Una mesostruttura 3D rappresentativa con cinque microattuatori PZT indipendenti. A) Illustrazione schematica dell'architettura 2D del sistema. B) Illustrazione del sistema in 3D dopo l'assemblaggio mediante instabilità compressiva biassiale controllata. C) La vista espansa del layout. D) Immagini ottiche dell'architettura 3D. E) Immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) della struttura superiore e prospettica. Il falso colore mette in evidenza gli elettrodi (oro) e i microattuatori (blu). F) Risultati della modellazione agli elementi finiti con rappresentazioni a colori che mostrano l'entità della deformazione. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aat8313.
I sistemi microelettromeccanici (MEMS) hanno vaste applicazioni in biotecnologia e ingegneria avanzata con un crescente interesse per la scienza e l'ingegneria dei materiali grazie al loro potenziale nei sistemi emergenti. Le tecniche esistenti hanno consentito applicazioni nella meccanobiologia cellulare, rilevamento della massa ad alta precisione, microfluidica e nell'energy harvesting. Le implicazioni tecniche previste includono in generale la costruzione di MEMS con rilevamento di precisione, scaffold tissutali che imitano i principi della meccanobiologia, e applicazioni per la raccolta di energia in grado di operare su ampie larghezze di banda supportate. Attualmente, dispositivi (microsensori e MEMS) sono fabbricati utilizzando metodi di produzione dell'industria dei semiconduttori, in particolare, incisione litografica bidimensionale (2-D) con componenti meccanici ed elettrici in configurazione planare.
L'estensione dei MEMS 2-D alla terza dimensione può consentire applicazioni più ampie ed è un'area attiva di ricerca in corso. L'attuazione dinamica è di fondamentale importanza nella progettazione e nello sviluppo di bioMEMS, modulatori e interruttori a radiofrequenza. I materiali piezoelettrici a film sottile attualmente costituiscono la base degli attuatori per produrre una commutazione rapida a piccole tensioni di pilotaggio, in configurazioni compatte/leggere. L'obiettivo attuale dell'ingegneria meccanica su microscala è trasferire tali componenti piezoelettrici in strutture 3D complesse.
In un recente studio, Xin Ning e collaboratori hanno introdotto strategie per l'assemblaggio guidato e l'integrazione di materiali eterogenei per formare strutture meccaniche complesse in microscala 3-D. Il lavoro combinato multiplo, attuatori piezoelettrici indipendenti a film sottile per eccitazione vibratoria e controllo preciso. Per abilitare la trasformazione geometrica da 2-D a 3-D, l'approccio combinato stampa transfer come schema per l'integrazione dei materiali, insieme alla deformazione strutturale. I disegni risultanti su superfici planari o curvilinee variavano da semplici, layout simmetrici a complesse configurazioni gerarchiche. Studi sperimentali e computazionali hanno rivelato sistematicamente le caratteristiche sottostanti e la capacità di modalità vibrazionali mirate di eccitazione selettiva che possono misurare simultaneamente la viscosità e la densità dei fluidi. Ciò offre un potenziale significativo per le applicazioni nell'ingegneria biomedica. Ora pubblicato in Progressi scientifici , i risultati servono come base per una classe insolita di mesostrutture 3D meccanicamente attive con un ampio campo di applicazione per applicazioni avanzate.
Gli scienziati hanno utilizzato metodi all'avanguardia nella stampa transfer per integrare pellicole piezoelettriche ultrasottili e metalli duttili in strati polimerici modellati litograficamente in geometrie 2D. L'instabilità meccanica controllata ha trasformato le strutture materiali multifunzionali 2-D in architetture 3-D ben definite. Le risposte meccaniche 3D sono state prima modellate con l'analisi degli elementi finiti (FEA) per selezionare topologie strutturali e posizioni degli attuatori per progettare dinamiche controllate con spostamenti e distribuzioni.
Nello studio, gli autori hanno progettato e assemblato le mesostrutture meccaniche 3-D iniziando con la formazione di strutture precursori 2-D. Il metodo ha integrato più materiali funzionali tramite processi di microfabbricazione e stampa transfer. Il sistema comprendeva una struttura epossidica fotodefinibile con film sottili modellati di Pb(Zr 0,52 Ti 0,48 )O 3 (PZT) come attuatori meccanici e oro (Au) come elettrodi e interconnettori elettrici. Strati di poliimmide (PI) hanno incapsulato il sistema tranne che in aree selezionate. Queste aree hanno legato la struttura 3D alla struttura elastomerica sottostante come siti di contatto per il sondaggio elettrico. Gli autori hanno utilizzato un processo guidato meccanicamente di instabilità compressiva per trasformare il precursore 2-D in un'architettura 3-D finale rilasciando la pre-deformazione nel substrato elastomerico sottostante. Le immagini ottiche e SEM hanno dettagliato la posizione di cinque attuatori PZT indipendenti; uno al centro e quattro sulle gambe di sostegno.
Assemblaggio di mesostrutture attive 3D tramite instabilità strutturale. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aat8313.
La FEA quantitativa condotta nello studio è servita come misura per ottimizzare le posizioni del PZT e degli strati metallici, garantire l'integrità architettonica durante l'instabilità compressiva. La configurazione 3-D prevista concordava con l'osservazione sperimentale. Gli schemi sviluppati nello studio per fabbricare mesostrutture attive hanno fornito l'accesso a diverse classi di architetture in microscala 3-D uniche.
Le variazioni ai layout geometrici complessi hanno consentito la formazione di architetture in microscala 3D uniche. Le microarchitetture includevano geometrie complesse che ricordavano insetti con ali e quattro zampe, geometrie 3D asimmetriche illustrate con una capriata piramidale e una struttura a tavola. Ognuna di queste geometrie è stata calcolata da FEA che corrispondeva in modo eccellente all'osservazione sperimentale, dimostrando la precisione del processo di microfabbricazione.
Diverse microarchitetture con microattuatori PZT integrati. A) Struttura a ponte formata da due microattuatori PZT. B) Struttura a mosca con coppia di attuatori sulle ali. C) Struttura a traliccio piramidale inclinato con tre attuatori. D) Struttura del tavolo a quattro gambe con un attuatore su ogni gamba. I grafici di contorno allegati mostrano la modellazione FEA rappresentativa della deformazione principale massima negli elettrodi e nei microattuatori PZT. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aat8313.
Il comportamento vibratorio delle mesostrutture 3-D eccitate dai microattuatori PZT è stato osservato per tutte le geometrie progettate nello studio. I microattuatori PZT sono stati posizionati strategicamente nelle regioni di interesse sulle geometrie 3D per controllare il comportamento dinamico e le modalità risonanti.
Modi vibrazionali delle geometrie 3D eccitati da microattuatori PZT posizionati strategicamente. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aat8313.
I progetti strategici 3D creati nello studio hanno introdotto nelle mesostrutture due modalità risonanti qualitativamente diverse e ben separate. Tali frequenze di risonanza erano in grado di disaccoppiare le sensibilità di viscosità e densità di un fluido come due quantità misurabili separate. Le mesostrutture 3-D ottimizzate nello studio sono state in grado di misurare separatamente la viscosità e la densità di una varietà di fluidi newtoniani. Ciò contrastava con i risonatori 2-D convenzionali che erano sensibili sia ai parametri di viscosità che di densità in modo accoppiato, quindi incapace di differenziare con precisione i due parametri. Generalmente, misurare con precisione le vibrazioni ad alta frequenza e i fattori di qualità in fluidi altamente viscosi, sofisticati apparati sperimentali come vibrometri doppler o sensori di deformazione calibrati con precisione vengono utilizzati con le loro sfide di accompagnamento, le mesostrutture 3-D presentano un metodo più semplice con elevata precisione.
Le capacità di misurazione collettiva delle strutture 3D hanno indicato la loro ampia utilità per studiare fluidi complessi nel settore sanitario e industriale. Tali strutture 3D possono essere integrate sulle superfici dei dispositivi medici come sensori integrati grazie alla loro conformità. Ad esempio, gli autori raccomandano l'integrazione di mesostrutture su uno stent cardiovascolare (un dispositivo utilizzato per facilitare il flusso sanguigno non costruito in pazienti con arterie aterosclerotiche/deformate) per misurare con precisione l'emodinamica nell'ambiente dello stent.
Integrazione di dispositivi 3D su dispositivi biomedici. A) Uno stent cardiovascolare con tre mesostrutture corrispondenti ai tubi 1, 2 e 3. B) il dispositivo può deformarsi con lo stent indicando un'adesione robusta adatta per misurazioni emodinamiche in vivo. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aat8313.
La capacità di integrare funzionale, materiali piezoelettrici ad alte prestazioni in complesse architetture 3D per classi di materiali insolite con attivi, sono state dimostrate funzioni di alta precisione e programmabili. L'ubiquità dei materiali integrati nello studio può facilitare lo sviluppo di MEMS 3D e tecnologie correlate per applicazioni di rilevamento avanzate in campi multidisciplinari.
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