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

Denne forskningen ble delvis støttet av JSP Science Research Grant JP17H03196, JST VIPs Grant nummer JPMJPR15R3. Støtte fra MEXT nanoteknologi plattform Project (The University of Tokyo Microfabrication plattform) til fabrikasjon av photomask er verdsatt.

1. fabrikasjon av 3D-nett
<ol><li>Rengjøring av glass underlaget<ol>
<li>Forberede 30 x 40 mm glass underlag.</li>
		<li>Klargjør piranha løsningen ved å helle 150 mL av svovelsyre (konsentrasjon: 96%) i glass begeret. Deretter forsiktig legge 50 mL av Hydrogenperoksid løsning (konsentrasjon: 30%). Kontroller at volumkontrollen sulfuric syre: hydrogen peroxide vann er 3:1.</li>
		<li>Beskyttende briller og klær for sikkerhet mens pouring løsninger.</li>
		<li>Angi en barometer substrate i en Teflon gigg for rengjøring. Så Legg det i piranha løsning for 1 min.</li>
		<li>Etter en 1 min nedsenking i piranha løsning, skyll vasket barometer substrate 2 - 3 ganger med rent vann (overløp 2 - 3 ganger).</li>
		<li>Fjerne vanndråper på glass underlaget med luft slag.</li>
	</ol></li>
	<li>Mønstre av Cr maske mønsteret for baksiden eksponering på en barometer substrate<ol>
<li>Angi glass underlaget i et kammer av en RF (radiofrekvens) magnetron sputtering maskin. Sette RF kraft til 250 W infusjonshastigheten Ar gass til 12 SCCM, kammer presset til 0,5 Pa og sputtering tiden til 11 min. Deretter danne 100-200 nm krom film på glasset underlaget med RF magnetron sputtering. Merk: Tykkelsen kontrolleres sputtering da, tar hensyn til sputtering rate tilstanden.</li>
		<li>Angi underlaget på en feste scene i et spinn-coater kammer. Slippe en positiv photoresist S1813 på krom filmen og pels i 1-2 μm tynn film av spin belegg på 4000 rpm for 30 s.</li>
		<li>Stek photoresist-belagt underlaget ved 115 ° C i 1 min på en varm plate tørke resist.</li>
		<li>Kontakt en photomask og en photoresist-belagte substrat. Utsett UV lys loddrett til photomask. Kontroller at eksponering dosen er 80 mJ/cm2, og bølgelengde er 405 nm. Bruk photomask som vist i figur 1.</li>
		<li>Forberede 500 mL kanner. Så helle 150 mL av TMAH (Tetramethylammonium hydroksid: 2,38% løsemiddel: vann) løsning i et beaker og hell 150 mL av krom etsematerialer (Ammonium Cerium(IV) nitrat: 16%, salpetersyre: 8%) i andre begeret.</li>
		<li>Fordype underlaget i 150 mL TMAH løsning og utvikle photoresist for 30 å 1 min.</li>
		<li>Skylle underlaget med rent vann.</li>
		<li>Fordype underlaget i 150 mL av krom etsing løsningen og etch krom i ca 1 til 2 min.</li>
		<li>Skylle underlaget med rent vann og fjerne vanndråper med luft slag.</li>
		<li>Klargjør piranha løsning ved å helle 150 mL av svovelsyre (konsentrasjon: 96%) i glass begeret. Deretter forsiktig legge 50 mL av Hydrogenperoksid løsning (konsentrasjon: 30%). Kontroller at volumkontrollen sulfuric syre: hydrogen peroxide vann er 3:1. Merk: Bruk beskyttende briller, klær og hansker for sikkerhet mens pouring løsninger. Piranha løsning vil miste aktivitet etter en stund, så Forbered deg hver gang.</li>
		<li>Plass en barometer substrate på en Teflon gigg for rengjøring. Deretter Dynk kjeden i piranha løsningen etter 15-30 s fjerne photoresist.</li>
	</ol></li>
	<li>Forberedelse for SU-8 belegg<ol>
<li>Angi underlaget på fikse scenen i spin-coater kammeret. Slipp ca 1 mL av akryl harpiks løsning (konsentrasjon: 10%, løsemiddel: Toluen) på chromium mønster siden av underlaget å løslate en fabrikkert struktur som en oppofrende lag. Deretter danne en tynn film av spin belegg på 2000 rpm for 30 s.</li>
		<li>Stekes ved 100 ° C i 10 min.</li>
	</ol></li>
	<li>SU-8 spray belegg<ol>
<li>Starte spray coater og hell aceton løsning i sprøyten for rengjøring.</li>
		<li>Feilfri og fjerne rester i sprededyse ved sprøyting aceton løsning. Merk: Hvis rengjøring er ikke nok, det fører til tilstopping ved sprøyting. Gjenta dette trinnet to ganger til Rengjør.</li>
		<li>Angi underlaget på en tilknyttet tallerken i en spray coater.</li>
		<li>Dekk underlaget med en kant dekke å hindre kanten perle.</li>
		<li>Hell den negative photoresist SU-8 3005 i sprøyten.</li>
		<li>Angi munnstykke diameteren til 5 mm, munnstykket bevegelsen hastighet 120 mm/s, forstøving trykket 150 kPa, væsketrykk til 60 kPa, avstanden mellom munnstykke og underlaget til 40 mm, pitch avstanden til 3 mm og intervalltiden for hvert lag til 45 s. Spray SU-8 multilayers på underlaget. Gjenta belegget 10 ganger på samme måte.</li>
		<li>La underlaget stå i 5 min etter belegg 10 ganger. Merk: Imens stående, SU-8 filmen slås jevnt og luftbobler blandet under spray belegg er utgitt.</li>
		<li>Stekes på en stekeplate 95 ° c for 60 min.</li>
		<li>Måle tykkelsen av 10 lag av mikrometer. Deretter beregne tykkelsen per lag.</li>
		<li>Avgjøre det gjenstående antallet gjentakelser for spray belegg fra beregnet filmen tykkelsen per lag. Så spray multilayer å danne en tykk film for å oppnå målet filmen tykkelsen. I denne forskningen brukes 40 lag for 200 μm tykkelse.</li>
		<li>La underlaget står for 5 min etter flerlags spray belegg.</li>
		<li>Stekes på en stekeplate ved 95 ° C i 240 minutter.</li>
		<li>La SU-8 belagt underlaget på en varm plate for 60 min og så avkjøle den langsomt til romtemperatur.</li>
	</ol></li>
	<li>3D mesh struktur danner<ol>
<li>Plasser underlaget på en vinkel justering tabell ved å bla underlaget (dvs. SU-8 filmen vender) som vist i figur 2.</li>
		<li>Fikse kanten av underlaget med tape.</li>
		<li>Tilt vinkel på tabellen justering til 45°. Merk: 0 betyr underlaget er i vannrett. Vinkelen på dette tidspunktet er bestemt av Snells lov, beregnet fra brytningsindeks av photoresist, brytningsindeks luft. Av irradiating i hendelsen vinkel på 45°, er en mesh struktur med en struktur vinkel på 64° fabrikkert.</li>
		<li>Plassere tabellen vinkel justering under UV lyskilden.</li>
		<li>Bruke UV lys loddrett på underlaget på en eksponering dose av 150 mJ/cm2 og bølgelengde 365 nm. Etter eksponering, returnere vinkel justering tabellen til 0° og vippe den til 45° i motsatt retning. Bruke UV lys loddrett på samme måte. Merk: Illustrasjoner er vist i figur 3a, b.</li>
		<li>Plasser underlaget på en kokeplate og angi temperaturen til 95 ° C for PEB (etter eksponering stek). Bake substrater for 8 min etter temperaturen blir 95 ° C.</li>
		<li>Slå av strømmen av kokeplate. Vent til temperaturen på varm plate faller til ca 40 ° C.</li>
		<li>Hell 150 mL SU-8 utvikler i et 500 mL glass beger. Angi underlaget i en Teflon gigg for utvikling.</li>
		<li>Hell 150 mL isopropanol (IPA) i en annen 500 mL glass kanne.</li>
		<li>Utvikle for ca 20-30 min. sikre at hvis utvikling tid ikke er nok, det fører til utilstrekkelig åpningen av mesh tomrom.</li>
		<li>Fordype underlaget med jig IPA og skyll i 2 minutter. Merk: Hvis overflaten av SU-8 er tilsynelatende hvit og gjørmete, indikerer det at utvikling er utilstrekkelig. I så fall gjenta utvikling og skyll igjen. Etter fullført utvikling, er en mesh struktur dannet, som vist i Figur 3 c.</li>
	</ol></li>
	<li>Strukturen utgivelse fra glass underlaget<ol>
<li>Hell 150 mL av toluen løsning i et 500 mL glass beger. Dekk begeret med aluminiumsfolie fordi toluen er lett å fordampe ved romtemperatur.</li>
		<li>Fordype underlaget i toluen løsning for ca 3-4 h. Kontroller at oppofrende laget av akryl harpiks er risset inn, og SU-8 strukturen med mesh struktur er løslatt fra underlaget, som vist i figur 3d.</li>
		<li>Blåse luft til underlaget og fjerne fuktighet. Lagre den på en desiccator før den brukes i trinn 4.3.</li>
	</ol></li>
</ol>2. forberedelse av piezoelectric film
<ol><li>Forberede en PVDF ark. Også forberede cutter kniv med rustfritt stål blad og kutte matte.</li>
	<li>Kuttet ut PVDF arket i enhet-figuren med en 360 mm2 ark (10 x 30 mm for cantilever og 6 x 10 mm for tilkobling), som vist i figur 3a.</li>
	<li>Plass klippe PVDF filmene på en Petriskål med en cellulose vindusvisker. Lagre dem i en desiccator.</li>
</ol>3. forberedelse av underlaget for liming mesh struktur og piezoelektrisk film
<ol><li>Hell 10 mL av viktigste agent PDMS og 1 mL av herding agent i en sentrifuge tube (dvs. det omtrentlige volumkontrollen er 10:1).</li>
	<li>Angi sentrifuge røret i en planetarisk omrøring og defoaming maskin og bland begge løsninger for 1 min.</li>
	<li>Forberede to 30 x 40 mm glass underlag.</li>
	<li>Angi barometer substrate på en feste scene i spin-coater kammeret. Slipp PDMS løsning på glass underlaget. Deretter danne PDMS filmen av spin belegg på 4000 rpm, som vist i figur 3e.</li>
	<li>Stek underlaget på en stekeplate ved 100 ° C for 60 min tørke PDMS filmen.</li>
	<li>Slå av strømmen av kokeplate. Vent til temperaturen på varm plate faller til ca 40 ° C.</li>
</ol>4. fabrikasjon av bimorph vibrasjon energi innhøsting
<ol><li>Plass klippe PVDF filmene enkeltvis på to forskjellige PDMS underlag, som vist i figur 3f. Sikre at bare ved å plassere PVDF filmer på overflaten av PDMS, de holder seg til hverandre. Hvis rynker blir sett på PVDF filmene, utvide dem med en sylinder. Merk: Disse to PVDF filmer kalles PVDF flm1 og PVDF flm2, og de to PDMS underlag er PDMS sbs1 og PDMS sbs2, for klarhet.</li>
	<li>Slipp SU-8 3005 på PVDF flm1 plassert på PDMS sbs1. Deretter skjemaet SU-8 tynn filmen spin belegg på 4000 rpm som vist i Figur 3 g. Merknad: Denne SU-8 tynn film blir en vedheft lag mellom mesh strukturen og PVDF flm1. Stedet der SU-8 3005 ikke ble droppet brukes for ledninger for å skaffe strøm.</li>
	<li>Plasser SU-8 mesh strukturen på PVDF flm1 og bånd dem som vist i Figur 3 h.</li>
	<li>Slipp SU-8 3005 på PVDF flm2 plassert på PDMS sbs2. Deretter skjemaet SU-8 tynn filmen spin belegg på 4000 rpm på samme måte som skritt 4.2.</li>
	<li>Løsner PVDF flm2 fra PDMS sbs2 og deretter plasser på SU-8 mesh strukturen på PVDF flm1, følge dem som vist i figur 3i, j. Lagre enheten med bonded staten i en beholder med lav fuktighet som desiccator. La den stå i ca 12t.</li>
	<li>Sette pinsett i undersiden av laveste laget PVDF flm1 og skallet av limt 3 lag PVDF flm1, SU-8 maske struktur og PVDF flm2 samtidig fra underlaget, som vist i Figur 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>

Vi har ingenting å avsløre.

Vellykket fabrikasjon av 3D-nett strukturen og den foreslåtte bimorph VEH beskrevet ovenfor er basert på fire kritisk og karakteristiske trinn.
Det første kritiske trinnet behandler bruke baksiden tilbøyelig eksponering. I prinsippet er det mulig å dikte opp en maske struktur av tilbøyelig eksponering fra den øvre overflaten ved hjelp av kontakt litografi teknikk. Men baksiden eksponering presenterer en mer nøyaktig behandling presisjon enn kontakt litografi, og feil under utvikling er mindre sannsynlig å forekomme28,29. Dette skyldes at gapet mellom photomask og photoresist kan oppstå på grunn av waviness av photoresist overflaten. Derfor lett Diffraksjon oppstår og behandling presisjon senkes på grunn av gapet. Derfor i denne studien laget vi en mesh struktur med metoden baksiden tilbøyelig eksponering. I tillegg er målt verdien av strukturelle vinkelen av fabrikkerte mesh ca 65°, med bare en feil på 1% sammenlignet med designet verdien av 64 °. Fra resultatet, vi konkludere med at det er riktig å bruke baksiden tilbøyelig eksponering metoden å utvikle mesh strukturen.
Det andre kritiske trinnet er utviklingsprosessen SU-8. Hvis en oppstår feil, mesh strukturen mister iboende fleksibilitet. For å utvikle tykk SU-8 filmen, brukes 10-15 min vanligvis. Utvikling nå er imidlertid ikke nok for utvikling av en 3D-nett-struktur. 3D-nett strukturen skiller seg fra 2D mønsteret fabrikkert av klima og jordsmonn fordi den har mange interne tomrom i membranen. Hvis utvikle tiden er kort, ikke utviklingen videre til interiøret mesh strukturen, forårsaker mønstre feil. Dvs hvorfor det er nødvendig å bruke en relativt lang utviklingstid, 20-30 min32. Hvis finere mønstre, kan enda lenger utvikling tid være nødvendig. Men på den tiden må vi vurdere hevelse skyldes lenge utvikling tid33.
Deretter er metoden å utnytte en PDMS-formet underlaget i liming prosessen av PVDF film og SU-8 mesh struktur unik. Det gjør spinn belegg og resultatet PVDF og SU-8 kan lett følges ved hjelp av et spinn-belagt SU-8 tynt lim lag. PVDF og SU-8 kan festes ved å bruke en kommersielt tilgjengelig øyeblikkelig lim. Men beskytter det selvklebende materialet når limet er styrket. Videre er det vanskelig å danne en tynn film med umiddelbar limet. Hvis tykkelsen på instant limet er større, øker stivhet av hele enheten. En økning i stivhet fører til en økning i resonans frekvensen (dvs. det forhindrer senke resonans frekvensen, som er det viktigste formålet med denne studien). På den annen side, bruker SU-8 tynn film dannet av spin belegg som et lag i vedheft sterkt ikke påvirker økningen i stivhet fordi dannet SU-8 filmen er tynn. I tillegg som mesh strukturen er laget av SU-8, er det mulig å øke limet styrke ved hjelp av det samme materialet for vedheft laget. Det er derfor SU-8 vedheft har nok limet styrke å bånd en SU-8 mesh struktur og PVDF filmer. Videre fra aspektet av reproduserbarhet for enheten, ville det være nyttig å bruke SU-8 tynn film som et lag i vedheft, som en konstant film tykkelse kan realiseres ved spin belegg filmen dannelsen.
Fjerde er belegg SU-8 særegne. Vi har valgt en spray flerlags belegg metode for SU-8 tykke filmen. Selv om det er mulig å danne en tykk film av spin belegg, stor overflate waviness skjer, og det er vanskelig å coat filmen jevnt34. På den annen side, med metoden spray multi-belegg reduserer waviness og undertrykker feil av filmen tykkelse i underlaget34. Særlig må oppmerksomhet gis til store waviness fordi når tykkelsen på 3D-nett strukturen blir uensartet, vibrasjon egenskaper og stivhet av enheten er endret av delvis økt eller redusert tykkelsen.
I prinsippet som klima og jordsmonn bruker UV-lys, er fabricable figurene begrenset. Det er sant at vi kan utvikle komplekse strukturer som en 3D-nett-struktur ved å bruke tilbøyelig eksponering. Men er tilfeldig figurer som en tredimensjonal struktur med en buet figur i filmen tykkelse retning vanskelig å danne35,36. 3D-utskrift kan produsere vilkårlig tredimensjonale figurer, og design er fleksibel. Imidlertid gjennomstrømningen av fabrikasjon er lav, og behandling presisjon og masseproduksjon er dårligere enn klima og jordsmonn. Således, det er ikke egnet for fabrikasjon strukturer med fine mønstre på kort tid. I tillegg behandler 3D DAK-data er nødvendig, og det tar tid å lage 3D-modellen. Derimot, når det gjelder klima og jordsmonn, spesielt i metoden tilbøyelig eksponering i CAD-dataene som er nødvendig for photomask er todimensjonal, og er relativt lett. For eksempel er orientert design for en 3D-nett-struktur bare 2D linjen og mellomrom mønstre, som vist i Figur 3. Vurderer disse fakta, i denne forskningen, utnyttet vi 3D litografi teknikken å utvikle en fleksibel 3D-nett-struktur.
I denne studien vi fremstille en fleksibel 3D-nett-struktur og brukt det på elastisk laget en bimorph cantilever type VEH for å senke resonansfrekvens og økende utgangseffekt. Siden den foreslåtte metoden er nyttig i å senke resonansfrekvens, vil det være nyttig for vibrasjon energi innhøsting mål for lavfrekvent program som bærbare enheter, overvåking sensorer for offentlige bygninger og bro, hvitevarer, osv. Ytterligere forbedring av utgangseffekt forventes ved å kombinere trapesform, trekant form og tykkelse optimalisering som foreslås tidligere i andre papirer37,38,39.

De siste årene, har VEHs trukket mye oppmerksomhet som strømforsyning av sensor nodene for å implementere trådløs sensornettverk og Internett av ting (IoT) programmer1,2,3,4, 5,6,7,8. Blant flere typer energi konvertering i VEHs presenterer piezoelectric-typekonvertering høy utgangsspenning. Denne typen konvertering er også egnet for miniatyrisering på grunn av dens høy affinitet med micromachining teknologi. Fordi disse attraktive funksjoner, er mange piezoelectric VEHs utviklet med piezoelektrisk keramiske materialer og organisk polymer materiale9,10,11,12, 13.
I keramiske VEHs rapportert cantilever-type VEHs med høy ytelse piezoelectric materiale PZT (bly titanate zirconate) er vidt14,15,16,17,18, og VEHs ofte bruke resonans for å få høy effektivitet kraftproduksjon. Generelt, som resonans frekvensen øker med miniatyrisering enheten størrelse, er det vanskelig å oppnå miniatyrisering og lav-resonans frekvens samtidig. Derfor, selv om PZT har høy power generasjons ytelse, er det vanskelig å utvikle lite PZT-baserte enheter som fungerer i lavfrekvente band uten spesiell behandling, for eksempel nanoribbon samlinger19,20, fordi PZT er et stivt materiale. Dessverre er våre omkringliggende vibrasjoner husholdningsapparater, menneskelig bevegelse, bygninger og broer hovedsakelig på lave frekvenser, mindre enn 30 Hz21,22,23. VEHs med sin høyt power generasjons effektivitet på lave frekvenser og liten størrelse er derfor ideell for lavfrekvent programmer.
Den enkleste måten å redusere resonans frekvensen er å øke masse vekt tips hengende. Som knytter en høy tetthet materiale til spissen er alt som kreves, fabrikasjon er enkel og lett. Men de tyngre massen er, jo mer skjøre enheten blir. En annen måte å senke frekvensen er å forlenge cantilever24,25. I metoden er avstanden fra fast slutten til gratis slutten utvidet av en todimensjonal meandered figur. Silisium underlaget er risset inn ved hjelp av en halvleder produksjon teknikken til å dikte opp en meandered struktur. Selv om metoden er effektiv for å senke resonansfrekvens, området av piezoelectric reduseres, og dermed den oppnåelig utgangseffekten reduseres. I tillegg finnes det en ulempe at nærheten av fast slutten er skjør. Om noen polymer enheter, som den lavfrekvente VEH, fleksibel piezoelectric polymer PVDF brukes ofte. PVDF er vanligvis belagt av en spinn belegg metode og filmen er tynn, kan resonans frekvensen bli redusert på grunn av lav stivhet26,27. Selv om filmen tykkelsen er kontrollerbar i størrelsesorden sub-mikron til flere mikron, er den oppnåelige utgangseffekten liten grunn av tynne tykkelsen. Derfor, selv om frekvensen kan reduseres, vi ikke kan få tilstrekkelig kraftproduksjon, og så praktisk anvendelse er vanskelig.
Her foreslår vi en bimorph-type piezoelectric cantilever (som består av to lag av piezoelectric lag og lag av elastisk laget) med to fleksible piezoelectric polymer ark, som allerede har vært utsatt for strekking behandling for forbedring Piezoelektriske egenskaper. Videre vedta vi en fleksibel 3D-nett struktur i elastisk laget bimorph hengende å redusere resonans frekvensen og bedre effekt samtidig. Vi dikte 3D-nett strukturen ved å benytte de bakside tilbøyelig eksponering metoden28,29 fordi det er mulig å dikte fine mønstre med høy presisjon på kort tid. Selv om 3D-utskrift er også en kandidat til å dikte 3D-nett struktur, gjennomstrømningen er lav, og 3D-skriver er dårligere enn klima og jordsmonn innen maskinering nøyaktighet30,31. Derfor i denne studien er baksiden tilbøyelig eksponering metoden vedtatt som metode for micromachining 3D mesh struktur.

<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

I denne studien laget vi en fleksibel 3D-nett struktur med periodiske tomrom ved hjelp av en 3D litografi metode og bruke det på en vibrasjonen energi korn å senke resonansfrekvens og øke utgangseffekt. Fabrikasjon prosessen er hovedsakelig delt i to deler: tredimensjonale klima og jordsmonn for behandling av en 3D-nett-struktur, og et bånd forarbeide piezoelectric filmer og mesh strukturen. Med fabrikkerte fleksibel mesh strukturen oppnådd vi reduksjon av resonansfrekvens og forbedring av ytelse, samtidig. Fra resultatene av vibrasjon testene utstilt meshed-core-type vibrasjonen energi innhøsting (VEH) 42,6% høyere utgangsspenning enn solid-core-type VEH. I tillegg gitt meshed-core-type VEH 18,7 Hz av resonansfrekvens, 15.8% lavere enn solid-core-type VEH, og 24,6 μW av utgangseffekt, 68,5% høyere enn solid-core-type VEH. Fordelen av foreslåtte metoden er at en kompleks og fleksibel struktur med tomrom i tre dimensjoner kan være relativt lett fabrikkert på kort tid av metoden tilbøyelig eksponering. Det er mulig å lavere resonans frekvensen av den navnet VEH mesh struktur, bruk i lav frekvens programmer, for eksempel bærbare enheter og hvitevarer og kan forventes i fremtiden.

Vi laget en bimorph-type VEH består av to lag med PVDF filmer og et middels lag består av en SU-8 mesh struktur, som vist i Figur 4. Elektrodene på den øvre og nedre PVDF er koblet i serie å få utgangsspenning. Optisk bildet og to SEM bildene er elastisk lag med en maske. Ifølge bildene synes elastisk laget behandles av baksiden tilbøyelig eksponeringen å ha fin 3D mesh mønstre uten utvikling feil.
Figur 5 viser resultatene av vibrasjon tester. I vibrasjon testene, to VEHs, med en meshed kjerne og den andre med en solid kjerner – som elastisk lag evalueres for å kontrollere gyldigheten av meshed-core-type VEH. VEHs er satt på en vibrasjon shaker og glade med en vibrasjon akselerasjon av 1.96 m/s2 (0.2 G). Både de blandet-core-type og solid-core-type VEHs viste sinusformet utgang synkronisert med en sinusformet inngang. Meshed-core-type VEH utstilt en 42,6% høyere utgangsspenning enn solid kjerner type VEH. Figur 5b viser frekvensresponsen i maksimal utgangseffekt. Meshed-core-type VEH utstilt en resonansfrekvens på 18,7 Hz, som er 15.8% lavere enn solid-core-type VEH, og en utgangseffekt på 24,6 μW, som er 68,5% høyere enn solid-core-type VEH.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig1.jpg"> Figur 1: Photomask oppsettet for klima og jordsmonn å dikte elastisk lag med en 3D meshed kjerner. Photomask har to deler. Er området for å feste, og den andre inneholder linjen og mellomrom mønstrene for mesh-struktur mønstre. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig1large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig2.jpg"> Figur 2: oppsett for tilbøyelig eksponering. UV-lyset er utsatt loddrett tilbøyelig underlaget med en Cr mønster plassert på vinkel justering bord. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig2large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig3.jpg"> Figur 3: skjematisk av en foreslått piezoelectric vibrasjonen energi innhøsting med en 3D meshed kjerner struktur og fabrikasjon prosessen med innhøsting. Fabrikasjon prosessen kan deles inn i 3 deler: (en)-(d) representerer fabrikasjon prosessen av 3D-nett, (e)-(g) representerer utarbeidelse av PVDF filmen barometer substrate og (h)-(j ) representerer liming prosessen å danne en bimorph cantilever. (Disse tallene er utgitt under gull åpen tilgang, Creative Commons lisens og har blitt endret fra [21].) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig3large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig4.jpg"> Figur 4: (a) fotografi fabrikkerte bimorph meshed kjerner vibrasjonen energi innhøsting, (b) cross-sectional optisk image av 3D meshed kjerner, (c) og (d) SEM bilder av SU-8 meshed kjerner elastisk laget. (Disse tallene er utgitt under gull åpen tilgang, Creative Commons lisens og har blitt endret fra [21].) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig4large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig5.jpg"> Figur 5: (a) sinusformet utgangsspenning Last motstand under hver resonans tilstand (meshed kjerner 18,7 Hz, solid kjerner 22,2 Hz) og (b) maksimal utgangseffekt som en funksjon av vibrasjonsfrekvens under optimale motstand (meshed-core 17 MΩ, solid kjerner 13 MΩ) og 0.2 G akselerasjon. (Disse tallene er utgitt under gull åpen tilgang, Creative Commons lisens og har blitt endret fra [21].) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig5large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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

I denne studien vi fremstille en fleksibel 3D-nett-struktur og brukt det på elastisk laget av en bimorph cantilever type vibrasjonen energi innhøsting for å senke resonansfrekvens og øke produksjonen.

En Polymer-baserte Piezoelectric vibrasjonen energi korn med en 3D Meshed kjerner

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 ...

Vår protokoll demonstrerer fabrikasjonstrinnene til en fleksibel nettstruktur og bindingsprosessen for å lage en polymerbasert vibrasjonsenergihøster. Fordelen med denne teknikken, er at 3D-fotografering enkelt kan fremstille mesh-strukturen, som er effektiv i vibrasjonsenergihøster for lavfrekvente applikasjoner For å begynne, forberede 30 millimeter med 40 millimeter glass underlag. Sett et glasssubstrat i en Teflon-jigg for rengjøring.Bruk vernebriller, klær og hansker. Deretter dukker du opp jiggen i piranha-løsningen i ett minutt. Sett glasssubstratet i kammeret til en RF magnetron sputtering maskin.Sett RF-kraften til 250 watt, sputtering tid til 11 minutter, strømningshastigheten av Argon gass til 12 sccm, og kammeret trykk til 0,5 pascals. Nå danner 100 til 200 nanometer kromfilm på glasssubstratet, ved RF magnetron sputtering. Deretter setter du underlaget på et festestadium i et spinbelagt kammer.Slipp positivt bilde motstå som 1A13 på kromfilmen, og belegge den ene til to mikron tynnfilm ved å spinne belegg på 4000 RPM i 30 sekunder. Etter å ha bakt underlaget som beskrevet i tekstprotokollen, kontakt bildet motstå belagt substrat med en fotomaske. Utsett UV-lys vertikalt til fotomasken.Pass på at eksponeringsdosen er 80 millijouler per kvadratcentimeter, og bølgelengden er 405 nanometer. Dypp underlaget i 150 milliliter TMAH-løsning, og utvikle bildet motstå i 30 sekunder til ett minutt. Etter skylling av underlaget med rent vann, senk underlaget i de 150 milliliter kromets etsingsløsning, og etsekromium i omtrent ett til to minutter.Deretter fjerner du bildet motstå som beskrevet i tekstprotokollen. Sett underlaget på festetrinnet i spin coaterkammeret. Slipp omtrent en milliliter akrylharpiksløsning på krommønstersiden av substratet for å frigjøre den fabrikkerte strukturen som et offerlag.Deretter danner en tynn film ved spin-belegg ved 2000 RPM i 30 sekunder. Etter å ha bakt underlaget ved 100 grader Celsius i 10 minutter, sett underlaget på en vedlagt plate i sprøytelakkeren. Dekk underlaget med et kantdeksel for å forhindre kantslag.Hell det negative bildet motstå SU8-3005 i sprøyten. Still inn dysediameteren, dysebevegelseshastigheten, forstøvningstrykket, væsketrykket, tonehøyden og intervalltiden for hvert lag som er oppført i tekstprotokollen. Angi også avstanden mellom dysen og substratet til 40 millimeter.Spray SU8 flerlag på underlaget. Gjenta belegget 10 ganger på samme måte. Deretter bake underlaget på en kokeplate ved 95 grader Celsius i 60 minutter.Etter å ha bestemt filmtykkelsen per lag, som beskrevet i tekstprotokollen, sprayer flerlags for å oppnå målfilmtykkelsen. I denne forskningen påføres 40 lag for en 200 mikron tykkelse. Plasser underlaget på et vinkeljusteringsbord ved å vende underlaget over.Vipp vinkelen på justeringstabellen til 45 grader. Plasser vinkeljusteringstabellen under UV-lyskilden. Påfør UV-lys vertikalt til underlaget ved en eksponeringsdose på 150 millijouler per kvadratcentimeter, og en bølgelengde på 365 nanometer.Etter eksponeringen, returner vinkelen på justeringstabellen til null grader, og vipper den til 45 grader i motsatt retning. Påfør UV-lys vertikalt på samme måte, før du utfører ettereksponeringsbake som beskrevet i tekstprotokollen. Nå, utvikle underlaget i ca 20 til 30 minutter i SU-8 utvikler.Hvis utviklingstiden ikke er nok, fører det til utilstrekkelig åpning av nettingromlene. Etter skylling i IPA, som beskrevet i tekstprotokollen, dypp underlaget i Toluen-løsningen i omtrent tre til fire timer. Sørg for at offerlaget med akrylharpiks er kantet og SU-8-strukturen med nettstrukturen frigjøres fra underlaget.For å forberede den piezoelektriske filmen, kutt ut PVDF-arket til enhetsformen med et 360 kvadratimimim ark. Plasser de kuttede PVDF-filmene på en petriskål med en cellulær sveiper. Oppbevar dem i en desiccator.Hell nå 10 milliliter av hovedagenten til PDMS, og en millileter herdingsmiddel, inn i et sentrifugerør. Sett sentrifugerøret i en planetlagrings- og defoamingmaskin, og bland begge løsningene i ett minutt. Nå, forberede to 30 millimeter med 40 millimeter glass underlag.Sett glasssubstratet på et festetrinn i spin coaterkammeret. Slipp PDMS-løsningen på glasssubstratet. Deretter danner PDMS-filmen ved å spinne belegg ved 4000 RPM, og bake underlaget som beskrevet i tekstprotokollen.Plasser de kuttede PVDF-filmene én etter én på to forskjellige PDMS-underlag. Sørg for at bare ved å plassere PVDF-filmer på overflaten av PDMS, holder de seg til hverandre. Hvis rynker er sett på PVDF filmer, utvide dem med en valse.Slipp SU-8 på PVDF film en, plassert på PDMS substrat en. Deretter danner SU-8 tynnfilm ved å spinne belegg på 4000 RPM. Plasser SU-8-nettstrukturen på PVDF-film én og bind dem sammen.Slipp SU-8 på PVDF film to, plassert på PDMS-substrat to. Form SU-8 tynnfilm ved å spinne belegg ved 4000 RPM. Peal av PVDF film to fra PDMS substrat to, og deretter plassere på toppen av SU-8 mesh struktur, plassert på PVDF film en.Oppbevar den vedsydede enheten med den limte tilstanden i en beholder med lav luftfuktighet, for eksempel en desiccator i ca. 12 timer. Etter 12 timer, legg pinsettene inn i undersiden av det laveste laget, PVDF film en. Deretter, samtidig skrelle av de limte tre lag av PVDF film en, SU-8 mesh struktur, og PVDF film to fra underlaget.En bimorph type vibrasjon energi harvester, bestående av to lag med PVDF filmer og et mellomlag, bestående av en SU-8 mesh struktur, vises. Elektrodene i øvre og nedre PVDF er koblet til i serie for å oppnå utgangsspenning. Det optiske bildet og de to SEM-bildene viser elastiske lag med en nettstruktur.Ifølge bildene ser det elastiske laget, behandlet av baksiden tilbøyelig eksponering, ut til å ha fine 3D-nettmønstre, uten utviklingsfeil. I vibrasjonstestene evalueres to enheter, en med et elastisk lag med meshed-kjerne, og det andre med et solid kjernestruktur elastisk lag, for å verifisere gyldigheten av meshed core type enhet. Når enhetene er satt på en vibrasjonshaker og spent, viste begge meshed-core-typen og solid-core-enhetene sinusformet utgang synkronisert med sinusformet inngang.Den maskerte kjernetypen viste en 42,6 % høyere utgangsspenning enn den solide typen enhet. Vist her er frekvensresponsen til maksimal utgangseffekt. Den meshed-core type enheten viste en resonans frekvens på 18,7 hertz, som er 15,8% lavere enn solid-core type enhet.Den viste også en utgangseffekt på 24,6 mikrowatt, som er 68,5% høyere enn solid-core type-enheten. På tilbøyelig eksponering, fra baksiden av substratet, og tilstrekkelig utviklingstid er viktig for å gjøre fine utskrifter av mesh-strukturen. I den tynne bindingsprosessen kan vi også bruke et øyeblikkelig lim.Limet vil imidlertid fylle tomrommet av mesh-strukturen, og forårsake en økning i enhetens stivhet. Derfor øker resonansfrekvensen også. Alle ved hjelp av energihøstingssystemer kan vi bruke 3D-fotograferingen til som mikronanoapplikasjoner, for eksempel biologiske, optiske og mikrofluidiske systemer.

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

Energi dispersive X-ray Tomografi for 3D Elemental Kartlegging av individuelle Nanopartikler

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 av nanocrystal Størrelsesfordeling ved hjelp av Raman spektroskopi med en Multi-partikkel Phonon Confinement 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

Hånd Kontrollert Manipulering av enkle molekyler via en Scanning Probe Microscope med en 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

Fabrikasjon av White Light-Emitting elektrokjemiske celler med Stabil Emission fra 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

Høy temperatur Fremstilling av nanostrukturert yttriumoksidstabilisert-zirkonia (YSZ) Stillas etter<em&gt; In Situ</em&gt; Carbon templatmateriale xerogeler

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

Forbedret Electron injeksjon og Exciton Confinement for ren blå Quantum-Dot Light - Emitting Diodes ved å innføre delvis oksidert Aluminum katode

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

En myk verktøy prosessen kjede for sprøytestøping av en 3D-komponent med Micro søyler

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

Fabrikasjon av myke pneumatiske nettverk aktuatorer med skrå 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

En rask metode for modellering en variabel syklus motor

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