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
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本研究は日本学術振興会科学研究補助金 JP17H03196、助成番号 JPMJPR15R3 さきがけによって部分的に支えられました。文部科学省ナノテクノロジー基盤プロジェクト (東京大学微細加工プラットフォーム) からフォトマスクの製造へのサポートは大歓迎です。

1 3 D メッシュ構造の作製です。
<ol><li>ガラス基板の洗浄<ol>
<li>30 mm × 40 mm のガラス基板を準備します。</li>
		<li>硫酸 150 mL を注いで、ピラニア溶液を調製 (濃度: 96%)ガラス製のビーカーです。過酸化水素溶液 50 mL を軽く追加 (濃度: 30%)。硫酸酸: 水素過酸化水素水の体積比は 3:1 であることを確認します。</li>
		<li>保護メガネと解決策を注入中の安全のために服を着る。</li>
		<li>クリーニング用テフロン治具でガラス基板を設定します。その後、ピラニア溶液 1 分間それを浸します。</li>
		<li>ピラニア ソリューションに 1 分浸漬後、純粋な水に 2-3 回洗浄ガラス基板を洗浄 (2-3 回オーバーフロー)。</li>
		<li>エアブロー付きガラス基板上の水滴を削除します。</li>
	</ol></li>
	<li>ガラス基板上の裏側暴露の Cr マスク パターンのパターン化<ol>
<li>RF (無線周波数) マグネトロン スパッタリング装置の部屋にガラス基板を設定します。高周波電力を 12 SCCM、チャンバー圧力を 0.5 に 250 W、Ar ガスの流量に設定 Pa、およびスパッタリング時間 11 分。RF マグネトロンスパッタ法によるガラス基板上 100-200 nm のクロムの膜を形成します。 注記: 厚みによって制御されますスパッタ時間スパッタリング率条件を考慮します。</li>
		<li>スピンコーターの商工会議所で固定ステージで基板を設定します。クロム膜上ポジ型フォトレジストの S1813 をドロップして 30 で 4,000 rpm でスピンコートによる 1-2 μ m の薄膜をコート s。</li>
		<li>レジストを乾燥するホット プレート上で 1 分間 115 ° C でフォトレジスト コーティング基板を焼きます。</li>
		<li>フォトマスクとフォトレジスト コーティング基板にお問い合わせください。フォトマスクに垂直方向に紫外線を公開します。被曝線量は 80 mJ/cm2、や波長 405 nm。図1 フォトマスクを使用します。</li>
		<li>2 つの 500 mL ビーカーを準備します。TMAH の 150 mL を注ぐ (水酸化テトラメチル アンモニウム: 2.38%、溶剤: 水) 1 つのビーカーに注ぐクロム エッチング液 150 mL ソリューション (硝酸アンモニウム セリウム (iv): 16%、硝酸: 8%)他のビーカー。</li>
		<li>TMAH 液 150 mL に基板を浸漬し、30 用フォトレジストを開発 1 分 s。</li>
		<li>純粋な水で基板を洗浄します。</li>
		<li>クロム エッチング液 150 mL に基板を浸すし、約 1、2 分のためのクロムのエッチングします。</li>
		<li>純粋な水で基板を洗浄、エアブローと水滴を除去します。</li>
		<li>硫酸 150 mL を注いで、ピラニア溶液を調製 (濃度: 96%)ガラス製のビーカーです。過酸化水素溶液 50 mL を軽く追加 (濃度: 30%)。硫酸酸: 水素過酸化水素水の体積比は 3:1 であることを確認します。 注: は、解決策を注入中の安全のため手袋、衣類、保護眼鏡を着用します。ピラニア ソリューションはしばらく活動を失う、だからたびの準備します。</li>
		<li>クリーニング用テフロン治具にガラス基板を配置します。フォトレジストを削除に 15-30 秒のピラニア溶液に浸すこと。</li>
	</ol></li>
	<li>SU 8 コーティングのための準備<ol>
<li>スピンコーター室内の固定ステージで基板を設定します。約 1 mL のアクリル樹脂溶液をドロップ (濃度: 10%、溶媒: トルエン) 犠牲層として作製した構造を解放する基板のクロム パターン側。30 2,000 rpm でスピンコートによる薄膜を形成し、s。</li>
		<li>100 ° C で 10 分間焼きます。</li>
	</ol></li>
	<li>SU 8 スプレー塗装<ol>
<li>スプレー コーティング装置を起動、洗浄用シリンジにアセトン溶液を注ぐ。</li>
		<li>清潔度アセトン溶液を噴霧してスプレー ノズル内の残基を削除します。 注: 掃除が十分でない場合、それは噴霧時に詰まりに します。慎重にきれいに 2 回この手順を繰り返します。</li>
		<li>スプレー塗布装置に添付されているプレートに基板を設定します。</li>
		<li>エッジビードを防ぐエッジ カバーで基板をカバーします。</li>
		<li>ネガ型フォトレジスト SU 8 3005 注射器に注ぐ。</li>
		<li>セット ノズル径ノズル移動速度 120 mm までの 5 mm/s、噴霧圧力 150 kPa、60 kPa に流体の圧力、ノズルと 40 mm までの基板間の距離を 3 mm ピッチまでの距離と 45 に各層のインターバルの時間秒スプレーSU 8 多層膜基板上。同じ方法でコーティングの 10 回を繰り返します。</li>
		<li>塗布後 5 分間立って基板のまま 10 回。 注: 立っている時に SU 8 フィルムが均一にフラット化されて、混合スプレー塗装時に気泡が解放されます。</li>
		<li>95 ° C, 60 分でホット プレートで焼きます。</li>
		<li>10 層の厚さをマイクロ メーターで測定します。1 層の厚さを計算します。</li>
		<li>レイヤーごと計算される膜厚からスプレー塗装の残り回数を決定します。ターゲット膜厚を達成するために厚膜を形成する多層膜をスプレーします。本研究では 40 層は 200 μ m の厚さに適用されます。</li>
		<li>基板が多層スプレー塗布後 5 分間立ってみましょう。</li>
		<li>240 分 95 ° C でホット プレートで焼きます。</li>
		<li>60 分ホット プレートに SU 8 被覆基板を残すし、部屋の温度でゆっくりとクールな。</li>
	</ol></li>
	<li>3 D メッシュ構造の形成<ol>
<li>基板をひっくり返す、角度調整テーブルに基板を配置 (すなわち、SU 8 フィルムが下に向いている)の図 2に示すように。</li>
		<li>基板の端をテープで固定します。</li>
		<li>調整テーブルの角度を 45 ° に傾けます。 注: 0 ° は、基板は、水平の状態を意味します。この時の角度は、スネルの法則、フォトレジスト、空気の屈折の屈折率から計算によって決定されます。入射角 45 ° で照射による構造角度 64 ° のメッシュ構造を作製しました。</li>
		<li>UV 光源下で角度調整テーブルを配置します。</li>
		<li>150 mJ/cm2の被曝線量と 365 の波長で基板に垂直に紫外光を適用 nm。曝露後調整テーブルの角度を 0 ° に戻すし、逆方向に 45 ° 傾斜します。垂直方向に同じ方法で紫外線を適用します。 注:図 3 a、bのイラストが表示されます。</li>
		<li>ホット プレート上基板を配置し、能の両面 (露光後ベーク) 95 ° C に温度を設定します。温度が 95 ° C 後 8 分の基板を焼く</li>
		<li>ホット プレートの電源を切ります。ホット プレートの温度はおよそ 40 ° c. に落ちるまで待つ</li>
		<li>SU 8 開発者の 150 mL を 500 mL ガラス製ビーカーに注ぐ。テフロン治具を開発するために基板を設定します。</li>
		<li>150 mL のイソプロパノール (IPA) を別の 500 mL のガラス製のビーカーに注ぎ。</li>
		<li>開発した約 20 ~ 30 分ほど現像時間が十分ではない場合メッシュ ボイドの不十分なオープニングにつながることを確認してください。</li>
		<li>IPA で 2 分間洗浄治具、基板を浸します。 注: SU 8 の表面がどうやら白と泥だらけの場合、開発が十分ではないことを示します。その場合は、開発ともう一度すすぎを繰り返します。完全な開発後メッシュ構造が形成された図 3 cに示すように。</li>
	</ol></li>
	<li>ガラス基板から構造リリース<ol>
<li>150 mL のトルエン溶液を 500 mL ガラス ビーカーに注ぐ。トルエンは室温で蒸発しやすいので、アルミ箔でビーカーをカバーします。</li>
		<li>図 3に示すように約 3-4 h. アクリル樹脂の犠牲層をエッチング加工し、メッシュ構造を持つ SU 8 構造は、基板から解放されることを確認のためのトルエン溶液に基板を浸します。</li>
		<li>基板に空気を吹き込むし、水分を除去します。4.3 のステップで使用されるまでは、乾燥器で保管します。</li>
	</ol></li>
</ol>2. 圧電薄膜の作製
<ol><li>PVDF のシートを準備します。また、ステンレス鋼の刃とカッティング マットのカッター ナイフを準備します。</li>
	<li>図 3 aに示すように、360 mm2シート (カンチレバーの 10 mm × 30 mm と 6 mm × 10 mm の電気的接続のため)、デバイス図形に PVDF のシートをカットします。</li>
	<li>セルロース ワイパー付きシャーレに切口の PVDF フィルムを配置します。乾燥器に保存します。</li>
</ol>3. メッシュ構造と圧電フィルムの接着基板の作製
<ol><li>PDMS の 1 mL の遠心管に硬化剤主剤の 10 mL を注ぐ (すなわち、おおよその容積比は 10:1)。</li>
	<li>惑星の攪拌と脱泡機で遠心管を設定し、1 分の両方のソリューションをミックスします。</li>
	<li>2 つ 30 mm × 40 mm のガラス基板を準備します。</li>
	<li>スピンコーター室内の固定ステージでガラス基板を設定します。ガラス基板上に PDMS ソリューションを削除します。図 3 eに示すように、4,000 rpm でスピンコートによる PDMS 膜を形成します。</li>
	<li>PDMS フィルムを乾燥するため 60 分間 100 ° C のホット プレートに基板を焼きます。</li>
	<li>ホット プレートの電源を切ります。ホット プレートの温度はおよそ 40 ° c. に落ちるまで待つ</li>
</ol>4. バイモルフ振動エネルギー収穫の作製
<ol><li>カット PVDF フィルム 1 つずつ、2 つの異なる PDMS 基板上に図 3 fに示すように配置します。PDMS 表面に PVDF フィルムを貼るだけで、彼らはお互いに準拠を確認します。しわは、PVDF 膜に見られている場合、ローラーを拡張します。 注: これら 2 つの PVDF 膜は、 PVDF flm1およびPVDF flm2と呼ばれる、2 つの PDMS 基板PDMS sbs1とPDMS sbs2明快のために。</li>
	<li>PVDF flm1 PDMS sbs1の配置に SU 8 3005 をドロップします。次に、図 3 gに示すように、4,000 rpm でスピンコートによる SU 8 薄膜を形成します。 注: この SU 8 薄膜メッシュ構造とPVDF flm1間の接着層になります。SU 8 3005 が削除されませんでした場所は、電気の力をつける配線に使用されます。</li>
	<li>PVDF flm1に SU 8 メッシュ構造を置き、 h 図 3に示すように、それらを結合します。</li>
	<li>PVDF flm2 PDMS sbs2上に配置に SU 8 3005 をドロップします。その後、4.2 の手順と同じ方法で 4,000 rpm でスピンコートによる SU 8 薄膜を形成します。</li>
	<li>PVDF flm2 PDMS sbs2からはがし、 PVDF flm1図 3 i、jのようにそれらを遵守に配置された SU 8 メッシュ構造の上に置きます。デシケータなど湿気の少ないコンテナーに保税の状態でデバイスを格納します。約 12 時間放置します。</li>
	<li>結合 3 層PVDF flm1オフ最下層PVDF flm1と皮の下側にピンセットを入れて、SU 8 メッシュ構造、およびPVDF flm2同時に、基板から図 3 kのようです。</li>
</ol>

<ol>
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何を開示する必要があります。

3 D メッシュ構造と上記車両は 4 つの重要かつ特徴的な手順に基づいて提案バイモルフを作製。
最初の重要なステップは、裏側の傾斜露光を使用して処理します。原則として、コンタクト露光法を用いた上面から傾斜暴露によるメッシュ構造体を作製することが可能です。ただし、裏面の露出は接触露光よりもより正確な加工精度を示し開発中に欠陥が28,29を発生しにくく。フォトマスクとフォトレジストのギャップ フォトレジスト表面のうねりが原因で起こることができるためです。したがって、光の回折が発生し、ギャップのため加工精度が 。したがって、本研究では裏面傾斜露光法を用いたメッシュ構造を作製しました。また、作製したメッシュ構造の構造の角度の測定値は約 65 °、64 ° の設計値と比較して 1% のエラーだけです。結果から, 我々 はメッシュ構造を作製する裏面傾斜露光法を適用する適切なだと結論します。
2 番目の重要なステップは、SU 8 の開発プロセスです。開発メッシュ構造は、固有の柔軟性を失う欠陥が発生します。厚い SU 8 フィルムを開発、通常 10 〜 15 分を使用します。しかし、この現像時間は不十分である 3 D メッシュ構造の開発のためです。3 D メッシュ構造と膜内の多くの内部空隙があるため光リソグラフィにより作製した二次元のパターンは異なります。開発時間が短い場合、パターン形成障害を引き起こしているメッシュ構造の内部に開発は進展しません。それはなぜ、比較的長い開発時間、20-30 分の32を適用する必要があります。細かいパターンが必要な場合も長い開発時間必要があります。しかし、その時、我々 は長い開発時間33によって引き起こされる腫れを考慮しなければなりません。
次に、PVDF フィルムと SU 8 メッシュ構造の接合過程における PDMS 形成基板を悪用する方法がユニーク。スピン コーティングが可能、結果として PVDF 及び SU 8 簡単に貼付できるスピン コーティング SU 8 薄い接着層を使用しています。市販の瞬間接着剤を使用しても、PVDF 及び SU 8 を結合することができます。ただし、接着剤が固化した後、接着剤が堅くなります。また、瞬間接着剤で薄いフィルムを形成することは困難です。瞬間接着剤の厚さが大きい場合、それはデバイス全体の剛性を高めます。剛性の増加は、共振周波数の増加につながる (すなわち、それはこの研究の主な目的は、共振周波数を下げるようにします)。その一方で、SU 8 塗膜が薄いために、接着層が剛性の増加が大きく影響でスピン コーティングで形成された SU 8 薄膜を用いた。また、SU 8 のメッシュ構造を加えると接着層の同じ素材を使って、接着強度を高めることが可能です。だからこそ、SU 8 接着はボンド SU 8 メッシュ構造体および PVDF フィルム接着力は十分です。さらに、デバイスの再現性の面からそれ有用である接着層として SU 8 薄膜を使用するスピンコート膜の形成によって一定の膜厚を実現できるよう。
第四に、SU 8 の塗布方法は独特です。SU 8 厚膜用スプレー多層膜コーティング法を選択しました。スピンコート法による厚膜を形成することが、大きな面のうねりが発生するとフィルムを均一にコートしにくい34。その一方で、スプレー マルチ コーティング法を使用してうねりを軽減し、膜厚基板34のエラーが抑制されます。特に注目は、3 D メッシュ構造の厚さが不均一になると、振動特性とデバイスの剛性が部分的に増加または減少させる厚さによって変更されるため、大きなうねりに与えられる必要があります。
原則として、写真平版 UV ライトを使用して、fabricable の図形は制限されます。だ傾斜露光を用いた 3 D メッシュ構造など複雑な構造を作製することができます。ただし、フィルムの厚さ方向に湾曲した形状の立体構造など任意の形状は35,36を形成することは困難。3 D プリントは、任意の 3次元形状を作り出すことができる、柔軟なデザイン。しかし、製作のスループットが低いと加工精度と量産は写真平版に劣っています。したがって、短時間で微細なパターンを持つ構造の作製に適していますありません。さらに、3 D CAD データの処理が必要で、3 D モデルの作成に時間がかかります。その一方で、傾斜露光法の特に写真平版の場合フォトマスクに必要な CAD データは、2次元と設計は比較的簡単です。たとえば、3 D メッシュ構造の指向の設計はちょうど 2 D ラインとスペース パターン、図 3に示すように。本研究では、これらの事実を考慮して、柔軟な 3 D メッシュ構造を開発する 3 D リソグラフィ技術を悪用されます。
本研究では柔軟な 3 D メッシュ構造を作製し、低下の共振周波数と出力能力の向上を目的としてバイモルフ カンチレバー型 VEH の弾性層に適用しました。提案手法は共振周波数を下げることに役立ちますが、振動エネルギー収穫ウェアラブル機器など低周波用対象と公共の建物、橋、家電等のセンサーを監視のため役に立つことでしょう。出力電力のさらなる改善、台形、三角形、他論文37,38,39では以前に提案した厚さの最適化を組み合わせることによって予想されます。

近年、VEHs は無線センサ ネットワークおよび Internet of Things (IoT) アプリケーション1,2,3,4を実装するためのセンサー ノードの電力供給として多くの注目を集めています。 5,6,7,8。VEHs におけるエネルギー変換のいくつかの種類の中では、圧電型変換は高出力電圧を示します。この種類の変換は、微細加工技術との親和性が高いためも小型化に適しています。これらの魅力的な機能のため多くの圧電 VEHs は圧電セラミック材料と有機高分子材料9,10、11,12を使用して開発されています。 13。
セラミック VEHs PZT (鉛チタン酸ジルコン酸鉛) が広く、高性能ピエゾ材料を用いた片持型 VEHs 報告14,15,16,17,18と、VEHs多くの場合共鳴を使用して、高効率発電を取得します。一般に、デバイスのサイズの微細化とともに増えると共振周波数、小型・低共振周波数を同時に達成することは困難です。したがって、PZT 高電力発電性能がありますが、それはデバイスを開発する小型 PZT を用いたグラフェンナノ アセンブリ19、20などの特別な加工なしの低周波数帯域で動作するので難しいPZT は剛性の高い素材です。残念ながら、家電、人物、建物、橋など私たちの周囲の振動は低周波、30 Hz21,22,23未満で主に。そのため、低周波数で小型、高電力生成効率の VEHs は低周波アプリケーションに最適です。
共振周波数を下げるための最も簡単な方法は、カンチレバーの先端の大量の重量を増加することです。高密度素材を先端に取り付けると必要なすべてのことは、捏造ではシンプルで使いやすいです。ただし、質量が重くより脆弱なデバイスになります。頻度を下げる別の方法は、カンチレバー24,25を長くことです。方法では、固定端から自由端までの距離は、二次元メアンダ形状によって拡張されます。メアンダ構造を作製する半導体の製造技術を使用してシリコン基板をエッチングします。このメソッドは共振周波数を下げる効果、圧電材料の面積が減少して、したがって、得られる出力の減少します。さらに、固定端の近くは壊れやすい欠点があります。低周波 VEH などのいくつかの高分子デバイスに関する柔軟な高分子圧電 PVDF がよく使用されます。PVDF は通常スピン コーティング法によるコーティング、膜厚が薄いと、共振周波数は低剛性26,27 のため削減できます。膜厚は数ミクロン、サブミクロンの範囲で制御可能な薄い厚さのために達成可能な出力は小さい。したがって、頻度を減らすことができます、場合でも十分な発電が得られないし、実用は難しい。
ここでは、すでにストレッチ改善のための治療に施されている 2 つの柔軟な高分子圧電シートで (圧電層の弾性層の 1 層 2 層から成る) バイモルフ型圧電カンチレバーを提案します。圧電特性。さらに、共鳴周波数を削減し、同時にパワーを向上させるバイモルフ カンチレバーの弾性層の柔軟な 3 D メッシュ構造を採用します。短時間で高精度な微細パターンを作製することが可能だから、裏面傾斜露光法28,29を用いた 3 D メッシュ構造を作製します。3 D プリントも 3 D メッシュ構造を作製する候補が、スループットが低いと 3 D プリンターが加工精度30,31の写真平版に劣る。したがって、本研究では、微細加工、3 D メッシュ構造の方法としての裏面傾斜露光法を採用します。

<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

本研究では 3 D 露光法を用いた振動エネルギー ハーベスタと、共振周波数を下げるし、出力を高めるに適用することで定期的な空隙を持つ柔軟な 3 D メッシュ構造体を作製しました。作製プロセスは主に 2 つの部分に分けられる: 3 D メッシュ構造と圧電体膜の接合プロセスとメッシュ構造を処理するための 3次元のフォトリソグラフィ。作製した柔軟なメッシュ構造を持つ我々 共振周波数の低減と、出力の向上を同時に実現振動実験の結果からは、メッシュ コア型振動エネルギー収穫 (車両) は 42.6% 出力電圧より高い電圧の固体コア型車両を展示しました。さらに、メッシュ コア型 VEH は 18.7 Hz の共振周波数、15.8% の固体コア型車両よりも低いと出力電力、68.5% 以上の固体コア型 VEH の 24.6 μ W をもたらした。この手法の利点は、傾斜露光法によって、3 つの次元の空隙を持つ複雑かつ柔軟な構造体が短時間で比較的簡単に作製したです。メッシュ構造により、VEH の共振周波数を低く、低周波では、ウェアラブル機器や家電などを使用することが可能であるが、将来的に期待できます。

PVDF 膜の 2 つの層と図 4に示すように、SU 8 メッシュ構造から成る中間層から成るバイモルフ型車両を試作しました。上限と下限の PVDF の電極は、出力電圧を取得するシリーズで接続されます。光学画像と 2 つの SEM のイメージは、メッシュ構造を有する弾性レイヤーです。画像によると細かい 3 D メッシュの開発失敗なしのパターンを持っている弾性層傾斜裏面照射による処理が表示されます。
図 5は、振動実験の結果を示しています。振動テストは、2 つの VEHs-1 つのメッシュのコアと、固体コア構造他-弾性層としてメッシュ コア型 VEH の妥当性を確認する評価されます。VEHs は振動シェーカーで設定され、1.96 m/s2 (0.2 G) の振動加速度に興奮します。メッシュ コア型、固体コア型の両方の VEHs を示した正弦波出力正弦波入力と同期します。メッシュ コア型車両は、固体コア型車両より 42.6% より高い出力電圧を出展しました。図 5bは、最大出力電力の周波数特性を示しています。メッシュ コア型車両展示が 15.8% 固体コア型車両より低い 18.7 Hz の共振周波数と 24.6 μ W の出力電力 68.5% 以上の固体コア型車両であります。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig1.jpg"> 図 1:写真平版、3 D メッシュ コア構造の弾性層を製造するためのフォトマスク レイアウト。フォトマスクは、二部を持っています。クランプのための区域である、他はメッシュ構造パターンのラインアンド スペース パターンを含まれます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig2.jpg"> 図 2: 傾斜の露出を設定します。UV ライトは、角度調整テーブルに置かれた Cr のパターンを持つ傾斜基板に垂直方向に公開されます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig3.jpg"> 図 3: 3 D メッシュ コア構造とハーベスタの作製プロセスと提案の圧電振動のエネルギー収穫機のスケマティック。製造プロセスは、3 つのセクションに分けることができます: (、)-(e) 3 D メッシュ構造の (d) 表す作製プロセス-(g) 表す PVDF 膜ガラス基板、および (h) の準備-(j) バイモルフ カンチレバーを形成する結合プロセスを表します。(これらの数字は金の下で公開されたオープン アクセス、クリエイティブ ・ コモンズのライセンスを取得し、[21] から変更されている)。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig4.jpg"> 図 4:(a) 作製したバイモルフ メッシュ コアの振動エネルギー収穫、3 D メッシュ コア構造の (b) 断面の光学像 (c) と (d) SEM イメージの SU 8 メッシュ コア弾性層の写真。(これらの数字は金の下で公開されたオープン アクセス、クリエイティブ ・ コモンズのライセンスを取得し、[21] から変更されている)。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig5.jpg"> 図 5: 最適負荷抵抗で振動周波数の関数として各共鳴状態 (メッシュ コア 18.7 Hz、ソリッドコア 22.2 Hz) と (b) 最大出力負荷抵抗の (a) 正弦波の出力電圧 (メッシュ ・ 17 MΩ 固体コア13 MΩ) と 0.2 G 加速。(これらの数字は金の下で公開されたオープン アクセス、クリエイティブ ・ コモンズのライセンスを取得し、[21] から変更されている)。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。

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

本研究では柔軟な 3 D メッシュ構造を作製し、共振周波数を下げると、出力電力の増加の目的のためのバイモルフ片持型振動エネルギー収穫の弾性層に適用されます。

3 D メッシュ コア構造を持つ高分子を用いた圧電振動エネルギー収穫

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 ...

当社のプロトコルは、柔軟なメッシュ構造の製造ステップと、ポリマーベースの振動エネルギーハーベスタを作るための結合プロセスを示しています。この技術の利点は、3D撮影が容易にメッシュ構造を作製できること、すなわち低周波用途のための振動エネルギー収穫機に有効である、30ミリメートルで40ミリメートルガラス基板を調製することである。ガラス基板をテフロンジグにセットして洗浄します。保護眼鏡、衣類、手袋を着用してください。その後、ピラニア溶液中に1分間ジグを出現する。RFマグネトロンスパッタリング機のチャンバーにガラス基板をセットします。RF電力を250ワット、スパッタリング時間を11分、アルゴンガスの流量を12sccmに、チャンバー圧力を0.5パスカルに設定します。さて、RFマグネトロンスパッタリングにより、ガラス基板上に100〜200ナノメートルのクロム膜を形成する。次に、スピンコートチャンバ内の固定段階に基板をセットする。クロムフィルム上に1A13として正のフォトレジストをドロップし、30秒間4000RPMでスピンコーティングにより1〜2ミクロンの薄膜をコーティングします。テキストプロトコルに記載されているように基板を焼成した後、フォトマスクを用いて被覆基板にフォトレジストを接触させる。UV ライトをフォト マスクに垂直に露出します。被ばく線量が平方センチメートル当たり80ミリジュールであり、波長が405ナノメートルであることを確認してください。基板を150ミリリットルのTMAH溶液に浸し、30秒から1分間フォトレジストを開発します。基板を純水でリンスした後、150ミリリットルのクロムエッチング液に基板を浸漬し、クロムを1~2分程度浸す。次に、テキストプロトコルに記載されているとおりにフォトレジストを取り外します。さて、スピンコーターチャンバーの固定段階に基板をセットする。基板のクロムパターン側にアクリル樹脂溶液を約1ミリリットル落とし、作製構造を犠牲層として放出する。次いで、2000RPMで30秒間スピンコートして薄膜を形成する。基板を100°Cで10分間焼いた後、スプレーコートに取り付けられたプレートに基板をセットする。エッジビートを防ぐために、エッジカバーで基板を覆います。マイナスフォトレジストSU8-3005をシリンジに注ぎます。テキスト プロトコルに示すように、ノズルの直径、ノズル移動速度、霧化圧力、流体圧力、ピッチ距離、および間隔時間を各レイヤーに設定します。また、ノズルと基板の距離を40ミリメートルに設定します。基板上にSU8多層をスプレーします。同じ方法で10回塗布を繰り返します。その後、ホットプレートの上で95°Cで60分間焼きます。層あたりの膜厚を決定した後、テキストプロトコルに記載されているように、多層を噴霧してターゲット膜厚を達成する。本研究では、厚さ200ミクロンに40層を適用しています。次に、基板をひっくり返して角度調整テーブルの上に置きます。調整テーブルの角度を 45 度に傾けます。UV 光源の下に角度調整テーブルを配置します。1平方センチメートルあたり150ミリジュールの露光線量で基板にUV光を垂直に適用し、波長は365ナノメートルです。露出後、調整テーブルの角度をゼロ度に戻し、反対方向に 45 度傾けます。テキスト プロトコルで説明されているように、露出後のベイク処理を実行する前に、同じ方法で UV ライトを垂直に適用します。次に、SU-8開発者で約20〜30分間の基板を開発します。現像時間が十分でない場合、メッシュボイドの開口が不十分になります。IPAでリンスした後、テキストプロトコルに記載されているように、基材をトルエン溶液に約3〜4時間浸漬する。確実に、アクリル樹脂の犠牲層が縁取られ、メッシュ構造を有するSU-8構造が基材から放出されることを確認してください。圧電フィルムを作製するには、PVDFシートを360平方ミリメートルのシートでデバイス形状に切り出す。カットPVDFフィルムをセルラースワイプでペトリ皿に置きます。デシケータに保管してください。さて、PDMSの主剤の10ミリリットル、および硬化剤の1ミリリットルを遠心管に注ぎます。惑星貯蔵および消泡機に遠心管をセットし、1分間両方の溶液を混合する。さて、40ミリメートルガラス基板で2つの30ミリメートルを準備します。スピンコーターチャンバーの固定段階にガラス基板をセットします。PDMS溶液をガラス基板にドロップします。次いで、4000RPMでスピンコーティングによりPDMS膜を形成し、テキストプロトコルに記載されているように基板を焼成する。カットPVDFフィルムを1枚ずつ2つの異なるPDMS基板に配置します。PDMSの表面にPVDFフィルムを配置するだけで、互いに接着することを確認してください。PVDFフィルムにしわが見られる場合は、ローラーで伸ばします。PVDFフィルム1にSU-8をドロップし、PDMS基板1に配置する。次いで、4000RPMでスピンコートによりSU-8薄膜を形成する。SU-8メッシュ構造をPVDFフィルム1に配置し、それらを接着します。さて、SU-8をPVDFフィルム2に落とし、PDMS基板2に配置する。4000RPMでスピンコーティングによりSU-8薄膜を形成する。ピールオフPVDFフィルム2からPDMS基板2から、次いでSU-8メッシュ構造の上に置き、PVDFフィルム1上に配置する。接着状態の付着装置を、デシケータなどの湿度の低い容器に約12時間保管します。12時間後、ピンセットを最下層の底側に入れ、PVDFフィルム1を入れる。次いで、結合した3層のPVDFフィルム1、SU-8メッシュ構造、およびPVDFフィルム2を基板から同時に剥離する。PVDFフィルムと中間層の2層からなるバイモルフ型振動エネルギーハーベスタを、SU-8メッシュ構造で構成した、図示する。上下のPVDFの電極は、出力電圧を得るために直列に接続されています。光学画像と2つのSEM画像は、メッシュ構造を持つ弾性層を示しています。画像によると、弾性層は、裏面傾斜露光によって処理され、開発障害なしに微細な3Dメッシュパターンを有するように見える。振動試験では、メッシュコア弾性層を有する2つのデバイスと、ソリッドコア構造弾性層を有する装置が評価され、メッシュコア型デバイスの有効性を検証する。装置が振動シェーカーにセットされ、励起されると、メッシュコア型とソリッドコア型のデバイスの両方が、中弦波入力と同期した中弦波出力を示した。メッシュコア型デバイスは、ソリッドコア型デバイスよりも42.6%高い出力電圧を示しました。ここに示されているのは、最大出力電力の周波数応答です。メッシュコア型デバイスは、18.7ヘルツの共振周波数を示し、これは、固体コア型デバイスよりも15.8%低い。また、24.6マイクロワットの出力電力を示し、これはソリッドコア型デバイスよりも68.5%高くなっています。傾斜露光では、基板の裏側から、メッシュ構造の微細なプリントを行うのに十分な現像時間が重要である。薄い接着プロセスでは、我々はまた、インスタント接着剤を使用することができます。ただし、接着剤はメッシュ構造の空隙を埋め、デバイスの剛性の増加を引き起こします。このため、共振周波数も増加する。エネルギーハーベスティングシステムを使用して、生物学的、光学的、マイクロ流体システムなどのマイクロナノアプリケーションとして3D写真を適用することができます。

Research

JoVE Journal

Engineering

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