Una mesoestructura 3D representativa con cinco microactuadores PZT independientes. A) Ilustración esquemática de la arquitectura 2D del sistema. B) Ilustración del sistema en 3D después del montaje mediante pandeo compresivo biaxial controlado. C) La vista ampliada del diseño. D) Imágenes ópticas de la arquitectura 3D. E) Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la estructura superior y en perspectiva. El falso color resalta los electrodos (dorado) y los microactuadores (azul). F) Resultados del modelado de elementos finitos con representaciones de color que muestran la magnitud de la deformación. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aat8313.
Los sistemas microelectromecánicos (MEMS) tienen amplias aplicaciones en biotecnología e ingeniería avanzada con un interés creciente en la ciencia y la ingeniería de materiales debido a su potencial en sistemas emergentes. Las técnicas existentes han permitido aplicaciones en mecanobiología celular, detección de masas de alta precisión, microfluidos y en la captación de energía. Las implicaciones técnicas proyectadas incluyen en general la construcción de MEMS de detección de precisión, andamios de tejido que imitan los principios de la mecanobiología, y aplicaciones de recolección de energía que pueden operar en amplios anchos de banda admitidos. En el presente, Los dispositivos (microsensores y MEMS) se fabrican utilizando métodos de fabricación de la industria de semiconductores, específicamente, grabado litográfico bidimensional (2-D), con componentes mecánicos y eléctricos en configuración plana.
La extensión de los MEMS 2-D a la tercera dimensión puede permitir aplicaciones más amplias y es un área activa de investigación en curso. La actuación dinámica es de vital importancia en el diseño y desarrollo de bioMEMS, moduladores e interruptores de radiofrecuencia. Los materiales piezoeléctricos de película delgada forman actualmente la base de los actuadores para producir una conmutación rápida a pequeños voltajes de excitación. en configuraciones compactas / ligeras. El enfoque actual de la ingeniería mecánica a microescala es transferir dichos componentes piezoeléctricos a complejos marcos tridimensionales.
En un estudio reciente, Xin Ning y sus colaboradores introdujeron estrategias para el ensamblaje guiado y la integración de materiales heterogéneos para formar estructuras mecánicas complejas a microescala 3D. El trabajo combinado múltiples, actuadores piezoeléctricos independientes de película fina para excitación vibratoria y control preciso. Para habilitar la transformación geométrica de 2-D a 3-D, el enfoque combinó la impresión por transferencia como un esquema para la integración de materiales, junto con pandeo estructural. Los diseños resultantes en superficies planas o curvilíneas iban desde simples, diseños simétricos a configuraciones jerárquicas complejas. Los estudios experimentales y computacionales revelaron sistemáticamente las características subyacentes y la capacidad de excitar selectivamente modos vibratorios específicos que pueden medir simultáneamente la viscosidad y la densidad de los fluidos. Esto ofrece un potencial significativo para aplicaciones en ingeniería biomédica. Ahora publicado en Avances de la ciencia , los resultados sirven como base para una clase inusual de mesoestructuras tridimensionales mecánicamente activas con un amplio alcance para aplicaciones avanzadas.
Los científicos utilizaron métodos de vanguardia en la impresión por transferencia para integrar películas piezoeléctricas ultrafinas y metales dúctiles en capas de polímero que se modelaron litográficamente en geometrías 2-D. El pandeo mecánico controlado transformó las estructuras de material multifuncional 2-D en arquitecturas 3-D bien definidas. Las respuestas mecánicas 3-D se modelaron primero con análisis de elementos finitos (FEA) para seleccionar topologías estructurales y ubicaciones de actuadores para diseñar dinámicas controladas con desplazamientos y distribuciones.
En el estudio, los autores diseñaron y ensamblaron las mesoestructuras mecánicas 3-D comenzando con la formación de estructuras precursoras 2-D. El método integró múltiples materiales funcionales a través de procesos en microfabricación e impresión por transferencia. El sistema comprendía una estructura epoxi fotodefinible con películas delgadas modeladas de Pb (Zr 0,52 Ti 0,48 ) O 3 (PZT) como actuadores mecánicos y oro (Au) como electrodos e interconectores eléctricos. Capas de poliimida (PI) encapsularon el sistema excepto en áreas seleccionadas. Estas áreas unieron la estructura 3-D a la estructura elastomérica subyacente como sitios de contacto para el sondeo eléctrico. Los autores utilizaron un proceso guiado mecánicamente de pandeo por compresión para transformar el precursor 2-D en una arquitectura 3-D final liberando la tensión previa en el sustrato elastomérico subyacente. Las imágenes ópticas y SEM detallaron la posición de cinco actuadores PZT independientes; uno en el centro y cuatro en las patas de apoyo.
Montaje de mesoestructuras activas 3D mediante pandeo estructural. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aat8313.
La FEA cuantitativa realizada en el estudio sirvió como medida para optimizar las ubicaciones del PZT y las capas metálicas, asegurando la integridad arquitectónica durante el pandeo por compresión. La configuración tridimensional prevista estuvo de acuerdo con la observación experimental. Los esquemas desarrollados en el estudio para fabricar mesoestructuras activas proporcionaron acceso a diversas clases de arquitecturas únicas de microescala 3D.
Las variaciones en los diseños de geometría compleja permitieron la formación de arquitecturas únicas de microescala 3D. Las microarquitecturas incluían geometrías complejas que se asemejan a insectos con alas y cuatro patas, geometrías asimétricas tridimensionales ilustradas con una armadura piramidal y una estructura de mesa. Cada una de estas geometrías fue calculada por FEA que coincidió excelentemente con la observación experimental, demostrando precisión del proceso de microfabricación.
Diversas microarquitecturas con microactuadores PZT integrados. A) Estructura de puente formada por dos microactuadores PZT. B) Estructura de mosca con un par de actuadores en las alas. C) Estructura de celosía piramidal inclinada con tres actuadores. D) Estructura de mesa de cuatro patas con un actuador en cada pata. Los gráficos de contorno adjuntos muestran un modelo FEA representativo de la deformación principal máxima en los electrodos y microactuadores PZT. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aat8313.
Se observó el comportamiento vibratorio de mesoestructuras 3-D excitadas por microactuadores PZT para todas las geometrías diseñadas en el estudio. Los microactuadores PZT se colocaron estratégicamente en regiones de interés en las geometrías 3-D para controlar el comportamiento dinámico y los modos resonantes.
Modos vibratorios de las geometrías 3D excitados por microactuadores PZT estratégicamente colocados. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aat8313.
Los diseños estratégicos 3-D creados en el estudio introdujeron dos modos resonantes cualitativamente diferentes y bien separados en las mesoestructuras. Estas frecuencias de resonancia pudieron desacoplar las sensibilidades de viscosidad y densidad de un fluido como dos cantidades mensurables separadas. Las mesoestructuras 3-D optimizadas en el estudio pudieron medir por separado la viscosidad y la densidad de una variedad de fluidos newtonianos. Esto contrasta con los resonadores 2-D convencionales que eran sensibles a los parámetros de viscosidad y densidad de una manera acoplada, incapaz de diferenciar con precisión los dos parámetros por lo tanto. Generalmente, para medir con precisión las vibraciones de alta frecuencia y los factores de calidad en fluidos altamente viscosos, Se utilizan aparatos experimentales sofisticados, como vibrómetros Doppler o sensores de deformación calibrados con precisión, con los desafíos que los acompañan. las mesoestructuras 3-D presentan un método más simple con alta precisión.
Las capacidades de medición colectiva de las estructuras 3-D indicaron su amplia utilidad para investigar fluidos complejos en la salud y la industria. Estas estructuras tridimensionales se pueden integrar en las superficies de los dispositivos médicos como sensores incorporados debido a su conformidad. Por ejemplo, los autores recomiendan la integración de mesoestructuras en un stent cardiovascular (un dispositivo utilizado para facilitar el flujo sanguíneo no construido en pacientes con arterias ateroscleróticas / deformadas) para medir con precisión la hemodinámica en el entorno del stent.
Integración de dispositivos 3D en dispositivos biomédicos. A) Un stent cardiovascular con tres mesoestructuras correspondientes a los tubos 1, 2 y 3. B) el dispositivo puede deformarse con el stent, lo que indica una adhesión robusta adecuada para mediciones hemodinámicas in vivo. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aat8313.
La capacidad de integrar funcional, materiales piezoeléctricos de alto rendimiento en arquitecturas tridimensionales complejas para clases inusuales de materiales con activos, Se demostró una función programable y de alta precisión. La ubicuidad de los materiales integrados en el estudio puede facilitar el desarrollo de MEMS 3-D y tecnologías relacionadas para aplicaciones de detección avanzada en campos multidisciplinarios.
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