Micro-elektromechanische systemen (MEMS) hebben uitgebreide toepassingen in de biotechnologie en geavanceerde engineering met een groeiende interesse in materiaalwetenschap en engineering vanwege hun potentieel in opkomende systemen. Bestaande technieken hebben toepassingen in celmechanobiologie mogelijk gemaakt, zeer nauwkeurige massadetectie, microfluïdica en bij het oogsten van energie. Geprojecteerde technische implicaties omvatten in grote lijnen het construeren van precisiegevoelige MEMS, weefselsteigers die de principes van mechanobiologie nabootsen, en toepassingen voor het oogsten van energie die kunnen werken op ondersteunde brede bandbreedtes. Momenteel, apparaten (microsensoren en MEMS) worden vervaardigd met behulp van productiemethoden van de halfgeleiderindustrie, met name tweedimensionale (2-D) lithografische ets - met mechanische en elektrische componenten in vlakke configuratie.

Het uitbreiden van de 2-D MEMS naar de derde dimensie kan bredere toepassingen mogelijk maken en is een actief gebied van lopend onderzoek. Dynamische activering is van cruciaal belang bij het ontwerp en de ontwikkeling van bioMEMS, modulatoren en radiofrequentieschakelaars. Dunne-film piëzo-elektrische materialen vormen momenteel de basis van actuatoren om snel schakelen te produceren bij kleine stuurspanningen, in compacte/lichtgewicht configuraties. De huidige focus in machinebouw op microschaal is om dergelijke piëzo-elektrische componenten over te brengen naar complexe 3D-frameworks.

In een recente studie, Xin Ning en collega's introduceerden strategieën voor de begeleide assemblage en integratie van heterogene materialen om complexe mechanische 3D-raamwerken op microschaal te vormen. Het werk combineerde meerdere, onafhankelijke piëzo-elektrische dunnefilm-actuators voor vibratie-excitatie en nauwkeurige controle. Om geometrische transformatie van 2D naar 3D mogelijk te maken, de aanpak combineerde transferprinten als een schema voor materiaalintegratie, naast structurele knik. De resulterende ontwerpen op vlakke of kromlijnige oppervlakken varieerden van eenvoudig, symmetrische lay-outs tot complexe hiërarchische configuraties. Experimentele en computationele studies onthulden systematisch onderliggende kenmerken en het vermogen van selectief opwindende gerichte vibratiemodi die tegelijkertijd de viscositeit en dichtheid van vloeistoffen kunnen meten. Dit biedt een aanzienlijk potentieel voor toepassingen in de biomedische technologie. Nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , de resultaten dienen als basis voor een ongebruikelijke klasse van mechanisch actieve 3D-mesostructuren met een breed scala aan geavanceerde toepassingen.

De wetenschappers gebruikten geavanceerde methoden bij het transferprinten om ultradunne piëzo-elektrische films en ductiele metalen te integreren in polymeerlagen die lithografisch werden gevormd tot 2D-geometrieën. Gecontroleerd mechanisch knikken transformeerde de 2-D multifunctionele materiaalstructuren in goed gedefinieerde 3-D-architecturen. De mechanische 3D-responsen werden eerst gemodelleerd met eindige-elementenanalyse (FEA) om structurele topologieën en actuatorlocaties te selecteren om gecontroleerde dynamiek met verplaatsingen en distributies te ontwikkelen.

In de studie, de auteurs ontwierpen en assembleerden de 3D mechanische mesostructuren, beginnend met de vorming van 2D-precursorstructuren. De methode integreerde meerdere functionele materialen via processen in microfabricage en transferprinten. Het systeem omvatte een fotodefinieerbaar epoxyraamwerk met dunne lagen Pb(Zr .) _0,52 Ti _0,48 )O ₃ (PZT) als mechanische actuatoren en goud (Au) als elektroden en elektrische interconnectoren. Lagen van polyimide (PI) omhulden het systeem, behalve in geselecteerde gebieden. Deze gebieden bonden de 3D-structuur aan de onderliggende elastomere structuur als contactplaatsen voor elektrisch sonderen. De auteurs gebruikten een mechanisch geleid proces van samendrukkend knikken om de 2D-precursor om te zetten in een definitieve 3D-architectuur door de voorspanning in het onderliggende elastomere substraat vrij te geven. De optische en SEM-beelden gedetailleerd de positie van vijf onafhankelijke PZT-actuators; één in het midden en vier op de steunpoten.

De kwantitatieve FEA die in het onderzoek werd uitgevoerd, diende als een maatstaf om de locaties van de PZT- en metaallagen te optimaliseren, het verzekeren van architecturale integriteit tijdens samendrukkend knikken. De voorspelde 3D-configuratie kwam overeen met de experimentele waarneming. De schema's die in de studie werden ontwikkeld om actieve mesostructuren te fabriceren, boden toegang tot diverse klassen van unieke 3D-microschaalarchitecturen.

Variaties in de complexe geometrielay-outs maakten de vorming mogelijk van unieke 3D-architecturen op microschaal. De microarchitecturen omvatten complexe geometrieën die leken op insecten met vleugels en vier poten, asymmetrische 3D-geometrieën geïllustreerd met een piramidetruss en een tafelstructuur. Elk van deze geometrieën werd berekend door FEA die uitstekend overeenkwam met de experimentele waarneming, het aantonen van de precisie van het microfabricageproces.

Het trillingsgedrag van 3D-mesostructuren geëxciteerd door PZT-microactuators werd waargenomen voor alle geometrieën die in het onderzoek zijn ontworpen. De PZT-microactuators werden strategisch geplaatst in interessegebieden op de 3D-geometrieën om dynamisch gedrag en resonantiemodi te regelen.

De strategische 3D-ontwerpen die in het onderzoek zijn gemaakt, introduceerden twee kwalitatief verschillende en goed gescheiden resonantiemodi in de mesostructuren. Dergelijke resonantiefrequenties waren in staat om de gevoeligheden van viscositeit en dichtheid van een vloeistof te ontkoppelen als twee afzonderlijke meetbare grootheden. De in het onderzoek geoptimaliseerde 3D-mesostructuren waren in staat om de viscositeit en dichtheid van een verscheidenheid aan Newtoniaanse vloeistoffen afzonderlijk te meten. Dit in tegenstelling tot conventionele 2D-resonatoren die op een gekoppelde manier gevoelig waren voor zowel viscositeits- als dichtheidsparameters, daarom niet in staat om de twee parameters precies te onderscheiden. Gebruikelijk, om hoogfrequente trillingen en kwaliteitsfactoren in zeer viskeuze vloeistoffen nauwkeurig te meten, geavanceerde experimentele apparaten zoals doppler-vibrometers of nauwkeurig gekalibreerde spanningssensoren worden gebruikt met de bijbehorende uitdagingen, de 3D-mesostructuren presenteren een eenvoudigere methode met hoge precisie.

Collectieve meetmogelijkheden van de 3D-structuren wezen op hun brede bruikbaarheid om complexe vloeistoffen in de gezondheidszorg en de industrie te onderzoeken. Dergelijke 3D-structuren kunnen vanwege hun compliantie op de oppervlakken van medische apparaten worden geïntegreerd als ingebouwde sensoren. Bijvoorbeeld, de auteurs bevelen de integratie van mesostructuren aan op een cardiovasculaire stent (een apparaat dat wordt gebruikt om ongeconstrueerde bloedstroom te vergemakkelijken bij patiënten met atherosclerotische / misvormde slagaders) om de hemodynamiek in de stentomgeving nauwkeurig te meten.

Het vermogen om functionele, hoogwaardige piëzo-elektrische materialen in complexe 3D-architecturen voor ongebruikelijke materiaalklassen met actieve, hoge precisie en programmeerbare functie werden gedemonstreerd. De alomtegenwoordigheid van de materialen die in het onderzoek zijn geïntegreerd, kan de ontwikkeling van 3-D MEMS en gerelateerde technologieën voor geavanceerde detectietoepassingen binnen multidisciplinaire gebieden vergemakkelijken.

© 2018 Fys.org