Aktualizacja CCEFP: technologia MEMS pomaga w tworzeniu zaworów mikropneumatycznych

Zmniejszenie wielkości i zużycia energii jest obecnie najważniejsze w większości zastosowań na dowolnym rynku, szczególnie w ortezach, które wymagają niewielkiej mocy i kontroli.

W tym celu na University of Minnesota opracowano nowatorski miniaturowy zawór proporcjonalny do sterowania przepływem powietrza w systemach pneumatycznych. Oczekuje się, że zawór będzie wymagał dwóch rzędów wielkości, mniejszej mocy niż większość tradycyjnych zaworów na rynku; celem projektu jest utrzymanie normalnie zamkniętego zaworu w stanie całkowicie otwartym przy mocy zaledwie 5 mW. Jego zamierzona wydajność przepływu wynosi 40 slpm przy odpowietrzaniu pod ciśnieniem od 6 do 5 barów, a maksymalne ciśnienie projektowe wynosi 100 psi. Planowany rozmiar opakowania to tylko 7 cm3.

Jednym z celów badań CCEFP jest opracowanie przenośnych rozwiązań zasilania płynów na skalę ludzką. Ten projekt zastawki został zainspirowany ortezą kostki stopy opracowaną przez profesor Elizabeth Hsiao-Wecksler z University of Illinois w Champaign-Urbana. Orteza jest aktywnym urządzeniem medycznym, które pomaga naprawić nieprawidłowy chód. Wykorzystuje małą butlę CO2 i obrotowy siłownik do wspomagania obrotu stopy. Cały pakiet mieści się pod nogawką użytkownika. Ponieważ jest przymocowany do nogi osoby, najważniejsze jest zmniejszenie jej rozmiaru, masy i zużycia energii. Zespół projektowy ma nadzieję, że wszystkie trzy parametry można całkowicie zminimalizować, przechodząc do urządzenia w skali mikro, jak przedstawiono poniżej.

Niezwykłe parametry techniczne tego zaworu zostały osiągnięte dzięki wykorzystaniu technologii MEMS. Zastosowanie produkcji seryjnej MEMS radykalnie obniży koszty produkcji, ponieważ pewnego dnia będzie można stworzyć setki takich zaworów na jednym krzemowym waflu. Oznacza to, że oprócz już wspomnianych korzyści w zakresie wielkości i mocy, nowe zawory powinny być również tanie. I chociaż zawory są również lekkie, należy spodziewać się większej redukcji ciężaru poprzez zmniejszenie rozmiaru baterii wymaganej do zasilania zaworów.

Projektowanie mikrorurek za pomocą technologii MEMS nie jest niczym nowym; w ciągu ostatnich 30 lat był intensywnie badany. Jednak tradycyjne mikroprzełączniki zostały ograniczone do dziedziny mikro-płynów, gdzie przepływy są rzędu mililitrów na minutę, a ciśnienia są bardzo niskie. Dlatego nie mają one zastosowania do większości zastosowań zasilania płynem. Ten projekt jest dopiero drugim zastosowaniem technologii MEMS w zaworze na większą skalę (pierwszy to serwozawór opracowany przez DMQ Microstaq).

Mikrozawory składają się z dwóch oddzielnych płyt, płyty kryzowej i płyty uruchamiającej, które są wytwarzane indywidualnie, a następnie montowane razem. Siłowniki mają konstrukcję wspornikową i są wykonane z materiału piezoelektrycznego. Materiałem piezoelektrycznym jest tytanian cyrkonianu ołowiu (PZT), który został wybrany ze względu na jego doskonały współczynnik piezoelektryczny, który jest wskaźnikiem wielkości ugięcia końcówki na jednostkę przyłożonego napięcia. Wiązki te są „bimorficzne”, co oznacza, że mają dwie aktywne warstwy materiału piezoelektrycznego, a zatem znacznie większe ugięcie niż tylko jedna warstwa („unimorficzny”).

Każda warstwa piezoelektryczna jest umieszczona pomiędzy dwiema elektrodami platynowymi i jest aktywowana przez nałożenie napięcia na materiał. Poprzez zastosowanie napięć odwrotnych do dwóch warstw piezoelektrycznych, górna warstwa kurczy się, gdy dolna warstwa rozszerza się, powodując maksymalne ugięcie końcówki. Proporcjonalne przemieszczenie osiąga się po prostu przez zastosowanie napięcia zmiennego.

Podejście badawcze do stworzenia tego zaworu rozpoczęło się od budowy znacznie większego, sprawdzonego koncepcyjnie „piezoelektrycznego” zaworu w skali mezo. Ten zawór jest około 20 razy większy niż zawór MEMS. Piezoelektryczny siłownik został zakupiony z półki i jest około 100 razy większy niż belki na zaworach MEMS. Kryza wykonana jest raczej ze stali niż z krzemu i ma wystarczająco duże otwory, aby można je było precyzyjnie obrobić poza czystym pomieszczeniem. Zawór ten scharakteryzowano za pomocą eksperymentalnego stanowiska testowego zaprojektowanego i zbudowanego na University of Minnesota. Pojemnościowy czujnik przemieszczenia jest osadzony w obudowie i współpracuje z uziemioną miedzianą podkładką na górze siłownika. Ten system wykorzystano do weryfikacji koncepcji zaworu, a także do testowania modeli przepływu kryzy. Podobny zawór został wprowadzony na rynek w 2012 roku przez firmę niezwiązaną z tym projektem, pokazując, że koncepcja mezoskali jest opłacalna z handlowego punktu widzenia.

Jeśli chodzi o zawór MEMS, ustanowiono udany proces wytwarzania zarówno kryzy, jak i płyt siłownika. Płytki z otworami były trudne, ponieważ otwory mają współczynnik kształtu do 20: 1. Trudne były również płytki siłowników, ponieważ belki mają zaledwie 2 µm grubości, a zatem są wyjątkowo delikatne.

Ponadto PZT jest zabroniony w większości zakładów mikro-produkcyjnych w całym kraju (niestety, w tym University of Minnesota) z powodu obaw o zanieczyszczenie ołowiem.

Po zaprojektowaniu, wyprodukowaniu i przetestowaniu obu płyt ostateczna granica będzie je składać w kompletny zawór. To także będzie trudne, ponieważ konwencjonalne techniki łączenia w czystych pomieszczeniach mają zastosowanie do czystych, równych, podobnych powierzchni na pełnym poziomie płytki. Ponieważ celem jest połączenie dwóch drastycznie odmiennych materiałów o zróżnicowanej topologii, w tym wyjątkowo delikatnych i cienkich wiązek, oraz na urządzeniu znacznie mniejszym niż wafel, istnieją wyzwania do pokonania.

Badania te zostały częściowo wsparte przez program NSF-ERC „Centrum kompaktowej i wydajnej mocy płynów” (EEC-0540834).