 두께 대 한 적용 됩니다. 기판 다층 스프레이 코팅 후 5 분 동안 서 보자. 240 분 동안 95 ° C에서 철판에 구워. 60 분에 대 한 뜨거운 접시에 SU-8 코팅 기판을 두고 실내 온도를 천천히 냉각. 3D 메쉬 구조 형성 뒤집어 기판으로 기판 각도 조정 테이블에 배치 (즉, 수-8 영화 직면 하 고) 그림 2와 같이. 테이프와 기판의 가장자리를 수정 합니다. 45 °에 조정 테이블의 각도 기울기.참고: 0 ° 수평 상태에서 기판은 의미 합니다. 이 시간에 각도 Snell의 법률, 감광 제, 공기의 굴절률의 굴절률에서 계산에 의해 결정 됩니다. 45 °의 입사 각도에서 해 여 64 °의 구조 각도와 메쉬 구조 조작 이다. UV 광원 아래 각도 조정 테이블을 놓습니다. 150 mJ/cm2 의 노출 복용량과 365의 파장에서 기판에 UV 빛을 수직으로 적용 nm. 노출, 0 °에 조정 테이블의 각도 반환 하 고 반대 방향으로 45 ° 기울기. UV 빛 같은 방식으로 적용 됩니다.참고: 그림 그림 3a, b에표시 됩니다. 뜨거운 접시에 기질을 놓고 PEB (사후 노출 빵)에 대 한 95 ° C로 온도 설정 합니다. 8 분 동안 기판 온도가 95 ° c. 후 구워 핫 플레이트의 힘을 해제 합니다. 핫 플레이트의 온도 약 40 ° c.에 떨어질 때까지 기다려 수-8 개발자의 150 mL 500 mL 유리 비 커에 붓으십시오. 개발을 위한 테 플 론 지 그 기판을 설정 합니다. 또 다른 500 mL 유리 비 커에 소 프로 파 놀 (IPA)의 150 mL를 붓으십시오. 약 20 ~ 30 분 확인 경우 개발 시간이 충분 하지 않습니다, 그것은 메시 공 극의 부족 한 오프닝에 리드에 대 한 개발. IPA에 2 분 동안 린스 지 그와 기질 담가.참고: 이면 수-8의 표면 분명히 흰색과 진흙 나타냅니다 개발 부족 한 것입니다. 이 경우, 개발 및 rinsing 다시 반복 합니다. 그림 3 c와 같이 완전 한 개발 후 메쉬 구조 형성 됩니다. 유리 기판에서 구조 분리 500 mL 유리 비 커에 톨루엔 솔루션의 150ml를 붓는 다. 톨루엔은 상 온에서 증발 하기 쉬운 때문에 알루미늄 호 일 비 커를 커버. 그림 3에서 같이 약 3-4 h. 아크릴 수 지의 희생 층 에칭 및 메쉬 구조와 수 8 구조는 기판에서 발표 하는 없는지 톨루엔 솔루션에서 기판을 담가. 기판에 공기 및 수 분을 제거. 그것은 단계 4.3에서에서 사용 될 때까지 a desiccator에 그것을 저장 합니다. 2입니다. 압 전 필름 준비 PVDF 시트를 준비 합니다. 또한, 커팅 매트와 스테인레스 스틸 블레이드 커터 칼을 준비 합니다. 그림 3a와 같이 360 m m2 시트 (10 m m x 30 mm 캔틸레버와 6 m m x 10 m m 전기 연결에 대 한), 장치 모양에 PVDF 시트 밖으로 잘라. 셀 룰 로스와이 퍼로 페 트리 접시에 잘라 PVDF 필름을 놓습니다. desiccator에 그들을 저장 합니다. 3. 메쉬 구조와 압 전 필름 본딩 기판의 준비 주요 에이전트 PDMS의 원심 분리기 관으로 경화제의 1 mL의 10 mL를 붓고 (즉, 대략적인 볼륨 비율은 10:1). 원심 분리기 튜브 행성 교 반 및 기계 장치에 설정 하 고 두 솔루션 모두 1 분에 대 한 믹스. 2 개의 30 m m x 40 m m 유리 기판 준비. Spin coater 챔버에 유리 기판 고정 무대에서 설정 합니다. 유리 기판 위에 PDMS 솔루션을 드롭. 다음, 그림 3e에서처럼 4000 rpm, 스핀 코팅에 의해 PDMS 필름을 형성 합니다. PDMS 필름 건조 60 분 100 ° C에서 뜨거운 접시에 기질을 구워. 핫 플레이트의 힘을 해제 합니다. 핫 플레이트의 온도 약 40 ° c.에 떨어질 때까지 기다려 4입니다. bimorph 진동 에너지 수확의 제조 컷된 PVDF 영화 하나에 의해 두 개의 서로 다른 PDMS 기판에 그림 3 층에 같이 배치 합니다. 그들은 서로를 준수 그냥 두어서 PVDF 필름 PDMS의 표면에, 확인 하십시오. 주름 PVDF 필름에 보인다면, 롤러와 함께 그들을 확장.참고:이 두 PVDF 영화 라고 PVDF flm1 및 PVDF flm2, 되며 두 PDMS 기판 PDMS sbs1 및 PDMS sbs2, 명확 하도록. 수-8 3005 PDMS sbs1에 PVDF flm1 에 드롭. 다음, 4000 rpm 그림 3 g와 같이 스핀 코팅 하 여 SU-8 박막을 형성 한다.참고:이 수호-8 박막 메쉬 구조와 PVDF flm1사이의 접착 층이 된다. 수-8 3005 삭제 되지 않았습니다 장소 배선 전력 확보에 사용 됩니다. PVDF flm1 에 수 8 메쉬 구조를 놓고 그림 3 h와 같이 그들을 접착. 수-8 3005 PDMS sbs2에 PVDF flm2 에 드롭. 다음, 같은 방법으로 단계 4.2 4000 rpm 스핀 코팅 하 여 SU-8 박막 형태. PVDF flm2 PDMS sbs2 에서 벗기십시오 고 PVDF flm1, 그림 3i, j와 같이 그들을 준수에 SU-8 메쉬 구조 위에 놓습니다. 보 세 상태와 장치 desiccator 같은 낮은 습도와 컨테이너에 저장 합니다. 약 12 h 동안 두고. 보 세 3 층 PVDF flm1에서 최하위 계층 PVDF flm1 와 껍질의 하단 측면에 핀셋을 넣어, 수 8 메쉬 구조 및 PVDF flm2 동시에 기판에서 그림 3 k와 같이.

Representative Results

우리는 2 개의 층의 PVDF 필름 및 그림 4와 같이 수 8 메쉬 구조를 구성 하는 중간 계층의 구성 bimorph 형 VEH 조작. 상위 및 하위 PVDF의 전극 직렬 출력 전압을 얻을로 연결 됩니다. 광학 이미지와 두 SEM 이미지는 메쉬 구조와 탄력 있는 레이어입니다. 이미지에 따라 탄성 층 경사 뒷면 노출에 의해 처리 잘 3D 메쉬 패턴 개발 실패 없이 나타납니다. 그림 5 는 진동 테스트의 결과 보여 줍니다. 진동 테스트, 2 개의 VEHs에서에서-메쉬 코어와 솔리드 코어 구조와 다른 한-탄성 층으로 메쉬 코어 타입 VEH의 유효성을 확인 하려면 평가 됩니다. VEHs 진동 통에 설정 되며 1.96 m/s2 (0.2 G)의 진동 가속도. 메쉬-코어 형 및 솔리드 코어 타입 VEHs 정현파 출력 정현파 입력 동기화 했다. 메쉬 코어 타입 VEH 솔리드 코어 유형 VEH 보다 42.6%의 높은 출력 전압을 전시. 그림 5b 는 최대 출력 전력의 주파수 응답을 보여 줍니다. 메쉬 코어 타입 VEH 전시는 솔리드 코어 타입 VEH 보다 15.8%, 18.7 Hz의 공명 주파수 및 24.6 μW의 출력 전력 68.5% 솔리드 코어 타입 VEH 보다 높은. 그림 1: 3D 메쉬 코어 구조와 탄력 있는 레이어를 조작 하는 사진 평판에 대 한 포토 마스크 레이아웃. 포토 마스크는 두 부분이 있습니다. 하나, 클램핑에 대 한 지역 이며 메쉬 구조 패터 닝에 대 한 선 및 공간 패턴을 포함 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 2: 경사 노출에 대 한 설정. UV 빛 각도 조정 테이블에 Cr 패턴으로 기울어지는 기판에 수직으로 노출 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 3: 3 차원 메쉬 코어 구조와 수확기의 제작 과정 제안 된 압 전 진동 에너지 수확의 도식. 제조 공정 3 섹션으로 분할 될 수 있다: (한)-3D 메쉬 구조, (e)의 (d) 대표 제조 과정-(g) 대표는 유리 기판, 그리고 (h)에 PVDF 필름의 준비-(j ) bimorph 캔틸레버를 형성 하는 결합 프로세스를 나타냅니다. (이러한 수치는 골드 출판 오픈 액세스, 크리에이 티브 코몬즈 라이센스 하 고 [21]에서 수정 되었습니다.) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 4: (a)는 조작된 bimorph 메쉬 코어 진동 에너지 수확, 3D 메쉬 코어 구조, (b) 횡단면 광학 이미지 (c)와 (d) SEM 이미지의 수 8 메쉬 코어 탄성 층의 사진. (이러한 수치는 골드 출판 오픈 액세스, 크리에이 티브 코몬즈 라이센스 하 고 [21]에서 수정 되었습니다.) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 그림 5: (a) 정현파 출력 전압의 최적 부하 저항에서 진동 주파수의 기능으로 각 공명 상태 (메쉬 코어 18.7 Hz, 솔리드 코어 22.2 Hz) 및 (b) 최대 출력 전력 부하 저항 (메쉬 코어 17 m ω, 솔리드 코어 13 m ω) 및 가속도 0.2 G. (이러한 수치는 골드 출판 오픈 액세스, 크리에이 티브 코몬즈 라이센스 하 고 [21]에서 수정 되었습니다.) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Discussion

3D의 성공적인 제작 메쉬 구조와 VEH 위에서 설명한 4 개의 중요 하 고 독특한 단계에 따라 제안 된 bimorph.

첫 번째 중요 한 단계는 뒷면 경사 노출을 사용 하 여 처리 합니다. 원칙적으로, 연락처 리소 그래피 기술을 사용 하 여 상부 표면에서 경사 노출 메쉬 구조 조작 가능 하다. 그러나, 뒷면 노출 선물 접촉 석판 보다 더 정확한 처리 정밀 하 고 개발 하는 동안 결함은,2829발생할 가능성이. 이 때문에 포토 레지스트는 포토 마스크 사이의 격차 감광 제 표면의 파형으로 인해 발생할 수 있습니다. 따라서, 빛의 회절과 격차 때문에 인하는 정밀도 처리. 따라서, 본이 연구에서는 우리 메쉬 구조 경사 뒷면 노출 방법을 사용 하 여 조작. 또한, 조작된 메쉬 구조의 구조 각도의 측정된 값은 약 65 °, 64 °의 설계 값과 비교 하 여 단지 1% 오류. 결과, 우리는 적절 한 메시 구조를 조작 하 경사 뒷면 노출 메서드를 적용 하는 결론.

두 번째 중요 한 단계는 수-8의 개발 과정입니다. 개발 하는 경우 메쉬 구조 고유의 유연성을 잃고 결함 발생 합니다. 두꺼운 수 8 필름을 개발, 일반적으로 10-15 분 사용 합니다. 그러나,이 개발 시간 3 차원 메쉬 구조의 개발에 대 한 충분 하지 않습니다. 3D 메쉬 구조 막 안에 많은 내부 공 극을가지고 있기 때문에 포토 리소 그래피에 의해 조작 2D 패턴에서 다릅니다. 개발 시간이 짧은 경우 메쉬 구조를 모방 하는 오류를 일으키는 내부 개발 진행 하지 않습니다. 즉, 그것은 비교적 긴 개발 시간, 20-30 분32를 적용 하는 데 필요한. 미세한 패턴 필요한 경우, 심지어 더 이상 개발 시간이 필요할 수 있습니다. 그러나, 그 당시, 우리 긴 개발 시간33으로 인 한 붓기를 고려해 야 합니다.

다음, PVDF 필름 및 수 8 메쉬 구조 접합 과정에서 형성 하는 PDMS 기판 악용 방법은 고유 합니다. 그것은 스핀 코팅을 가능 하 게 하 고, 그 결과, PVDF와 SU-8 수 쉽게 준수는 스핀 코팅 수 8 얇은 점착 층을 사용 하 여. PVDF와 SU-8 수 수 보 세, 심지어 상업적으로 사용 가능한 인스턴트 접착제를 사용 하 여. 그러나, 접착 소재 접착제 경화 후 견고 하 게. 또한, 인스턴트 접착제로 박막을 형성 하기 어렵다. 인스턴트 접착제의 두께가 큰 경우, 그것은 전체 장치의 강성을 증가할 것 이다. 공명 주파수에 있는 증가로 이끌어 낸다 강성 증가 (즉, 그것을 방지이 연구의 주요 목적은 공 진 주파수를 낮추는). 다른 한편으로, 접착 층 크게 영향을 주지 않습니다 증가 강성에 형성된 된 수 8 영화는 얇은 때문에 스핀 코팅에 의해 형성 수 8 박막을 사용 하 여. 또한, 메쉬 구조 수-8의 만든 접착 층에 대 한 동일한 자료를 사용 하 여 접착 강도 증가 수는. 그 때문에 SU-8 접착은 수-8 메쉬 구조와 PVDF 필름을 접착 시키는 충분 한 접착 력. 또한, 소자의 재현성 측면에서 그것은 것 접착 층으로 SU-8 박막을 사용 하 여 유용한 일정 필름 두께 스핀 코팅 필름 형성에 의해 실현 될 수 있다.

넷째, 수 8의 코팅 방법 독특한입니다. 우리 수 8 두꺼운 필름에 대 한 스프레이 다층 코팅 방법을 선택 했습니다. 스핀 코팅 하 여 두꺼운 막을 형성 수 있지만 큰 표면 파형 발생, 그리고 영화를 균일 하 게 코트 어렵다34. 다른 한편으로, 스프레이 멀티 코팅 메서드를 사용 하는 파형을 감소 하 고 기판34에 필름 두께의 오류를 표시 하지 않습니다. 특히, 주의 3 차원 메쉬 구조의 두께 비균일 때, 진동 특성 및 소자의 강성 부분적으로 증가 또는 감소 두께 의해 변경 되 있기 때문에 큰 파형을 주어질 필요가 있다.

원칙적에서으로 사진 평판 UV 빛을 사용 하 여 fabricable 모양 제한 됩니다. 그것은 사실 우리가 경사 노출을 사용 하 여 3D 메쉬 구조 등 복잡 한 구조를 조작 수 있습니다. 그러나, 필름 두께 방향으로 곡선된 모양 가진 3 차원 구조 등 임의의 셰이프는35,36형성 하기 어렵다. 3D 인쇄는 임의의 3 차원 모양, 생산할 수 있는 그리고 디자인은 유연. 그러나, 제조의 처리량이 낮은, 그리고 처리 정밀도 및 대량 생산은 포토 리소 그래피에 열 등. 따라서, 그것은 짧은 시간에 좋은 패턴 구조를 날조 적합 합니다. 또한, 3D CAD 데이터를 처리 하는 것이 필요, 그리고 그것은 3D 모델을 만드는 데 시간이 걸립니다. 다른 한편으로, 사진 평판, 경사 노출 방법에 특히 경우는 포토 마스크에 필요한 CAD 데이터는 2 차원, 그리고 디자인은 상대적으로 쉽습니다. 예를 들어 그림 3에서 보듯이 그냥 2D 선 및 공간 패턴, 3D 메쉬 구조에 대 한 지향된 디자인이입니다. 이 연구에서 이러한 사실을 감안 하면 우리는 유연한 3D 메쉬 구조를 개발 하는 3D 리소 그래피 기술을 악용.

이 연구에서 우리는 유연한 3D 메쉬 구조를 조작 하 고 낮추는 공명 주파수 증가 출력 하기 위해 bimorph 캔틸레버 형식의 VEH 탄성 레이어에 적용. 공 진 주파수를 낮추는 데 유용 제안된 된 방법 이므로, 진동 에너지 수확 착용 형 장치 등 낮은 주파수 응용 프로그램에 대 한 대상 공공 건물 및 다리, 하우스 기기 등에 센서 모니터링에 유용할 것 이다. 출력 전력의 추가 개선 사다리꼴 모양, 삼각형 모양, 및 이전 다른 논문37,,3839에 제안 된 두께 최적화를 결합 하 여 예상 될 것 이다.

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 연구는 JSP 과학 연구 그랜트 JP17H03196, JST 프레스 토 보조금 번호 JPMJPR15R3에 의해 부분적으로 지원 되었다. MEXT 나노기술 플랫폼 프로젝트 (도쿄 대학 소 플랫폼)에서 포토 마스크의 제작 지원은 매우 감사.

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
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Riferimenti

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Tsukamoto, T., Umino, Y., Hashikura, K., Shiomi, S., Yamada, K., Suzuki, T. A Polymer-based Piezoelectric Vibration Energy Harvester with a 3D Meshed-Core Structure. J. Vis. Exp. (144), e59067, doi:10.3791/59067 (2019).
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