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

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

Een polymeer gebaseerde piëzo-elektrische trillingen energie aardappelrooier met een 3D-structuur van de Meshed-Core

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

Summary

In deze studie, wij verzonnen een flexibele 3D mesh structuur en toegepast op de elastische laag van een bimorph ‘ Freischwinger ‘-type trillingen energie rooier met het oog op de resonantiefrequentie te verlagen en het vergroten van uitgangsvermogen.

Abstract

In deze studie vervaardigd wij een flexibele 3D mesh structuur met periodieke vides met behulp van een 3D litho-methode en toe te passen op een maaimachine energie trillingen te verlagen van resonantiefrequentie en vermogen te verhogen. Het fabricageproces is voornamelijk verdeeld in twee delen: driedimensionale fotolithografie voor de verwerking van de structuur van een 3D-net, en een proces van hechting van piëzo-elektrische films en de mesh-structuur. Met de verzonnen flexibele mesh structuur bereikt we verlaging van resonantiefrequentie en de verbetering van uitgangsvermogen, tegelijkertijd. Uit de resultaten van de tests van de trillingen tentoongesteld de mazen-kern-type trillingen energie rooier (VEH) 42,6% hogere uitgangsspanning dan de solid-kern-type VEH. Daarnaast leverde de mazen-kern-type VEH 18,7 Hz van resonantiefrequentie, 15,8% lager dan de solid-kern-type VEH, en 24.6 μW vermogen, 68,5% hoger dan de solid-kern-type VEH. Het voordeel van de voorgestelde methode is dat een complexe en flexibele structuur met leegtes in drie dimensies relatief gemakkelijk kan worden vervaardigd in een korte tijd door de methode geneigd blootstelling. Aangezien het mogelijk is de resonantiefrequentie van de VEH lager door de mesh-structuur te gebruiken in lagefrequentie-toepassingen, zoals draagbare apparaten en huis toestellen, kan in de toekomst worden verwacht.

Introduction

In de afgelopen jaren hebben VEHs veel aandacht getrokken als een elektrische voeding van sensornodes voor de uitvoering van draadloze sensornetwerken en Internet of Things (IoT) toepassingen1,2,3,4, 5,6,7,8. Onder de verschillende soorten Energieconversie in VEHs presenteert piëzo-elektrische-type conversie hoge uitgangsspanning. Dit type conversie is ook geschikt voor miniaturisatie vanwege haar hoge affiniteit met Microbewerking-technologie. Vanwege deze aantrekkelijke kenmerken, zijn vele piëzo-elektrische VEHs ontwikkeld met behulp van piëzo-elektrische keramische materialen en biologische polymeer materialen9,10,11,12, 13.

In de keramische VEHs, ‘ Freischwinger ‘-type VEHs met behulp van krachtige piëzo-elektrische materiaal PZT (lood titanate zirconate) zijn wijd gemeld14,15,16,17,18, en de VEHs vaak gebruik resonantie te verkrijgen van hoogrenderende elektriciteitsproductie. In het algemeen, zoals de resonantiefrequentie met de miniaturisering van de grootte van het apparaat toeneemt, is het moeilijk om miniaturisatie en lage-resonantiefrequentie gelijktijdig. Dus, hoewel PZT hoog-power-generatie prestaties heeft, is het moeilijk voor de ontwikkeling van kleine en middelgrote PZT gebaseerde apparaten die in een lage-frequentie band zonder speciale verwerking, zoals nanoribbon assembly’s19,20 werken, omdat PZT is een hoge stijfheid materiaal. Helaas, onze omliggende trillingen zoals huishoudelijke apparaten, menselijke beweging, gebouwen en bruggen worden voornamelijk bij lage frequenties, minder dan 30 Hz21,22,23 Daarom, VEHs met het hoog-power-generatie rendement bij lage frequenties en kleine formaat zijn ideaal voor de lagefrequentie-toepassingen.

De eenvoudigste manier om de resonantiefrequentie te verlagen is om de massale gewicht van het puntje van de ‘ Freischwinger ‘ te verhogen. Als het koppelen van een high-density materiaal tot aan de vingertop is alles wat nodig is, de fabricage is eenvoudig en gemakkelijk. Echter, hoe zwaarder de massa is, hoe meer kwetsbaar het apparaat wordt. Een andere manier van de verlaging van de frequentie is om de ‘ Freischwinger ‘24,25te verlengen. In de methode, is de afstand van het vaste einde tot het vrije uiteinde uitgebreid door een twee-dimensionale meandered vorm. Het silicium substraat is geëtst met behulp van een halfgeleider productie techniek te fabriceren van een meandered structuur. Hoewel de methode effectief is voor het verlagen van de resonantiefrequentie, verkleint u het gebied van het piëzo-elektrisch materiaal en dus het verkregen vermogen afneemt. Daarnaast is er een nadeel dat de nabijheid van het vaste einde kwetsbaar is. Met betrekking tot sommige polymeer-apparaten, zoals de lagefrequentie-VEH, flexibele piëzo-elektrische polymeer PVDF wordt vaak gebruikt. PVDF is meestal bekleed door een spin-coating-methode en de film is dun, kan de resonantiefrequentie worden verminderd vanwege de lage stijfheid26,27. Hoewel de laagdikte controleerbaar in het bereik van sub micron tot verschillende micron is, is het haalbaar vermogen kleine vanwege de dunne dikte. Daarom, zelfs als de frequentie kan worden verminderd, we voldoende kracht centrales niet kan krijgen, en dus, praktische toepassing is moeilijk.

Hier stellen wij voor een bimorph-achtige piëzo-elektrische cantilever (bestaande uit twee lagen van piëzo-elektrische lagen en één laag van elastische laag) met twee flexibele piëzo-elektrische polymeer-vellen, die reeds zijn onderworpen aan zich het uitrekken behandeling voor verbetering piëzo-elektrische kenmerken. Bovendien nemen wij een flexibele 3D mesh structuur in de elastische laag van de bimorph ‘ Freischwinger ‘ te verminderen de resonantiefrequentie en tegelijkertijd het verbeteren van de macht. Wij fabriceren de 3D mesh structuur met behulp van de achterzijde geneigd blootstelling methode28,29 , omdat het mogelijk is te fabriceren van fijne patronen met hoge precisie in een korte tijd. Hoewel 3D printen ook een kandidaat is om fabriceren 3D mesh structuur, de doorvoer is laag, en de 3D-printer is inferieur aan fotolithografie in het verspanen van nauwkeurigheid30,31. Daarom in deze studie, wordt de achterkant geneigd blootstelling methode aangenomen als de methode voor Microbewerking de 3D mesh structuur.

Protocol

1. fabricage van de 3D mesh structuur Reiniging van het glas-substraat Bereiden van 30 x 40 mm glazen substraten. Bereid de piranha-oplossing door gieten 150 mL zwavelzuur (concentratie: 96%) in het bekerglas van het glas. Vervolgens voorzichtig Voeg 50 mL waterstofperoxide-oplossing (concentratie: 30%). Zorg ervoor dat de volumeverhouding zwavelzuur zuur: waterstof peroxide water 3:1. Draag beschermende bril en kleding voor veiligheid tijdens het gieten van de oplossingen. Stel een glas-substraat in een Teflon mal voor het reinigen. Vervolgens het onderdompelen in piranha oplossing voor 1 min. Spoel na 1 min onderdompeling in piranha-oplossing, de gewassen glas-substraat 2 – 3 keer met zuiver water (2 – 3 keer overloop). Verwijder de waterdruppels op het glas-substraat met lucht blazen. Patroon van de muziek van de Cr masker patroon voor blootstelling van de achterkant over een glazen substraat Het glas-substraat in een kamer van een RF (Radio Frequency) magnetron sputteren machine instellen Stel de macht van RF om 250 W, het debiet van Ar gas naar 12 SCCM, de kamer druk aan 0.5 Pa en de sputteren tijd aan 11 min. Dan vormen 100-200 nm van chroom film op het glas-substraat door de RF-magnetron sputteren.Opmerking: De dikte wordt gecontroleerd door de sputteren tijd, rekening houdend met de voorwaarde tarief sputteren. Het substraat aangezet met een fixing stadium in een spin-coater kamer. Een positieve fotoresist S1813 op de film chroom neerzet en jas de 1-2 μm dunne film door spin coating bij 4000 t/min voor 30 s. Bak het substraat fotoresist beklede bij 115 ° C gedurende 1 minuut op een hete plaat om te drogen de weerstaan. Neem contact op met een photomask en een fotoresist beklede substraat. UV-licht verticaal aan de photomask bloot. Ervoor zorgen dat de dosis blootstelling 80 mJ/cm2 is, en de golflengte 405 is nm. Gebruik de photomask afgebeeld in Figuur 1. Twee bekers van 500 mL voor te bereiden. Giet 150 mL TMAH (tetramethylammoniumhydroxide: 2.38%, oplosmiddel: water) oplossing in een bekerglas en giet 150 mL chroom etchant (Cerium(IV) ammoniumnitraat: 16%, salpeterzuur: 8%) in het andere bekerglas. Dompel het substraat in 150 mL TMAH oplossing en ontwikkelen de fotoresist voor 30 s tot 1 min. Spoel het substraat met zuiver water. Dompel het substraat in het 150 mL chroom etsen oplossing en etch chroom voor ongeveer 1 tot 2 minuten. Spoel het substraat met zuiver water en verwijder waterdruppels met lucht blazen. Bereid piranha-oplossing door gieten 150 mL zwavelzuur (concentratie: 96%) in het bekerglas van het glas. Vervolgens voorzichtig Voeg 50 mL waterstofperoxide-oplossing (concentratie: 30%). Zorg ervoor dat de volumeverhouding zwavelzuur zuur: waterstof peroxide water 3:1.Opmerking: Draag beschermende bril, kleding en handschoenen voor veiligheid tijdens het gieten van de oplossingen. Piranha-oplossing zal activiteit verliezen na een tijdje, dus elke keer te bereiden. Plaats een glazen substraat op een Teflon mal voor het reinigen. Vervolgens het onderdompelen in de piranha-oplossing voor 15-30 s de fotoresist verwijderen. Voorbereiding voor SU-8 coating Het substraat aangezet door de vaststelling van de fase in de zaal van de rotatie-coater. Ongeveer 1 mL van acryl hars oplossing neerzetten (concentratie: 10%, oplosmiddel: tolueen) aan de kant van de patroon chroom van het substraat om een verzonnen structuur als een offer laag vrij te geven. Vervolgens vormen een dunne film door spin coating op 2.000 rpm voor 30 s. Bakken op 100 ° C gedurende 10 minuten. SU-8 spray coating Start van de spray-coater en giet aceton oplossing in de spuit voor het reinigen. Zindelijk en wegnemen van residuen in de spuitmond door spuiten van aceton oplossing.Opmerking: Als de reiniging volstaat, het leidt tot verstopping op het tijdstip van spuiten. Herhaal deze stap tweemaal om zorgvuldig schoon te maken. Het substraat aangezet een bijgevoegde plaat in een spray-coater. Bedek het substraat met een dekking van de rand om te voorkomen dat de rand kraal. Giet de negatieve fotoresist SU-8 3005 in de spuit. Instellen van de diameter van het mondstuk tot 5 mm, het mondstuk verkeer snelheid tot 120 mm/s, de verneveling druk 150 kPa, de materiaaldruk aan 60 kPa, de afstand tussen het mondstuk en substraat tot 40 mm, de afstand van de worp tot 3 mm, en de intervaltijd voor elke laag tot en met 45 s. Spray SU-8 multilagen op de drager vervagen. Herhaal de coating 10 keer op dezelfde manier. Laat de ondergrond te staan voor 5 min na coating 10 keer.Opmerking: Tijdens de staande tijd, de SU-8 film is uniform afgevlakt, en de luchtbellen gemengd tijdens spray coating worden vrijgegeven. Bakken op een hete plaat bij 95 ° C gedurende 60 min. Meet de dikte van 10 lagen door micrometer. Dan, bereken de dikte per laag. Bepaal het resterende aantal herhalingen voor spray coating van de berekende laagdikte per laag. Vervolgens spuiten de multilayer vormen een dikke film om de laagdikte van de doelgroep. In dit onderzoek, worden 40 lagen toegepast voor een dikte van 200 μm. Laat het substraat staan voor 5 min na de gelaagde spray coating. Bakken op een hete plaat bij 95 ° C gedurende 240 min. Laat de SU-8 gecoat substraat op een hete plaat voor 60 min en vervolgens langzaam afkoelen tot kamertemperatuur. 3D mesh structuur vormen Plaats van het substraat op de tafel van een hoek aanpassing door het substraat flipping (dat wil zeggen, de SU-8 film is naar beneden) zoals afgebeeld in Figuur 2. De rand van het substraat met tape vast. De hoek van de tabel aanpassing tot 45° te kantelen.Noot: 0° betekent dat het substraat is in de horizontale stand. De hoek op dit moment wordt bepaald door de Snell recht, berekend op basis van de brekingsindex van de fotoresist, de brekingsindex van lucht. Door te bestralen in een incident hoek van 45°, wordt een mesh structuur met een hoek van de structuur van 64° vervaardigd. De hoek aanpassing tabel plaatsen onder de UV-lichtbron. Toepassen van UV-licht verticaal op de ondergrond op een dosis van de blootstelling van 150 mJ/cm2 en een golflengte van 365 nm. Na de blootstelling, de hoek van aanpassing tabel terug naar 0° en kantelen tot 45° in de tegenovergestelde richting. UV-licht verticaal op dezelfde manier toepassen.Opmerking: De illustraties worden weergegeven in Figuur 3a, b. Plaats het substraat op een hete plaat en stel de temperatuur tot 95 ° C voor PEB (post-exposure bak). Het substraat voor 8 min bakken nadat de temperatuur 95 ° C. wordt Schakel de stroom van de verwarmingsplaat. Wacht totdat de temperatuur van de hete plaat tot ongeveer 40 ° C. daalt Giet 150 mL SU-8 ontwikkelaar in een bekerglas van 500 mL glas. Het substraat in een Teflon mal voor het ontwikkelen van instellen. Giet 150 mL isopropanol (IPA) in een bekerglas van 500 mL glas. Voor ongeveer 20 tot 30 min. Zorg ervoor dat als de ontwikkeling tijd niet genoeg is, het leidt tot onvoldoende opening van de mesh vides ontwikkelen. Dompel het substraat met jig in IPA en spoel gedurende 2 minuten.Opmerking: Als het oppervlak van SU-8 blijkbaar wit en modderige is, geeft het aan dat ontwikkeling ontoereikend is. In dat geval Herhaal ontwikkeling en weer spoelen. Na volledige ontwikkeling, een mesh structuur ontstaat, zoals in Figuur 3 c. Structuur vrijlating uit het glas-substraat Giet 150 mL tolueen oplossing in een bekerglas van 500 mL glas. Dek het bekerglas af met aluminiumfolie omdat tolueen eenvoudig is te verdampen bij kamertemperatuur. Dompel het substraat in tolueen oplossing voor ongeveer 3-4 h. Zorg ervoor dat de opofferende laag van acryl hars is geëtst en de structuur van de SU-8 met de mesh structuur wordt vrijgelaten uit de ondergrond, zoals weergegeven in figuur 3d. Blazen lucht aan de ondergrond en vocht te verwijderen. Bewaar het in een exsiccator totdat het wordt gebruikt in stap 4.3. 2. voorbereiding van de piëzo-elektrische film Bereiden een PVDF-blad. Ook bereiden een cutter mes met een roestvast stalen mes en de snijmat. Knip het blad PVDF aan de vorm van het apparaat met een 360 mm2 vel (10 mm x 30 mm voor cantilever en 6 mm x 10 mm voor de elektrische aansluiting), zoals aangegeven in Figuur 3a. Plaats de gesneden PVDF-films op een petrischaal met een Wisser van cellulose. Opslaan in een exsiccator. 3. voorbereiding van de ondergrond voor het verlijmen van mesh structuur en piëzo-elektrische film Giet 10 mL van de belangrijkste agent PDMS en 1 mL genezen van agent in een centrifugebuis (dat wil zeggen, de geschatte volumeverhouding is 10:1). Instellen van de centrifugebuis in een planetaire roeren en defoaming van de machine en meng beide oplossingen voor 1 min. Bereiden twee 30 x 40 mm glazen substraten. Het glas-substraat aangezet met een fixing stadium in de zaal van de rotatie-coater. Drop PDMS oplossing op het glas-substraat. Dan, vormen de PDMS film door spin coating bij 4000 omwentelingen per minuut, zoals weergegeven in figuur 3e. Bak het substraat op een hete plaat bij 100 ° C gedurende 60 minuten drogen de PDMS film. Schakel de stroom van de verwarmingsplaat. Wacht totdat de temperatuur van de hete plaat tot ongeveer 40 ° C. daalt 4. de fabricage van bimorph trillingen energie harvester Plaats de gesneden PVDF films één voor één op twee verschillende PDMS ondergronden, zoals afgebeeld in figuur 3f. Zorgen dat gewoon door het plaatsen van PVDF films op het oppervlak van PDMS, ze voldoen aan elkaar. Als rimpels op de PVDF-films gezien zijn, te breiden met een roller.Opmerking: Deze twee films van de PVDF heten PVDF flm1 en PVDF flm2, en de twee PDMS substraten zijn PDMS sbs1 en PDMS sbs2, voor alle duidelijkheid. SU-8 3005 op de PVDF flm1 geplaatst op PDMS sbs1neerzetten. Dan, vormen de dunne film van SU-8 door spin coating bij 4000 rpm zoals aangegeven in Figuur 3 g.Opmerking: Deze dunne film van SU-8 wordt een laag wrijvingscoëfficiënt tussen de mesh-structuur en de PVDF flm1. De plaats waar de SU-8-3005 niet viel wordt gebruikt voor bedrading om elektrische macht te verkrijgen. Plaats de SU-8 mesh structuur op de PVDF flm1 en obligatie hen zoals afgebeeld in Figuur 3 h. SU-8 3005 op de PVDF flm2 geplaatst op PDMS sbs2neerzetten. Dan, vormen de dunne film van SU-8 door spin coating op 4.000 toeren per minuut op dezelfde manier als stap 4.2. Afschilferen van PVDF flm2 van PDMS sbs2 en plaats op de top van de SU-8 mesh structuur gebrachte PVDF flm1, hen vast te houden zoals in figuur 3i, j’ai flanqué. Bewaar het apparaat met de gekleefde staat in een container met lage luchtvochtigheid zoals exsiccator. Laat het gedurende ongeveer 12 uur. Uitgesteld de pincet in de onderzijde van de onderste laag PVDF flm1 en peel gekleefde 3 lagen PVDF flm1, SU-8 mesh structuur en PVDF flm2 gelijktijdig van het substraat, zoals aangegeven in Figuur 3 k.

Representative Results

Wij verzonnen een bimorph-achtige VEH bestaat uit twee lagen van PVDF films en een intermediaire laag bestaat uit een SU-8 mesh structuur, zoals weergegeven in Figuur 4. De elektroden van de bovenste en onderste PVDF zijn aangesloten in serie te verkrijgen van de uitgangsspanning. Het optische beeld en de twee beelden van de SEM zijn elastische lagen met een mesh structuur. Volgens de beelden lijkt de elastische laag verwerkt door de achterkant geneigd blootstelling te hebben fijne 3D mesh patronen zonder ontwikkeling mislukking. Figuur 5 toont de resultaten van de tests van de trillingen. In de tests van de trillingen, twee VEHs — een met een ingeschakelde kern en de andere met een structuur van solid-core — als de elastische laag worden geëvalueerd om te controleren of de geldigheid van mazen-kern-type VEH. De VEHs zijn ingesteld voor een trilling shaker en opgewekt met een vibratie versnelling van 1.96 m/s2 (0.2 G). Zowel de mazen-kern-type en solid-kern-type VEHs toonde sinusvormige uitvoer gesynchroniseerd met een sinusvormige input. De mazen-kern-type VEH tentoongesteld een uitgangsspanning 42,6% hoger dan het type solid-core VEH. Figuur 5b ziet u de frequentierespons van het maximale vermogen. De mazen-kern-type VEH tentoongesteld een resonantiefrequentie van 18,7 Hz, die 15,8% lager ligt dan de VEH solid-kern-type, en een uitgangsvermogen van 24.6 μW, oftewel 68,5% hoger dan de solid-kern-type VEH. Figuur 1: Photomask lay-out voor fotolithografie te fabriceren elastische laag met een 3D-structuur van de mazen-core. De photomask bestaat uit twee delen. Een is het gebied voor het klemmen, en anderzijds de lijn en ruimte patronen voor de patronen van de mesh-structuur bevat. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 2: Set-up voor geneigd blootstelling. UV-licht wordt verticaal blootgesteld aan het geneigd substraat met een Cr-patroon op hoek aanpassing tafel geplaatst. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 3: schematische van een voorgestelde piëzo-elektrische trillingen energie aardappelrooier met een 3D-structuur van de mazen-core en het fabricageproces van de rooier. De productie-procédé kan worden onderverdeeld in 3 secties: (een)-(d) vertegenwoordigen het fabricageproces van de 3D mesh structuur, (e)-(g) vertegenwoordigen de voorbereiding van de PVDF-film op een glazen substraat, en (h)-(-j ) vertegenwoordigen het proces van de binding te vormen van een bimorph-cantilever. (Deze cijfers zijn gepubliceerd onder goud Open Access, Creative Commons licentie en zijn gewijzigd van [21].) Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 4: (a) foto van de gefabriceerde bimorph mazen-core trillingen energie harvester, (b) transversale optische beeld van de 3D structuur van de mazen-core (c) en (d) SEM beelden van SU-8 mazen-core elastische laag. (Deze cijfers zijn gepubliceerd onder goud Open Access, Creative Commons licentie en zijn gewijzigd van [21].) Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 5: (a) sinusvormige uitgangsspanning van belasting weerstand onder elke voorwaarde van resonantie (mazen-core 18,7 Hz, solid-core 22.2 Hz) en (b) Maximum uitgangsvermogen als functie van de frequentie van de trillingen onder optimale belasting weerstand (17 mazen-core MΩ, solid-core 13 MΩ) en 0.2 G versnelling. (Deze cijfers zijn gepubliceerd onder goud Open Access, Creative Commons licentie en zijn gewijzigd van [21].) Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussion

De succesvolle productie van de 3D mesh structuur en de voorgestelde bimorph VEH hierboven beschreven is gebaseerd op vier kritische en onderscheidende stappen.

De eerste kritieke stap wordt verwerkt met behulp van de achterzijde geneigd blootstelling. In principe is het mogelijk om het fabriceren van een mesh structuur door geneigd blootstelling ten gevolge van de hogere oppervlakte met behulp van de contact litho-techniek. Echter, achterkant blootstelling presenteert een meer accurate verwerking precisie dan contact lithografie en gebreken tijdens de ontwikkeling zijn minder kans op het optreden van28,29. Dit is omdat de kloof tussen de photomask en de fotoresist kan ontstaan als gevolg van de waviness van het oppervlak fotoresist. Vandaar, lichte diffractie optreedt en verwerking van precisie is verlaagd wegens de tijdspanne. Daarom in deze studie verzonnen wij een mesh-structuur met behulp van de achterzijde geneigd blootstelling methode. Bovendien, is de gemeten waarde van de structurele hoek van de gefabriceerde mesh structuur ongeveer 65°, met enkel een fout van 1% ten opzichte van de ontworpen waarde van 64 °. Uit het resultaat concluderen we dat er passende de achterkant geneigd blootstelling methode om de mesh structuur toe te passen.

De tweede belangrijke stap is het ontwikkelingsproces van SU-8. Als een ontwikkelingsland defect treedt op, de mesh structuur verliest inherente flexibiliteit. Ontwikkeling van de dikke SU-8 film, wordt gewoonlijk 10-15 min gebruikt. Ditmaal ontwikkelen is echter onvoldoende is voor de ontwikkeling van de structuur van een 3D-net. De 3D mesh structuur verschilt van het 2D patroon vervaardigd door fotolithografie omdat er veel interne leegtes in het membraan. Als de ontwikkeling tijd kort is, ontwikkeling niet verder naar het binnenland van de mesh-structuur, patronen mislukt. Dat is waarom het noodzakelijk is te passen een relatief lange ontwikkeltijd, 20-30 min32. Als fijnere patronen nodig zijn, wellicht zelfs meer ontwikkeling tijd nodig. We moeten echter op dat moment, overwegen de zwelling veroorzaakt door lange ontwikkeling tijd33.

Vervolgens wordt is de methode voor het exploiteren van een substraat PDMS-gevormd in het proces van de hechting van PVDF film en SU-8 mesh structuur uniek. Het spin coating mogelijk maakt en, dientengevolge, PVDF en SU-8 kan worden gemakkelijk aangehouden met behulp van een spin beklede SU-8 dunne lijmlaag. PVDF en SU-8 kan worden gebonden, zelfs met behulp van een commercieel beschikbare instant lijm. Echter verhardt het zelfklevend materiaal nadat de lijm is gestold. Bovendien is het moeilijk om te vormen van een dunne film met de instant lijm. Als de dikte van de instant lijm groter is, zal het verhogen van de stijfheid van het hele apparaat. Een toename van de stijfheid leidt tot een toename in de resonantiefrequentie (dat wil zeggen, het verhindert de resonantiefrequentie, die het belangrijkste doel van deze studie is te verlagen). Aan de andere kant, met behulp van de SU-8 dunne film gevormd door spin coating, zoals een laag wrijvingscoëfficiënt sterk niet de verhoging in stevigheid beïnvloedt omdat de gevormde SU-8 film dun is. Bovendien, als de mesh structuur is gemaakt van SU-8, is het mogelijk de zelfklevende om sterkte te verhogen met behulp van hetzelfde materiaal voor de hechting laag. Dat is de reden waarom de SU-8 hechting heeft genoeg adhesieve kracht obligatie een SU-8 mesh structuur en PVDF films. Bovendien, vanuit het oogpunt van de reproduceerbaarheid van het apparaat, het nuttig zou zijn de dunne film van SU-8 te gebruiken als een laag wrijvingscoëfficiënt, zoals een constante laagdikte kan worden gerealiseerd door spin coating film vorming.

Ten vierde, de methode van de coating van SU-8 is onderscheidend. Wij hebben een spray gelaagde coating methode voor de SU-8 dikke film geselecteerd. Hoewel het mogelijk is om te vormen van een dikke film door spin coating, grote oppervlakte waviness treedt op, en het is moeilijk de film uniform jas34. Aan de andere kant, de methode van de spray-multi coating vermindert de waviness en onderdrukt de fout met de dikte van de film in het substraat34. In het bijzonder moet aandacht worden gegeven aan grote waviness, omdat zodra de dikte van de 3D mesh structuur niet-uniforme, de kenmerken van de trillingen en de starheid van het apparaat is veranderd door de verhoogde of verminderde gedeeltelijk dikte.

In principe als fotolithografie maakt gebruik van UV-licht, zijn de fabricable shapes beperkt. Het is waar dat we complexe structuren zoals de structuur van een 3D-net met behulp van geneigd blootstelling kan fabriceren. Willekeurige vormen zoals een driedimensionale structuur met een gebogen vorm in de dikte richting van film zijn echter moeilijk te35,–36vormen. De 3D printen willekeurige driedimensionale vormen kan produceren, en het ontwerp is flexibel. Echter de doorvoer van de fabricage is laag, en de precisie van de verwerking en de massaproductie zijn inferieur aan fotolithografie. Het is dus niet geschikt voor het fabriceren van structuren met fijne patronen in een korte tijd. Bovendien, verwerking van 3D CAD gegevens noodzakelijk is, en het kost tijd om het 3D-model te maken. Aan de andere kant, in het geval van fotolithografie, vooral in de methode geneigd blootstelling, de CAD-gegevens die nodig zijn voor de photomask is twee-dimensionale, en het ontwerp is relatief eenvoudig. Bijvoorbeeld, is het georiënteerd ontwerp voor de structuur van een 3D-net gewoon de 2D-lijn en de ruimte patronen, zoals afgebeeld in Figuur 3. Gezien deze feiten, in dit onderzoek, benut we de 3D litho-techniek voor de ontwikkeling van een flexibele 3D mesh structuur.

In deze studie, wij verzonnen een flexibele 3D mesh structuur en toegepast op de elastische laag van een bimorph cantilever type VEH met het oog op de resonantiefrequentie te verlagen en toenemende uitgangsvermogen. Aangezien de voorgestelde methode handig is in de resonantiefrequentie te verlagen, is het zinvol voor trillingen energie harvester gericht voor laagfrequente toepassing zoals draagbare apparaten, bewaking van sensoren voor openbare gebouwen en brug, huis toestellen, enz. Verdere verbetering van de uitgangsvermogen zou worden verwacht door het combineren van de trapeziumvormige shape, driehoek vorm en dikte optimalisering die eerder in andere papieren37,38,39wordt voorgesteld.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door JSPS Science Research Grant JP17H03196, JST PRESTO Grant nummer JPMJPR15R3. De steun van MEXT nanotechnologie Platform Project (de Universiteit van Tokio Microfabrication Platform) aan de fabricage van photomask zit zeerst zich opwaarderen.

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