Aktualizácia CCEFP: Technológia MEMS pomáha vytvárať mikropneumatické ventily

Zníženie veľkosti a spotreby energie je v dnešnej väčšine aplikácií na trhu prvoradé, najmä v ortézach, ktoré si vyžadujú kompaktný výkon a kontrolu.

Za týmto účelom sa na univerzite v Minnesote vyvíja nový miniatúrny proporcionálny ventil na reguláciu prúdenia vzduchu v pneumatických systémoch. Očakáva sa, že ventil bude vyžadovať dva rády s menšou silou ako väčšina konvenčných ventilov na trhu; Cieľom návrhu je udržať normálne zatvorený ventil v úplne otvorenom stave s výkonom iba 5 mW. Pri odvetrávaní z tlaku 6 až 5 barov a maximálneho konštrukčného tlaku je 100 psi. Zamýšľaná veľkosť balenia je iba 7 cm3.

Jedným z cieľov výskumu CCEFP je vyvinúť prenosné riešenia pre napájanie tekutín v ľudskom meradle. Tento ventil bol inšpirovaný ortézou členkovej nohy vyvinutou profesorkou Elizabeth Hsiao-Weckslerovou na University of Illinois v Champaign-Urbana. Ortéza je aktívny lekársky prístroj, ktorý pomáha opraviť abnormálne chôdze. Používa malú fľašu s CO2 a otočný ovládač na uľahčenie otáčania chodidla. Celý balík sa zmestí pod nohavicu užívateľa. Keďže je pripevnený k dolnej končatine osoby, prvoradé je zníženie jej veľkosti, hmotnosti a spotreby energie. Projektový tím dúfa, že všetky tri parametre sa dajú úplne minimalizovať prechodom na mikrozmerné zariadenie, ako je uvedené nižšie.

Pozoruhodné technické parametre tohto ventilu sa dosahujú využitím technológie MEMS. Použitím šaržovej výroby MEMS sa drasticky znížia výrobné náklady tým, že sa jedného dňa podarí vytvoriť stovky týchto ventilov na jednom kremíkovom pláte. To znamená, že okrem už spomínaných výhod týkajúcich sa veľkosti a výkonu sa očakáva, že nové ventily budú nízke. A zatiaľ čo ventily sú tiež ľahké, očakáva sa, že väčšie zníženie hmotnosti dôjde k zmenšeniu batérie potrebnej na napájanie ventilov.

Navrhovanie mikróvov pomocou technológie MEMS nie je nič nové; v posledných 30 rokoch sa dôkladne študoval. Tradičné mikrovažky sa však obmedzujú na oblasť mikrokvapalín, kde sú prietoky rádovo v mililitroch za minútu a tlak je veľmi nízky. Preto nie sú použiteľné pre väčšinu tekutých energetických aplikácií. Tento projekt je druhý, ktorý aplikuje technológiu MEMS na ventil vo väčšej mierke (prvý z nich je servovalve vyvinutý spoločnosťou DMQ Microstaq).

Mikróvce sú vyrobené z dvoch samostatných dosiek, clony a ovládacej platne, ktoré sú vyrobené jednotlivo a potom zostavené dohromady. Pohony majú konzolovú architektúru a sú vyrobené z piezoelektrického materiálu. Piezoelektrickým materiálom je titaničitan zirkoničitan olovnatý (PZT), ktorý bol vybraný na základe jeho vynikajúceho piezoelektrického koeficientu, ktorý je indikáciou množstva vychýlenia hrotu na jednotku aplikovaného napätia. Tieto lúče sú „bimorfy“, čo znamená, že majú dve aktívne vrstvy piezoelektrického materiálu, a preto výrazne väčšie vychýlenie ako jediná vrstva („unimorfný“).

Každá piezoelektrická vrstva je vložená medzi dve platinové elektródy a je aktivovaná uložením napätia na materiál. Použitím spätného napätia na dve piezoelektrické vrstvy sa horná vrstva stiahne, keď sa spodná vrstva roztiahne, čo spôsobí maximálne vychýlenie hrotu. Proporcionálny posun sa dosiahne jednoduchým použitím premenlivého napätia.

Výskumný prístup k vytvoreniu tohto ventilu sa začal konštrukciou oveľa väčšieho, „koncepčného“ piezoelektrického ventilu. Tento ventil je zhruba 20-krát väčší ako ventil MEMS. Piezoelektrický ovládač bol zakúpený z police a je zhruba 100-krát väčší ako lúče na ventiloch MEMS. Doska ústia je vyrobená skôr z ocele ako z kremíka a má dosť veľké otvory, aby bolo možné ich presné obrábanie mimo čistej miestnosti. Tento ventil bol charakterizovaný pomocou experimentálneho testovacieho stojana navrhnutého a postaveného na Minnesotskej univerzite. Kapacitný snímač posunu je zabudovaný v kryte a spolupracuje s uzemnenou medenou podložkou na vrchu ovládača. Tento systém sa použil na overenie koncepcie ventilov, ako aj na testovanie modelov prietokových otvorov. Podobný ventil bol uvedený na trh v roku 2012 spoločnosťou, ktorá nesúvisí s týmto projektom, čo ukazuje, že koncepcia mezo-mierky je komerčne realizovateľná.

Pokiaľ ide o ventil MEMS, bol zavedený úspešný výrobný proces tak pre clonu, ako aj pre ovládacie dosky. Doštičky s otvormi boli náročné, pretože otvory mali pomer strán až 20: 1. Dosky ovládača boli tiež náročné, pretože lúče majú hrúbku iba 2 um, a preto sú mimoriadne krehké.

Okrem toho je PZT vo väčšine mikroprocesorových zariadení na celoštátnej úrovni (bohužiaľ vrátane Minnesotskej univerzity) zakázaný z dôvodu obáv z kontaminácie olovom.

Ak sú obe dosky navrhnuté, vyrobené a testované, konečná hranica ich spojí do kompletného ventilu. To bude tiež náročné, pretože konvenčné techniky spájania čistých miestností sa vzťahujú na čisté, vodorovné a podobné povrchy na úrovni plných doštičiek. Keďže je zámerom spojiť dva drasticky odlišné materiály s rôznou topológiou, vrátane mimoriadne krehkých a tenkých lúčov, a na zariadenie oveľa menšie ako doštička, je potrebné prekonať výzvy.

Tento výskum bol čiastočne podporený programom NSF-ERC „Centrum pre kompaktnú a efektívnu energiu z tekutín“ (EEC-0540834).