Uppfærsla á CCEFP: MEMS tækni sem hjálpar til við að búa til ör-loft loftventla

Að draga úr stærð og orkunotkun er í fyrirrúmi í flestum hvers konar markaðsnotkun í dag, sérstaklega í tannréttingum, sem krefjast samsetningarafls og eftirlits.

Í þessu skyni er verið að þróa nýjan litlu hlutfallslegan loka til að stjórna loftflæði í loftkerfum við háskólann í Minnesota. Búist er við að lokinn þurfi tvö stærðargráða, minni afl en flestir hefðbundnir lokar á markaðnum; Hönnunarmarkmiðið er að halda venjulega lokaða lokanum í fullu opnu ástandi með aðeins 5 mW afli. Fyrirhugaður rennslisgeta hans er 40 slpm þegar loftræsting er frá 6 til 5 bör og þrýstingur er 100 psi. Fyrirhuguð pakkningastærð er aðeins 7 cc.

Eitt af markmiðum rannsókna CCEFP er að þróa færanlegar lausnir fyrir vökvaafl á mannamælikvarða. Þetta lokiverkefni var innblásið af ökklafótum, sem þróað var af prófessor Elizabeth Hsiao-Wecksler við háskólann í Illinois í Champaign-Urbana. Orthosis er virkt lækningatæki til að hjálpa til við að laga óeðlilegt gangtegundir. Það notar litla CO2 flösku og snúningshreyfil til að aðstoða snúning á fæti. Allur pakkinn passar undir buxufót notandans. Þar sem það er fest við fótlegg manns er minnkun á stærð, þyngd og orkunotkun í fyrirrúmi. Það er von verkefnahópsins að hægt sé að lágmarka allar færibreyturnar þrjár með því að fara í örstærð tæki eins og lýst er hér að neðan.

Merkilegar forskriftir þessa ventils nást með því að nýta MEMS tækni. Notkun MEMS framleiðsla lotu mun draga verulega úr framleiðslukostnaði með því að geta einhvern tíma búið til hundruð þessara loka á einni kísilþurrku. Þetta þýðir að auk stærðar og aflbóta sem þegar hefur verið tekið fram er einnig gert ráð fyrir að nýir lokar verði með litlum tilkostnaði. Og þó að lokarnir séu einnig léttir, er búist við að meiri þyngdartap komi til með að minnka rafhlöðuna sem þarf til að knýja lokana.

Að hanna örventla með MEMS tækni er ekki nýtt; það hefur verið rannsakað mikið undanfarin 30 ár. Hefðbundnir örlokar hafa þó verið takmarkaðir við ríki örflæðiefna þar sem flæði er á stærð millilítra á mínútu og þrýstingur er mjög lítill. Þess vegna eiga þau ekki við um flest vökvaforrit. Þetta verkefni er aðeins það annað sem beitir MEMS tækni á stærri mælikvarða loki (hið fyrsta er þjónustuflokkur þróaður af DMQ Microstaq).

Örlokurnar eru samsettar af tveimur aðskildum plötum, gataplötu og stýrivél, sem eru framleiddir hver fyrir sig og síðan settir saman. Stýrivélarnar eru með cantilever arkitektúr og eru gerðar úr gerviefni. Piezoelectric efnið er blý zirkonat títanat (PZT), sem var valið vegna framúrskarandi rafræns stuðuls, sem er vísbending um magn sveigju á hverri spennu einingu. Þessir geislar eru „bimorphs“, sem þýðir að þeir eru með tvö virk lög af gerviefni og því verulega meiri sveigja en aðeins eitt lag („unimorph“).

Hvert rafræn lag er samloka milli tveggja platínu rafskauta og er virkjað með því að leggja spennu yfir efnið. Með því að beita öfugum spennum á hjónaaflslögin tvö dregst efsta lagið saman þegar botnlagið stækkar og veldur hámarks sveigju á toppnum. Hlutfallslegri tilfærslu er náð með því einfaldlega að beita breytilegri spennu.

Rannsóknaraðferðin til að búa til þennan loki hófst með smíði mun stærri, sönnun-af-hugtaki „mesó-mælikvarði“ gervigrasventils. Þessi loki er um það bil 20 sinnum stærri en MEMS lokinn. Rafdreifaraflið var keypt af hillunni og er um það bil 100 sinnum stærra en geislarnir á MEMS lokunum. Glerplata er úr stáli frekar en sílikoni og er með nógu stórum opum til að vera nákvæmlega unnin fyrir utan hreint herbergi. Þessi loki einkenndist með tilraunaprófstöðu sem hannaður var smíðaður við háskólann í Minnesota. Rafrýmd tilfæringarnemi er felldur inn í húsið og er í samspili við jarðtengdan koparpúða efst á stýrisbúnaðinum. Þetta kerfi var notað til að staðfesta lokahugtakið, svo og prófunarrennslislíkön. Svipaður loki var kynntur á markaðnum árið 2012 af fyrirtæki sem ekki tengist þessu verkefni, sem sýnir að hugtakið mesó-mælikvarði er viðskiptalegt.

Hvað varðar MEMS lokann hefur verið komið á vel heppnaðri framleiðsluferli fyrir bæði gatu og stýrivélar. Opin plöturnar voru krefjandi þar sem gatin eru með hlutföll allt að 20: 1. Stýrivagnaplöturnar voru einnig krefjandi þar sem geislarnir eru aðeins 2 um þykkir og því afar brothættir.

Ennfremur er PZT bannað í flestum örframleiðsluaðstöðu á landsvísu (því miður þar með talið University of Minnesota) vegna áhyggna af blýmengun.

Með báðum plötunum sem hannaðar eru, framleiddar og prófaðar, mun loka landamærin setja þau saman í fullkominn loki. Þetta mun einnig vera krefjandi þar sem hefðbundin tengslatækni við hreint herbergi eiga við um hreina, jafna, svipaða fleti á fullu flatarlagi. Þar sem ætlunin er að tengja saman tvö veruleg ólík efni, með fjölbreyttri grannfræði, þar á meðal afar brothættum og þunnum geislum, og á tæki sem er miklu minni en skífan, eru vandamál að vinna bug á.

Þessar rannsóknir hafa að hluta verið studdar af NSF-ERC áætluninni „Center for Compact and Duglegur Fluid Power“ (EBE-0540834).