Name: a polymer-based piezoelectric vibration energy harvester with a 3d meshed-core structure
Uploaded: 2019-02-20T12:30:00
Duration: 9 min 51 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Polymer-based Piezoelectric Vibration Energy Harvester with a 3D Meshed-Core Structure at JoVE.com

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.

1. fabricage van de 3D mesh structuur
<ol><li>Reiniging van het glas-substraat<ol>
<li>Bereiden van 30 x 40 mm glazen substraten.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Draag beschermende bril en kleding voor veiligheid tijdens het gieten van de oplossingen.</li>
		<li>Stel een glas-substraat in een Teflon mal voor het reinigen. Vervolgens het onderdompelen in piranha oplossing voor 1 min.</li>
		<li>Spoel na 1 min onderdompeling in piranha-oplossing, de gewassen glas-substraat 2 - 3 keer met zuiver water (2 - 3 keer overloop).</li>
		<li>Verwijder de waterdruppels op het glas-substraat met lucht blazen.</li>
	</ol></li>
	<li>Patroon van de muziek van de Cr masker patroon voor blootstelling van de achterkant over een glazen substraat<ol>
<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Bak het substraat fotoresist beklede bij 115 ° C gedurende 1 minuut op een hete plaat om te drogen de weerstaan.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Dompel het substraat in 150 mL TMAH oplossing en ontwikkelen de fotoresist voor 30 s tot 1 min.</li>
		<li>Spoel het substraat met zuiver water.</li>
		<li>Dompel het substraat in het 150 mL chroom etsen oplossing en etch chroom voor ongeveer 1 tot 2 minuten.</li>
		<li>Spoel het substraat met zuiver water en verwijder waterdruppels met lucht blazen.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol></li>
	<li>Voorbereiding voor SU-8 coating<ol>
<li>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.</li>
		<li>Bakken op 100 ° C gedurende 10 minuten.</li>
	</ol></li>
	<li>SU-8 spray coating<ol>
<li>Start van de spray-coater en giet aceton oplossing in de spuit voor het reinigen.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Het substraat aangezet een bijgevoegde plaat in een spray-coater.</li>
		<li>Bedek het substraat met een dekking van de rand om te voorkomen dat de rand kraal.</li>
		<li>Giet de negatieve fotoresist SU-8 3005 in de spuit.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Bakken op een hete plaat bij 95 ° C gedurende 60 min.</li>
		<li>Meet de dikte van 10 lagen door micrometer. Dan, bereken de dikte per laag.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Laat het substraat staan voor 5 min na de gelaagde spray coating.</li>
		<li>Bakken op een hete plaat bij 95 ° C gedurende 240 min.</li>
		<li>Laat de SU-8 gecoat substraat op een hete plaat voor 60 min en vervolgens langzaam afkoelen tot kamertemperatuur.</li>
	</ol></li>
	<li>3D mesh structuur vormen<ol>
<li>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.</li>
		<li>De rand van het substraat met tape vast.</li>
		<li>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.</li>
		<li>De hoek aanpassing tabel plaatsen onder de UV-lichtbron.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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</li>
		<li>Schakel de stroom van de verwarmingsplaat. Wacht totdat de temperatuur van de hete plaat tot ongeveer 40 ° C. daalt</li>
		<li>Giet 150 mL SU-8 ontwikkelaar in een bekerglas van 500 mL glas. Het substraat in een Teflon mal voor het ontwikkelen van instellen.</li>
		<li>Giet 150 mL isopropanol (IPA) in een bekerglas van 500 mL glas.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol></li>
	<li>Structuur vrijlating uit het glas-substraat<ol>
<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Blazen lucht aan de ondergrond en vocht te verwijderen. Bewaar het in een exsiccator totdat het wordt gebruikt in stap 4.3.</li>
	</ol></li>
</ol>2. voorbereiding van de piëzo-elektrische film
<ol><li>Bereiden een PVDF-blad. Ook bereiden een cutter mes met een roestvast stalen mes en de snijmat.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Plaats de gesneden PVDF-films op een petrischaal met een Wisser van cellulose. Opslaan in een exsiccator.</li>
</ol>3. voorbereiding van de ondergrond voor het verlijmen van mesh structuur en piëzo-elektrische film
<ol><li>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).</li>
	<li>Instellen van de centrifugebuis in een planetaire roeren en defoaming van de machine en meng beide oplossingen voor 1 min.</li>
	<li>Bereiden twee 30 x 40 mm glazen substraten.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Bak het substraat op een hete plaat bij 100 ° C gedurende 60 minuten drogen de PDMS film.</li>
	<li>Schakel de stroom van de verwarmingsplaat. Wacht totdat de temperatuur van de hete plaat tot ongeveer 40 ° C. daalt</li>
</ol>4. de fabricage van bimorph trillingen energie harvester
<ol><li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Plaats de SU-8 mesh structuur op de PVDF flm1 en obligatie hen zoals afgebeeld in Figuur 3 h.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Karim, F., Zeadally, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Energy+harvesting+in+wireless+sensor+networks+A+comprehensive+review.">Energy harvesting in wireless sensor networks A comprehensive review.</a> Renewable and Sustainable Energy Reviews. 55, 1041-1054 (2016).</li><li>Wei, C., Jing, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comprehensive+review+on+vibration+energy+harvesting:+Modelling+and+realization.">A comprehensive review on vibration energy harvesting: Modelling and realization.</a> Renewable and Sustainable Energy Reviews. 74, 1-18 (2017).</li><li>Priya, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Review+on+Piezoelectric+Energy+Harvesting:+Materials,+Methods,+and+Circuits.">A Review on Piezoelectric Energy Harvesting: Materials, Methods, and Circuits.</a> Energy Harvesting and Systems. 4 (1), 3-39 (2017).</li><li>Arroyo, E., Badel, A., Formosa, F., Wu, Y., Qiu, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+electromagnetic+and+piezoelectric+vibration+energy+harvesters:+Model+and+experiments.">Comparison of electromagnetic and piezoelectric vibration energy harvesters: Model and experiments.</a> Sensors and Actuators, A: Physical. 183, 148-156 (2012).</li><li>Inoue, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Fluidic+Vibrational+Energy+Harvester+for+Implantable+Medical+Device+Applications.">A Fluidic Vibrational Energy Harvester for Implantable Medical Device Applications.</a> IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines. 137 (6), 152-158 (2017).</li><li>Sano, C., Mitsuya, H., Ono, S., Miwa, K., Toshiyoshi, H., Fujita, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Triboelectric+energy+harvesting+with+surface-charge-fixed+polymer+based+on+ionic+liquid.">Triboelectric energy harvesting with surface-charge-fixed polymer based on ionic liquid.</a> Science and Technology of Advanced Materials. 19 (1), 317-323 (2018).</li><li>Tsutsumino, T., Suzuki, Y., Kasagi, N., Sakane, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Seismic+Power+Generator+Using+High-Performance+Polymer+Electret.">Seismic Power Generator Using High-Performance Polymer Electret.</a> Int. Conf. MEMS'06. 06, 98-101 (2006).</li><li>Arakawa, Y., Suzuki, Y., Kasagi, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro+Seismic+Power+Generator+Using+Electret+Polymer+Film.">Micro Seismic Power Generator Using Electret Polymer Film.</a> The Fourth International Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications Power MEMS 2004. , 37-38 (2004).</li><li>Kim, S. G., Priya, S., Kanno, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Piezoelectric+MEMS+for+energy+harvesting.">Piezoelectric MEMS for energy harvesting.</a> MRS Bulletin. 37 (11), 1039-1050 (2012).</li><li>Rocha, J. G., Gon&#231;alves, L. M., Rocha, P. F., Silva, M. P., Lanceros-M&#233;ndez, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Energy+harvesting+from+piezoelectric+materials+fully+integrated+in+footwear.">Energy harvesting from piezoelectric materials fully integrated in footwear.</a> IEEE Transactions on Industrial Electronics. 57 (3), 813-819 (2010).</li><li>Chen, D., Chen, K., Brown, K., Hang, A., Zhang, J. X. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liquid-phase+tuning+of+porous+PVDF-TrFE+film+on+flexible+substrate+for+energy+harvesting.">Liquid-phase tuning of porous PVDF-TrFE film on flexible substrate for energy harvesting.</a> Applied Physics Letters. 110, 153902 (2017).</li><li>Kim, H. S., Kim, J. H., Kim, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+piezoelectric+energy+harvesting+based+on+vibration.">A review of piezoelectric energy harvesting based on vibration.</a> International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 12 (6), 1129-1141 (2011).</li><li>Aktakka, E. E., Peterson, R. L., Najafi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thinned-PZT+on+SOI+process+and+design+optimization+for+piezoelectric+inertial+energy+harvesting.">Thinned-PZT on SOI process and design optimization for piezoelectric inertial energy harvesting.</a> Transducers'11. , 1649-1652 (2011).</li><li>Xu, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Screen+printed+PZT/PZT+thick+film+bimorph+MEMS+cantilever+device+for+vibration+energy+harvesting.">Screen printed PZT/PZT thick film bimorph MEMS cantilever device for vibration energy harvesting.</a> Sensors and Actuators, A: Physical. 188, 383-388 (2012).</li><li>Shen, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micromachined+PZT+cantilever+based+on+SOI+structure+for+low+frequency+vibration+energy+harvesting.">Micromachined PZT cantilever based on SOI structure for low frequency vibration energy harvesting.</a> Sensors and Actuators, A: Physical. 154 (1), 103-108 (2009).</li><li>Bin Fang, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+and+performance+of+MEMS-based+piezoelectric+power+generator+for+vibration+energy+harvesting.">Fabrication and performance of MEMS-based piezoelectric power generator for vibration energy harvesting.</a> Microelectronics Journal. 37 (11), 1280-1284 (2006).</li><li>Lefeuvre, E., Badel, A., Richard, C., Petit, L., Guyomar, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comparison+between+several+vibration-powered+piezoelectric+generators+for+standalone+systems.">A comparison between several vibration-powered piezoelectric generators for standalone systems.</a> Sensors and Actuators, A: Physical. 126 (2), 405-416 (2006).</li><li>Ishida, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Insole+pedometer+with+piezoelectric+energy+harvester+and+2+v+organic+circuits.">Insole pedometer with piezoelectric energy harvester and 2 v organic circuits.</a> IEEE Journal of Solid-State Circuits. 48 (1), 255-264 (2013).</li><li>Qi, Y., Kim, J., Nguyen, T. D., Lisko, B., Purohit, P. K., Mcalpine, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+Piezoelectricity+and+Stretchability+in+Energy+Harvesting+Devices+Fabricated+from+Buckled+PZT+Ribbons.">Enhanced Piezoelectricity and Stretchability in Energy Harvesting Devices Fabricated from Buckled PZT Ribbons.</a> Nano Letters. 11 (3), 1331-1336 (2011).</li><li>Dagdeviren, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conformal+piezoelectric+systems+for+clinical+and+experimental+characterization+of+soft+tissue+biomechanics.">Conformal piezoelectric systems for clinical and experimental characterization of soft tissue biomechanics.</a> Nature Materials. 14 (7), 728-736 (2015).</li><li>Tsukamoto, T., Umino, Y., Shiomi, S., Yamada, K., Suzuki, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bimorph+piezoelectric+vibration+energy+harvester+with+flexible+3D+meshed-core+structure+for+low+frequency+vibration.">Bimorph piezoelectric vibration energy harvester with flexible 3D meshed-core structure for low frequency vibration.</a> Science and Technology of Advanced Material. 19 (1), 660-668 (2018).</li><li>Bayrashev, A., Parker, A., Robbins, W. P., Ziaie, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low+frequency+wireless+powering+of+microsystems+using+piezoelectric-magnetostrictive+laminate+composites.">Low frequency wireless powering of microsystems using piezoelectric-magnetostrictive laminate composites.</a> TRANSDUCERS 2003 - 12th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Digest of Technical Papers. 2, 1707-1710 (2003).</li><li>Yildirim, T., Ghayesh, M. H., Li, W., Alici, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+on+performance+enhancement+techniques+for+ambient+vibration+energy+harvesters.">A review on performance enhancement techniques for ambient vibration energy harvesters.</a> Renewable and Sustainable Energy Reviews. 71, 435-449 (2017).</li><li>Karami, M. A., Inman, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electromechanical+modeling+of+the+low-frequency+zigzag+micro-energy+harvester.">Electromechanical modeling of the low-frequency zigzag micro-energy harvester.</a> Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 22 (3), 271-282 (2011).</li><li>Liu, H., Lee, C., Kobayashi, T., Tay, C. J., Quan, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Piezoelectric+MEMS-based+wideband+energy+harvesting+systems+using+a+frequency-up-conversion+cantilever+stopper.">Piezoelectric MEMS-based wideband energy harvesting systems using a frequency-up-conversion cantilever stopper.</a> Sensors and Actuators, A: Physical. 186, 242-248 (2012).</li><li>Ramadan, K. S., Sameoto, D., Evoy, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+piezoelectric+polymers+as+functional+materials+for+electromechanical+transducers.">A review of piezoelectric polymers as functional materials for electromechanical transducers.</a> Smart Materials and Structures. 23 (3), 033001 (2014).</li><li>Sharma, T., Je, S. S., Gill, B., Zhang, J. X. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patterning+piezoelectric+thin+film+PVDF-TrFE+based+pressure+sensor+for+catheter+application.">Patterning piezoelectric thin film PVDF-TrFE based pressure sensor for catheter application.</a> Sensors and Actuators, A: Physical. 177, 87-92 (2012).</li><li>Lee, J. B., Choi, K. H., Yoo, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Innovative+SU-8+lithography+techniques+and+their+applications.">Innovative SU-8 lithography techniques and their applications.</a> Micromachines. 6 (1), 1-18 (2015).</li><li>Kim, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+tapered+hollow+metallic+microneedle+array+using+backside+exposure+of+SU-8.">A tapered hollow metallic microneedle array using backside exposure of SU-8.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 14 (4), 597-603 (2004).</li><li>Vaezi, M., Seitz, H., Yang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+on+3D+micro-additive+manufacturing+technologies.">A review on 3D micro-additive manufacturing technologies.</a> International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 67 (5-8), 1721-1754 (2013).</li><li>Gates, B. D., Xu, Q., Stewart, M., Ryan, D., Willson, C. G., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+approaches+to+nanofabrication:+Molding,+printing,+and+other+techniques.">New approaches to nanofabrication: Molding, printing, and other techniques.</a> Chemical Reviews. 105 (4), 1171-1196 (2005).</li><li>Zhang, J., Tan, K. L., Gong, H. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+the+polymerization+of+SU-8+photoresist+and+its+applications+in+micro-electro-mechanical+systems+(MEMS).">Characterization of the polymerization of SU-8 photoresist and its applications in micro-electro-mechanical systems (MEMS).</a> Polymer Testing. 20 (6), 693-701 (2001).</li><li>Chuang, Y. J., Tseng, F. G., Lin, W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reduction+of+diffraction+effect+of+UV+exposure+on+SU-8+negative+thick+photoresist+by+air+gap+elimination.">Reduction of diffraction effect of UV exposure on SU-8 negative thick photoresist by air gap elimination.</a> Microsystem Technologies. 8 (4-5), 308-313 (2002).</li><li>Akamatsu, M., Terao, K., Takao, H., Shimokawa, F., Oohira, F., Suzuki, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improvement+of+coating+uniformity+for+thick+photoresist+using+a+partial+spray+coat.">Improvement of coating uniformity for thick photoresist using a partial spray coat.</a> The 7th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (IEEE-NEMS2012). , (2012).</li><li>Ingrole, A., Hao, A., Liang, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+modeling+of+auxetic+and+hybrid+honeycomb+structures+for+in-plane+property+enhancement.">Design and modeling of auxetic and hybrid honeycomb structures for in-plane property enhancement.</a> Materials and Design. 117, 72-83 (2017).</li><li>Schubert, C., Van Langeveld, M. C., Donoso, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Innovations+in+3D+printing:+A+3D+overview+from+optics+to+organs.">Innovations in 3D printing: A 3D overview from optics to organs.</a> British Journal of Ophthalmology. 98 (2), 159-161 (2014).</li><li>Muthalif, A. G. A., Nordin, N. H. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimal+piezoelectric+beam+shape+for+single+and+broadband+vibration+energy+harvesting:+Modeling,+simulation+and+experimental+results.">Optimal piezoelectric beam shape for single and broadband vibration energy harvesting: Modeling, simulation and experimental results.</a> Mechanical Systems and Signal Processing. 54, 417-426 (2015).</li><li>Tai, W. C., Zuo, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+optimization+of+energy+harvesting+from+base-excited+vibration.">On optimization of energy harvesting from base-excited vibration.</a> Journal of Sound and Vibration. 411, 47-59 (2017).</li><li>Song, J., Zhao, G., Li, B., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+optimization+of+PVDF-based+piezoelectric+energy+harvesters.">Design optimization of PVDF-based piezoelectric energy harvesters.</a> Heliyon. 3 (9), e00377 (2017).</li></ol>

Wij hebben niets te onthullen.

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.

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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:791px;" width="791">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">SU-8 3005</td>
			<td style="width:221px;">Nihon Kayaku</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:235px;">Negative photoresist</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">KF Piezo Film</td>
			<td style="width:221px;">Kureha</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Piezoelectric PVDF film, 40 mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Vibration Shaker</td>
			<td style="width:221px;">IMV CORPORATION</td>
			<td style="width:119px;">m030/MA1</td>
			<td>Vibration Shaker</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Spray coater</td>
			<td style="width:221px;">Nanometric Technology Inc.</td>
			<td style="width:119px;">DC110-EX</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Sputtering equipment</td>
			<td style="width:221px;">Canon Anelva Corporation</td>
			<td style="width:119px;">E-200S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">PDMS</td>
			<td style="width:221px;">Dow Corning Toray Co. Ltd</td>
			<td>SILPOT 184 W/C</td>
			<td>Dimethylpolysiloxane</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Spin coater</td>
			<td style="width:221px;">MIKASA Co. Ltd</td>
			<td style="width:119px;">1H-DX2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Digital oscilloscope</td>
			<td style="width:221px;">Teledyne LeCroy Japan Corporation</td>
			<td style="width:119px;">WaveRunner 44Xi-A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">SEM</td>
			<td style="width:221px;">JEOL Ltd.</td>
			<td style="width:119px;">JCM-5700LV</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Digital microscope</td>
			<td style="width:221px;">Keyence Corporation</td>
			<td style="width:119px;">VHX-1000</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a polymer-based piezoelectric vibration energy harvester with a 3d meshed-core structure

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.

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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig1.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig2.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig3.jpg"> 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].) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig4.jpg"> 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].) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig4large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig5.jpg"> 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].) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig5large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>

Watch this Scientific Journal Video about A Polymer-based Piezoelectric Vibration Energy Harvester with a 3D Meshed-Core Structure at JoVE.com

A Polymer-based Piezoelectric Vibration Energy Harvester with a 3D Meshed-Core Structure

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.

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

In this study, we fabricated a flexible 3D mesh structure with periodic voids by using a 3D lithography method and applying it to a vibration energy ...

Ons protocol toont de fabricagestappen van een flexibele mesh-structuur en het hechtingsproces om een op polymeer gebaseerde trillingsenergierooier te maken. Het voordeel van deze techniek, is dat 3D-fotografie gemakkelijk kan fabriceren van de mesh-structuur, dat is effectief in trillingsenergie harvester voor lage frequentie toepassingen Om te beginnen, bereiden 30 millimeter bij 40 millimeter glazen substraten. Zet een glazen substraat in een Teflon jig voor reiniging.Draag een beschermende bril, kleding en handschoenen. Dan, ontstaan de mal in piranha oplossing voor een minuut. Zet het glazen substraat in de kamer van een RF magnetron sputtermachine.Stel het RF-vermogen in op 250 watt, de sputtertijd op 11 minuten, de stroomsnelheid van Argon-gas op 12 sccm en de kamerdruk op 0,5 pascals. Nu, vorm 100 tot 200 nanometer chroom film op het glas substraat, door RF magnetron sputteren. Stel vervolgens het substraat op een bevestigingspodium in een met spincoate kamer.Drop positieve foto weerstaan als 1A13 op de chroom film, en de vacht van de een tot twee micron dunne film door spin coating op 4000 RPM voor 30 seconden. Na het bakken van het substraat zoals beschreven in het tekstprotocol, contact op met de foto weerstaan gecoate substraat met een foto masker. Stel UV-licht verticaal bloot aan het fotomasker.Zorg ervoor dat de blootstellingsdosis 80 millijoule per vierkante centimeter is en de golflengte 405 nanometer. Dompel het substraat onder in 150 milliliter TMAH-oplossing en ontwikkel de fotoweerstand gedurende 30 seconden tot één minuut. Na het spoelen van het substraat met zuiver water, dompel het substraat onder in de 150 milliliter chroom etsoplossing, en etch gedurende ongeveer een tot twee minuten.Verwijder vervolgens de weerstand van de foto zoals beschreven in het tekstprotocol. Zet nu het substraat op het bevestigingspodium in de spin coater kamer. Laat ongeveer een milliliter acryclic resin oplossing op de chroom patroon kant van het substraat om de vervaardigde structuur vrij te geven als een offerlaag.Vorm vervolgens gedurende 30 seconden een dunne film met spincoating bij 2000 RPM. Na het bakken van het substraat op 100 graden Celsius gedurende 10 minuten, zet het substraat op een bijgevoegde plaat in de spuit coater. Bedek het substraat met een randdeksel om randslag te voorkomen.Giet de negatieve foto weerstaan SU8-3005 in de spuit. Stel de nozzle diameter, nozzle bewegingssnelheid, vernevelingsdruk, vloeistofdruk, toonhoogteafstand en intervaltijd in voor elke laag zoals vermeld in het tekstprotocol. Stel ook de afstand tussen het mondstuk en substraat in op 40 millimeter.Spray SU8 meerleggers op het substraat. Herhaal de coating 10 keer op dezelfde manier. Bak vervolgens het substraat op een hete plaat op 95 graden Celsius gedurende 60 minuten.Na het bepalen van de filmdikte per laag, zoals beschreven in het tekstprotocol, spuit je de meerlaag om de doelfoliedikte te bereiken. In dit onderzoek worden 40 lagen toegepast voor een dikte van 200 micron. Plaats nu het substraat op een hoekverstellingstafel door het substraat om te draaien.Kantel de hoek van de aanpassingstabel naar 45 graden. Plaats de hoekverstellingstabel onder de UV-lichtbron. Breng UV-licht verticaal aan op het substraat bij een blootstellingsdosis van 150 millijoule per vierkante centimeter en een golflengte van 365 nanometer.Na de belichting, de hoek van de aanpassing tabel terug te keren naar nul graden, en kantelen tot 45 graden in de tegenovergestelde richting. Breng UV-licht verticaal verticaal aan, voordat u de post-exposure bakt zoals beschreven in het tekstprotocol. Nu, de ontwikkeling van het substraat voor ongeveer 20 tot 30 minuten in SU-8 ontwikkelaar.Als de ontwikkelingstijd niet genoeg is, leidt dit tot onvoldoende opening van de mazelen. Na het spoelen in IPA, zoals beschreven in het tekstprotocol, dompel het substraat in Tolueen oplossing voor ongeveer drie tot vier uur. Zorg ervoor dat de offerlaag van acrylhars wordt omzoomd en dat de SU-8 structuur met de mesh structuur vrijkomt uit het substraat.Om de piëzo-elektrische folie te bereiden, knipt u het PVDF-blad uit in de vorm van het apparaat met een blad van 360 vierkante millimeter. Plaats de gesneden PVDF-films op een petrischaaltje met een cellulaire swiper. Bewaar ze in een desiccator.Giet nu 10 milliliter van het hoofdmiddel van PDMS, en een millileter uithardingsmiddel, in een centrifugebuis. Zet de centrifugebuis in een planetaire opslag- en defoammachine en meng beide oplossingen gedurende één minuut. Bereid nu twee glazen substraten van 30 bij 40 millimeter voor.Plaats het glazen substraat op een bevestigingsfase in de spincoaterkamer. Laat PDMS-oplossing op het glazen substraat vallen. Vorm vervolgens de PDMS-film door een spincoating bij 4000 RPM en bak het substraat zoals beschreven in het tekstprotocol.Plaats de gesneden PVDF-films één voor één op twee verschillende PDMS-substraten. Zorg ervoor, dat alleen door het plaatsen van PVDF-films op het oppervlak van PDMS, ze zich aan elkaar hechten. Als er rimpels op de PVDF-films te zien zijn, breid ze dan uit met een roller.Drop SU-8 op PVDF film een, geplaatst op PDMS substraat een. Vorm vervolgens de SU-8 dunne film door spin coating op 4000 RPM. Plaats de SU-8 mesh structuur op PVDF film een en bond ze.Nu, drop SU-8 op PVDF film twee, geplaatst op PDMS substraat twee. Vorm de SU-8 dunne film door spin coating op 4000 RPM. Peal off PVDF film twee van PDMS substraat twee, en plaats dan op de top van de SU-8 mesh structuur, geplaatst op PVDF film een.Bewaar het aangehangen apparaat met de gebonden toestand in een container met een lage luchtvochtigheid, zoals een desiccator voor ongeveer 12 uur. Na 12 uur, zet de pincet in de onderkant van de laagste laag, PVDF film een. Dan, tegelijkertijd schil uit de gebonden drie lagen van PVDF film een, SU-8 mesh structuur, en PVDF film twee uit het substraat.Een bimorph type vibratie energie harvester, samengesteld uit twee lagen van PVDF films en een tussenlaag, samengesteld uit een SU-8 mesh structuur, wordt getoond. De elektroden van de bovenste en onderste PVDF zijn in serie aangesloten om uitgangsspanning te verkrijgen. Het optische beeld en de twee SEM-beelden tonen elastische lagen met een mesh-structuur.Volgens de beelden, de elastische laag, verwerkt door de achterkant geneigd blootstelling, lijkt te hebben fijne 3D-mesh patronen, zonder ontwikkelingsfalen. In de trillingstests worden twee apparaten, een met een elastische laag met mazen, en de andere met een elastische structuurlaag met een vaste kern, geëvalueerd om de geldigheid van meshed core type apparaat te verifiëren. Wanneer de apparaten zijn ingesteld op een trillingshaker en opgewonden, zowel de meshed-core type en de solid-core type apparaten, toonde sinusoïdale output gesynchroniseerd met sinusoïdale ingang.De meshed-core type apparaat vertoonde een 42,6% hogere uitgangsspanning dan de solid-core type apparaat. Hier wordt de frequentierespons van het maximale uitgangsvermogen weergegeven. Het meshed-core type apparaat vertoonde een resonantiefrequentie van 18,7 hertz, wat 15,8% lager is dan het vaste kerntype apparaat.Het vertoonde ook een uitgangsvermogen van 24,6 microwatt, wat 68,5% hoger is dan het solid-core type apparaat. Bij hellende blootstelling, van achterkant van het substraat, en voldoende ontwikkelingstijd zijn belangrijk om fijne afdrukken van de mesh structuur te maken. In het dunne hechtingsproces kunnen we ook een instant lijm gebruiken.Echter, de lijm vult de leegte van de mesh structuur, en veroorzaken een toename van de stijfheid van het apparaat. Daarom neemt ook de resonantiefrequentie toe. Met behulp van energieoogstsystemen kunnen we de 3D-fotografie toepassen als micronano-toepassingen, zoals biologische, optische en microfluïde systemen.

Research

JoVE Journal

Engineering

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Energy Dispersive X-ray Tomography for 3D Elemental Mapping of Individual Nanoparticles

Energie-dispersieve X-stralen Tomografie voor 3D Elemental kaart brengen van individuele nanodeeltjes

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial ...

Characterization of Nanocrystal Size Distribution using Raman Spectroscopy with a Multi-particle Phonon Confinement Model

Karakterisering van Nanocrystal Size Distribution met Raman spectroscopie met een Multi-deeltje Phonon opsluiting Model

Analysis of the size distribution of nanocrystals is a critical requirement for the processing and optimization of their size-dependent properties. The ...

Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface

Hand Gecontroleerde Manipulatie van enkele moleculen via een Scanning Probe Microscope met een 3D Virtual Reality Interface

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building ...

Fabrication of White Light-emitting Electrochemical Cells with Stable Emission from Exciplexes

Fabricage van White Light-emitting elektrochemische cellen met Stable Emissie van Exciplexes

The authors present an approach for fabricating stable white light emission from polymer light-emitting electrochemical cells (PLECs) having an active ...

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia YSZ Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

High Temperature Fabricage van nanostructuur yttriumoxide-gestabiliseerde Zirconia (YSZ) Steigers door<em&gt; In Situ</em&gt; Carbon Templating xerogels

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) ...

Enhanced Electron Injection and Exciton Confinement for Pure Blue Quantum-Dot Light-Emitting Diodes by Introducing Partially Oxidized Aluminum Cathode

Verbeterde Electron injectie en Exciton opsluiting voor zuivere blauwe Quantum-Dot-lichtdioden door de invoering van gedeeltelijk geoxideerd aluminium Cathode

Stable and efficient red (R), green (G), and blue (B) light sources based on solution-processed quantum dots (QDs) play important roles in next-generation ...

A Soft Tooling Process Chain for Injection Molding of a 3D Component with Micro Pillars

Een zachte Tooling Process Chain voor spuitgieten van een 3D-Component met Micro pijlers

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection ...

Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers

Fabricage van zachte pneumatische netwerk Actuators met schuine Chambers

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending ...

A Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine

Een snelle methode voor het modelleren van een variabele cyclus motor

The variable cycle engines (VCE) that combine the advantages of turbofan and turbojet engines, are widely considered to be the next generation aircraft ...