En representativ 3D -mesostruktur med fem oberoende PZT -mikroaktuatorer. A) Schematisk illustration av systemets 2D -arkitektur. B) Illustration av systemet i 3D efter montering genom kontrollerad biaxial komprimering. C) Layoutens utökade vy. D) Optiska bilder av 3D -arkitekturen. E) Skanningselektronmikroskopi (SEM) bilder av toppen och perspektivstrukturen. Den falska färgen belyser elektroderna (guld) och mikroaktuatorerna (blå). F) Resultat av den ändliga elementmodelleringen med färgrepresentationer som visar töjningens storlek. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.aat8313.
Mikroelektromekaniska system (MEMS) har expansiva tillämpningar inom bioteknik och avancerad teknik med ett växande intresse för materialvetenskap och teknik på grund av deras potential i nya system. Befintliga tekniker har möjliggjort tillämpningar inom cellmekanobiologi, hög precision massavkänning, mikrofluidik och energihantering. Projicerade tekniska konsekvenser omfattar i stort sett konstruktion av precisionsavkännande MEMS, vävnadsställningar som efterliknar principerna för mekanobiologi, och energihörstapplikationer som kan fungera på stödda breda bandbredder. För närvarande, enheter (mikrosensorer och MEMS) tillverkas med tillverkningsmetoder från halvledarindustrin - specifikt tvådimensionell (2-D) litografisk etsning-med mekaniska och elektriska komponenter i plan konfiguration.
Att utvidga 2-D MEMS till den tredje dimensionen kan tillåta bredare tillämpningar och är ett aktivt område för pågående forskning. Dynamisk aktivering är avgörande för design och utveckling av bioMEMS, modulatorer och radiofrekvensomkopplare. Tunnfilms piezoelektriska material utgör för närvarande grunden för ställdon för att producera snabb omkoppling vid små drivspänningar, i kompakta/lätta konfigurationer. Det nuvarande fokuset inom mikroskala maskinteknik är att överföra sådana piezoelektriska komponenter till komplexa 3D-ramar.
I en nyligen genomförd studie Xin Ning och medarbetare introducerade strategier för guidad montering och integration av heterogena material för att bilda komplexa 3D-mikroskala mekaniska ramverk. Arbetet kombinerade flera, oberoende piezoelektriska tunnfilmsmanövreringsorgan för vibrerande excitation och exakt kontroll. För att möjliggöra geometrisk transformation från 2-D till 3-D, tillvägagångssättet kombinerad överföringstryck som ett schema för materialintegration, vid sidan av strukturell knäckning. De resulterande konstruktionerna på plana eller kurviga ytor varierade från enkla, symmetriska layouter till komplexa hierarkiska konfigurationer. Experimentella och beräkningsstudier avslöjade systematiskt underliggande egenskaper och förmåga hos selektivt spännande riktade vibrationslägen som samtidigt kan mäta vätskans viskositet och densitet. Detta erbjuder betydande potential för applikationer inom biomedicinsk teknik. Nu publicerad i Vetenskapliga framsteg , resultaten fungerar som en grund för en ovanlig klass av mekaniskt aktiva 3D-mesostrukturer med ett brett utrymme för avancerade applikationer.
Forskarna använde banbrytande metoder för överföringstryck för att integrera ultratunna piezoelektriska filmer och segbara metaller i polymerlager som var litografiskt mönstrade i 2-D geometrier. Kontrollerad mekanisk knäckning förvandlade 2-D multifunktionella materialstrukturer till väldefinierade 3D-arkitekturer. 3D-mekaniska reaktioner modellerades först med finite element analysis (FEA) för att välja strukturella topologier och ställdon för att konstruera kontrollerad dynamik med förskjutningar och fördelningar.
I studien, författarna designade och monterade 3D-mekaniska mesostrukturer som började med bildandet av 2-D-prekursorstrukturer. Metoden integrerade flera funktionella material via processer inom mikrofabrikation och överföringstryck. Systemet omfattade ett fotodefinierbart epoxiramverk med mönstrade tunna filmer av Pb (Zr 0,52 Ti 0,48 )O 3 (PZT) som mekaniska ställdon och guld (Au) som elektroder och elektriska sammankopplingar. Skikt av polyimid (PI) inkapslade systemet utom i utvalda områden. Dessa områden bindade 3D-strukturen till den underliggande elastomera strukturen som kontaktplatser för elektrisk sondering. Författarna använde en mekaniskt styrd process för kompressionsbockning för att omvandla 2-D-föregångaren till en slutlig 3D-arkitektur genom att släppa förspänningen i det underliggande elastomera substratet. De optiska och SEM -bilderna detaljerade positionen för fem oberoende PZT -ställdon; en i mitten och fyra på stödbenen.
Montering av 3D -aktiva mesostrukturer via strukturell knäckning. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.aat8313.
Den kvantitativa FEA som genomfördes i studien fungerade som ett mått för att optimera platserna för PZT och metallskikten, säkerställer arkitektonisk integritet under kompressionsbockning. Den förutsagda 3D-konfigurationen överensstämde med den experimentella observationen. De system som utvecklats i studien för att tillverka aktiva mesostrukturer gav tillgång till olika klasser av unika 3D-mikroskalaarkitekturer.
Variationer till de komplexa geometriska layouterna möjliggjorde bildandet av unika 3D-mikroskalaarkitekturer. Mikroarkitekturerna omfattade komplexa geometrier som liknade insekter med vingar och fyra ben, asymmetriska 3D-geometrier illustrerade med en pyramidstol och en bordsstruktur. Var och en av dessa geometrier beräknades av FEA som utmärkt matchade den experimentella observationen, som visar precisionen i mikrofabriceringsprocessen.
Olika mikroarkitekturer med integrerade PZT -mikroaktuatorer. A) Brostruktur bildad med två PZT -mikroaktuatorer. B) Flugstruktur med ett par ställdon på vingarna. C) Tippad pyramidkonstruktion med tre ställdon. D) Bordsstruktur med fyra ben med ett ställdon på varje ben. De medföljande konturdiagrammen visar representativ FEA -modellering av den maximala huvudstammen i elektroderna och PZT -mikroaktuatorer. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.aat8313.
Vibrationsbeteendet för 3-D mesostrukturer upphetsade av PZT-mikroaktuatorer observerades för alla geometrier som utformats i studien. PZT-mikroaktuatorerna placerades strategiskt i intressanta områden på 3D-geometrier för att styra dynamiskt beteende och resonanslägen.
Vibrationslägen i 3D -geometrierna upphetsade av strategiskt placerade PZT -mikroaktuatorer. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.aat8313.
De strategiska 3D-konstruktionerna som skapades i studien introducerade två kvalitativt olika och välskilda resonanslägen till mesostrukturerna. Sådana resonansfrekvenser kunde avkoppla känsligheten för viskositet och densitet hos en vätska som två separata mätbara mängder. De 3D-mesostrukturer som optimerades i studien kunde separat mäta viskositeten och densiteten hos en mängd olika newtonska vätskor. Detta stod i kontrast med konventionella 2-D-resonatorer som var känsliga för både viskositets- och densitetsparametrar på ett kopplat sätt, kan därför inte exakt skilja de två parametrarna. Vanligtvis, att noggrant mäta högfrekventa vibrationer och kvalitetsfaktorer i mycket viskösa vätskor, sofistikerade experimentella apparater som dopplervibrometrar eller exakt kalibrerade töjningssensorer används med sina åtföljande utmaningar, 3D-mesostrukturerna presenterar en enklare metod med hög precision.
Kollektiva mätfunktioner för 3D-strukturerna indikerade deras breda användbarhet för att undersöka komplexa vätskor inom vården och industrin. Sådana 3D-strukturer kan integreras på ytorna på medicintekniska produkter som inbyggda sensorer på grund av deras överensstämmelse. Till exempel, författarna rekommenderar integrering av mesostrukturer på en kardiovaskulär stent (en enhet som används för att underlätta okonstruerat blodflöde hos patienter med aterosklerotiska/deformerade artärer) för att exakt mäta hemodynamik i stentmiljön.
Integrering av 3D -enheter på biomedicinska enheter. A) En kardiovaskulär stent med tre mesostrukturer motsvarande rören 1, 2 och 3. B) anordningen kan deformeras med stenten som indikerar robust vidhäftning lämplig för in vivo hemodynamiska mätningar. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.aat8313.
Kapaciteten att integrera funktionell, högpresterande piezoelektriska material till komplexa 3D-arkitekturer för ovanliga materialklasser med aktiva, hög precision och programmerbar funktion demonstrerades. Allmänhet av de material som är integrerade i studien kan underlätta utvecklingen av 3D-MEMS och relaterad teknik för avancerade sensingapplikationer inom tvärvetenskapliga områden.
© 2018 Phys.org
