การอัปเดต CCEFP: เทคโนโลยี MEMS ช่วยในการสร้างวาล์วแบบไมโครนิวเมติก

การลดขนาดและการใช้พลังงานเป็นสิ่งสำคัญยิ่งสำหรับการใช้งานในตลาดส่วนใหญ่ในปัจจุบันโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับออร์โธสซึ่งต้องการพลังงานและการควบคุมที่กะทัดรัด

ด้วยเหตุนี้จึงได้มีการพัฒนาวาล์วสัดส่วนขนาดเล็กแบบใหม่สำหรับการควบคุมการไหลของอากาศในระบบนิวแมติกที่มหาวิทยาลัยมินนิโซตา คาดว่าวาล์วจะต้องมีขนาดสองออเดอร์ซึ่งมีกำลังไฟน้อยกว่าวาล์วทั่วไปในท้องตลาด เป้าหมายการออกแบบคือการทำให้วาล์วปิดปกติอยู่ในสถานะเปิดเต็มกำลังเพียง 5 mW ความสามารถในการไหลที่ตั้งใจคือ 40 slpm เมื่อระบายออกจากความดัน 6 ถึง 5 บาร์และความดันสูงสุดที่ออกแบบคือ 100 psi ขนาดหีบห่อที่ต้องการมีเพียง 7 ซีซี

หนึ่งในเป้าหมายของการวิจัย CCEFP คือการพัฒนาโซลูชั่นพลังงานของไหลแบบพกพาในระดับมนุษย์ โครงการวาล์วนี้ได้รับแรงบันดาลใจจากการทำออโธซิสของข้อเท้าซึ่งพัฒนาโดยศาสตราจารย์เอลิซาเบ ธ เฮเซีย - เว็กซ์เลอร์จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์เมืองแชมเพน Orthosis เป็นอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ใช้งานเพื่อช่วยแก้ไขการเดินที่ผิดปกติ มันใช้ขวด CO2 ขนาดเล็กและตัวกระตุ้นแบบหมุนเพื่อช่วยในการหมุนเท้า แพคเกจทั้งหมดพอดีกับ pant-leg ของผู้ใช้ เมื่อติดกับขาของบุคคลการลดขนาดน้ำหนักและการใช้พลังงานจึงเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง เป็นความหวังของทีมงานโครงการที่สามารถลดพารามิเตอร์ทั้งสามได้อย่างแน่นอนโดยไปที่อุปกรณ์ขนาดจิ๋วดังที่อธิบายไว้ด้านล่าง

คุณสมบัติที่โดดเด่นของวาล์วนี้เกิดขึ้นได้จากการใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยี MEMS การใช้การสร้างแบตช์ MEMS จะช่วยลดต้นทุนการผลิตได้อย่างมากด้วยความสามารถในการสร้างวาล์วเหล่านี้หลายร้อยอันบนซิลิคอนเวเฟอร์เพียงครั้งเดียว ซึ่งหมายความว่านอกเหนือจากขนาดและประโยชน์ด้านพลังงานที่ระบุไว้แล้ววาล์วใหม่ก็คาดว่าจะมีต้นทุนต่ำ และในขณะที่วาล์วยังมีน้ำหนักเบาการลดน้ำหนักที่มีขนาดใหญ่ขึ้นนั้นคาดว่าจะมาจากการลดขนาดของแบตเตอรี่ที่ต้องใช้ในการจ่ายไฟให้กับวาล์ว

การออกแบบ microvalves โดยใช้เทคโนโลยี MEMS นั้นไม่ใช่เรื่องใหม่ มันได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในช่วง 30 ปีที่ผ่านมา อย่างไรก็ตาม microvalves แบบดั้งเดิมนั้นถูก จำกัด ให้อยู่ในขอบเขตของ micro-fluidics ซึ่งการไหลอยู่ในลำดับของมิลลิลิตรต่อนาทีและแรงกดดันต่ำมาก ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้ได้กับแอปพลิเคชั่นพลังงานน้ำส่วนใหญ่ โครงการนี้เป็นเพียงโครงการที่สองที่จะนำเทคโนโลยี MEMS ไปใช้กับวาล์วขนาดที่ใหญ่ขึ้น (โครงการแรกคือ servovalve ที่พัฒนาโดย DMQ Microstaq)

microvalves ประกอบด้วยแผ่นแยกสองแผ่นแผ่นรองปากและแผ่นแอ๊คทูเอเตอร์ซึ่งประกอบขึ้นเป็นชิ้น ๆ แล้วประกอบเข้าด้วยกัน แอคชูเอเตอร์มีสถาปัตยกรรมคานเท้าแขนและทำจากวัสดุเพียโซอิเล็กทริก วัสดุ piezoelectric คือ lead zirconate titanate (PZT) ซึ่งถูกเลือกเนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์ piezoelectric ที่ยอดเยี่ยมซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ปริมาณการเบี่ยงเบนของทิปต่อหน่วยของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ คานเหล่านี้คือ "bimorphs" ซึ่งหมายความว่าพวกเขามีสองชั้นที่ใช้งานของวัสดุ piezoelectric และดังนั้นการโก่งตัวมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญมากกว่าเพียงชั้นเดียว ("unimorph")

แต่ละชั้น piezoelectric จะถูกประกบอยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้าทองคำขาวสองขั้วและถูกเปิดใช้งานโดยการกำหนดแรงดันไฟฟ้าให้ทั่วทั้งวัสดุ ด้วยการใช้แรงดันย้อนกลับกับชั้น piezoelectric สองชั้นชั้นบนจะหดตัวเมื่อชั้นล่างขยายตัวทำให้เกิดการเบี่ยงเบนของทิปสูงสุด สัดส่วนการกระจัดสามารถทำได้โดยเพียงแค่ใช้แรงดันไฟฟ้าตัวแปร

วิธีการวิจัยเพื่อสร้างวาล์วนี้เริ่มต้นด้วยการสร้างวาล์ว piezoelectric ขนาดใหญ่ขึ้นที่พิสูจน์ได้ของแนวคิด วาล์วนี้มีขนาดใหญ่กว่า MEMS valve ประมาณ 20 เท่า piezoelectric แอคชูเอเตอร์ถูกซื้อจากชั้นวางและมีขนาดใหญ่กว่าลำแสงบนวาล์ว MEMS ประมาณ 100 เท่า แผ่นปากทำจากเหล็กมากกว่าซิลิคอนและมีช่องเปิดขนาดใหญ่พอที่จะทำการกลึงที่แม่นยำนอกห้องสะอาด วาล์วนี้มีเอกลักษณ์เฉพาะด้วยแท่นทดสอบแบบทดลองที่ออกแบบและสร้างขึ้นที่มหาวิทยาลัยมินนิโซตา เซ็นเซอร์ดิจิตัลดิสเพลสเมนต์จะฝังอยู่ในตัวเรือนและทำปฏิกิริยากับแผ่นทองแดงที่ต่อสายดินที่ด้านบนของแอคชูเอเตอร์ ระบบนี้ใช้เพื่อตรวจสอบแนวคิดของวาล์วรวมถึงแบบจำลองการไหลของปากทดสอบ วาล์วที่คล้ายกันถูกนำออกสู่ตลาดในปี 2555 โดย บริษัท ที่ไม่เกี่ยวข้องกับโครงการนี้ซึ่งแสดงให้เห็นว่าแนวความคิดของ Meso-scale นั้นสามารถใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์

สำหรับวาล์ว MEMS กระบวนการผลิตที่ประสบความสำเร็จสำหรับทั้งแผ่นออริเฟลมและแผ่นแอคทูเอเตอร์ได้ถูกสร้างขึ้น เพลตปากแหว่งมีความท้าทายเนื่องจากรูม่านมีอัตราส่วนสูงถึง 20: 1 เพลตแอคชูเอเตอร์นั้นท้าทายเช่นกันเนื่องจากคานมีความหนาเพียง 2 ไมโครเมตรดังนั้นจึงเปราะบางอย่างยิ่ง

นอกจากนี้ห้ามใช้ PZT ในโรงงานผลิตไมโครทั่วประเทศ (น่าเสียดายที่รวมถึงมหาวิทยาลัยมินนิโซตา) เนื่องจากความกังวลเรื่องการปนเปื้อน

ด้วยแผ่นทั้งสองที่ออกแบบประดิษฐ์และทดสอบขอบเขตสุดท้ายจะรวมเข้าด้วยกันเป็นวาล์วที่สมบูรณ์ สิ่งนี้จะเป็นเรื่องท้าทายเนื่องจากเทคนิคการเชื่อมห้องคลีนรูมแบบเดิมนั้นใช้กับพื้นผิวที่สะอาดระดับและคล้ายคลึงกันในระดับเวเฟอร์เต็มรูปแบบ เนื่องจากความตั้งใจที่จะเชื่อมวัสดุที่แตกต่างกันสองชนิดเข้าด้วยกันด้วยโครงสร้างที่หลากหลายรวมถึงคานที่บอบบางและบางและบนอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กกว่าเวเฟอร์มากจึงมีความท้าทายที่จะเอาชนะ

งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนบางส่วนจากโครงการ NSF-ERC“ ศูนย์สำหรับพลังงานของไหลที่มีขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพ” (EEC-0540834)