Оновлення CCEFP: Технологія MEMS допомагає створювати мікропневматичні клапани

Зменшення розміру та енерговитрат є першорядним у більшості застосувань будь-якого ринку сьогодні, особливо в ортезах, які потребують компактної потужності та контролю.

З цією метою в університеті штату Міннесота розробляється новий мініатюрний пропорційний клапан для контролю повітряного потоку в пневматичних системах. Очікується, що клапан потребує двох порядків, меншої потужності, ніж більшість звичайних клапанів на ринку; Мета проекту - підтримувати нормально закритий клапан у повністю відкритому стані з потужністю лише 5 мВт. Його передбачувана потужність потоку становить 40 об / хв при вентиляції від тиску від 6 до 5 бар, а максимальний проектний тиск - 100 фунт / кв. Передбачуваний розмір упаковки становить лише 7 куб.

Однією з цілей досліджень CCEFP є розробка портативних рідинних енергетичних рішень в масштабах людини. Цей проект клапана був натхненний ортезом гомілковостопного суглоба, розробленим професором Елізабет Хсіао-Векслер з університету Іллінойсу в місті Шампань-Урбана. Ортез - це активний медичний пристрій, який допомагає виправити ненормальні ходи. Для сприяння обертанню стопи використовується невелика пляшка з CO2 і поворотний привід. Весь пакет підходить під штанину користувача. Оскільки він прикріплений до ноги людини, зменшення розмірів, ваги та енергоспоживання є першорядним. Колектив проекту сподівається, що всі три параметри можна абсолютно мінімізувати, перейшовши на мікромасштабний пристрій, як зазначено нижче.

Чудові характеристики цього клапана досягаються завдяки використанню технології MEMS. Використання партії виготовлення MEMS різко скоротить виробничі витрати, будучи спроможним створити сотні таких клапанів на одній пластині кремнію. Це означає, що крім вже відзначених переваг щодо розміру та потужності, нові клапани також мають низьку вартість. І хоча клапани також легкі, очікується, що зменшення ваги призведе до зменшення батареї, необхідної для живлення клапанів.

Проектування мікрозванок за технологією MEMS не є новим; вона була широко вивчена протягом останніх 30 років. Однак традиційні мікрозварки обмежилися сферою мікрофлюїдики, де потоки мають порядку мілілітрів в хвилину, а тиск дуже низький. Тому вони не застосовуються для більшості застосувань для живлення рідини. Цей проект є лише другим, який застосував технологію MEMS до клапана більшого масштабу (перший - сервоклапан, розроблений DMQ Microstaq).

Мікрохвилі складаються з двох окремих пластин, пластини отворів і пластини приводу, які виготовляються окремо і потім збираються разом. Приводи мають консольну архітектуру і виготовлені з п'єзоелектричного матеріалу. П'єзоелектричним матеріалом є титанат цирконату свинцю (PZT), який був обраний завдяки відмінному п'єзоелектричному коефіцієнту, який є показником величини відхилення наконечника на одиницю прикладеної напруги. Ці пучки є «біморфами», тобто вони мають два активних шару п'єзоелектричного матеріалу і, отже, значно більше відхилення, ніж просто один шар («уніморф»).

Кожен п'єзоелектричний шар прошивається між двома платиновими електродами і активується шляхом накладення напруги на матеріал. Застосовуючи зворотні напруги до двох п'єзоелектричних шарів, верхній шар стискається, коли нижній шар розширюється, викликаючи максимальний відхилення наконечника. Пропорційний переміщення досягається простим застосуванням змінної напруги.

Дослідницький підхід до створення цього клапана розпочався з побудови набагато більшого, підтвердженого концепцією «мезомасштабного» п’єзоелектричного клапана. Цей клапан приблизно в 20 разів більший за клапан MEMS. П'єзоелектричний привід був викуплений з полиці і приблизно в 100 разів більший за балки на клапанах MEMS. Плита отворів виготовлена зі сталі, а не з кремнію і має досить великі отвори, щоб їх можна було чітко обробляти поза чистим приміщенням. Цей клапан характеризувався за допомогою експериментального тестового стенда, розробленого та побудованого в університеті штату Міннесота. Ємний датчик переміщення вбудований в корпус і взаємодіє із заземленою мідною накладкою у верхній частині приводу. Ця система була використана для перевірки концепції клапана, а також для тестування моделей проточного отвору. Подібний клапан був представлений на ринок у 2012 році компанією, яка не має відношення до цього проекту, показавши, що концепція мезомасштабу є комерційно життєздатною.

Що стосується клапана MEMS, то встановлено успішний процес виготовлення як для отворів, так і для приводних пластин. Пластини отворів були складними, оскільки отвори мають співвідношення сторін до 20: 1. Пластини приводу також були складними, оскільки балки товщиною всього 2 мкм, і тому надзвичайно крихкі.

Крім того, PZT заборонений у більшості закладів мікровиробництва по всій країні (на жаль, включаючи університет штату Міннесота) через проблеми забруднення свинцем.

З обома плитами, спроектованими, виготовленими та випробуваними, кінцевий кордон буде збирати їх разом у повний клапан. Це теж буде складним завданням, оскільки звичайні методи скріплення в чистому приміщенні застосовуються для чистої, рівної, подібної поверхні на повному рівні вафельних виробів. Оскільки наміром є з’єднання двох різко різних матеріалів, із різноманітною топологією, включаючи надзвичайно крихкі та тонкі балки, та на пристрої, значно меншому, ніж вафельні, є проблеми, які потрібно подолати.

Це дослідження частково підтримано програмою NSF-ERC «Центр компактної та ефективної енергетичної рідини» (ЄЕС-0540834).