Uma mesoestrutura 3D representativa com cinco microactuadores PZT independentes. A) Ilustração esquemática da arquitetura 2D do sistema. B) Ilustração do sistema em 3D após a montagem por flambagem compressiva biaxial controlada. C) A visão expandida do layout. D) Imagens ópticas da arquitetura 3D. E) Imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) da estrutura superior e em perspectiva. A cor falsa destaca os eletrodos (ouro) e microactuadores (azul). F) Resultados da modelagem de elementos finitos com representações de cores mostrando a magnitude da deformação. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aat8313.
Os sistemas microeletromecânicos (MEMS) têm aplicações expansivas em biotecnologia e engenharia avançada, com interesse crescente em ciência e engenharia de materiais devido ao seu potencial em sistemas emergentes. As técnicas existentes permitiram aplicações na mecanobiologia celular, sensoriamento de massa de alta precisão, microfluídica e na captação de energia. As implicações técnicas projetadas incluem a construção de MEMS de detecção de precisão, andaimes de tecido que imitam os princípios da mecanobiologia, e aplicativos de coleta de energia que podem operar em larguras de banda suportadas. Atualmente, dispositivos (microssensores e MEMS) são fabricados usando métodos de fabricação da indústria de semicondutores, especificamente, gravação litográfica bidimensional (2-D) - com componentes mecânicos e elétricos em configuração plana.
Estender os MEMS 2-D para a terceira dimensão pode permitir aplicações mais amplas e é uma área ativa de pesquisa em andamento. A atuação dinâmica é extremamente importante no projeto e desenvolvimento de bioMEMS, moduladores e interruptores de radiofrequência. Os materiais piezoelétricos de filme fino atualmente formam a base dos atuadores para produzir comutação rápida em pequenas tensões de acionamento, em configurações compactas / leves. O foco atual em engenharia mecânica em microescala é transferir esses componentes piezoelétricos em estruturas 3-D complexas.
Em um estudo recente, Xin Ning e colegas de trabalho introduziram estratégias para a montagem guiada e integração de materiais heterogêneos para formar estruturas mecânicas em microescala 3-D complexas. O trabalho combinou múltiplos, atuadores piezoelétricos independentes de película fina para excitação vibratória e controle preciso. Para permitir a transformação geométrica de 2-D para 3-D, a abordagem combinou impressão por transferência como um esquema para integração de materiais, ao lado da flambagem estrutural. Os projetos resultantes em superfícies planas ou curvilíneas variavam de simples, layouts simétricos a configurações hierárquicas complexas. Estudos experimentais e computacionais revelaram sistematicamente as características subjacentes e a capacidade de estimular seletivamente os modos vibracionais direcionados que podem medir simultaneamente a viscosidade e a densidade dos fluidos. Isso oferece um potencial significativo para aplicações em engenharia biomédica. Agora publicado em Avanços da Ciência , os resultados servem como base para uma classe incomum de mesoestruturas 3-D mecanicamente ativas com amplo escopo para aplicações avançadas.
Os cientistas usaram métodos de ponta na impressão de transferência para integrar filmes piezoelétricos ultrafinos e metais dúcteis em camadas de polímero que foram litograficamente padronizadas em geometrias 2-D. A flambagem mecânica controlada transformou as estruturas de materiais multifuncionais 2-D em arquiteturas 3-D bem definidas. As respostas mecânicas 3-D foram primeiro modeladas com análise de elemento finito (FEA) para selecionar topologias estruturais e localizações de atuadores para projetar dinâmica controlada com deslocamentos e distribuições.
No estudo, os autores projetaram e montaram as mesoestruturas mecânicas 3-D começando com a formação de estruturas precursoras 2-D. O método integrou vários materiais funcionais por meio de processos de microfabricação e impressão por transferência. O sistema compreendia uma estrutura de epóxi fotodefinível com filmes finos padronizados de Pb (Zr 0,52 Ti 0,48 ) O 3 (PZT) como atuadores mecânicos e ouro (Au) como eletrodos e interconectores elétricos. Camadas de poliimida (PI) encapsularam o sistema, exceto em áreas selecionadas. Essas áreas uniram a estrutura 3-D à estrutura elastomérica subjacente como locais de contato para sondagem elétrica. Os autores usaram um processo mecanicamente guiado de flambagem compressiva para transformar o precursor 2-D em uma arquitetura 3-D final, liberando a pré-tensão no substrato elastomérico subjacente. As imagens ópticas e SEM detalham a posição de cinco atuadores PZT independentes; um no centro e quatro nas pernas de apoio.
Montagem de mesoestruturas ativas 3D via flambagem estrutural. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aat8313.
O FEA quantitativo realizado no estudo serviu como uma medida para otimizar as localizações do PZT e das camadas de metal, garantindo a integridade arquitetônica durante a flambagem por compressão. A configuração 3-D prevista concordou com a observação experimental. Os esquemas desenvolvidos no estudo para fabricar mesoestruturas ativas forneceram acesso a diversas classes de arquiteturas em microescala 3D exclusivas.
Variações nos layouts de geometria complexa permitiram a formação de arquiteturas em microescala 3D exclusivas. As microarquitetura incluíam geometrias complexas que se assemelham a insetos com asas e quatro patas, geometrias 3-D assimétricas ilustradas com uma treliça piramidal e uma estrutura de mesa. Cada uma dessas geometrias foram calculadas pela FEA que combinou perfeitamente com a observação experimental, demonstrando a precisão do processo de microfabricação.
Microarquiteturas diversificadas com microactuadores PZT integrados. A) Estrutura da ponte formada por dois microactuadores PZT. B) Estrutura da mosca com um par de atuadores nas asas. C) Estrutura em treliça piramidal inclinada com três atuadores. D) Estrutura de mesa de quatro pernas com um atuador em cada perna. Os gráficos de contorno que acompanham mostram a modelagem FEA representativa da deformação principal máxima nos eletrodos e microactuadores PZT. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aat8313.
O comportamento vibratório de mesoestruturas 3-D excitadas por microactuadores PZT foi observado para todas as geometrias projetadas no estudo. Os microactuadores PZT foram colocados estrategicamente em regiões de interesse nas geometrias 3-D para controlar o comportamento dinâmico e os modos ressonantes.
Modos vibracionais das geometrias 3D estimuladas por microactuadores PZT estrategicamente posicionados. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aat8313.
Os projetos 3-D estratégicos criados no estudo introduziram dois modos ressonantes qualitativamente diferentes e bem separados para as mesoestruturas. Essas frequências ressonantes foram capazes de desacoplar as sensibilidades de viscosidade e densidade de um fluido como duas quantidades mensuráveis separadas. As mesoestruturas 3-D otimizadas no estudo foram capazes de medir separadamente a viscosidade e a densidade de uma variedade de fluidos newtonianos. Isso contrastou com os ressonadores 2-D convencionais que eram sensíveis aos parâmetros de viscosidade e densidade de forma acoplada, incapaz de diferenciar precisamente os dois parâmetros, portanto. Usualmente, para medir com precisão vibrações de alta frequência e fatores de qualidade em fluidos altamente viscosos, aparelhos experimentais sofisticados, como vibrômetros doppler ou sensores de tensão calibrados com precisão são usados com os desafios que os acompanham, as mesoestruturas 3-D apresentam um método mais simples e com alta precisão.
As capacidades de medição coletiva das estruturas 3-D indicaram sua ampla utilidade para investigar fluidos complexos na área de saúde e na indústria. Essas estruturas 3-D podem ser integradas às superfícies de dispositivos médicos como sensores embutidos devido à sua conformidade. Por exemplo, os autores recomendam a integração de mesoestruturas em um stent cardiovascular (um dispositivo usado para facilitar o fluxo sanguíneo não construído em pacientes com artérias ateroscleróticas / deformadas) para medir com precisão a hemodinâmica no ambiente do stent.
Integrando dispositivos 3D em dispositivos biomédicos. A) Um stent cardiovascular com três mesoestruturas correspondentes aos tubos 1, 2 e 3. B) o dispositivo pode deformar com o stent indicando adesão robusta adequada para medições hemodinâmicas in vivo. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aat8313.
A capacidade de integração funcional, materiais piezoelétricos de alto desempenho em arquiteturas 3-D complexas para classes incomuns de materiais com ativos, alta precisão e função programável foram demonstradas. A onipresença dos materiais integrados no estudo pode facilitar o desenvolvimento de MEMS 3-D e tecnologias relacionadas para aplicações de detecção avançada em campos multidisciplinares.
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