Actualizare CCEFP: tehnologia MEMS care ajută la crearea de valve micro-pneumatice

Reducerea dimensiunilor și a consumului de energie este esențială în majoritatea aplicațiilor de pe piața de astăzi, în special în ortezele, care necesită o putere și control compact.

În acest scop, la Universitatea din Minnesota se dezvoltă o nouă supapă proporțională în miniatură pentru controlul fluxului de aer în sistemele pneumatice. Supapa trebuie să necesite două comenzi de mărime, cu o putere mai mică decât majoritatea supapelor convenționale de pe piață; scopul de proiectare este de a menține supapa normal închisă în stare complet deschisă cu doar 5 mW de putere. Capacitatea de curgere prevăzută este de 40 slpm la evacuarea de la o presiune de 6 până la 5 bar, iar presiunea maximă de proiectare este de 100 psi. Dimensiunea pachetului prevăzut este de numai 7 cmc.

Unul dintre obiectivele cercetării CCEFP este de a dezvolta soluții portabile de energie fluidă la scară umană. Acest proiect de valve a fost inspirat de o orteză gleznă-picior dezvoltată de profesoara Elizabeth Hsiao-Wecksler de la Universitatea Illinois din Champaign-Urbana. Orteza este un dispozitiv medical activ care ajută la remedierea mersului anormal de mers. Folosește o sticlă mică de CO2 și un actuator rotativ pentru a ajuta rotirea piciorului. Întregul pachet se încadrează sub piciorul utilizatorului. Deoarece este atașat la piciorul unei persoane, reducerile de dimensiune, greutate și consumul de energie sunt primordiale. Speranța echipei de proiect este ca toți cei trei parametri să poată fi minimizați, accesând un dispozitiv la scară micro, așa cum este prezentat mai jos.

Specificațiile remarcabile ale acestei supape sunt obținute prin exploatarea tehnologiei MEMS. Utilizarea fabricării de loturi MEMS va reduce drastic costurile de fabricație, prin posibilitatea de a crea într-o zi sute de supape pe o singură placă de siliciu. Aceasta înseamnă că, pe lângă beneficiile de dimensiune și putere deja menționate, noile supape sunt de asemenea cu costuri reduse. Și în timp ce supapele sunt, de asemenea, ușoare, se prevede o reducere mai mare a greutății prin reducerea dimensiunii bateriei necesare pentru alimentarea supapei.

Proiectarea microvalvelelor folosind tehnologia MEMS nu este nouă; a fost studiat pe larg în ultimii 30 de ani. Cu toate acestea, microvalvele tradiționale au fost limitate pe tărâmul micro-fluidicelor, unde fluxurile sunt de ordinul mililitrilor pe minut și presiunile sunt foarte scăzute. Prin urmare, ele nu se aplică majorității aplicațiilor de alimentare cu fluide. Acest proiect este doar al doilea care aplică tehnologia MEMS pe o supapă la scară mai mare (primul fiind un servovalve dezvoltat de DMQ Microstaq).

Microvalvele sunt alcătuite din două plăci separate, o placă de orificiu și o placă de acționare, care sunt fabricate individual și apoi asamblate împreună. Actuatoarele au arhitectură cantilever și sunt confecționate din material piezoelectric. Materialul piezoelectric este titanatul de zirconat de plumb (PZT), care a fost ales datorită coeficientului său piezoelectric excelent, ceea ce reprezintă o indicație a cantității de deviere a vârfului pe unitatea de tensiune aplicată. Aceste grinzi sunt „bimorfe”, ceea ce înseamnă că au două straturi active de material piezoelectric și, prin urmare, semnificativ mai multă deviere decât un singur strat („unimorph”).

Fiecare strat piezoelectric este compus între doi electrozi de platină și este activat prin impunerea unei tensiuni în material. Prin aplicarea tensiunilor inversă celor două straturi piezoelectrice, stratul superior se contractă pe măsură ce stratul inferior se extinde, provocând o deviere maximă a vârfului. Deplasarea proporțională se realizează prin simpla aplicare a unei tensiuni variabile.

Abordarea cercetării pentru crearea acestei supape a început cu construirea unei supape piezoelectrice „meso-scale” mult mai mari, doveditoare a conceptului. Această supapă este de aproximativ 20 de ori mai mare decât supapa MEMS. Servomotorul piezoelectric a fost cumpărat de pe raft și este de aproximativ 100 de ori mai mare decât grinzile de pe supapele MEMS. Placa de orificiu este din oțel mai degrabă decât din siliciu și are orificii suficient de mari pentru a fi prelucrate cu precizie în afara unei încăperi curate. Această supapă a fost caracterizată prin utilizarea unui suport de testare proiectat și construit la Universitatea din Minnesota. Un senzor capacitiv de deplasare este încorporat în carcasă și interacționează cu o placă de cupru împământată în partea de sus a actuatorului. Acest sistem a fost utilizat pentru validarea conceptului de supapă, precum și pentru modelele de debit ale orificiilor de testare. O valvă similară a fost introdusă pe piață în 2012 de o companie fără legătură cu acest proiect, arătând că conceptul de meso-scală este viabil din punct de vedere comercial.

În ceea ce privește supapa MEMS, a fost stabilit un proces de fabricare de succes atât pentru orificiu cât și pentru plăcile de acționare. Plăcile orificiului au fost provocatoare, deoarece orificiile au un raport de aspect de până la 20: 1. Plăcile de acționare au fost de asemenea provocatoare, deoarece grinzile au o grosime de doar 2 um și, prin urmare, extrem de fragile.

Mai mult decât atât, PZT este interzis în majoritatea instalațiilor de micro-fabricație la nivel național (inclusiv din păcate la Universitatea din Minnesota) din cauza problemelor de contaminare cu plumb.

Cu ambele plăci proiectate, fabricate și testate, frontiera finală le va asambla într-o supapă completă. Acest lucru va fi dificil, deoarece tehnicile convenționale de lipire a camerei curate se aplică pe suprafețe curate, nivelate, similare pe un nivel complet de plafon. Întrucât intenția este de a lega două materiale drastic diferite, cu topologie variată, inclusiv grinzi extrem de fragile și subțiri, și pe un dispozitiv mult mai mic decât o placă, există provocări de depășit.

Această cercetare a fost susținută parțial de programul NSF-ERC „Centrul de putere fluidă compactă și eficientă” (CEE-0540834).