Engineering 3-D mesostrukturer med mekanisk aktive materialer

Mikroelektromekaniske systemer (MEMS) har ekspansive anvendelser inden for bioteknologi og avanceret teknik med stigende interesse for materialevidenskab og teknik på grund af deres potentiale i nye systemer. Eksisterende teknikker har muliggjort anvendelser inden for cellemekanobiologi, masseføling med høj præcision, mikrofluidik og i energihøst. Forventede tekniske implikationer omfatter i store træk konstruktion af præcisionsfølende MEMS, vævsstilladser, der efterligner principperne for mekanobiologi, og energihøstende applikationer, der kan fungere på understøttede brede båndbredder. På nuværende tidspunkt enheder (mikrosensorer og MEMS) er fremstillet ved hjælp af fremstillingsmetoder fra halvlederindustrien – specifikt, todimensionel (2-D) litografisk ætsning - med mekaniske og elektriske komponenter i plan konfiguration.

Udvidelse af 2-D MEMS til den tredje dimension kan tillade bredere anvendelser og er et aktivt område af igangværende forskning. Dynamisk aktivering er afgørende vigtig i design og udvikling af bioMEMS, modulatorer og radiofrekvensomskiftere. Tyndfilms piezoelektriske materialer danner i øjeblikket grundlaget for aktuatorer til at producere hurtig omskiftning ved små drivspændinger, i kompakte/lette konfigurationer. Det nuværende fokus i maskinteknik i mikroskala er at overføre sådanne piezoelektriske komponenter til komplekse 3-D rammer.

I en nylig undersøgelse, Xin Ning og kolleger introducerede strategier for guidet samling og integration af heterogene materialer for at danne komplekse 3-D mikroskala mekaniske rammer. Arbejdet kombinerede flere, uafhængige piezoelektriske tyndfilms-aktuatorer til vibrerende excitation og præcis kontrol. For at muliggøre geometrisk transformation fra 2-D til 3-D, tilgangen kombinerede transfertryk som en ordning for materialeintegration, sideløbende med strukturel knækning. De resulterende designs på plane eller buede overflader spændte fra enkle, symmetriske layouts til komplekse hierarkiske konfigurationer. Eksperimentelle og beregningsmæssige undersøgelser afslørede systematisk underliggende egenskaber og evne til selektivt spændende målrettede vibrationstilstande, der samtidigt kan måle viskositeten og densiteten af ​​væsker. Dette giver et betydeligt potentiale for anvendelser inden for biomedicinsk teknik. Nu udgivet i Videnskabens fremskridt , resultaterne tjener som grundlag for en usædvanlig klasse af mekanisk aktive 3-D mesostrukturer med et bredt anvendelsesområde for avancerede applikationer.

Forskerne brugte banebrydende metoder til transferprint for at integrere ultratynde piezoelektriske film og duktile metaller i polymerlag, der var litografisk mønstret til 2-D geometrier. Kontrolleret mekanisk knækning transformerede de 2-D multifunktionelle materialestrukturer til veldefinerede 3-D arkitekturer. De 3-D mekaniske reaktioner blev først modelleret med finite element analyse (FEA) for at vælge strukturelle topologier og aktuatorplaceringer for at konstruere kontrolleret dynamik med forskydninger og fordelinger.

I undersøgelsen, forfatterne designede og samlede de 3-D mekaniske mesostrukturer begyndende med dannelsen af ​​2-D precursorstrukturer. Metoden integrerede flere funktionelle materialer via processer i mikrofremstilling og transfertryk. Systemet omfattede en fotodefinerbar epoxyramme med mønstrede tynde film af Pb(Zr _0,52 Ti _0,48 )O ₃ (PZT) som mekaniske aktuatorer og guld (Au) som elektroder og elektriske sammenkoblinger. Lag af polyimid (PI) indkapslede systemet undtagen i udvalgte områder. Disse områder bandt 3-D strukturen til den underliggende elastomere struktur som kontaktsteder for elektrisk sondering. Forfatterne brugte en mekanisk styret proces med komprimerende knækning til at transformere 2-D-prækursoren til en endelig 3-D-arkitektur ved at frigive forspændingen i det underliggende elastomere substrat. De optiske og SEM-billeder detaljerede positionen af ​​fem uafhængige PZT-aktuatorer; en i midten og fire på støttebenene.

Den kvantitative FEA udført i undersøgelsen tjente som en foranstaltning til at optimere placeringen af ​​PZT og metallagene, sikring af arkitektonisk integritet under komprimerende knæk. Den forudsagte 3D-konfiguration stemte overens med den eksperimentelle observation. De ordninger, der blev udviklet i undersøgelsen for at fremstille aktive mesostrukturer, gav adgang til forskellige klasser af unikke 3-D mikroskalaarkitekturer.

Variationer til de komplekse geometriske layouter muliggjorde dannelsen af ​​unikke 3-D mikroskalaarkitekturer. Mikroarkitekturerne omfattede komplekse geometrier, der lignede insekter med vinger og fire ben, asymmetriske 3-D geometrier illustreret med en pyramidestol og en bordstruktur. Hver af disse geometrier blev beregnet af FEA, der matchede den eksperimentelle observation fremragende, demonstrerer præcision af mikrofremstillingsprocessen.

Vibrationsadfærden af ​​3-D mesostrukturer exciteret af PZT mikroaktuatorer blev observeret for alle geometrier designet i undersøgelsen. PZT-mikroaktuatorerne blev placeret strategisk i områder af interesse på 3-D-geometrierne for at kontrollere dynamisk adfærd og resonanstilstande.

De strategiske 3-D-designs skabt i undersøgelsen introducerede to kvalitativt forskellige og veladskilte resonanstilstande til mesostrukturerne. Sådanne resonansfrekvenser var i stand til at afkoble følsomhederne for viskositet og tæthed af en væske som to separate målbare størrelser. De 3-D mesostrukturer, der var optimeret i undersøgelsen, var i stand til separat at måle viskositeten og densiteten af ​​en række forskellige newtonske væsker. Dette stod i modsætning til konventionelle 2-D resonatorer, der var følsomme over for både viskositets- og tæthedsparametre på en koblet måde, ude af stand til præcist at differentiere de to parametre derfor. Som regel, til nøjagtigt at måle højfrekvente vibrationer og kvalitetsfaktorer i meget viskøse væsker, sofistikerede eksperimentelle apparater såsom doppler-vibrometre eller præcist kalibrerede belastningssensorer bruges med deres medfølgende udfordringer, 3-D mesostrukturerne præsenterer en enklere metode med høj præcision.

Kollektive målekapaciteter af 3D-strukturerne viste deres brede anvendelighed til at undersøge komplekse væsker i sundhedspleje og industri. Sådanne 3D-strukturer kan integreres på overfladerne af medicinsk udstyr som indbyggede sensorer på grund af deres overensstemmelse. For eksempel, Forfatterne anbefaler integration af mesostrukturer på en kardiovaskulær stent (en enhed, der bruges til at lette ukonstrueret blodgennemstrømning hos patienter med aterosklerotiske/deforme arterier) for præcist at måle hæmodynamikken i stentmiljøet.

Evnen til at integrere funktionelle, højtydende piezoelektriske materialer til komplekse 3-D-arkitekturer til usædvanlige klasser af materialer med aktive, høj præcision og programmerbar funktion blev demonstreret. Allestedsnærværelsen af ​​de materialer, der er integreret i undersøgelsen, kan lette udviklingen af ​​3-D MEMS og relaterede teknologier til avancerede sanseapplikationer inden for tværfaglige områder.

© 2018 Phys.org