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压电材料结合屈曲诱导,让3D MEMS微结构“舞动”起来
2018-10-06 19:50:46   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

麦姆斯咨询:本研究展示了将功能强大的高性能压电材料集成到复杂的3D结构中,实现了具有主动活动、高精度和可编程功能的特殊材料。研究中集成材料的普遍易得,可以促进3D MEMS及相关技术的发展,为多学科领域的先进传感应用提供支持。

PZT微执行器

图为一款具有五个独立PZT微执行器的代表性3D介观结构。A)该系统的2D架构示意图;B)通过受控双轴压缩屈曲组装后的3D系统图示;C)版图扩展视图;D)该3D架构的光学图像;E)该3D架构的顶部和侧面透视结构的扫描电子显微镜(SEM)图像。其中,利用假色突出了电极(金色)和微执行器(蓝色);F)用颜色显示应变的大小,表示有限元建模的结果。

麦姆斯咨询介绍,MEMS技术在生物技术和高级工程领域的应用非常广泛,由于它们在各类新兴系统中的应用潜力,MEMS领域对材料科学和工程的研究兴趣不断增长。现有技术已经实现了细胞机械生物学、高精度质量传感、微流控和能量收集等领域的应用。广泛可期的应用还包括构建精确感应MEMS、模仿机械生物学原理的组织支架,以及支持宽带宽上运行的能量收集应用等。目前,这类器件(微传感器和MEMS)的制造借鉴了半导体产业的制造方法,例如2D光刻蚀,具有平面配置的机械和电子元件。

将2D MEMS器件扩展到3D结构,可以实现更广泛的应用,已经成为非常活跃的研究领域。动态驱动,在BioMEMS(生物MEMS)、调制器和RF(射频)开关的设计和开发中至关重要。薄膜压电材料目前是制作执行器的基础,以在微小的驱动电压下,以紧凑/轻质的结构实现快速的切换。微尺度机械工程当前的研究焦点,是将这种压电元件转移到复杂的3D结构中。

据麦姆斯咨询报道,在最近的一项研究中,Xin Ning及其研究伙伴介绍了一种异构材料的诱导装配和集成策略,以形成复杂的3D微尺度机械结构。这项研究结合了多个独立的压电薄膜执行器,用于实现振动激励和精确控制。为了实现从2D到3D的转变,他们将转印作为一种材料集成方案,与结构屈曲相结合。其在平面或曲面上获得的设计结果,包括从简单的对称版图到复杂的分层配置。通过实验和计算研究系统地揭示了选择性激发目标振动模式的基本特征和性能,这些模式可以同时测量流体的粘度和密度。这为该技术在生物医学工程领域的应用提供了巨大潜力。该研究成果已发表于Science Advances,可作为一种非常规的机械活动3D微结构的基础,具有广泛的先进应用。

科学家们采用了最先进的转印方法,将超薄压电薄膜和韧性金属整合到聚合物层中,这些聚合物层经过光刻形成2D几何形状。受控机械屈曲将这些2D多功能材料结构转变为具有明确定义的3D架构。首先使用有限元分析(FEA)对三维机械响应进行建模,以选择结构拓扑和执行器位置,以进行具有位移和分布的受控动力学设计。

在这项研究中,作者从形成2D前体结构开始,设计并组装了这款3D机械活动微结构。该方法通过微加工和转印工艺,集成了多种功能材料。该系统包括光固化环氧树脂框架,具有作为机械执行器的PZT(锆钛酸铅)图案化薄膜,以及作为电极和电气互联的金(Au)。除了选定区域,系统采用聚酰亚胺(PI)层进行封装。这些选定区域将3D结构与下面的弹性体结构结合,作为电探测的接触部位。研究人员使用机械引导的压缩屈曲过程,通过释放下方弹性基底中的预应变,将2D前体转变为最终的3D结构。光学和SEM图像详细说明了五个独立PZT执行器的位置:一个位于结构中心,其它四个分布在支撑腿上。

在该研究中进行的定量FEA,用于优化PZT和金属层的位置,确保压缩屈曲过程中的结构完整性。预测的3D转变过程与实验观察结果一致。该研究中开发的用于制造活动微结构的方案,可实现各种独特的3D微尺度架构。

复杂几何版图的改变,能够形成独特的3D微尺度架构。这种微架构包括复杂的几何形状,类似于带有翅膀和四条腿的昆虫。这些几何形状都是通过FEA计算出来的,并与实验观察非常匹配,证明了微加工工艺的精度。

具有集成PZT微执行器的多种微架构

上图展示了具有集成PZT微执行器的多种微架构。A)由两个PZT微执行器形成的桥结构;B)翅膀上带有一对执行器的飞行结构;C)具有三个执行器的倾斜金字塔桁架结构;D)四腿桌面结构,每条腿上有一个执行器。

在该研究中设计的所有几何形状,都观察研究了它们由PZT微执行器激励的3D微结构的振动行为。这些PZT微执行器被策略性地放置在3D几何形状中所需要的区域,以控制3D结构的动态行为和共振模式。

医疗和工业流体领域的潜在应用

该研究中创建的3D设计策略,为微结构引入了两种本质上不同且分离良好的共振模式。这些共振频率能够将粘度和流体密度的灵敏度分离为两个单独的可测量量。该研究中优化的3D微结构,能够分别测量各种牛顿流体的粘度和密度。这与传统的2D谐振器形成对比,传统的2D谐振器以耦合的方式对流体的粘度和密度参数都很敏感,因此不能精确地区分这两个参数。通常,为了精确测量高粘度流体的高频振动和质量因子,需要使用多普勒振动计或精确校准的应变传感器等复杂的实验装置,并且会带来与之相伴的挑战。而这款3D微结构提供了一种高精度的更简单的方法。

这款3D结构的整合测量能力,表明它们在研究医疗保健和工业领域复杂流体方面,具有广泛的实用性。由于它们的适应性,这些3D结构可以作为内置传感器集成到医疗器械的表面。例如,作者建议将这种3D微结构整合到心血管支架上,以精确测量支架环境中的血流动力学。

将3D结构集成到生物医学器械

上图展示了将3D结构集成到生物医学器械,A)具有对应管1、2和3三个微结构的心血管支架;B)该3D微结构可以随支架变形,稳定黏附适合于体内血液动力学测量

本研究展示了将功能强大的高性能压电材料集成到复杂的3D结构中,实现了具有主动活动、高精度和可编程功能的特殊材料。研究中集成材料的普遍易得,可以促进3D MEMS及相关技术的发展,为多学科领域的先进传感应用提供支持。

延伸阅读:

《MEMS产业现状-2018版》

《生物MEMS和非侵入式传感器-2018版》

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