Une mésostructure 3D représentative avec cinq microactionneurs PZT indépendants. A) Illustration schématique de l'architecture 2D du système. B) Illustration du système en 3D après assemblage par flambement compressif biaxial contrôlé. C) La vue élargie de la mise en page. D) Images optiques de l'architecture 3D. E) Images de microscopie électronique à balayage (MEB) de la structure supérieure et perspective. La fausse couleur met en évidence les électrodes (or) et les microactionneurs (bleu). F) Résultats de la modélisation par éléments finis avec des représentations en couleur montrant l'ampleur de la déformation. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aat8313.
Les systèmes microélectromécaniques (MEMS) ont de vastes applications en biotechnologie et en ingénierie de pointe avec un intérêt croissant pour la science et l'ingénierie des matériaux en raison de leur potentiel dans les systèmes émergents. Les techniques existantes ont permis des applications en mécanobiologie cellulaire, détection de masse de haute précision, microfluidique et en récupération d'énergie. Les implications techniques projetées incluent généralement la construction de MEMS à détection de précision, des échafaudages tissulaires qui imitent les principes de la mécanobiologie, et des applications de récupération d'énergie pouvant fonctionner sur de larges bandes passantes prises en charge. Maintenant, dispositifs (microcapteurs et MEMS) sont fabriqués en utilisant les méthodes de fabrication de l'industrie des semi-conducteurs, en particulier, gravure lithographique bidimensionnelle (2D)—avec des composants mécaniques et électriques en configuration planaire.
L'extension du MEMS 2-D à la troisième dimension peut permettre des applications plus larges et constitue un domaine actif de recherche en cours. L'actionnement dynamique est d'une importance cruciale dans la conception et le développement de bioMEMS, modulateurs et commutateurs radiofréquence. Les matériaux piézoélectriques à couche mince constituent actuellement la base des actionneurs pour produire une commutation rapide à de faibles tensions d'entraînement, dans des configurations compactes/légères. L'objectif actuel de l'ingénierie mécanique à micro-échelle est de transférer de tels composants piézoélectriques dans des cadres 3-D complexes.
Dans une étude récente, Xin Ning et ses collègues ont introduit des stratégies pour l'assemblage guidé et l'intégration de matériaux hétérogènes pour former des structures mécaniques complexes à l'échelle 3D. L'œuvre combinait plusieurs, actionneurs piézoélectriques à couche mince indépendants pour une excitation vibratoire et un contrôle précis. Pour activer la transformation géométrique de 2D en 3D, l'approche combinait l'impression par transfert comme schéma d'intégration des matériaux, à côté du flambement structurel. Les conceptions résultantes sur des surfaces planes ou curvilignes allaient de simples, des agencements symétriques à des configurations hiérarchiques complexes. Des études expérimentales et informatiques ont systématiquement révélé les caractéristiques sous-jacentes et la capacité d'exciter de manière sélective des modes vibrationnels ciblés qui peuvent mesurer simultanément la viscosité et la densité des fluides. Cela offre un potentiel important pour des applications en génie biomédical. Maintenant publié dans Avancées scientifiques , les résultats servent de base à une classe inhabituelle de mésostructures 3D mécaniquement actives avec une large portée pour des applications avancées.
Les scientifiques ont utilisé des méthodes de pointe dans l'impression par transfert pour intégrer des films piézoélectriques ultrafins et des métaux ductiles dans des couches de polymère qui ont été modelées par lithographie dans des géométries 2D. Le flambement mécanique contrôlé a transformé les structures matérielles multifonctionnelles 2D en architectures 3D bien définies. Les réponses mécaniques 3D ont d'abord été modélisées avec une analyse par éléments finis (FEA) pour sélectionner des topologies structurelles et des emplacements d'actionneurs afin de concevoir une dynamique contrôlée avec des déplacements et des distributions.
Dans l'étude, les auteurs ont conçu et assemblé les mésostructures mécaniques en 3D en commençant par la formation de structures précurseurs en 2D. La méthode a intégré plusieurs matériaux fonctionnels via des processus de microfabrication et d'impression par transfert. Le système comprenait un cadre époxy photodéfinissable avec des films minces à motifs de Pb(Zr
Assemblage de mésostructures actives 3D par flambement structurel. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aat8313.
La FEA quantitative réalisée dans l'étude a servi de mesure pour optimiser les emplacements du PZT et des couches métalliques, assurer l'intégrité architecturale lors du flambement par compression. La configuration 3-D prédite était en accord avec l'observation expérimentale. Les schémas développés dans l'étude pour fabriquer des mésostructures actives ont donné accès à diverses classes d'architectures microscopiques 3D uniques.
Les variations des configurations géométriques complexes ont permis la formation d'architectures microscopiques 3D uniques. Les microarchitectures comprenaient des géométries complexes ressemblant à des insectes avec des ailes et quatre pattes, géométries tridimensionnelles asymétriques illustrées par un treillis pyramidal et une structure de table. Chacune de ces géométries a été calculée par FEA qui correspondait parfaitement à l'observation expérimentale, démontrant la précision du processus de microfabrication.
Diverses microarchitectures avec microactionneurs PZT intégrés. A) Structure en pont formée de deux microactionneurs PZT. B) Structure de vol avec une paire d'actionneurs sur les ailes. C) Structure en treillis pyramidal incliné avec trois actionneurs. D) Structure de table à quatre pieds avec un actionneur sur chaque pied. Les tracés de contour d'accompagnement montrent une modélisation FEA représentative de la contrainte principale maximale dans les électrodes et les microactionneurs PZT. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aat8313.
Le comportement vibratoire des mésostructures 3-D excitées par les microactionneurs PZT a été observé pour toutes les géométries conçues dans l'étude. Les microactionneurs PZT ont été placés stratégiquement dans des régions d'intérêt sur les géométries 3D pour contrôler le comportement dynamique et les modes de résonance.
Modes vibrationnels des géométries 3D excités par des microactionneurs PZT stratégiquement placés. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aat8313.
Les conceptions stratégiques en 3D créées dans l'étude ont introduit deux modes de résonance qualitativement différents et bien séparés dans les mésostructures. De telles fréquences de résonance étaient capables de découpler les sensibilités de viscosité et de densité d'un fluide en deux quantités mesurables distinctes. Les mésostructures 3-D optimisées dans l'étude ont pu mesurer séparément la viscosité et la densité d'une variété de fluides newtoniens. Cela contrastait avec les résonateurs 2-D conventionnels qui étaient sensibles à la fois aux paramètres de viscosité et de densité de manière couplée, donc incapable de différencier précisément les deux paramètres. D'habitude, pour mesurer avec précision les vibrations à haute fréquence et les facteurs de qualité dans les fluides très visqueux, des appareils expérimentaux sophistiqués tels que des vibromètres Doppler ou des capteurs de contrainte calibrés avec précision sont utilisés avec les défis qui les accompagnent, les mésostructures 3-D présentent une méthode plus simple avec une grande précision.
Les capacités de mesure collective des structures 3-D ont indiqué leur large utilité pour étudier les fluides complexes dans les soins de santé et l'industrie. De telles structures 3D peuvent être intégrées sur les surfaces des dispositifs médicaux en tant que capteurs intégrés en raison de leur conformité. Par exemple, les auteurs recommandent l'intégration de mésostructures sur un stent cardiovasculaire (un dispositif utilisé pour faciliter le flux sanguin non construit chez les patients présentant des artères athéroscléreuses/déformées) pour mesurer avec précision l'hémodynamique dans l'environnement du stent.
Intégration de dispositifs 3D sur des dispositifs biomédicaux. A) Un stent cardiovasculaire à trois mésostructures correspondant aux tubes 1, 2 et 3. B) le dispositif peut se déformer avec le stent indiquant une adhérence robuste adaptée aux mesures hémodynamiques in vivo. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aat8313.
La capacité à intégrer le fonctionnel, matériaux piézoélectriques hautes performances dans des architectures 3D complexes pour des classes de matériaux inhabituelles avec des actifs, une fonction de haute précision et programmable a été démontrée. L'omniprésence des matériaux intégrés dans l'étude peut faciliter le développement de MEMS 3-D et de technologies connexes pour des applications de détection avancées dans des domaines multidisciplinaires.
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