In questo studio, abbiamo fabbricato una struttura flessibile mesh 3D e applicandolo allo strato elastico di una mietitrice di energia bimorph a sbalzo-tipo vibrazioni allo scopo di abbassamento della frequenza di risonanza e aumentare la potenza di uscita.
In questo studio, abbiamo fabbricato una struttura flessibile in mesh 3D con i periodici vuoti utilizzando un metodo di Litografia 3D e applicarlo a una mietitrice di energia di vibrazione alla frequenza di risonanza inferiore e aumentare la potenza di uscita. Il processo di fabbricazione è principalmente diviso in due parti: fotolitografia tridimensionale per l’elaborazione di una struttura di mesh 3D e un processo di incollaggio delle pellicole piezoelettrici e la struttura della maglia. Con la struttura a maglia flessibile fabbricato, abbiamo raggiunto la riduzione della frequenza di risonanza e miglioramento della potenza di uscita, allo stesso tempo. Dai risultati delle prove di vibrazione, la mietitrice di energia di vibrazione tipo di nucleo a maglie (VEH) ha esibito il 42,6% tensione di uscita superiore rispetto il VEH solid-core-type. Inoltre, il tipo di nucleo a maglie VEH fruttato 18,7 Hz di frequenza di risonanza, 15,8% inferiore il VEH solid-core-type e 24,6 μW di potenza di uscita, 68,5% superiore il VEH solid-core-tipo. Il vantaggio del metodo proposto è che una struttura complessa e flessibile con i vuoti in tre dimensioni può essere fabbricata relativamente facilmente in breve tempo con il metodo di esposizione inclinato. Come è possibile ridurre la frequenza di risonanza del VEH dalla struttura a maglia, utilizzare in applicazioni a bassa frequenza, ad esempio dispositivi indossabili ed elettrodomestici, può essere previsto in futuro.
Negli ultimi anni, VEHs hanno attirato molta attenzione come un’alimentazione elettrica di nodi di sensori per l’implementazione di reti di sensori wireless e Internet of Things (IoT) applicazioni1,2,3,4, 5,6,7,8. Tra i diversi tipi di conversione di energia in VEHs, conversione di tipo piezoelettrico presenta tensione di uscita elevata. Questo tipo di conversione è anche adatto per la miniaturizzazione a causa della sua alta affinità con la tecnologia di microlavorazione. A causa di queste caratteristiche attraenti, sono stati sviluppati molti VEHs piezoelettrico utilizzando materiali ceramici piezoelettrici e polimero organico materiali9,10,11,12, 13.
In ceramica VEHs, VEHs di tipo a mensola utilizzando materiale piezoelettrico ad alte prestazioni PZT (piombo zirconato titanato) sono ampiamente segnalato14,15,16,17,18e il VEHs spesso usano risonanza per ottenere la generazione di energia ad alta efficienza. In generale, come la frequenza di risonanza aumenta con la miniaturizzazione della dimensione del dispositivo, è difficile da raggiungere la miniaturizzazione e bassa risonanza frequenza contemporaneamente. Così, anche se PZT ha prestazioni high-power-generazione, è difficile sviluppare dispositivi basati su PZT piccole che lavorano in una band di bassa frequenza senza elaborazione speciale, ad esempio nanonastro assembly19,20, perché PZT è un materiale ad alta rigidità. Purtroppo, nostre vibrazioni circostanti quali elettrodomestici, movimento umano, edifici e ponti sono principalmente alle basse frequenze, a meno di 30 Hz21,22,23. Pertanto, VEHs con il rendimento di generazione high-power a basse frequenze e di piccole dimensioni sono ideali per le applicazioni di bassa frequenza.
Il modo più semplice per ridurre la frequenza di risonanza è quello di aumentare il peso totale della punta del cantilever. Come associare un materiale ad alta densità per la punta è tutto ciò che è richiesto, il montaggio è semplice e facile. Tuttavia, la massa è più pesante, il dispositivo diventa più fragile. Un altro modo per abbassare la frequenza è di allungare le a sbalzo24,25. Nel metodo, la distanza dall’estremità fissa all’estremità libera è esteso da una forma bidimensionale serpeggiava. Il substrato di silicio è inciso usando un tecnica di fabbricazione di semiconduttori per fabbricare una struttura serpeggiava. Anche se il metodo è efficace per abbassare la frequenza di risonanza, l’area del materiale piezoelettrico diminuisce e, pertanto, diminuisce la potenza ottenibile. Inoltre, c’è uno svantaggio che la vicinanza dell’estremità fissa è fragile. Per quanto riguarda alcuni dispositivi di polimero, come la bassa frequenza VEH, polimero piezoelettrico flessibile PVDF è usato spesso. Come PVDF è solitamente rivestito da un metodo di rivestimento per rotazione e il film è sottile, la frequenza di risonanza può essere ridotto a causa della bassa rigidità26,27. Anche se lo spessore del film è controllabile nella gamma di sub-micron per alcuni micron, la potenza di uscita raggiungibile è piccola a causa dello spessore sottile. Pertanto, anche se la frequenza può essere ridotta, abbiamo non possiamo ottenere la generazione di energia sufficiente, e così, è difficile applicazione pratica.
Qui, vi proponiamo un bimorph-tipo piezoelettrico a sbalzo (costituito da due strati di strati piezoelettrici ed uno strato di strato elastico) con due fogli di polimeri piezoelettrici flessibili, che sono già stati sottoposti a trattamento per il miglioramento di stretching di caratteristiche piezoelettriche. Inoltre, adottiamo una struttura flessibile mesh 3D nello strato elastico del cantilever bimorph per ridurre la frequenza di risonanza e migliorare contemporaneamente il potere. Fabbrichiamo la struttura mesh 3D utilizzando il retro inclinato esposizione metodo28,29 , perché è possibile fabbricare multa modelli con alta precisione in tempi brevi. Anche se la stampa 3D è anche un candidato per fabbricare struttura mesh 3D, la produttività è bassa, e la stampante 3D è inferiore a fotolitografia nelle lavorazioni meccaniche di precisione30,31. Pertanto, in questo studio, il metodo di esposizione posteriore inclinato è adottato come metodo per microlavorazioni 3D struttura a maglia.
La fabbricazione di successo della struttura mesh 3D e il bimorph proposto VEH descritto sopra si basa su quattro passaggi critici e distintivi.
Il primo passaggio fondamentale è l’elaborazione utilizzando l’esposizione posteriore inclinato. In linea di principio, è possibile fabbricare una struttura reticolare di esposizione inclinato dalla superficie superiore usando la tecnica della litografia contatto. Tuttavia, l’esposizione posteriore presenta una precisione di lavorazione più accurata rispetto a contatto Litografia e difetti durante lo sviluppo hanno meno probabili di verificarsi28,29. Questo è perché il gap tra la fotomaschera e il photoresist potrebbe derivare dall’ondulazione della superficie del photoresist. Quindi, diffrazione della luce si verifica e l’elaborazione di precisione è abbassata a causa del divario. Pertanto, in questo studio, abbiamo fabbricato una struttura reticolare utilizzando il metodo di esposizione posteriore inclinato. Inoltre, il valore misurato dell’angolo strutturale della struttura della maglia fabbricato è circa 65°, con appena un errore dell’1% rispetto il valore progettato di 64 °. Dal risultato, concludiamo che è opportuno applicare il metodo di esposizione posteriore inclinato per realizzare la struttura della maglia.
Il secondo passaggio critico è il processo di sviluppo di SU-8. Se lo sviluppo di un difetto si verifica, la struttura a maglia perde flessibilità intrinseca. Per sviluppare la pellicola spessa SU-8, in genere 10-15 min viene utilizzato. Tuttavia, questa volta in via di sviluppo è insufficiente per lo sviluppo di una struttura di mesh 3D. La struttura di mesh 3D differisce dal modello 2D fabbricato di fotolitografia, perché ha molti vuoti interni all’interno della membrana. Se il tempo di sviluppo è breve, sviluppo non progredisce verso l’interno della struttura della maglia, causando il fallimento di campitura. Vale a dire perché, è necessario applicare un relativamente lungo tempo di sviluppo, 20-30 min32. Se modelli più sottili sono necessari, in via di sviluppo ancora più a lungo tempo può essere necessario. Tuttavia, a quel tempo, dobbiamo considerare il gonfiore causato da lungo sviluppo tempo33.
Successivamente, il metodo di sfruttare un substrato PDMS-formata nel processo di incollaggio della pellicola di PVDF e struttura a maglia SU-8 è unico. Rende possibile la spin-coating e, di conseguenza, PVDF e SU-8 possono essere facilmente rispettati utilizzando un spin-rivestito SU-8 sottile strato adesivo. PVDF e SU-8 può essere legato, anche utilizzando una colla istantanea disponibile in commercio. Tuttavia, il materiale adesivo si indurisce dopo l’adesivo è solidificato. Inoltre, è difficile formare una pellicola sottile con la colla istantanea. Se lo spessore della colla istantanea è più grande, aumenterà la rigidità dell’intero apparecchio. Un aumento della rigidità conduce ad un aumento della frequenza di risonanza (cioè, previene abbassando la frequenza di risonanza, che è lo scopo principale di questo studio). D’altra parte, con il film sottile di SU-8 formato da spin-coating come uno strato di adesione non influenzare notevolmente l’aumento in rigidità perché il film di SU-8 formato è sottile. Inoltre, mentre la struttura della maglia è fatta di SU-8, è possibile aumentare la forza adesiva utilizzando lo stesso materiale per lo strato di adesione. Ecco perché l’adesione SU-8 ha abbastanza resistenza adesiva per legare una struttura a maglia SU-8 e pellicole PVDF. Inoltre, dall’aspetto di riproducibilità del dispositivo, sarebbe utile usare il film sottile SU-8 come un livello di adesione, come una costante spessore può essere realizzata da spin filmazione del rivestimento.
In quarto luogo, il metodo di rivestimento di SU-8 è distintivo. Abbiamo selezionato un metodo di rivestimento multistrato di spray per la pellicola spessa SU-8. Anche se è possibile formare una pellicola spessa da spin-coating, grande superficie ondulazione si verifica, ed è difficile ricoprire uniformemente il film34. D’altra parte, utilizzando il metodo multi-rivestimento spray riduce l’ondulazione e sopprime l’errore dello spessore di film nel substrato34. In particolare, attenzione deve essere dato a grande ondulazione perché quando lo spessore della struttura mesh 3D diventa non uniforme, le caratteristiche di vibrazione e la rigidità del dispositivo viene modificato dallo spessore parzialmente aumentato o diminuito.
In linea di principio, come fotolitografia utilizza la luce UV, le forme fabbricabili sono limitate. È vero che possiamo fabbricare strutture complesse come una struttura mesh 3D utilizzando l’esposizione inclinato. Tuttavia, forme arbitrarie come una struttura tridimensionale con una forma curva in direzione di spessore di pellicola sono difficili da formare35,36. La stampa 3D in grado di produrre forme tridimensionali arbitrarie, e il design è flessibile. Tuttavia, la velocità effettiva di fabbricazione è bassa, e la precisione di lavorazione e produzione di massa sono inferiori a fotolitografia. Così, non è adatto per la realizzazione di strutture con multa modelli in tempi brevi. Inoltre, l’elaborazione di dati CAD 3D è necessario, e ci vuole tempo per creare il modello 3D. D’altra parte, nel caso di fotolitografia, soprattutto nel metodo inclinato esposizione, i dati CAD per strato di fotoresist sono bidimensionali e il disegno è relativamente facile. Ad esempio, il design orientato per una struttura di mesh 3D è solo le linee 2D e i modelli di spazio, come mostrato nella Figura 3. Considerando questi fatti, in questa ricerca, abbiamo sfruttato la tecnica della litografia 3D per sviluppare una struttura flessibile mesh 3D.
In questo studio, abbiamo fabbricato una struttura flessibile mesh 3D e applicandolo allo strato elastico di un tipo a mensola bimorph VEH ai fini della frequenza di risonanza di abbassamento e crescente potenza di uscita. Poiché il metodo proposto è utile nel ridurre la frequenza di risonanza, sarà utile per la mietitrice di vibrazione energetica mirati per applicazione a bassa frequenza come dispositivi indossabili, monitoraggio sensori per edifici pubblici e ponte, elettrodomestici, ecc. Ulteriore miglioramento della potenza di uscita dovrebbe combinando la forma trapezoidale, forma di triangolo e l’ottimizzazione di spessore che viene proposto in precedenza in altri documenti37,38,39.
The authors have nothing to disclose.
Questa ricerca è stata parzialmente supportata da JSP Science Research Grant JP17H03196, JST PRESTO Grant numero JPMJPR15R3. Il supporto da MEXT nanotecnologia piattaforma Project (The University of Tokyo microfabbricazione piattaforma) per la fabbricazione di fotomaschere è molto apprezzato.
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 |