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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Esta pesquisa foi parcialmente suportada pelo JSPS Science Research Grant JP17H03196, JST PRESTO Grant número JPMJPR15R3. O apoio do projeto de plataforma de nanotecnologia MEXT (a Universidade de Tóquio Microfabrication plataforma) para a fabricação de Fotomáscara é muito apreciado.

1. a fabricação da estrutura de malha 3D
<ol><li>Limpeza do substrato de vidro<ol>
<li>Prepare-se substratos de vidro 30 x 40 mm.</li>
		<li>Preparar a solução de piranha por derramamento de 150 mL de ácido sulfúrico (concentração: 96%) para o copo de vidro. Em seguida, delicadamente adicionar 50 mL de solução de peróxido de hidrogênio (concentração: 30%). Certifique-se de que a relação do volume de água de peróxido ácido sulfúrico: hidrogênio é 3:1.</li>
		<li>Use óculos de protecção e vestuário de segurança ao derramar as soluções.</li>
		<li>Defina um substrato de vidro em um gabarito de Teflon para limpeza. Em seguida mergulhe-a em solução de piranha por 1 min.</li>
		<li>Depois de uma 1 min imersão em solução de piranha, lave o substrato de vidro lavado 2 - 3 vezes com água pura (estouro de 2 - 3 vezes).</li>
		<li>Remova as gotas de água sobre o substrato de vidro com sopro de ar.</li>
	</ol></li>
	<li>Padronização do padrão máscara Cr para a exposição sobre um substrato de vidro traseiro<ol>
<li>Defina o substrato de vidro em uma câmara de uma máquina de sputtering do magnétron RF (radiofrequência). Ajustar a potência de RF de 250 W, a taxa de fluxo de gás de Ar para 12 SCCM, a pressão da câmara a 0,5 Pa e o tempo de pulverização catódica-11 min. Em seguida, forma 100-200 nm da película de cromo sobre o substrato de vidro por sputtering do magnétron de RF. Nota: A espessura é controlada pelo tempo que sputtering, tendo em conta a condição de taxa sputtering.</li>
		<li>Defina o substrato em um palco de fixação em uma câmara de centrifugação-aplicador. Soltar um fotorresiste positivo S1813 sobre o filme de cromo e revestir a 1-2 μm película pelo revestimento de rotação a 4.000 rpm por 30 s.</li>
		<li>Asse o substrato revestido fotorresiste a 115 ° C por 1 min em uma chapa quente para secar a resistir.</li>
		<li>Entrar em contato com uma Fotomáscara e um substrato revestido fotorresiste. Expor luz verticalmente para a Fotomáscara UV. Garantir que a dose de exposição é 80 mJ/cm2, e o comprimento de onda é 405 nm. Use a Fotomáscara mostrada na Figura 1.</li>
		<li>Prepare dois copos de 500 mL. Em seguida, despeje a 150 mL de ouvido (hidróxido de tetrametilamónio: 2.38%, solvente: água) solução em um copo e despeje 150 mL de ácido cromo (Cerium(IV) de nitrato de amónio: 16%, ácido nítrico: 8%) no outro copo.</li>
		<li>Mergulhe o substrato em 150 mL de solução de ouvido e desenvolver o fotorresiste por 30 s a 1 min.</li>
		<li>Lave o substrato com água pura.</li>
		<li>Mergulhe o substrato na 150 mL de cromo, solução de gravura e etch cromo por cerca de 1 a 2 min.</li>
		<li>Lave o substrato com água pura e remover as gotas de água com sopro de ar.</li>
		<li>Preparar a solução de piranha por derramamento de 150 mL de ácido sulfúrico (concentração: 96%) para o copo de vidro. Em seguida, delicadamente adicionar 50 mL de solução de peróxido de hidrogênio (concentração: 30%). Certifique-se de que a relação do volume de água de peróxido ácido sulfúrico: hidrogênio é 3:1. Nota: Usar óculos de proteção, roupas e luvas de segurança ao derramar as soluções. Solução de piranha vai perder atividade depois de um tempo, por isso preparem cada vez.</li>
		<li>Coloque um substrato de vidro sobre um gabarito de Teflon para limpeza. Em seguida, mergulhá-lo na solução de 15-30 s para remover o fotorresiste piranha.</li>
	</ol></li>
	<li>Preparação para o revestimento de SU-8<ol>
<li>Defina o substrato na fase de fixação na câmara de centrifugação-aplicador. Queda de aproximadamente 1 mL de solução de resina acrílica (concentração: 10%, solventes: tolueno) do lado do padrão de cromo do substrato para liberar uma estrutura fabricada como uma camada sacrificial. Em seguida, formar uma fina película por revestimento de rotação de 2.000 rpm para 30 s.</li>
		<li>Leve ao forno a 100 ° C por 10 min.</li>
	</ol></li>
	<li>Revestimento de pulverizador da SU-8<ol>
<li>Lançar o aplicador spray e coloque a solução de acetona para a seringa para limpeza.</li>
		<li>Limpar e remover resíduos no interior do bocal de pulverizador pulverizando solução de acetona. Nota: Se a limpeza for insuficiente, leva à obstrução no momento da pulverização. Repita este passo duas vezes para limpar cuidadosamente.</li>
		<li>Defina o substrato em um prato anexado em um aplicador de spray.</li>
		<li>Cobri o substrato com uma capa de borda para evitar grânulo de borda.</li>
		<li>Despeje o negativo fotorresiste 3005 SU-8 para a seringa.</li>
		<li>Defina o diâmetro do bocal de 5 mm, o movimento de bocal velocidade de 120 mm/s, a pressão de atomização para 150 kPa, a pressão do líquido de 60 kPa, a distância entre o bocal e o substrato a 40 mm, a distância de arremesso de 3 mm e o tempo de intervalo para cada camada de 45 s. Spray SU-8 multicamadas no substrato. Repeti o revestimento 10 vezes da mesma maneira.</li>
		<li>Deixe o substrato ficar por 5 min após o revestimento 10 vezes. Nota: Durante o tempo em pé, o filme de SU-8 é uniformemente achatado, e as bolhas de ar misturadas durante o revestimento de pulverizador são liberadas.</li>
		<li>Asse num prato aquecido a 95 ° C por 60 min.</li>
		<li>Medir a espessura de 10 camadas por micrômetro. Em seguida, calcule a espessura por camada.</li>
		<li>Determine o número de repetições para revestimento de pulverizador da espessura da película calculado por camada. Em seguida pulverize as multicamadas para formar uma película grossa para atingir a espessura de película de alvo. Nesta pesquisa, 40 camadas são aplicadas para uma espessura de 200 μm.</li>
		<li>Deixe o substrato ficar por 5 min após o revestimento de pulverizador multicamadas.</li>
		<li>Asse num prato aquecido a 95 ° C para 240 min.</li>
		<li>Deixe o substrato revestido SU-8 em uma chapa quente para 60 min e depois resfriá-lo lentamente à temperatura ambiente.</li>
	</ol></li>
	<li>Formação de estrutura de malha 3D<ol>
<li>Coloque o substrato em uma tabela de ajuste de ângulo por capotar o substrato (ou seja, o filme de SU-8 é virado para baixo) como mostrado na Figura 2.</li>
		<li>Fixe a borda do substrato com fita.</li>
		<li>O ângulo da tabela de ajuste para 45° de inclinação. Nota: 0°, que o substrato é no estado horizontal. O ângulo neste momento é determinado pela lei de Snell, calculado a partir do índice de refração do fotorresiste, índice de refração do ar. Por irradiação num incidente ângulo de 45°, uma estrutura de malha com um ângulo de estrutura de 64° é fabricada.</li>
		<li>Coloque a tabela de ajuste de ângulo sob a fonte de luz UV.</li>
		<li>Aplicar luz UV verticalmente ao substrato em uma dose de exposição de 150 mJ/cm2 e comprimento de onda de 365 nm. Após a exposição, retornar o ângulo da tabela de ajuste de 0° e incliná-lo para 45° na direção oposta. Aplica UV luz verticalmente na mesma maneira. Nota: Ilustrações são mostradas na Figura 3a, b.</li>
		<li>Coloque o substrato em um prato quente e definir a temperatura de 95 ° C para PEB (pós-exposição Asse). Asse o substrato durante 8 min depois que a temperatura se torna a 95 ° C.</li>
		<li>Desligue a alimentação da placa quente. Espere até que a temperatura da placa quente cai para cerca de 40 ° C.</li>
		<li>Despeje um copo de vidro de 500 mL, 150 mL de desenvolvedor de SU-8. Defina o substrato em um gabarito de Teflon para o desenvolvimento.</li>
		<li>Despeje outro copo de vidro de 500 mL, 150 mL de isopropanol (IPA).</li>
		<li>Desenvolva-se por aproximadamente 20 a 30 min. Certifique-se de que, se o tempo em desenvolvimento não é suficiente, isso leva a insuficiente abertura de malha de espaços vazios.</li>
		<li>Mergulhe o substrato com gabarito no IPA e enxaguar por 2 min. Nota: Se a superfície do SU-8 é aparentemente branco e enlameado, ele indica que o desenvolvimento é insuficiente. Neste caso, repita o desenvolvimento e enxaguar novamente. Após completo desenvolvimento, uma estrutura de malha é formada, como mostrado na Figura 3C.</li>
	</ol></li>
	<li>Estrutura de lançamento do substrato de vidro<ol>
<li>Despeje um copo de vidro de 500 mL, 150 mL de solução de tolueno. Cubra o copo com folha de alumínio porque tolueno é fácil para evaporar à temperatura ambiente.</li>
		<li>Mergulhe o substrato na solução de tolueno para aproximadamente 3-4 h. Assegure-se que a camada sacrificial de resina acrílica é gravada, e a estrutura de SU-8 com a estrutura de malha é liberada a partir do substrato, como mostrado na Figura 3d.</li>
		<li>Sopro de ar para o substrato e remover a umidade. Armazená-lo num exsicador até é usado na etapa 4.3.</li>
	</ol></li>
</ol>2. preparação do filme piezoelétrico
<ol><li>Prepare uma folha PVDF. Além disso, prepare uma faca de corte com uma lâmina de aço inoxidável e esteira de corte.</li>
	<li>Corte a folha PVDF para a forma de dispositivo com uma folha de2 360 mm (10 x 30 mm para cantilever e 6 x 10 mm para conexão elétrica), como mostrado na Figura 3a.</li>
	<li>Coloque os filmes PVDF cortados sobre uma placa de Petri com um limpador de celulose. Armazená-los em um dessecador.</li>
</ol>3. preparação do substrato para colagem de estrutura de malha e filme piezoelétrico
<ol><li>Despeje 10 mL do agente principal de PDMS e 1 mL de agente de cura para um tubo de centrifugação (ou seja, a proporção de volume aproximado é 10:1).</li>
	<li>Conjunto do tubo de centrífuga em uma agitação planetária e máquina de espumação e misturar as duas soluções por 1 min.</li>
	<li>Prepare duas 30 mm x 40 mm substratos de vidro.</li>
	<li>Defina o substrato de vidro num palco de fixação na câmara de centrifugação-aplicador. Gota de solução PDMS sobre o substrato de vidro. Em seguida, forma o filme PDMS por revestimento de rotação a 4.000 rpm, como mostrado na Figura 3e.</li>
	<li>Asse o substrato num prato aquecido a 100 ° C por 60 min secar o filme PDMS.</li>
	<li>Desligue a alimentação da placa quente. Espere até que a temperatura da placa quente cai para cerca de 40 ° C.</li>
</ol>4. fabricação de colheitadeira de energia de vibração bimorph
<ol><li>Coloque os corte PVDF filmes um em dois diferentes substratos PDMS, como mostrado na Figura 3f. Certifique-se de que apenas colocando filmes PVDF na superfície do PDMS, aderem uns aos outros. Se as rugas são vistas em filmes de PVDF, estendê-las com um rolo. Nota: Estes dois filmes PVDF são chamados flm1 PVDF e PVDF flm2, e os dois substratos PDMS são sbs1 PDMS e PDMS sbs2, por razões de clareza.</li>
	<li>3005 SU-8 para o PVDF flm1 colocados no PDMS sbs1de cair. Em seguida, forma a película fina de SU-8 por revestimento de rotação a 4.000 rpm, como mostrado na Figura 3 g. Nota: Esta película fina de SU-8 torna-se uma camada de aderência entre a estrutura de malha e o flm1 PVDF. O lugar onde o 3005 SU-8 não foi descartado é usado para a fiação para adquirir energia elétrica.</li>
	<li>Coloque a estrutura de malha de SU-8 sobre o flm1 PVDF e uni-los, conforme mostrado na Figura 3 h.</li>
	<li>Largue 3005 SU-8 para o PVDF flm2 colocados no PDMS sbs2. Em seguida, forma a película fina de SU-8 por revestimento de rotação a 4.000 rpm, da mesma forma como passo 4.2.</li>
	<li>Descole PVDF flm2 de sbs2 PDMS e coloque em cima da estrutura de malha de SU-8 colocada na flm1 PVDF, aderindo a eles como mostrado na Figura 3i, j. Armazene o dispositivo com o estado de ligado em um recipiente com baixa umidade como exsicador. Deixe por cerca de 12 h.</li>
	<li>Adiar a pinça no lado inferior da camada mais baixa flm1 PVDF e casca ligadas 3 camadas flm1 PVDF, SU-8 mesh estrutura e PVDF flm2 simultaneamente de substrato, como mostrado na Figura 3 k.</li>
</ol>

<ol>
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Nós não temos nada para divulgar.

A fabricação bem sucedida da estrutura de malha 3D e o bimorph proposto VEH descrito acima é baseado em quatro etapas essenciais e distintivas.
O primeiro passo crítico é processamento usando exposição traseiro inclinado. Em princípio, é possível fabricar uma estrutura de malha pela exposição inclinada da superfície superior usando a técnica de litografia de contato. No entanto, exposição traseiro apresenta uma precisão de processamento mais precisa do que contato litografia e defeitos durante o desenvolvimento são menos prováveis de ocorrer28,29. Isso ocorre porque o fosso entre a Fotomáscara e o fotorresiste pode surgir devido a ondulação da superfície fotorresiste. Por isso, ocorre difração de luz e precisão de processamento é reduzido devido a lacuna. Portanto, neste estudo, nós fabricada uma estrutura de malha usando o método de exposição traseiro inclinado. Além disso, o valor de medição do ângulo estrutural da estrutura de malha fabricada é cerca de 65°, com apenas um erro de 1% em comparação com o valor projetado de 64 °. Do resultado, podemos concluir que é apropriado aplicar o método de exposição traseiro inclinado para fabricar a estrutura da malha.
O segundo passo crítico é o processo de desenvolvimento de SU-8. Se o desenvolvimento de um defeito ocorrer, a estrutura de malha perde flexibilidade inerente. Para desenvolver a película grossa de SU-8, geralmente 10-15 min é usado. No entanto, desta vez em desenvolvimento é insuficiente para o desenvolvimento de uma estrutura de malha 3D. A estrutura de malha 3D difere do padrão 2D fabricado por fotolitografia, porque tem muitos espaços vazios internos dentro da membrana. Se o tempo de desenvolvimento é curto, desenvolvimento não progride para o interior da estrutura da malha, causando falha de padronização. Isto é porque, é necessário aplicar um tempo relativamente longo de desenvolvimento, de 20-30 min32. Se os padrões mais finos são necessários, tornando ainda mais tempo pode ser necessário. No entanto, naquele tempo,... temos que considerar o inchaço causado por longo tempo desenvolvimento33.
Em seguida, o método de explorar um substrato de PDMS-formado no processo de adesão da película PVDF e estrutura de malha de SU-8 é exclusivo. Faz o revestimento de rotação possível e, em consequência, PVDF e SU-8 podem ser facilmente aderida usando uma rotação-revestido SU-8 fina camada adesiva. PVDF e SU-8 podem ser ligado, mesmo usando uma cola instantânea disponível comercialmente. No entanto, o material adesivo endurece depois que o adesivo é solidificado. Além disso, é difícil formar uma película fina com a cola instantânea. Se a espessura da cola instantânea for maior, vai aumentar a rigidez de todo o dispositivo. Um aumento na rigidez leva a um aumento da frequência de ressonância (ou seja, evita reduzindo a frequência de ressonância, que é o objetivo principal deste estudo). Por outro lado, usando a SU-8 fina película formada por revestimento de rotação como uma camada de adesão não afetam grandemente o aumento na rigidez porque o filme de SU-8 formado é fino. Além disso, como a estrutura de malha é feita de SU-8, é possível aumentar a resistência adesiva usando o mesmo material para a camada de aderência. É por isso que a adesão de SU-8 tem suficiente força adesiva a ligação de uma estrutura de malha de SU-8 e filmes PVDF. Além disso, desde o aspecto da reprodutibilidade do dispositivo, seria útil usar a película fina de SU-8 como uma camada de adesão, como uma espessura de película constante pode ser realizada pela formação de película de revestimento de spin.
Em quarto lugar, o método de revestimento de SU-8 é distinto. Nós selecionamos um método de revestimento multicamada de pulverização para a película grossa de SU-8. Embora seja possível formar uma película grossa por revestimento de rotação, ocorre grande ondulação de superfície, e é difícil revestir o filme uniformemente34. Por outro lado, usando o método de revestimento multi pulverizador reduz a ondulação e suprime o erro de espessura de filme no substrato34. Particularmente, atenção deve ser dada à grande ondulação, porque quando a espessura da estrutura de malha 3D torna-se não uniforme, as características de vibração e rigidez do dispositivo é alterado pela parcialmente aumentada ou diminuição da espessura.
Em princípio, como fotolitos usam luz UV, as formas de fabricable são limitadas. É verdade que nós podemos fabricar estruturas complexas como uma estrutura de malha 3D usando exposição inclinada. No entanto, formas arbitrárias como uma estrutura tridimensional com uma forma curvada na direção de espessura de filme são difíceis formar35,36. A impressão 3D pode produzir formas tridimensionais arbitrárias, e o projeto é flexível. No entanto, a taxa de transferência de fabricação é baixa, e a precisão de processamento e produção em massa são inferiores a fotolitografia. Assim, não é apropriado para a fabricação de estruturas com padrões bem em um curto espaço de tempo. Além disso, processamento de dados de CAD 3D é necessário, e leva tempo para criar o modelo 3D. Por outro lado, no caso de fotolitografia, especialmente no método de exposição inclinado, os dados de CAD necessários para a Fotomáscara serão bidimensionais, e o projeto é relativamente fácil. Por exemplo, o projeto orientado para uma estrutura de malha 3D é apenas a linha 2D e os padrões de espaço, como mostrado na Figura 3. Tendo em conta estes factos, nesta pesquisa, nós explorada a técnica de litografia 3D para desenvolver uma estrutura flexível de malha 3D.
Neste estudo, nós fabricada uma estrutura flexível de malha 3D e aplicou-à camada elástica de um tipo de consola bimorph VEH com a finalidade de redução de frequência de ressonância e o crescente poder da saída. Desde que o método proposto é útil em reduzir a frequência de ressonância, será útil para vibração energética colheitadeira direcionada para aplicação de baixa frequência, tais como dispositivos de wearable, monitoramento de sensores para edifícios públicos e ponte, eletrodomésticos, etc. Reforço de potência de saída seria de esperar, combinando a forma trapezoidal, forma de triângulo e otimização de espessura que é proposta anteriormente em outros papéis37,38,39.

Nos últimos anos, VEHs tem atraído muita atenção como uma fonte de alimentação elétrica de nós sensores para a implementação de redes de sensores sem fio e Internet das coisas (IoT) aplicações1,2,3,4, 5,6,7,8. Entre vários tipos de conversão de energia em VEHs, conversão de tipo piezoelétrico apresenta tensão de saída alta. Este tipo de conversão também é adequado para miniaturização devido sua alta afinidade com tecnologia micromaquinação. Devido a estas características atraentes, muitos VEHs piezoelétricos têm sido desenvolvidos usando materiais cerâmicos piezoelétricos e polímero orgânico materiais9,10,11,12, 13.
Em cerâmicas VEHs, tipo cantilever VEHs usando material piezoelétrico de alta performance PZT (zirconato de titanato de chumbo) são amplamente relataram14,15,16,17,18e os VEHs geralmente usam ressonância para obter a geração de energia de alta eficiência. Em geral, à medida que a frequência de ressonância aumenta com a miniaturização do tamanho do dispositivo, é difícil conseguir miniaturização e baixo-ressonância frequência simultaneamente. Assim, apesar de PZT tem desempenho elevado-poder-geração, é difícil desenvolver pequenas PZT-com dispositivos que funcionam em uma banda de baixa frequência sem processamento especial, tais como conjuntos de nanoribbon19,20, porque PZT é um material de alta rigidez. Infelizmente, nossas vibrações circundantes, tais como eletrodomésticos, movimento humano, edifícios e pontes são principalmente em baixas frequências, menos do que 30 Hz21,22,23. Portanto, VEHs com sua eficiência de geração de poder elevado em baixas frequências e tamanho pequeno são ideais para as aplicações de baixa frequência.
A maneira mais fácil para reduzir a frequência de ressonância é aumentar o peso em massa da ponta do cantilever. Como anexar um material de alta densidade para a ponta é tudo o que é necessário, a fabricação é simples e fácil. No entanto, a massa o mais pesado é, quanto mais frágil o dispositivo torna-se. Outra forma de diminuir a frequência é para alongar o cantilever24,25. O método, a distância entre a extremidade fixa à extremidade livre é prorrogada por uma forma meandered bidimensional. O substrato de silício é gravado usando uma técnica de fabricação de semicondutores para fabricar uma estrutura meandered. Embora o método é eficaz para a redução de frequência de ressonância, a área do material piezoelétrico diminui e, assim, diminui a potência de saída obtenível. Além disso, há uma desvantagem que nas proximidades da extremidade fixa é frágil. Em relação a alguns dispositivos de polímero, tais como a baixa frequência VEH, polímero piezoelétrico flexível PVDF é usado frequentemente. Como PVDF é geralmente revestida por um método de revestimento de rotação e o filme é fino, a frequência de ressonância pode ser reduzida por causa da baixa rigidez26,27. Embora a espessura da película é controlável na faixa de sub mícron a vários microns, a potência de saída atingível é pequena por causa da espessura fina. Portanto, mesmo se a frequência pode ser reduzida, não podemos obter suficiente geração de energia e, portanto, aplicação prática difícil.
Aqui, propomos um cantilever piezoelétrico bimorph-tipo (consistindo de duas camadas de piezoelétricas camadas e uma camada de camada elástica) com duas folhas de polímero flexível piezoelétrico, que já tenham sido submetidos a tratamento para melhoria de alongamento de características piezoelétricas. Além disso, adotamos uma estrutura flexível de malha 3D na camada elástica do cantilever bimorph para reduzir a frequência de ressonância e melhorar o poder simultaneamente. Podemos fabricar a estrutura de malha 3D, utilizando o método de exposição do traseiro inclinado28,29 , porque é possível fabricar padrões bem com alta precisão em um curto espaço de tempo. Embora a impressão 3D é também um candidato para fabricar a estrutura de malha 3D, a produtividade é baixa, e a impressora 3D é inferior à photolithography em usinagem de precisão,30,31. Portanto, neste estudo, o método de exposição traseiro inclinado é adotado como o método de estrutura de malha micromaquinação o 3D.

<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

Neste estudo, nós fabricada uma estrutura flexível de malha 3D com periódicos vazios usando um método da litografia 3D e aplicá-la a um colector de energia de vibração para diminuir a frequência de ressonância e aumentar a potência de saída. O processo de fabricação principalmente é dividido em duas partes: fotolitos tridimensional para o processamento de uma estrutura de malha 3D e um processo de colagem de filmes piezoelétricos e a estrutura de malha. Com a estrutura de malha flexível fabricada, conseguimos a redução da frequência de ressonância e melhoria da potência de saída, simultaneamente. Partir dos resultados dos testes de vibração, a colhedora de energia de vibração de malha-core-tipo (VEH) exibiu 42,6% tensão de saída maior do que o sólido-core-tipo VEH. Além disso, a malha-core-tipo VEH rendeu 18,7 Hz de frequência de ressonância, 15,8% menor do que o sólido-core-tipo VEH e 24,6 μW de potência de saída, 68,5% maior do que o sólido-core-tipo VEH. A vantagem do método proposto é que uma estrutura complexa e flexível com vazios em três dimensões pode ser relativamente fácil forjada em um curto espaço de tempo pelo método de exposição inclinado. Como é possível reduzir a frequência de ressonância do VEH pela estrutura de malha, uso em aplicações de baixa frequência, tais como dispositivos wearable e eletrodomésticos, pode ser esperado no futuro.

Temos fabricado um VEH bimorph-tipo composto de duas camadas de filmes PVDF e uma camada intermediária, composta de uma estrutura de malha de SU-8, como mostrado na Figura 4. Os eletrodos de PVDF o superior e inferior são conectados em série para obter a tensão de saída. A imagem óptica e as duas imagens SEM são camadas elásticas com uma estrutura de malha. De acordo com as imagens, a camada elástica processada pela exposição traseiro inclinado parece ter 3D bem malha padrões sem falha de desenvolvimento.
A Figura 5 mostra os resultados dos ensaios de vibração. Nos testes de vibração, duas VEHs — uma com um núcleo de malha e o outro com uma estrutura sólida-núcleo — como a camada elástica são avaliados para verificar a validade de malha-core-tipo VEH. Os VEHs são definidas num agitador de vibração e animados com uma aceleração de vibração de 1,96 m/s2 (0,2 G). Tanto as malha-core-tipo e sólido-core-tipo VEHs mostrou saída senoidal sincronizada com uma entrada senoidal. A malha-core-tipo VEH exibiu uma tensão de saída 42,6% maior do que o tipo de núcleo sólido VEH. Figura 5b mostra a resposta de frequência da potência máxima de saída. A malha-core-tipo VEH exibiu uma frequência de ressonância de 18,7 Hz, que é de 15,8% menor do que o sólido-core-tipo VEH e uma potência de saída de 24,6 μW, que é de 68,5% maior do que o sólido-core-tipo VEH.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig1.jpg"> Figura 1: Layout de Fotomáscara para fotolitos fabricar camada elástica com uma estrutura de malha-núcleo 3D. A Fotomáscara tem duas partes. Uma é a área para fixação, e a outra contém os padrões de linha e espaço para padronização de malha-estrutura. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig2.jpg"> Figura 2: set-up para exposição inclinada. A luz UV é exposta verticalmente ao substrato inclinado com um padrão de Cr colocado na tabela de ajuste de ângulo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig3.jpg"> Figura 3: esquema de uma colhedora de energia de vibração piezo proposto com uma estrutura de malha-núcleo 3D e o processo de fabricação de harvester. O processo de fabricação pode ser dividido em 3 seções: (a)-(d) representam o processo de fabricação da estrutura de malha 3D, (e)-(g) representam a preparação do filme PVDF sobre um substrato de vidro e (h)-(j ) representam o processo de ligação para formar um bimorph cantilever. (Estes números são publicados sob ouro acesso aberto, Creative Commons licença e foram modificadas de [21].) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig4.jpg"> Figura 4: (uma) fotografia da colheitadeira de energia de vibração de malha-núcleo bimorph fabricados, imagem óptica (b) seção transversal da estrutura de malha-núcleo 3D, (c) e (d) SEM imagens de camada elástica de malha-núcleo de SU-8. (Estes números são publicados sob ouro acesso aberto, Creative Commons licença e foram modificadas de [21].) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig4large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59067/59067fig5.jpg"> Figura 5: tensão de saída (a) Sinusoidal da resistência de carga sob cada condição de ressonância (18,7 Hz malha-núcleo, núcleo sólido 22,2 Hz) e (b) a máxima potência de saída em função da frequência da vibração sob carga óptima resistência (17 malha-núcleo MΩ, núcleo sólido 13 MΩ) e aceleração de 0,2 G. (Estes números são publicados sob ouro acesso aberto, Creative Commons licença e foram modificadas de [21].) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59067/59067fig5large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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

Neste estudo, nós fabricada uma estrutura flexível de malha 3D e aplicou-à camada elástica de uma colhedora de energia de vibração tipo cantilever bimorph com a finalidade de reduzir a frequência de ressonância e aumentando a potência de saída.

Uma colhedora de energia de vibração piezo baseado em polímero com uma estrutura de Meshed-Core 3D

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 ...

Nosso protocolo demonstra as etapas de fabricação de uma estrutura de malha flexível e o processo de ligação para fazer uma colheitadeira de energia de vibração baseada em polímero. A vantagem dessa técnica, é que a fotografia 3D pode facilmente fabricar a estrutura de malha, que é eficaz na colheitadeira de energia de vibração para aplicações de baixa frequência Para começar, prepare 30 milímetros por substratos de vidro de 40 milímetros. Coloque um substrato de vidro em um gabarito de Teflon para limpeza.Use óculos de proteção, roupas e luvas. Em seguida, desponte o gabarito na solução piranha por um minuto. Coloque o substrato de vidro na câmara de uma máquina de sputtering de magnetron RF.Defina a potência RF para 250 watts, o tempo de sputtering para 11 minutos, a vazão do gás Argon para 12 sccm, e a pressão da câmara para 0,5 pascals. Agora, formam de 100 a 200 nanômetros de filme de cromo no substrato de vidro, por rf magnetron sputtering. Em seguida, coloque o substrato em um estágio de fixação em uma câmara revestida de giro.A foto positiva de queda resiste como 1A13 no filme de cromo, e cubra o filme fino de um a dois mícrons por meio de revestimento giratório a 4000 RPM por 30 segundos. Após assar o substrato conforme descrito no protocolo de texto, entre em contato com o substrato revestido da foto com uma máscara fotográfica. Exponha a luz UV verticalmente à máscara fotográfica.Certifique-se de que a dose de exposição é de 80 milímetros por centímetro quadrado, e o comprimento de onda é de 405 nanômetros. Mergulhe o substrato em 150 mililitros de solução TMAH e desenvolva a foto resista por 30 segundos a um minuto. Depois de enxaguar o substrato com água pura, mergulhe o substrato nos 150 mililitros da solução de gravura de cromo e etch cromo por cerca de um a dois minutos.Em seguida, remova a resistência da foto, conforme descrito no protocolo de texto. Agora, coloque o substrato no estágio de fixação na câmara do revestimento de spin. Solte aproximadamente um mililitro da solução de resina acríclica no lado padrão do cromo do substrato para liberar a estrutura fabricada como uma camada sacrificial.Em seguida, forme um filme fino por spin-coating a 2000 RPM por 30 segundos. Depois de assar o substrato a 100 graus Celsius por 10 minutos, coloque o substrato em uma placa anexada no revestimento de pulverização. Cubra o substrato com uma tampa de borda para evitar batidas de borda.Despeje a foto negativa resista ao SU8-3005 na seringa. Defina o diâmetro do bocal, a velocidade de movimento do bocal, a pressão de atomização, a pressão do fluido, a distância do campo e o tempo de intervalo para cada camada conforme listado no protocolo de texto. Além disso, defina a distância entre o bocal e o substrato para 40 milímetros.Pulverizar multicamadas SU8 no substrato. Repita o revestimento 10 vezes da mesma forma. Em seguida, asse o substrato em uma placa quente a 95 graus Celsius por 60 minutos.Depois de determinar a espessura do filme por camada, como descrito no protocolo de texto, pulverize a multicamadas para alcançar a espessura do filme-alvo. Nesta pesquisa, são aplicadas 40 camadas para uma espessura de 200 mícrons. Agora, coloque o substrato em uma mesa de ajuste de ângulo, virando o substrato.Incline o ângulo da mesa de ajuste para 45 graus. Coloque a mesa de ajuste do ângulo sob a fonte de luz UV. Aplique luz UV verticalmente ao substrato a uma dose de exposição de 150 milijoules por centímetro quadrado, e um comprimento de onda de 365 nanômetros.Após a exposição, devolva o ângulo da tabela de ajuste a zero graus e incline-o para 45 graus na direção oposta. Aplique luz UV verticalmente da mesma forma, antes de realizar o assado pós-exposição, conforme descrito no protocolo de texto. Agora, desenvolva o substrato por aproximadamente 20 a 30 minutos no desenvolvedor SU-8.Se o tempo de desenvolvimento não for suficiente, leva à abertura insuficiente dos vazios de malha. Após enxaguar em IPA, como descrito no protocolo de texto, mergulhe o substrato na solução Toluene por aproximadamente três a quatro horas. Certifique-se de que a camada sacrificial da resina acrílica é bordada e a estrutura SU-8 com a estrutura de malha é liberada do substrato.Para preparar o filme piezoelétrico, corte a folha PVDF para a forma do dispositivo com uma folha de 360 milímetros quadrados. Coloque os filmes PVDF cortados em uma placa de Petri com um cortador de celular. Armazená-los em um desiccator.Agora, despeje 10 mililitros do agente principal do PDMS, e um mililitro de agente de cura, em um tubo de centrífuga. Coloque o tubo de centrífuga em uma máquina planetária de armazenamento e desfoaming, e misture ambas as soluções por um minuto. Agora, prepare dois substratos de vidro de 30 milímetros por 40 milímetros.Coloque o substrato de vidro em um estágio de fixação na câmara do revestimento de spin. Solte a solução PDMS no substrato de vidro. Em seguida, forme o filme PDMS por revestimento girado a 4000 RPM, e asse o substrato conforme descrito no protocolo de texto.Coloque os filmes PVDF cortados um a um em dois substratos PDMS diferentes. Certifique-se de que, apenas colocando filmes PVDF na superfície do PDMS, eles se aderem uns aos outros. Se as rugas forem vistas nos filmes PVDF, amplie-as com um rolo.Solte SU-8 no filme PVDF um, colocado no substrato PDMS um. Em seguida, forme o filme fino SU-8 por revestimento girado a 4000 RPM. Coloque a estrutura de malha SU-8 na filme PVDF um e uni-la.Agora, solte OU-8 na película PVDF 2, colocado no substrato PDMS dois. Forme o filme fino SU-8 por revestimento girado a 4000 RPM. Peal off PVDF filme dois do substrato PDMS dois, e, em seguida, colocar em cima da estrutura de malha SU-8, colocado em PVDF filme um.Armazene o dispositivo aderido com o estado ligado em um recipiente com baixa umidade, como um dessecador por cerca de 12 horas. Depois de 12 horas, coloque a pinça na parte inferior da camada mais baixa, filme PVDF um. Em seguida, descasque simultaneamente as três camadas ligadas de filme PVDF um, estrutura de malha SU-8 e filme PVDF dois do substrato.Um coletor de energia de vibração tipo bimorph, composto por duas camadas de filmes PVDF e uma camada intermediária, composta por uma estrutura de malha SU-8, é mostrado. Os eletrodos do PVDF superior e inferior estão conectados em série para obter tensão de saída. A imagem óptica e as duas imagens SEM mostram camadas elásticas com uma estrutura de malha.De acordo com as imagens, a camada elástica, processada pela exposição inclinada para trás, parece ter padrões finos de malha 3D, sem falha de desenvolvimento. Nos testes de vibração, dois dispositivos, um com camada elástica de núcleo malhado, e outro com uma camada elástica de estrutura de núcleo sólido, são avaliados para verificar a validade do dispositivo do tipo núcleo em malha. Quando os dispositivos são colocados em um agitador de vibração e excitados, ambos, o tipo de núcleo de malha e os dispositivos do tipo núcleo sólido, mostraram saída sinusoidal sincronizada com entrada sinusoidal.O dispositivo do tipo núcleo de malha exibiu uma tensão de saída 42,6% maior do que o dispositivo tipo núcleo sólido. Mostrada aqui é a resposta de frequência da potência máxima de saída. O dispositivo do tipo núcleo mesclado apresentou uma frequência de ressonância de 18,7 hertz, que é 15,8% menor do que o dispositivo tipo núcleo sólido.Também apresentou uma potência de saída de 24,6 microwatts, 68,5% maior que o dispositivo tipo núcleo sólido. Na exposição inclinada, do lado traseiro do substrato, e tempo de desenvolvimento suficiente são importantes para fazer letras finas da estrutura da malha. No processo de ligação fina, também podemos usar uma cola instantânea.No entanto, a cola preencherá o vazio da estrutura da malha e causará um aumento na rigidez do dispositivo. Portanto, a frequência de ressonância também aumenta. Todos usando sistemas de colheita de energia, podemos aplicar a fotografia 3D como um micro nano aplicações, como sistemas biológicos, ópticos e microfluidos.

Research

JoVE Journal

Engineering

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