Актуализация на CCEFP: Технологията MEMS помага за създаването на микропневматични клапани

Намаляването на размера и консумацията на енергия е от първостепенно значение в повечето приложения на всякакъв пазар днес, особено в ортезите, които изискват компактна мощност и контрол.

За тази цел в Университета на Минесота се разработва нов миниатюрен пропорционален клапан за контрол на въздушния поток в пневматични системи. Очаква се клапанът да изисква два порядъка, по-малка мощност от повечето конвенционални клапани на пазара; проектната цел е да се поддържа нормално затворен клапан в напълно отворено състояние с мощност само 5 mW. Неговият предвиден капацитет на потока е 40 s / min при обезвъздушаване от налягане от 6 до 5 бара, а максималното му проектно налягане е 100 psi. Предвиденият размер на пакета е само 7 куб.

Една от целите на изследванията на CCEFP е разработването на преносими решения за течно захранване в човешки мащаб. Този проект на клапана е вдъхновен от ортеза на глезена, разработена от професор Елизабет Хсиао-Векслер от университета в Илинойс в Шампан-Урбана. Ортезата е активно медицинско изделие за подпомагане на фиксирането на ненормални походки при ходене. Използва малка бутилка с CO2 и въртящ се задвижващ механизъм за подпомагане на въртенето на краката. Целият пакет се побира под панталона на потребителя. Тъй като е прикрепен към крака на човек, намаляването на размера, теглото и консумацията на енергия е от първостепенно значение. Надеждата на екипа на проекта е, че и трите параметъра могат да бъдат абсолютно сведени до минимум, като отидете на устройство с микромащаб, както е посочено по-долу.

Забележителните спецификации на този клапан се постигат чрез използване на MEMS технологията. Използването на MEMS партидно производство ще намали драстично производствените разходи, като някой ден ще може да създаде стотици от тези клапани на една силиконова вафла. Това означава, че в допълнение към вече отбелязаните предимства на размера и мощността, новите клапани също се очаква да са с ниска цена. И докато клапаните също са леки, се очаква по-голямо намаляване на теглото да стане чрез намаляване на батерията, необходима за захранване на клапаните.

Проектирането на микроклапи по MEMS технология не е ново; тя е проучена задълбочено през последните 30 години. Въпреки това, традиционните микроклапи са ограничени до сферата на микро-флуидите, където потоците са от порядъка на милилитри в минута и наляганията са много ниски. Следователно, те не са приложими за повечето приложения за захранване с течност. Този проект е едва вторият, който прилага MEMS технологията при клапан с по-голям мащаб (първият е сервоклапан, разработен от DMQ Microstaq).

Микроклапите са съставени от две отделни пластини, отвор за затваряне и задвижваща плоча, които се изработват поотделно и след това се сглобяват заедно. Задвижващите механизми имат конзолна архитектура и са изработени от пиезоелектрически материал. Пиезоелектрическият материал е оловен цирконат титанат (PZT), който е избран поради отличния си пиезоелектричен коефициент, който е индикация за размера на отклонение на върха за единица приложено напрежение. Тези лъчи са „биморфи“, което означава, че имат два активни слоя пиезоелектричен материал и следователно значително по-голямо отклонение от само един слой („униморф“).

Всеки пиезоелектричен слой е запечатан между два платинени електрода и се активира чрез налагане на напрежение върху материала. Чрез прилагане на обратни напрежения към двата пиезоелектрически слоя, горният слой се свива, тъй като долният слой се разширява, причинявайки максимално отклонение на върха. Пропорционалното изместване се постига чрез просто прилагане на променливо напрежение.

Изследователският подход при създаването на този клапан започна с изграждането на много по-голям, доказан за концепцията „мезо-мащаб“ пиезоелектричен клапан. Този клапан е приблизително 20 пъти по-голям от MEMS клапан. Пиезоелектрическият задвижващ механизъм беше купен от рафта и е приблизително 100 пъти по-голям от гредите на MEMS клапаните. Плътният отвор е изработен от стомана, а не от силиций и има достатъчно големи отвори, за да бъде прецизно обработен извън чисто помещение. Този клапан се характеризира с помощта на експериментален тестов стенд, проектиран и изграден в университета в Минесота. В корпуса е вграден капацитивен сензор за изместване и взаимодейства със заземен меден тампон в горната част на задвижването. Тази система е използвана за утвърждаване на концепцията на клапана, както и за модели за тестване на отвора. Подобен клапан беше представен на пазара през 2012 г. от компания, несвързана с този проект, показваща, че концепцията за мезомащаб е търговска жизнеспособна.

Що се отнася до вентила MEMS, е установен успешен процес на производство както на отворите, така и на задвижващите плочи. Отворите на плочите бяха предизвикателни, тъй като отворите имат съотношение на страните до 20: 1. Задействащите плочи също бяха предизвикателни, тъй като гредите са с дебелина само 2 цт и следователно са изключително крехки.

Освен това, PZT е забранен в повечето съоръжения за микропроизводство в цялата страна (за съжаление, включително и в университета в Минесота) поради опасения от замърсяване с олово.

И с двете плочи, проектирани, произведени и тествани, крайната граница ще ги сглоби в пълен клапан. Това също ще бъде предизвикателство, тъй като конвенционалните техники за свързване на чиста стая се прилагат за чисти, равни, подобни повърхности на пълно ниво на вафли. Тъй като намерението е да се свържат два драстично различни материала, с разнообразна топология, включително изключително крехки и тънки греди, и на устройство, много по-малко от вафла, има предизвикателства за преодоляване.

Това изследване е подкрепено отчасти от Програмата NSF-ERC „Център за компактна и ефективна мощност на течностите“ (ЕЕС-0540834).