CCEFP-oppdatering: MEMS-teknologi som hjelper deg med å lage mikro-pneumatiske ventiler

Å redusere størrelse og energiforbruk er avgjørende for de fleste bruksområder i alle markedene i dag, spesielt i ortoser, som krever kompakt kraft og kontroll.

For dette formål utvikles en ny miniatyr proporsjonal ventil for å kontrollere luftstrømmen i pneumatiske systemer ved University of Minnesota. Ventilen forventes å kreve to størrelsesordener, mindre kraft enn de fleste konvensjonelle ventiler på markedet; designmålet er å holde den normalt lukkede ventilen i helt åpen tilstand med bare 5 mW kraft. Den tilsiktede strømningskapasiteten er 40 slpm når det lufter fra et trykk på 6 til 5 bar, og det maksimale konstruksjonstrykket er 100 psi. Den tiltenkte størrelsen på pakken er bare 7 cm.

Et av målene med CCEFP-forskningen er å utvikle bærbare flytende strømløsninger for mennesker. Dette ventilprosjektet var inspirert av en ankel-fotortose som ble utviklet av professor Elizabeth Hsiao-Wecksler ved University of Illinois i Champaign-Urbana. Ortosen er et aktivt medisinsk utstyr som hjelper til med å fikse unormale gangarter. Den bruker en liten CO2-flaske og en roterende aktuator for å hjelpe fotrotasjon. Hele pakken passer under brukerens bukseben. Siden det er festet til en persons ben, er reduksjoner i størrelse, vekt og strømforbruk av største viktighet. Det er håpet fra prosjektgruppen at alle tre parametere kan minimeres absolutt ved å gå til en mikroskalaenhet, som beskrevet nedenfor.

De bemerkelsesverdige spesifikasjonene for denne ventilen oppnås ved å utnytte MEMS-teknologi. Å bruke MEMS-batchproduksjon vil redusere produksjonskostnadene drastisk ved å kunne lage hundrevis av disse ventilene på en enkelt silisiumskive en dag. Dette betyr at i tillegg til størrelsen og effektfordelene som allerede er nevnt, forventes de nye ventilene også å være lave kostnader. Og mens ventilene også er lette, forventes en større vektreduksjon å redusere batteriet som kreves for å drive ventilene.

Å designe mikroventiler ved bruk av MEMS-teknologi er ikke nytt; det har blitt studert mye i løpet av de siste 30 årene. Imidlertid har tradisjonelle mikroventiler blitt begrenset til mikrofluidiksområdet, hvor strømningene er i størrelsesorden milliliter per minutt og trykkene er svært lave. Derfor er de ikke anvendelige for de fleste væskekraftsapplikasjoner. Dette prosjektet er bare det andre som bruker MEMS-teknologi på en større skala (det første er en servovalve utviklet av DMQ Microstaq).

Mikroventilene består av to separate plater, en åpningsplate og en aktuatorplate, som er produsert individuelt og deretter satt sammen. Aktuatorene har utkragingsarkitektur og er laget av piezoelektrisk materiale. Det piezoelektriske materialet er blyzirkonat-titanat (PZT), som ble valgt på grunn av sin utmerkede piezoelektriske koeffisient, som er en indikasjon på mengden spissavbøyning per påført spenningsenhet. Disse bjelkene er "bimorfer", noe som betyr at de har to aktive lag med piezoelektrisk materiale og derfor betydelig mer avbøyning enn bare et enkelt lag ("unimorph").

Hvert piezoelektrisk lag er klemt mellom to platinaelektroder og aktiveres ved å pålegge en spenning over materialet. Ved å påføre omvendte spenninger på de to piezoelektriske lagene, trekker det øverste laget seg mens bunnlaget utvides og forårsaker maksimal avbøyning av spissen. Proporsjonal forskyvning oppnås ved ganske enkelt å bruke en variabel spenning.

Forskningstilnærmingen for å lage denne ventilen begynte med konstruksjonen av en mye større, "proof-of-concept" piezoelektrisk ventil "mesoskala". Denne ventilen er omtrent 20 ganger større enn MEMS-ventilen. Den piezoelektriske aktuatoren ble kjøpt av sokkelen og er omtrent 100 ganger større enn bjelkene på MEMS-ventilene. Åpningsplaten er laget av stål i stedet for silisium og har store nok åpninger til å være presisjonsmaskinerte utenfor et rent rom. Denne ventilen ble karakterisert ved bruk av et eksperimentelt teststativ designet og bygget ved University of Minnesota. En kapasitiv forskyvningssensor er innebygd i huset og samhandler med en jordet kobberput på toppen av aktuatoren. Dette systemet ble brukt til å validere ventilkonseptet, så vel som teståpningsflytmodeller. En lignende ventil ble introdusert til markedet i 2012 av et selskap som ikke er knyttet til dette prosjektet, og viser at mesoskala-konseptet er kommersielt levedyktig.

Når det gjelder MEMS-ventilen, er det oppnådd en vellykket fabrikasjonsprosess for både åpnings- og aktuatorplatene. Åpningsplatene var utfordrende ettersom åpningene har et sideforhold på opptil 20: 1. Aktuatorplatene var også utfordrende, da bjelkene er bare 2 um tykke og derfor ekstremt skjøre.

Videre er PZT forbudt i de fleste mikrofremstillingsanlegg landsdekkende (dessverre inkludert University of Minnesota) på grunn av bekymring for blyforurensning.

Med begge platene designet, produsert og testet, vil den endelige grensen samle dem sammen til en komplett ventil. Også dette vil være utfordrende ettersom konvensjonelle limrørteknikker for rene rom gjelder for rene, jevne, lignende overflater på et fullt skiverivå. Ettersom intensjonen er å binde to drastisk forskjellige materialer, med variert topologi, inkludert ekstremt skjøre og tynne bjelker, og på en enhet som er mye mindre enn en skive, er det utfordringer å overvinne.

Denne forskningen har delvis blitt støttet av NSF-ERC-programmet “Center for Compact and Efficient Fluid Power” (EEC-0540834).