CCEFP-opdatering: MEMS-teknologi, der hjælper med at oprette mikro-pneumatiske ventiler

Det er vigtigt at reducere størrelse og energiforbrug i de fleste anvendelser på ethvert marked i dag, især i ortoser, der kræver kompakt strøm og kontrol.

Til dette formål er der udviklet en ny miniature proportionalventil til styring af luftstrøm i pneumatiske systemer ved University of Minnesota. Ventilen forventes at kræve to størrelsesordrer, mindre effekt end de fleste konventionelle ventiler på markedet; designmålet er at holde den normalt lukkede ventil i fuldt åben tilstand med kun 5 mW strøm. Dens tilsigtede strømningskapacitet er 40 slpm, når udluftning fra et tryk på 6 til 5 bar, og dets maksimale konstruktionstryk er 100 psi. Den tilsigtede pakningsstørrelse er kun 7 cm.

Et af målene med CCEFP-forskningen er at udvikle bærbare væskekraftløsninger i human skala. Dette ventilprojekt blev inspireret af en ankelfodsortose, der blev udviklet af professor Elizabeth Hsiao-Wecksler ved University of Illinois i Champaign-Urbana. Ortosen er et aktivt medicinsk udstyr, der hjælper med at løse unormale gangarter. Den bruger en lille CO2-flaske og en roterende aktuator til at hjælpe fodens rotation. Hele pakken passer under brugerens bukseben. Da det er knyttet til en persons ben, er reduktioner i størrelse, vægt og strømforbrug af største vigtighed. Det er projektteamets håb, at alle tre parametre kan minimeres absolut ved at gå til en mikroskalaenhed, som beskrevet nedenfor.

De bemærkelsesværdige specifikationer for denne ventil opnås ved at udnytte MEMS-teknologi. Brug af MEMS batchfremstilling vil drastisk reducere produktionsomkostningerne ved at være i stand til en dag at skabe hundredvis af disse ventiler på en enkelt siliciumskive. Dette betyder, at ud over de allerede nævnte størrelses- og effektfordele forventes de nye ventiler også at være lave omkostninger. Og selvom ventilerne også er lette, forventes en større vægtreduktion at reducere batteriet, der kræves for at drive ventilerne.

Design af mikroventiler ved hjælp af MEMS-teknologi er ikke nyt; det er blevet undersøgt omfattende i løbet af de sidste 30 år. Traditionelle mikroventiler er imidlertid begrænset til mikrofluidikområdet, hvor strømme er i størrelsesordenen milliliter pr. Minut og trykket er meget lavt. Derfor er de ikke anvendelige til de fleste applikationer med væskeeffekt. Dette projekt er kun det andet, der anvender MEMS-teknologi på en større skala (den første er en servovalve udviklet af DMQ Microstaq).

Mikroventilerne består af to separate plader, en åbningsplade og en aktuatorplade, som fremstilles individuelt og derefter samles sammen. Aktuatorerne har cantilever-arkitektur og er lavet af piezoelektrisk materiale. Det piezoelektriske materiale er blyzirkonat titanat (PZT), der blev valgt på grund af dets fremragende piezoelektriske koefficient, hvilket er en indikation af mængden af spidsafbøjning pr. Påført spændingsenhed. Disse bjælker er "bimorfer", hvilket betyder, at de har to aktive lag piezoelektrisk materiale og derfor betydeligt mere afbøjning end blot et enkelt lag ("unimorph").

Hvert piezoelektrisk lag er klemt fast mellem to platinelektroder og aktiveres ved at pålægge en spænding over materialet. Ved at påføre omvendte spændinger til de to piezoelektriske lag, samles det øverste lag, når det nederste lag udvides, hvilket forårsager maksimal spidsafbøjning. Proportional forskydning opnås ved blot at anvende en variabel spænding.

Forskningsmetoden til oprettelse af denne ventil begyndte med konstruktionen af en meget større, ”proof-of-concept” piezoelektrisk ventil ”mesoskala”. Denne ventil er omtrent 20 gange større end MEMS-ventilen. Den piezoelektriske aktuator blev købt fra hylden og er omtrent 100 gange større end bjælkerne på MEMS-ventilerne. Åbningspladen er fremstillet af stål i stedet for silicium og har store nok åbninger til at være præcisionsbearbejdet uden for et rent rum. Denne ventil blev karakteriseret ved hjælp af et eksperimentelt teststativ designet og bygget på University of Minnesota. En kapacitiv forskydningsføler er indlejret i huset og interagerer med en jordet kobberpude på toppen af aktuatoren. Dette system blev brugt til at validere ventilkonceptet samt teståbningsstrømningsmodeller. En lignende ventil blev introduceret på markedet i 2012 af et firma, der ikke har tilknytning til dette projekt, hvilket viser, at mesoskala-konceptet er kommercielt bæredygtigt.

Med hensyn til MEMS-ventilen er der blevet etableret en vellykket fabrikationsproces til både åbnings- og aktuatorpladerne. Åbningspladerne var udfordrende, da åbningerne har et sideforhold på op til 20: 1. Aktuatorpladerne var også udfordrende, da bjælkerne er blot 2 um tykke og derfor ekstremt skrøbelige.

Desuden er PZT forbudt i de fleste mikrofremstillingsfaciliteter landsdækkende (desværre inklusive University of Minnesota) på grund af bekymring med blyforurening.

Med begge plader designet, fremstillet og testet, vil den endelige grænse samle dem sammen til en komplet ventil. Dette vil også være udfordrende, da konventionelle limningsteknikker til rent rum gælder for rene, plane, lignende overflader på et fuldt skiveriveau. Da hensigten er at binde to drastisk forskellige materialer med varieret topologi, herunder ekstremt skrøbelige og tynde bjælker, og på en enhed, der er meget mindre end en skive, er der udfordringer at overvinde.

Denne forskning er delvist blevet støttet af NSF-ERC-programmet “Center for Compact and Efficient Fluid Power” (EEC-0540834).