JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
العربية

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

حصاده الطاقة اهتزاز كهرضغطية المستندة إلى البوليمر مع بنية أساسية يعشق 3D

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

Summary

في هذه الدراسة، ونحن ملفقة بنية شبكة مرنة ثلاثية الأبعاد وتطبيقه على طبقة مرنة لحصاده الطاقة الاهتزاز ناتئ من نوع بيمورف غرض خفض تردد صدى، وزيادة إنتاج الطاقة.

Abstract

في هذه الدراسة، ونحن ملفقة بنية شبكة مرنة ثلاثية الأبعاد مع فراغات الدوري باستخدام أسلوب الطباعة حجرية 3D وتطبيقه حصاده الطاقة اهتزاز تخفيض تردد صدى وزيادة إنتاج الطاقة. عملية التصنيع وتنقسم أساسا إلى قسمين: التصويرية ثلاثية الأبعاد لمعالجة بنية شبكة ثلاثية الأبعاد، وعملية الترابط كهرضغطية الأفلام وهيكل شبكة. مع هيكل شبكة مرنة ملفقة، حققنا الحد تردد الرنين، وتحسين إنتاج الطاقة، في وقت واحد. من نتائج الاختبارات الاهتزاز، عرضت حصاده الطاقة الاهتزاز مزجها-الأساسية-نوع (فيه) 42.6 في المائة أعلى ناتج الجهد مما فيه الصلبة-الأساسية من نوع. وباﻹضافة إلى ذلك، فيه نوع الأساسية مزجها أسفرت عن 18.7 هرتز تردد صدى، 15.8% أقل من فيه الصلبة-الأساسية من نوع، و 24.6 μW لإنتاج الطاقة، 68.5 في المائة أعلى من فيه الصلبة-الأساسية من نوع. وميزة الطريقة المقترحة أن بنية معقدة ومرنة مع فراغات في ثلاثة أبعاد يمكن ملفقة بسهولة نسبيا في فترة زمنية قصيرة بواسطة الأسلوب يميل التعرض. كما أنه من الممكن تخفيض تردد صدى لفية بهيكل الشبكة، واستخدامها في التطبيقات ذات التردد المنخفض، مثل الأجهزة المنزلية، والأجهزة يمكن ارتداؤها يتوقع في المستقبل.

Introduction

في السنوات الأخيرة، وضعت بيس الكثير من الاهتمام إمدادات طاقة كهربائية لاستشعار العقد لتنفيذ شبكات استشعار لاسلكية و “الإنترنت من الأشياء” (التونسي) تطبيقات1،2،،من34، 5،6،،من78. ويعرض كهرضغطية نوع التحويل بين عدة أنواع من تحويل الطاقة في بيس، إخراج عالي الجهد. هذا النوع من التحويل أيضا مناسبة للتصغير بسبب ما تقارب عالية مع التكنولوجيا ميكروماتشينينج. وبسبب هذه السمات الجذابة، وضعت بيس كهرضغطية العديد من استخدام مواد خزفية كهرضغطية والبوليمرات العضوية المواد9،10،،من1112، 13.

في فيهس السيراميك، أفادت فيهس ناتئ من نوع المواد كهرضغطية عالية الأداء PZT (الرصاص تيتانات زركونات) على نطاق واسع باستخدام14،،من1516،،من1718، وفيهس وكثيراً ما استخدم الرنين الحصول على توليد الطاقة ذات الكفاءة العالية. بشكل عام، كما تردد صدى يزيد مع تصغير حجم الجهاز، من الصعب تحقيق التصغير وتردد صدى منخفضة في وقت واحد. وهكذا، على الرغم من أن PZT الأداء العالي الطاقة المولدة، من الصعب تطوير الأجهزة المستندة إلى PZT الصغيرة الحجم التي تعمل في نطاق الترددات المنخفضة دون معالجة خاصة، مثل جمعيات نانوريبون19،20، لأن PZT مادة عالية الصلابة. لسوء الحظ، لدينا الاهتزازات المحيطة بها مثل الأجهزة المنزلية والحركة البشرية والمباني والجسور أساسا في الترددات المنخفضة، أقل من 30 هرتز21،،من2223. ولذلك، فيهس بكفاءتها العالية الطاقة المولدة في الترددات المنخفضة وصغر حجم مثالية للتطبيقات ذات التردد المنخفض.

أسهل طريقة لتخفيض تردد صدى زيادة الوزن الجماعي من طرف ناتئ. كإرفاق مادة عالية الكثافة إلى الحافة هو كل ما مطلوب، والتلفيق بسيطة وسهلة. ومع ذلك، الكتلة أثقل، يصبح أكثر هشاشة من الجهاز. وهناك طريقة أخرى لخفض التواتر إطالة ناتئ24،25. في الأسلوب، يتم توسيع المسافة من نهاية ثابتة إلى نهاية الحرة بشكل مينديريد ثنائي الأبعاد. وحفرت الركيزة السليكون استخدام تصنيع تقنية أشباه الموصلات اختﻻق بنية مينديريد. على الرغم من أن الطريقة فعالة لتخفيض تردد صدى، يقلل من مجال المواد كهرضغطية، وهكذا، يقلل من قوة الإخراج التي يمكن الحصول عليها. وبالإضافة إلى ذلك، هناك عيب أن المناطق المحيطة بنهاية ثابتة هشة. فيما يتعلق ببعض الأجهزة البوليمر، مثل فيه منخفضة التردد، كثيرا ما يستخدم البوليمر كهرضغطية مرنة PVDF. PVDF هي عادة مغلفة بطريقة تدور-طلاء والفيلم رقيقة، يمكن تخفيض تردد صدى بسبب ال26،صلابة منخفضة27. على الرغم من السيطرة عليها في نطاق الفرعية ميكرون إلى عدة ميكرون سمك الفيلم، قوة الإخراج يمكن بلوغه صغير بسبب سماكة رقيقة. ولذلك، حتى لو يمكن الحد من التواتر، ونحن لا يمكن الحصول على توليد الطاقة الكافية، وذلك، صعب التطبيق العملي.

هنا، فإننا نقترح بيمورف من نوع كهرضغطية ناتئ (تتألف من طبقتين من طبقات كهرضغطية وطبقة واحدة طبقة مرنة) مع ورقتين البوليمر كهرضغطية مرنة، التي خضعت فعلا لتمتد لتحسين علاج خصائص كهرضغطية. وعلاوة على ذلك، علينا أن نعتمد بنية شبكة مرنة ثلاثية الأبعاد في طبقة مرنة من ناتئ بيمورف الحد من وتيرة الرنين وتحسين القوة في وقت واحد. نحن اختﻻق هيكل شبكة الأبعاد الثلاثية باستخدام28،أسلوب التعرض المؤخر يميل29 لأنه من الممكن اختﻻق أنماط غرامة مع دقة عالية في وقت قصير. على الرغم من 3D الطباعة أيضا مرشح اختﻻق هيكل شبكة الأبعاد الثلاثية، منخفضة الإنتاجية، وطابعه 3D أدنى من التصويرية في القطع دقة30،31. ولذلك، في هذه الدراسة، هو اعتمد أسلوب التعرض المؤخر يميل كأسلوب لهيكل مش ميكروماتشينينج ثلاثي الأبعاد.

Protocol

1-تصنيع هيكل شبكة ثلاثية الأبعاد تنظيف الزجاج الركازة إعداد 30 مم × 40 مم ركائز الزجاج. إعداد الحل البيرانا عن طريق صب 150 مل من حامض الكبريتيك (تركيز: 96%) في الكأس الزجاج. قم بإضافة 50 مل من محلول بيروكسيد الهيدروجين بلطف (تركيز: 30%). تأكد من أن حجم ونسبة حمض الكبريتيك: الهيدروجين بيروكسايد المياه هي 3:1. ارتداء النظارات الواقية والملابس للسلامة أثناء صب الحلول. تعيين ركيزة زجاج في رقصة تفلون للتنظيف. ثم تزج أنه في حل البيرانا لمدة 1 دقيقة. بعد هو غمر 1 دقيقة في حل البيرانا، شطف الركيزة الزجاج غسلها 2-3 مرات بالماء النقي (تجاوز 2-3 مرات). إزالة قطرات الماء على الزجاج الركازة بضربه جوية. الزخرفة النقش قناع Cr للتعرض المؤخر على الركازة الزجاج تعيين الركيزة الزجاج في غرفة لجهاز RF (تردد الراديو) ماغي اﻷخرق. تعيين طاقة RF إلى 250 ث، معدل تدفق الغاز ع إلى 12 SCCM، ضغط الدائرة إلى 0.5 السلطة الفلسطينية، والوقت اﻷخرق إلى 11 دقيقة. ثم نموذج 100-200 نانومتر من الفيلم الكروم في الركيزة الزجاج بالترددات اللاسلكية ماغي اﻷخرق.ملاحظة: يتم التحكم السمك الوقت اﻷخرق، مع مراعاة شرط معدل اﻷخرق. تعيين الركيزة في مرحلة تحديد في دائرة تدور المغطى. إسقاط مقاوم الضوء إيجابية S1813 على الفيلم الكروم ومعطف 1-2 ميكرومتر رقيقة من طلاء تدور على 4000 لفة في الدقيقة لمدة 30 ثانية. خبز الركيزة المغلفة بمقاوم الضوء على 115 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة على صفيحة ساخنة لتجف المقاومة. اتصل النبائط وركيزة المغلفة بمقاوم الضوء. كشف الأشعة فوق البنفسجية الخفيفة عمودياً إلى النبائط. التأكد من أن جرعة التعرض 80 مللي جول/سم2، وهو طول موجي 405 نانومتر. استخدام النبائط هو مبين في الشكل 1. إعداد اثنين 500 مل قنينة. ثم من أجل 150 مل تماه (هيدروكسيد تيتراميثيلامونيوم: 2.38%، المذيبات: المياه) الحل في واحد من الكأس وصب 150 مل من الكروم تنميش (نترات السيريوم الرباعي: 16%، وحمض النيتريك: 8%) إلى الكأس الأخرى. تزج الركيزة في 150 مل من محلول تماه وتطوير مقاوم الضوء لمدة 30 ثانية إلى 1 دقيقة. شطف الركيزة بالمياه النقية. تزج الركيزة في 150 مل الكروم النقش الحل واحفر الكروم لحوالي 1 إلى 2 دقيقة. شطف الركازة مع المياه النقية، وإزالة قطرات الماء بضربه جوية. إعداد حل البيرانا بصب 150 مل من حامض الكبريتيك (تركيز: 96%) في الكأس الزجاج. قم بإضافة 50 مل من محلول بيروكسيد الهيدروجين بلطف (تركيز: 30%). تأكد من أن حجم ونسبة حمض الكبريتيك: الهيدروجين بيروكسايد المياه هي 3:1.ملاحظة: ارتداء النظارات الواقية والملابس والقفازات للسلامة أثناء صب الحلول. الحل البيرانا سوف تفقد النشاط بعد فترة من الوقت، لذا تعد في كل مرة. ضع ركيزة زجاج على رقصة تفلون للتنظيف. ثم تزج أنه في حل البيرانا عن 15-30 ثانية لإزالة مقاوم الضوء. إعداد لطلاء سو-8 تعيين الركيزة في مرحلة تحديد في الدائرة تدور المغطى. قطره حوالي 1 مل من محلول راتنج اﻷكريليك (تركيز: 10%، المذيبات: التولوين) على الجانب نمط الكروم من الركازة للإفراج عن هيكل ملفقة كطبقة الذبيحة. ثم، تشكل طبقة رقيقة من طلاء تدور 2,000 لفة في الدقيقة لمدة 30 ثانية. خبز عند 100 درجة مئوية لمدة 10 دقائق. طلاء رذاذ سو-8 إطلاق المغطى الرذاذ وصب حل الأسيتون في المحاقن للتنظيف. تنظيف وإزالة المخلفات داخل فوهة الرش بالرش الحل الأسيتون.ملاحظة: إذا كانت عملية التنظيف غير كافية، فإنه يؤدي إلى انسداد في وقت الرش. كرر هذه الخطوة مرتين لتنظيف بعناية. تعيين الركيزة على صفيحة مرفقة في المغطى رش. تغطية الركيزة الغطاء حافة إلى منع حبة الحافة. صب مقاوم الضوء السلبية 3005 سو-8 في المحاقن. تعيين قطر الفوهة إلى 5 ملم، سرعة حركة الفوهة إلى 120 مم/s، ضغط الانحلال إلى 150 الجيش الشعبي الكوري، وضغط السائل إلى 60 الجيش الشعبي الكوري، والمسافة بين الفوهة والركيزة إلى 40 مم، المسافة في الملعب إلى 3 مم، ووقت الفاصل الزمني لكل طبقة إلى 45 س رذاذ مولتيلاييرس سو-8 على الركازة. كرر 10 مرات للطلاء بنفس الطريقة. اترك الركيزة الوقوف لمدة 5 دقائق بعد طلاء 10 مرات.ملاحظة: أثناء الوقت الدائمة، الفيلم سو-8 هو شكل موحد بالأرض، ويتم الإفراج عن فقاعات الهواء مختلطة خلال رذاذ الطلاء. خبز على لوحة الساخن عند 95 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة. قياس سمك الطبقات 10 من ميكرومتر. ثم، حساب سمك كل طبقة. تحديد العدد المتبقي من التكرار لطلاء رذاذ من سمك الفيلم محسوب كل طبقة. ثم رش متعدد الطبقات لتشكيل فيلم سميكة لتحقيق الهدف سمك الفيلم. في هذا البحث، يتم تطبيق طبقات 40 لسمك 200 ميكرومتر. واسمحوا الركيزة الوقوف لمدة 5 دقائق بعد طلاء رذاذ متعدد الطبقات. خبز على لوحة الساخن عند 95 درجة مئوية لمدة 240 دقيقة. ترك الركيزة سو-8 المغلفة على صفيحة ساخنة لمدة 60 دقيقة وثم تبرد ببطء إلى درجة حرارة الغرفة. 3D مش تشكيل هيكل ضع الركيزة على طاولة زاوية تكيف التي تنقلب الركيزة (أي، يواجه الفيلم سو-8) كما هو مبين في الشكل 2. إصلاح الحافة من الركازة مع الشريط. الزاوية ميل لتعديل الجدول إلى 45°.ملاحظة: يعني 0° الركيزة في الدولة الأفقي. الزاوية في هذا الوقت يتحدد بقانون سنيل ل، محسوبة من الانكسار من مقاوم الضوء، الانكسار للهواء. بالمعالجة بزاوية 45° حادث، مختلق بنية شبكة مع زاوية هيكل ° 64. وضع الجدول تعديل زاوية تحت مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية. تطبيق ضوء الأشعة فوق البنفسجية عمودياً إلى الركيزة في جرعة تعرض من 150 مللي جول/سم2 ، وطول موجي 365 نانومتر. بعد التعرض، العودة زاوية الجدول التكيف إلى 0° والميل هو إلى 45 درجة في الاتجاه المعاكس. تطبيق الأشعة فوق البنفسجية الخفيفة عمودياً بنفس الطريقة.ملاحظة: يتم عرض الرسوم التوضيحية في الشكل 3 ألف، باء. وضع الركيزة على صفيحة ساخنة وتعيين درجة الحرارة إلى 95 درجة مئوية لأوصاف (خبز بعد التعرض). خبز الركيزة لمدة 8 دقائق بعد أن تصبح درجة حرارة 95 درجة مئوية. إيقاف طاقة صفيحة. الانتظار حتى تنخفض درجة حرارة صفيحة إلى حوالي 40 درجة مئوية. صب 150 مل سو-8 المطور في كوب زجاج 500 مل. تعيين الركيزة في رقصة تفلون لتنمية. صب 150 مل الايزوبروبانول (IPA) في كوب زجاج 500 مل آخر. تطوير لحوالي 20 إلى 30 دقيقة تكفل إذا كان الوقت النامية لا يكفي، أنه يؤدي إلى عدم كفاية فتح الفراغات مش. تزج الركازة مع الرقصة في معهد الإدارة العامة وشطف لمدة 2 دقيقة.ملاحظة: إذا كان على ما يبدو على السطح من سو-8 بيضاء والموحلة، فإنه يشير إلى أن التنمية غير كافية. وفي هذه الحالة، كرر التنمية والشطف مرة أخرى. بعد استكمال تطوير، يتم تشكيل بنية شبكة، كما هو مبين في الشكل 3 جيم. الإفراج عن هيكل من الركازة الزجاج يصب 150 مل من محلول التولوين في كوب زجاج 500 مل. تغطية الكأس برقائق الألومنيوم التولوين من السهل أن تتبخر في درجة حرارة الغرفة. تزج الركيزة في حل التولوين لحوالي 3-4 ﻫ. التأكد من أن طبقة الذبيحة من راتنج اﻷكريليك وحفرت، والإفراج عن هيكل سو-8 مع هيكل شبكة من الركازة، كما هو مبين في الشكل 3d. ضربة جوية للركيزة وإزالة الرطوبة. تخزينها في مجفف حتى يتم استخدامه في الخطوة 4، 3. 2-إعداد فيلم كهرضغطية إعداد ورقة PVDF. أيضا، إعداد سكين كتر مع شفرة الفولاذ المقاوم للصدأ وقطع الشروط المتفق عليها تبادلياً. قطع الورقة PVDF بشكل الجهاز مع ورقة2 360 مم (10 مم × 30 مم ناتئ و 6 مم × 10 مم للربط الكهربائي)، كما هو موضح في الشكل 3 ألف. ضع الأفلام PVDF قطع على طبق بيتري مع ممسحة السليلوز. تخزينها في مجفف. 3-إعداد الركيزة للترابط وهيكل الشبكة والفيلم كهرضغطية من أجل 10 مل الوكيل الرئيسي من PDMS و 1 مل من علاج عامل في أنبوب الطرد مركزي (أي نسبة الحجم التقريبي هو 10:1). تعيين أنبوب الطرد التحريك الكواكب وديفوامينج آلة وخلط كل الحلول لمدة 1 دقيقة. إعداد اثنين 30 × 40 مم ركائز الزجاج. تعيين الركيزة الزجاج في مرحلة تحديد في الدائرة تدور المغطى. قطره محلول PDMS على الركيزة الزجاج. ثم، شكل الفيلم PDMS بطلاء تدور على 4000 لفة في الدقيقة، كما هو مبين في الشكل 3 أي. خبز الركيزة على لوحة الساخن عند 100 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة ليجف الفيلم PDMS. إيقاف طاقة صفيحة. الانتظار حتى تنخفض درجة حرارة صفيحة إلى حوالي 40 درجة مئوية. 4-تصنيع حصاده الطاقة الاهتزاز بيمورف ضع قطع PVDF الأفلام واحد تلو الآخر على اثنين من ركائز PDMS مختلفة، كما هو مبين في الشكل 3f. التأكد من أن بمجرد وضع الأفلام PVDF على سطح PDMS، وأنها تلتزم ببعضها البعض. إذا تعتبر التجاعيد على أفلام PVDF، توسيعها مع اسطوانة.ملاحظة: تسمى هذه الأفلام PVDF هما PVDF flm1 و PVDF flm2، وهي ركائز PDMS هما PDMS sbs1 و PDMS sbs2، توخياً للوضوح. إسقاط 3005 سو-8 على PVDF flm1 على PDMS sbs1. ثم، شكل رقيقة سو-8 بطلاء تدور على 4000 لفة في الدقيقة كما هو موضح في الشكل 3 ز.ملاحظة: هذا الفيلم رقيقة سو-8 يصبح طبقة التصاق بين هيكل الشبكة و PVDF flm1. المكان حيث أسقطت 3005 سو-8 لا يستخدم للأسلاك للحصول على الطاقة الكهربائية. وضع هيكل شبكة سو-8 على PVDF flm1 والسندات لهم كما هو مبين في الشكل 3 ح. إسقاط 3005 سو-8 على PVDF flm2 على PDMS sbs2. ثم، شكل رقيقة سو-8 بطلاء تدور على 4000 لفة في الدقيقة بنفس الطريقة كخطوة 4.2. تقشر PVDF flm2 من PDMS sbs2 وثم ضعه أعلى هيكل شبكة سو-8 على PVDF flm1، الالتزام بها كما هو موضح في الشكل 3i، ي. تخزين الجهاز مع الدولة المستعبدين في حاوية مع الرطوبة المنخفضة مثل مجففة. ترك الأمر لحوالي 12 ساعة. وضع الملاقط في الجانب السفلي من طبقة أدنى PVDF flm1 وقشر قبالة المستعبدين 3 طبقات PVDF flm1، سو-8 مش هيكل، و PVDF flm2 في نفس الوقت من الركازة، كما هو مبين في الشكل 3 ك.

Representative Results

نحن ملفقة من فيه من نوع بيمورف تتألف من طبقتين من الأفلام PVDF وطبقة متوسطة تتألف من هيكل شبكة سو-8، كما هو مبين في الشكل 4. وترتبط أقطاب كهربائية PVDF العلوي والسفلي في سلسلة للحصول على الناتج الجهد. الصورة الضوئية والصورتين SEM هي الطبقات مرنة مع بنية شبكة. وفقا للصور، يبدو أن الطبقة المرنة المجهزة بالتعرض المؤخر يميل الجميلة 3D مش أنماط دون إخفاق التنمية. ويبين الشكل 5 نتائج الاختبارات الاهتزاز. في الاختبارات الاهتزاز، هما بيس — واحد مع نواة يعشق والآخر مع بنية النواة الصلبة – كطبقة مرنة يتم تقييمها للتحقق من صحة نوع الأساسية مزجها فيه. تعيين على شاكر اهتزاز بيس ومتحمس مع تسارع اهتزاز 1.96 م/ث2 (0.2 G). وأظهر كلا من بيس النوع الأساسي مزجها والصلبة-الأساسية من نوع الإخراج جيبية متزامنة مع أحد مدخلات جيبية. عرضت فيه النوع الأساسي مزجها 42.6 في المائة أعلى جهد ناتج من نوع النواة الصلبة فيه. ويبين الشكل 5b استجابة التردد للطاقة الإنتاجية القصوى. عرضت فيه النوع الأساسي مزجها تردد صدى 18.7 هرتز، وهو 15.8% أقل من فيه الصلبة-الأساسية من نوع، وإنتاج طاقة من μW 24.6، الذي هو 68.5 في المائة أعلى من فيه الصلبة-الأساسية من نوع. رقم 1: تخطيط النبائط للطباعة التصويرية اختﻻق طبقة مرنة مع بنية أساسية مزجها 3D. النبائط في جزأين. واحد هو المجال لقط، والآخر يحتوي على أنماط الخط ومساحة للزخرفة مش-الهيكل. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- رقم 2: الإعداد للتعرض يميل. الأشعة فوق البنفسجية تتعرض عمودياً إلى الركيزة يميل مع نمط الجمهورية التشيكية على زاوية تعديل الجدول. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 3: التخطيطي من حصاده الطاقة الاهتزاز كهرضغطية المقترحة مع بنية أساسية مزجها 3D وعملية التصنيع الحصادة. عملية تصنيع يمكن تقسيمها إلى ثلاثة أقسام: ()-(د) تمثل عملية تصنيع هيكل شبكة الأبعاد الثلاثية، (ه)-(ز) تمثل إعداد الفيلم PVDF على الزجاج الركازة، و (ح)-(ي ) تمثل عملية الربط شكل ناتئ بيمورف. (يتم نشر هذه الأرقام تحت الذهب مفتوحة للجميع، وجميل الترخيص وتم تعديل من [21].) الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- 4 الرقم: () صورة حصاده الطاقة الاهتزاز مزجها النواة بيمورف ملفقة، والصورة الضوئية (ب) مستعرضة البنية الأساسية مزجها 3D، (ج) ووزارة شؤون المرأة (د) الصور سو-8 مزجها النواة طبقة مرنة. (يتم نشر هذه الأرقام تحت الذهب مفتوحة للجميع، وجميل الترخيص وتم تعديل من [21].) الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الرقم 5: الجهد الناتج (أ) جيبية المقاومة التحميل تحت كل شرط الرنين (هرتز 18.7 مزجها النواة، النواة الصلبة 22.2 هرتز) و (ب) أقصى إنتاج الطاقة كدالة لتواتر الاهتزاز تحت مقاومة الحمل الأمثل (MΩ مزجها الأساسية 17، النواة الصلبة 13 MΩ) وتسارع 0.2 ز. (يتم نشر هذه الأرقام تحت الذهب مفتوحة للجميع، وجميل الترخيص وتم تعديل من [21].) الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Discussion

نجاح تصنيع هيكل شبكة الأبعاد الثلاثية وبيمورف المقترحة فيه الموصوف أعلاه يستند إلى أربع خطوات حاسمة ومميزة.

يتم تجهيز الخطوة الحاسمة الأولى استخدام التعرض المؤخر يميل. من حيث المبدأ، من الممكن لاختلاق بنية شبكة بالتعرض ميلا من السطح العلوي باستخدام تقنية الطباعة الحجرية الاتصال. ومع ذلك، التعرض المؤخر ويعرض بدقة معالجة أكثر دقة من الطباعة الحجرية الاتصال، والعيوب أثناء التنمية أقل من المحتمل أن يحدث28،29. وهذا لأنه يمكن أن تنشأ الفجوة بين النبائط ومقاوم الضوء سبب الأغطية من على سطح مقاوم الضوء. ومن ثم يحدث حيود الضوء وتجهيز الدقة هو خفض بسبب الفجوة. ولذلك، في هذه الدراسة، ونحن ملفقة بنية شبكة باستخدام طريقة التعرض المؤخر يميل. وبالإضافة إلى ذلك، القيمة المقاسة من زاوية الهيكلية لهيكل شبكة ملفقة من حوالي 65°، مع مجرد خطأ 1% مقارنة بقيمة 64 ° مصممة. يمكننا أن نستخلص من النتيجة، أنه من المناسب لتطبيق أسلوب التعرض المؤخر تميل إلى افتعال هيكل شبكة.

الخطوة الحاسمة الثانية هي عملية التنمية سو-8. إذا كانت دولة نامية يحدث الخلل، هيكل شبكة يفقد المرونة المتأصلة. وضع الفيلم سو-8 سميكة، عادة ما يتم استخدام 10-15 دقيقة. ومع ذلك، هذه المرة النامي غير كافية لتطوير هيكل شبكة ثلاثية الأبعاد. هيكل شبكة ثلاثية الأبعاد يختلف عن نمط 2D لفقتها التصويرية لأنه يحتوي على العديد من الفراغات الداخلية داخل الغشاء. إذا كان الوقت النامية قصيرة، لا تقدم التنمية إلى داخل هيكل الشبكة، مما تسبب في فشل الزخرفة. هذا هو السبب، من الضروري أن تنطبق على الوقت اللازم لتطوير طويلة نسبيا،32من 20-30 دقيقة. إذا كانت الأنماط الدقيقة المطلوبة، قد يلزم وقت أطول النامي. ومع ذلك، في ذلك الوقت، علينا أن ننظر من التورم الناجم عن التنمية وقت طويل33.

المقبل، طريقة لاستغلال الركازة شكلت PDMS في عملية الترابط الفيلم PVDF وسو-8 مش بنية فريدة من نوعها. فإنه يجعل من الممكن طلاء تدور و، نتيجة لذلك PVDF وسو-8 يمكن بسهولة التقيد استخدام المغلفة بزيادة ونقصان سو-8 التصاق طبقة رقيقة. يمكن المستعبدين PVDF وسو-8، حتى باستخدام غراء فورية متاحة تجارياً. ومع ذلك، مواد لاصقة يصلب بعد هو توطد اللاصقة. وعلاوة على ذلك، من الصعب أن تشكل طبقة رقيقة مع الغراء الفورية. إذا كان سمك الغراء الفورية أكبر، سيزيد من صلابة الجهاز كامل. زيادة صلابة ويؤدي إلى زيادة في تواتر الرنين (أي أنه يمنع تخفيض تردد صدى، وهو الهدف الرئيسي لهذه الدراسة). من ناحية أخرى، استخدام رقيقة سو-8 التي شكلتها طلاء تدور كطبقة التصاق لا إلى حد كبير على الزيادة في الصلابة لأن الفيلم سو-8 وحدات رقيقة. وباﻹضافة إلى ذلك، كهيكل شبكة تتكون من سو-8، فمن الممكن لزيادة قوة لاصقة باستخدام نفس المواد لطبقة الالتصاق. هذا سبب الالتصاق سو-8 لديه ما يكفي من قوة لاصقة السندات بنية شبكة سو-8 والأفلام PVDF. وعلاوة على ذلك، من ناحية إمكانية تكرار نتائج الجهاز، من المفيد استخدام رقيقة سو-8 كطبقة التصاق، كما يمكن أن تتحقق بسمك فيلم مستمر بطلاء تشكيل الفيلم تدور.

الرابع، أسلوب طلاء سو-8 مميزة. وقد اخترنا أسلوب رش طلاء متعدد الطبقات للفيلم السميك سو-8. على الرغم من أنه من الممكن لتشكيل فيلم سميك بطلاء تدور، يحدث الأغطية السطحية الكبيرة، وأنه من الصعب على معطف الفيلم شكل موحد34. من ناحية أخرى، استخدام الأسلوب المتعدد طلاء رذاذ يقلل الأغطية ويمنع خطأ سمك الفيلم في الركازة34. وبخاصة، يلزم الاهتمام إيلاء الأغطية الكبيرة لأنه عندما يصبح سمك هيكل شبكة ثلاثية الأبعاد نونونيفورم، تغيير خصائص الاهتزاز وصلابة للجهاز بواسطة سمك جزئيا زيادة أو نقصان.

من حيث المبدأ، كما يستخدم التصويرية للأشعة فوق البنفسجية، تقتصر الأشكال فابريكابل. وصحيح أننا يمكن اختﻻق هياكل معقدة مثل هيكل شبكة الأبعاد الثلاثية باستخدام التعرض يميل. ومع ذلك، يصعب الأشكال التعسفية مثل هيكل ثلاثي الأبعاد بشكل منحنى في اتجاه سمك الفيلم تشكل35،36. طباعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن تنتج الأشكال ثلاثية الأبعاد التعسفي، والتصميم يتسم بالمرونة. ومع ذلك، إنتاجية التلفيق منخفض، ودقة التجهيز والإنتاج الضخم أدنى من التصويرية. وهكذا، أنها ليست مناسبة لاختلاق الهياكل مع أنماط جيدة في وقت قصير. وبالإضافة إلى ذلك، معالجة البيانات 3D كندي ضروري، ويستغرق وقتاً لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد. من ناحية أخرى، في حالة الطباعة التصويرية، لا سيما في أسلوب التعرض يميل، كاد البيانات اللازمة النبائط ثنائي الأبعاد، والتصميم سهل نسبيا. على سبيل المثال، تصميم موجه لهيكل شبكة 3D هو مجرد سطر 2D وأنماط الفضاء، كما هو مبين في الشكل 3. ونظرا لهذه الحقائق، في هذا البحث، علينا استغلال تقنية الطباعة الحجرية ثلاثية الأبعاد لوضع هيكل شبكة مرنة ثلاثية الأبعاد.

في هذه الدراسة، ونحن ملفقة بنية شبكة مرنة ثلاثية الأبعاد وتطبيقه على طبقة مرنة من نوع ناتئ بيمورف فيه غرض خفض الرنين التردد وزيادة إنتاج الطاقة. نظراً للطريقة المقترحة مفيدة في تخفيض تردد صدى، سيكون من المفيد للاهتزاز حصاده الطاقة الموجهة للتطبيق ذات التردد المنخفض مثل أجهزة يمكن ارتداؤها، رصد أجهزة استشعار للمباني العامة والجسور، والأجهزة المنزلية، إلخ. ويتوقع المزيد من التحسين لإنتاج الطاقة عن طريق الجمع بين الشكل المنحرف والشكل المثلث، وسمك الأمثل الذي يقترح سابقا في أخرى أوراق37،،من3839.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وأيد هذا البحث جزئيا JSPS العلم بحوث غرانت JP17H03196، JST المعزوفة المنحة رقم JPMJPR15R3. الدعم المقدم من “مشروع منصة تقنية النانو يأمرون” (جامعة طوكيو منصة ميكروفابريكيشن) لتصنيع النبائط هو موضع تقدير كبير.

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