Обновление CCEFP: технология MEMS помогает создавать микропневматические клапаны

Снижение размеров и энергопотребления имеет первостепенное значение в большинстве современных приложений, особенно в ортезах, которые требуют компактного питания и контроля.

С этой целью в Университете Миннесоты разрабатывается новый миниатюрный пропорциональный клапан для управления потоком воздуха в пневматических системах. Ожидается, что клапан потребует на два порядка меньше энергии, чем большинство обычных клапанов на рынке; цель проекта - удерживать нормально закрытый клапан в полностью открытом состоянии при мощности всего 5 мВт. Его предполагаемая пропускная способность составляет 40 л / мин при сбросе давления от 6 до 5 бар, а его максимальное расчетное давление составляет 100 фунтов на квадратный дюйм. Предполагаемый размер упаковки составляет всего 7 куб.

Одной из целей исследований CCEFP является разработка портативных решений для гидравлических систем для людей. Этот клапанный проект был вдохновлен ортезом голеностопного сустава, разработанным профессором Элизабет Сяо-Векслер в Иллинойском университете в Шампейн-Урбана. Ортез является активным медицинским устройством, помогающим исправить ненормальную походку. В нем используется небольшая емкость с CO2 и поворотный привод для облегчения вращения стопы. Вся упаковка помещается под штанину пользователя. Поскольку он прикреплен к ноге человека, уменьшение размера, веса и энергопотребления имеют первостепенное значение. Команда проекта надеется, что все три параметра могут быть сведены к минимуму при переходе на микромасштабное устройство, как показано ниже.

Замечательные характеристики этого клапана достигаются благодаря использованию технологии MEMS. Использование серийного изготовления MEMS значительно сократит производственные затраты, поскольку когда-нибудь будет возможно создать сотни таких клапанов на одной кремниевой пластине. Это означает, что в дополнение к уже отмеченным преимуществам по размеру и мощности новые клапаны также будут дешевыми. И хотя клапаны также легкие, ожидается, что большее снижение веса произойдет благодаря уменьшению размера батареи, необходимой для питания клапанов.

Проектирование микроклапанов с использованием технологии MEMS не является новым; за последние 30 лет оно было тщательно изучено. Однако традиционные микроклапаны были ограничены областью микрожидкостей, где потоки составляют порядка миллилитров в минуту, а давление очень низкое. Следовательно, они не применимы к большинству гидравлических приложений. Этот проект является вторым по счету применением технологии MEMS для клапанов большего масштаба (первый - сервоклапан, разработанный DMQ Microstaq).

Микроклапаны состоят из двух отдельных пластин, пластины с отверстиями и пластины привода, которые изготавливаются по отдельности, а затем собираются вместе. Приводы имеют консольную архитектуру и выполнены из пьезоэлектрического материала. Пьезоэлектрический материал представляет собой титанат цирконата свинца (PZT), который был выбран из-за его превосходного пьезоэлектрического коэффициента, который является показателем величины отклонения наконечника на единицу приложенного напряжения. Эти лучи являются «биморфами», что означает, что они имеют два активных слоя пьезоэлектрического материала и, следовательно, значительно больше прогибают, чем один слой («униморф»).

Каждый пьезоэлектрический слой расположен между двумя платиновыми электродами и активируется путем наложения напряжения на материал. Подавая обратные напряжения на два пьезоэлектрических слоя, верхний слой сжимается при расширении нижнего слоя, вызывая максимальное отклонение наконечника. Пропорциональное смещение достигается простым приложением переменного напряжения.

Исследовательский подход к созданию этого клапана начался с создания гораздо большего, проверенного концепцией «мезомасштабного» пьезоэлектрического клапана. Этот клапан примерно в 20 раз больше, чем клапан MEMS. Пьезоэлектрический привод был куплен с полки и примерно в 100 раз больше, чем балки на клапанах MEMS. Пластина с отверстиями изготовлена из стали, а не из кремния, и имеет достаточно большие отверстия для точной обработки вне чистой комнаты. Этот клапан был охарактеризован с использованием экспериментального испытательного стенда, разработанного и изготовленного в университете штата Миннесота. Емкостный датчик смещения встроен в корпус и взаимодействует с заземленной медной прокладкой в верхней части привода. Эта система использовалась для проверки концепции клапана, а также для проверки моделей потока в отверстиях. Аналогичный клапан был представлен на рынке в 2012 году компанией, не связанной с этим проектом, что свидетельствует о коммерчески жизнеспособной концепции мезомасштабного производства.

Что касается клапана MEMS, был создан успешный процесс изготовления как диафрагмы, так и исполнительных пластин. Пластины с отверстиями были сложными, поскольку отверстия имеют соотношение сторон до 20: 1. Пластины привода также были сложными, так как балки имеют толщину всего 2 мкм и поэтому чрезвычайно хрупкие.

Кроме того, PZT запрещен в большинстве предприятий по производству микропроизводства по всей стране (к сожалению, в том числе в Университете Миннесоты) из-за проблем загрязнения свинцом.

После того, как обе пластины спроектированы, изготовлены и испытаны, конечная граница будет собирать их вместе в единый клапан. Это также будет сложной задачей, так как обычные методы склеивания чистых помещений применяются к чистым, ровным, подобным поверхностям на полном уровне пластин. Поскольку цель состоит в том, чтобы соединить два совершенно разнородных материала с различной топологией, включая чрезвычайно хрупкие и тонкие лучи, и на устройстве, намного меньшем, чем пластина, существуют проблемы, которые необходимо преодолеть.

Это исследование было частично поддержано программой NSF-ERC «Центр компактной и эффективной гидравлической энергии» (EEC-0540834).