به روزرسانی CCEFP: فناوری MEMS در ایجاد دریچه های میکرو پنوماتیک کمک می کند

کاهش اندازه و مصرف انرژی در اکثر کاربردهای بازار امروز ، به ویژه در ارتزها ، که نیاز به قدرت و کنترل کم دارند ، از اهمیت بسیاری برخوردار است.

برای این منظور ، یک دریچه متناسب متناسب با مینیاتور برای کنترل جریان هوا در سیستم های پنوماتیک در دانشگاه مینه سوتا تولید می شود. پیش بینی می شود این دریچه نیاز به دو مرتبه بزرگتر داشته باشد ، نسبت به بیشتر دریچه های معمولی موجود در بازار ، قدرت کمتری دارد. هدف از طراحی این است که دریچه معمولاً بسته را در حالت کاملاً باز و تنها 5 مگاوات انرژی نگه دارید. ظرفیت جریان مورد نظر آن در هنگام تخلیه از فشار 6 تا 5 بار از 40 دور در دقیقه و حداکثر فشار طراحی آن 100 psi است. اندازه بسته در نظر گرفته شده تنها 7 سی سی است.

یکی از اهداف تحقیقات CCEFP توسعه راه حل های قابل حمل قدرت سیال در مقیاس انسانی است. این پروژه دریچه ای با الهام از ارتز پا در مچ پا ساخته شده است که توسط استاد الیزابت هسیاو-وکسلر در دانشگاه ایلینویز در چمپیون-اوربانا ساخته شده است. ارتز یک وسیله پزشکی فعال برای کمک به رفع معیارهای پیاده روی غیر طبیعی است. از یک بطری CO2 کوچک و یک محرک چرخشی برای کمک به چرخش پا استفاده می کند. کل پکیج زیر پاهای کاربر قرار می گیرد. همانطور که به پای فرد وصل می شود ، کاهش اندازه ، وزن و مصرف برق بسیار مهم است. امید تیم پروژه این است که هر سه پارامتر را می توان با رفتن به یک دستگاه در مقیاس میکرو ، به طور کامل ، به حداقل رساند ، همانطور که در زیر بیان شده است.

مشخصات قابل توجه این شیر با بهره برداری از فناوری MEMS حاصل می شود. با استفاده از ساخت دسته MEMS می توان هزینه ساخت را بطور چشمگیری کاهش داد و این امکان را فراهم کرد که روزی صدها نفر از این دریچه ها را روی یک ویفر سیلیکونی ایجاد کنید. این بدان معناست که علاوه بر اندازه و مزایای توان که قبلاً ذکر شد ، پیش بینی می شود که شیرهای جدید نیز کم هزینه باشند. و در حالی که دریچه ها نیز سبک هستند ، انتظار می رود کاهش وزن بیشتری از طریق کاهش باتری مورد نیاز برای تغذیه سوپاپ ها اتفاق بیفتد.

طراحی ریزگردها با استفاده از فناوری MEMS چیز جدیدی نیست. در طول 30 سال گذشته به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. با این حال ، ریزگردهای سنتی به قلمرو میکرو سیالها محدود شده اند ، جایی که جریانها به ترتیب میلی لیتر در دقیقه و فشارها بسیار کم است. بنابراین ، آنها برای اکثر کاربردهای انرژی سیال کاربرد ندارند. این پروژه تنها دومین موردی است که از فناوری MEMS در دریچه در مقیاس بزرگتر استفاده می کند (اولین موردی است که سروولاو ساخته شده توسط DMQ Microstaq).

ریزنمونه ها از دو صفحه جداگانه ، یک بشقاب سوراخ دار و یک صفحه محرک تشکیل شده است که بصورت جداگانه ساخته شده و سپس با هم جمع می شوند. محرک ها دارای معماری کانسیلر بوده و از جنس پیزوالکتریک ساخته شده اند. ماده پیزوالکتریک تیتانات سرب زیرکونات (PZT) است که به دلیل ضریب پیزو الکتریک عالی آن انتخاب شده است و این نشانگر میزان انحراف نوک در واحد ولتاژ اعمال شده است. این پرتوهای "bimorphs" هستند ، به این معنی که آنها دارای دو لایه فعال مواد پیزوالکتریک هستند و بنابراین به طور قابل توجهی بیشتر از یک لایه منحرف می شوند ("unimorph").

هر لایه پیزوالکتریک بین دو الکترود پلاتین ساندویچ شده و با تحمیل یک ولتاژ در طول ماده فعال می شود. با اعمال ولتاژ معکوس بر روی دو لایه پیزوالکتریک ، لایه بالایی منبسط می شود و لایه زیرین گسترش می یابد و باعث حداکثر انحراف نوک می شود. جابجایی متناسب با استفاده از ولتاژ متغیر حاصل می شود.

رویکرد تحقیق برای ایجاد این دریچه با ساخت شیرآب پیزو الکتریک بسیار بزرگ و اثبات مفهوم "مقیاس مزو" آغاز شد. این شیر تقریباً 20 برابر بزرگتر از شیر MEMS است. محرک پیزوالکتریک از قفسه خریداری شده و تقریباً 100 برابر بزرگتر از تیرهای موجود در شیرهای MEMS است. صفحه آفیس به جای سیلیکون از جنس استیل ساخته شده است و دارای حفره هایی به اندازه کافی بزرگ است که باید در خارج از اتاق تمیزکاری دقیق ساخته شود. این دریچه با استفاده از یک غرفه آزمایشی آزمایشی طراحی و ساخته شده در دانشگاه مینسوتا مشخص شد. یک سنسور جابجایی خازنی در محفظه تعبیه شده و با یک پد مسی مسطح در بالای محرک تعامل دارد. از این سیستم برای اعتبارسنجی مفهوم دریچه و همچنین مدلهای آزمایش جریان هوای استفاده شده است. دریچه ای مشابه در سال 2012 توسط یک شرکت غیر مرتبط با این پروژه وارد بازار شد و این نشان می دهد که مفهوم مقیاس مزو از نظر تجاری مناسب است.

در مورد دریچه MEMS ، یک فرایند ساخت موفق برای هر دو بشقاب و محرک صفحات برقرار شده است. صفحات دهانه به چالش کشیده بودند ، زیرا حراج ها دارای نسبت ابعاد تا 20: 1 هستند. صفحات محرک همچنین چالش برانگیز بودند ، زیرا تیرها فقط 2 میکرون ضخامت دارند و بنابراین بسیار شکننده هستند.

علاوه بر این ، PZT در بیشتر مراکز تولید خرد در سراسر کشور (متاسفانه از جمله دانشگاه مینه سوتا) به دلیل نگرانی های آلودگی سرب ممنوع است.

با هر دو صفحه طراحی ، ساخت و آزمایش ، مرز نهایی آنها را به صورت دریچه ای کامل جمع می کند. این همچنین چالش برانگیز خواهد بود زیرا تکنیک های اتصال معمولی اتصال اتاق تمیز برای سطوح تمیز ، سطح و مشابه در سطح ویفر کامل اعمال می شود. از آنجا که هدف پیوند دو ماده کاملاً متفاوت ، با توپولوژی متنوع ، از جمله تیرهای بسیار شکننده و نازک است ، و در دستگاهی بسیار کوچکتر از ویفر ، چالش هایی برای غلبه بر شما وجود دارد.

این تحقیق تا حدودی توسط برنامه NSF-ERC "مرکز قدرت مایعات کم و کارآمد" (EEC-0540834) پشتیبانی شده است.