Bu çalışmada biz esnek 3B Kafes yapısı fabrikasyon ve rezonans frekansı düşürücü ve çıkış gücü artırmak amacıyla bir bimorph konsol tipi titreşim enerji hasat elastik tabakası uygulanır.
Bu çalışmada, bir 3D Taş baskı yöntemiyle ve rezonans frekansını düşür ve çıkış gücü artırmak için titreşim enerji hasat uygulayarak esnek 3B Kafes yapısı periyodik boşlukları ile fabrikasyon. İmalat süreci esas olarak iki bölüme ayrılır: bir 3B Kafes yapısı ve yapıştırma işlemi piezoelektrik filmlerin ve kafes yapısı işlemek için üç boyutlu fotolitografi. Fabrikasyon esnek kafes yapısı ile biz aynı anda rezonans frekansı azalma ve çıkış gücü, iyileşme elde. Titreşim Test sonuçlarından, meshed çekirdek tipi titreşim enerji hasat (olsun) %42.6 daha yüksek çıkış voltajı daha katı çekirdek türü VEH sergiledi. Buna ek olarak, meshed çekirdek türü VEH rezonans frekansı, % 15,8 katı çekirdek türü VEH düşük 18.7 Hz ve çıkış gücü, %68.5 katı çekirdek türü olsun yüksek 24.6 μW vermiştir. Önerilen yöntem boşlukları üç boyutlu karmaşık ve esnek yapısıyla nispeten kolayca kısa sürede eğimli pozlama yöntemi tarafından sahte olduğu ki avantajdır. Kafes yapısı tarafından olsun, rezonans frekansını düşür, gibi taşınabilir aygıtlar ve ev aletleri, düşük frekans uygulamalarında kullanmak mümkün olduğu kadar gelecekte beklenebilir.
Son yıllarda, VEHs kablosuz algılayıcı ağlar ve Internet of Things (çok) uygulamaları1,2,3,4uygulanması için sensör düğümlerinin bir elektrik güç kaynağı olarak çok dikkat çektiği, 5,6,7,8. VEHs enerji dönüşüm çeşitli türleri arasında piezoelektrik türü dönüştürme yüksek çıkış voltajı sunar. Bu tür bir dönüşüm de mikro işleme teknolojisi ile yüksek onun ilgi nedeniyle küçültme için uygundur. Bu çekici özellikler nedeniyle, piezoelektrik seramik malzemeler ve organik polimer malzemeler9,10,11,12kullanarak birçok piezoelektrik VEHs geliştirilmiştir, 13.
14,15,16,17,18ve VEHs yüksek performanslı piezoelektrik malzeme PZT (kurşun titanate zirconate) çoğu yaygın olarak kullanarak konsol tipi VEHs seramik VEHs içinde rapor sık sık rezonans yüksek verimli enerji üretimi elde etmek için kullanın. Genel olarak, aygıt boyutu küçültme ile rezonans frekansı arttıkça, minyatür ve düşük rezonans frekansı aynı anda elde etmek zordur. PZT yüksek power nesil performans vardır, böylece, çünkü nanoribbon derlemeler19,20, gibi özel bir işlem olmadan düşük frekans bandında çalışan küçük ölçekli PZT tabanlı aygıtlar geliştirmek için zor olsa da PZT yüksek sertlik malzemedir. Ne yazık ki, ev aletleri, hareket insan, binalar ve köprüler gibi çevreleyen bizim titreşimler ağırlıklı olarak düşük frekanslar, 30 Hz21,22,23daha az altındadır. Bu nedenle, VEHs yüksek power nesil verimliliğini düşük frekansları ve küçük boyutu ile düşük frekans uygulamaları için idealdir.
Konsol ucu kitle ağırlığını artırmak için rezonans frekansını düşür için en kolay yoludur. Yüksek yoğunluklu bir malzeme için belgili tanımlık uç takılması olarak tüm bu gereklidir, fabrikasyon basit ve kolay olduğunu. Ancak, bu ağır kitle, aygıt daha kırılgan hale gelir. Frekans düşürücü başka bir konsol24,25uzatmak için yoludur. Yönteminde sabit sonundan itibaren mesafe ücretsiz sonuna iki boyutlu meandered şekle göre genişletilir. Silikon substrat meandered bir yapı imal etmek bir yarı iletken üretim tekniği kullanarak kazınmış. Yöntem rezonans frekansı düşürülmesi için etkili olmasına rağmen piezoelektrik malzeme alan azalır ve böylece, elde edilebilecek çıkış gücü azalır. Buna ek olarak, sabit bitiş çevresinde kırılgan bir dezavantaj vardır. Düşük frekanslı VEH gibi bazı polimer aygıtları ile ilgili esnek piezoelektrik polimer PVDF kez kullanılır. PVDF genellikle bir spin-kaplama yöntemi ile kaplanır ve film ince gibi rezonans frekansı nedeniyle düşük sertlik26,27azaltılabilir. Film kalınlığı birkaç mikron için alt mikron aralığındaki kontrol edilebilir olsa da, ulaşılabilir çıkış gücü nedeniyle ince kalınlık küçüktür. Bu nedenle, sıklığı azalır bile, yeterli enerji üretimi elde edemiyor ve bu yüzden, pratik uygulama zordur.
Burada, biz (piezoelektrik katmanları ve elastik tabakanın bir katman iki katmandan oluşan) bir bimorph tipi piezoelektrik prensibine göre zaten arıtma iyileştirilmesi için germe için tabi tutulmuş iki esnek piezoelektrik polimer yaprak ile teklif piezoelektrik özellikleri. Ayrıca, bir esnek 3B Kafes yapısı rezonans frekansı azaltmak ve güç aynı anda geliştirmek bimorph konsol elastik tabakası içinde evlat edinmek. 3B Kafes yapısı kısa sürede yüksek hassasiyetle iyi kalıpları imal etmek mümkündür çünkü eğimli arka pozlama yöntemi28,29 kullanarak imal. 3D baskı da 3B Kafes yapısı imal etmek bir aday olsa da, daha fazla işlem hacmi düşük olup doğruluk30,31işleme içinde fotolitografi daha aşağı 3D yazıcıdır. Bu nedenle, bu çalışmada, eğimli arka pozlama yöntemi için mikro işleme 3B Kafes yapısı yöntemi olarak kabul edilir.
3B Kafes yapısı ve VEH yukarıda açıklanan dört kritik ve farklı basamaklarında dayanmaktadır önerilen bimorph başarılı imalatı.
İlk kritik adım eğimli arka pozlama kullanarak işleme. Prensip olarak, bir kafes yapısı iletişim litografi tekniği kullanarak üst yüzeyinden eğimli maruz imal etmek mümkündür. Ancak, arka pozlama kişi litografi daha doğru işleme duyarlık sunar ve geliştirme sırasında kusurları28,29ortaya olasılığı daha düşüktür. Bunun nedeni photomask ve fotorezist arasındaki boşluğu fotorezist yüzeyinde waviness nedeniyle ortaya çıkabilecek. Bu nedenle, hafif kırınım oluşur ve hassas işleme boşluk nedeniyle indirilir. Bu nedenle, bu çalışmada, biz bir kafes yapısı eğimli arka pozlama yöntemi kullanılarak imal edilmiştir. Buna ek olarak, ölçülen fabrikasyon kafes yapısı yapısal açısı ile sadece % 1 hata 64 ° tasarlanmış değeri ile karşılaştırıldığında yaklaşık 65 ° değeridir. Sonuç, kafes yapısı imal etmek eğimli arka pozlama yöntemi uygulamak uygun olduğu sonucuna varıldı.
İkinci önemli adım SU-8 geliştirme sürecidir. Bir geliştirme defekt oluşur, kafes yapısı doğal esneklik kaybeder. Kalın SU-8 filmi banyo için genellikle 10-15 dk kullanılır. Ancak, gelişmekte olan bu sefer bir 3B Kafes yapısı gelişimi için yeterli değil. Birçok iç boşlukları membran içinde olduğundan fotolitografi tarafından fabrikasyon 2D desen 3B Kafes yapısı farklıdır. Gelişen zaman kısa ise, geliştirme desenlendirme hatasına neden kafes yapısı iç ilerleme değil. Yani neden, nispeten uzun geliştirme zamanı, 20-30 dk32uygulamak gerekli. Daha hassas desenler gerekiyorsa, hatta artık gelişmekte olan saat gerekli olabilir. Ancak, o zaman, uzun geliştirme saat33tarafından neden şişme düşünmek zorundayız.
Daha sonra PDMS kurulan substrat PVDF film ve SU-8 kafes yapısı yapıştırma işleminde yararlanma yöntemi benzersizdir. Spin kaplama sağlar ve sonuç olarak, PVDF ve SU-8 kolayca spin kaplı SU-8 ince bir yapışkan tabaka kullanarak yapıştırılır. PVDF ve SU-8, hatta piyasada bulunan bir anlık tutkal kullanarak bağlı. Ancak, yapıştırıcı katılaşmış sonra yapışkan malzeme sertleşir. Ayrıca, anlık tutkal ile ince bir film oluşturmak zordur. Anlık yapıştırıcı kalınlığı büyükse, tüm cihaz sertlik artacaktır. Rijidite artışı rezonans frekansı bir artışa yol açar (yani, bu çalışmanın temel amacı rezonans frekansı düşürücü önler). Öte yandan, çünkü kurulan SU-8 film ince bir yapışma tabakası büyük ölçüde artış içinde sertlik etkilemez spin kaplama tarafından oluşmuştur SU-8 ince film kullanarak. Ayrıca, SU-8 Toplam: kafes yapısı yapılmış gibi yapışma katmanı için aynı malzeme kullanarak yapışkanlı gücünü artırmak mümkündür. Bu yüzden SU-8 yapışma bir SU-8 kafes yapısı ve PVDF filmleri bağ için yapıştırıcı yeterli güce sahip. Ayrıca, tekrarlanabilirlik cihazın açıdan sürekli film kalınlığı film yapma kabiliyeti kaplama spin tarafından fark edilebilir gibi bir yapışma katmanı gibi SU-8 ince film kullanmak yararlı olur.
Dördüncü olarak, kaplama SU-8 farklı yöntemidir. SU-8 kalın film için bir sprey çok katmanlı kaplama yöntemi seçtiniz. Spin kaplama tarafından kalın bir film oluşturmak mümkün olsa da, büyük yüzey dalgalılık oluşur ve bu film düzgün kat zordur34. Öte yandan, sprey çoklu kaplama yöntemi kullanarak dalgalılık azaltır ve substrat34film kalınlığı hatasını bastırır. Özellikle, dikkat 3B Kafes yapısı kalınlığı nonuniform olduğunda, titreşim özellikleri ve sertlik cihazın değişti çünkü tarafından kısmen artan veya azalan kalınlığı için büyük dalgalılık verilmesi gerekiyor.
Prensip olarak, UV ışık, fotolitografi kullanır gibi fabricable şekiller sınırlıdır. Biz meyilli pozlama kullanarak 3B Kafes yapısı gibi karmaşık yapılar imal doğrudur. Bununla birlikte, film kalınlığı yönde kavisli şekli ile üç boyutlu bir yapı gibi rasgele şekiller35,36oluşturmak zordur. 3D baskı rasgele üç boyutlu şekiller oluşturabilir ve tasarım esnektir. Ancak, fabrikasyon verim düşük olduğunu ve işleme hassas ve seri üretim için fotolitografi aşağı olan. Bu nedenle, yapılar kısa sürede iyi desenleri ile imalatı için uygun değildir. Buna ek olarak, 3D CAD veri işleme gereklidir ve 3D modelini oluşturmak için zaman alır. Öte yandan, fotolitografi, özellikle eğimli pozlama yöntemde, söz konusu olduğunda CAD veri photomask için gerekli iki boyutlu ve tasarım nispeten kolaydır. Örneğin, odaklı bir 3B Kafes yapısı sadece 2D çizgi ve alan desen, şekil 3‘ te gösterilen tasarımıdır. Bu araştırmada, bu gerçekleri göz önünde bulundurarak bir esnek 3B Kafes yapısı geliştirmek için 3D litografi tekniği kullandı.
Bu çalışmada biz esnek 3B Kafes yapısı fabrikasyon ve düşürücü rezonans frekansı ve artan çıkış gücü amacıyla bir bimorph konsol türü VEH elastik tabakası uygulanır. Önerilen yöntem rezonans frekansı düşürerek yararlı olduğu için Algılayıcılar, kamu binaları ve köprü, ev aletleri, vb için izleme titreşim enerji hasat hedef gibi taşınabilir aygıtlar, düşük frekans uygulaması için yararlı olacaktır. Çıkış gücü daha da geliştirilmesi yamuk şekli, üçgen şekli ve diğer kağıtlar37,38,39daha önce önerilen kalınlığı optimizasyonu birleştirerek beklenir.
The authors have nothing to disclose.
Bu araştırma kısmen JSP’ler bilim araştırma Grant JP17H03196 JST PRESTO Grant numarası JPMJPR15R3 tarafından desteklenmiştir. MEXT nanoteknoloji Platform Projesi (University of Tokyo Microfabrication platformu) destek photomask imalatı için büyük beğeni topluyor.
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 |