CCEFP Güncellemesi: MEMS Teknolojisi, Mikro-Pnömatik Valfler Yaratmaya Yardımcı Oluyor

Boyut ve enerji tüketimini azaltmak günümüzde çoğu piyasa uygulamasında, özellikle de kompakt güç ve kontrol gerektiren ortezlerde çok önemlidir.

Bu amaçla, pnömatik sistemlerde hava akışını kontrol etmek için Minnesota Üniversitesi'nde yeni bir minyatür oransal valf geliştirilmektedir. Valf, piyasadaki çoğu geleneksel valften daha az güç, iki büyüklük sırası gerektirmesi beklenir; tasarım amacı normalde kapalı vanayı sadece 5 mW güç ile tam açık durumda tutmaktır. Amaçlanan akış kapasitesi, 6 ila 5 bar'lık bir basınçtan havalandırma yapılırken 40 slpm'dir ve maksimum tasarım basıncı 100 psi'dir. Amaçlanan paket büyüklüğü sadece 7 cc'dir.

CCEFP araştırmasının hedeflerinden biri, taşınabilir insan ölçekli akışkan gücü çözümleri geliştirmektir. Bu kapak projesi Champaign-Urbana'daki Illinois Üniversitesi'nden Profesör Elizabeth Hsiao-Wecksler tarafından geliştirilen bir ayak bileği ortezinden ilham almıştır. Ortez, anormal yürüme yolluklarını düzeltmeye yardımcı olan aktif bir tıbbi cihazdır. Ayak rotasyonuna yardımcı olmak için küçük bir CO2 şişesi ve döner bir aktüatör kullanır. Tüm paket kullanıcının pantolon ayağının altına sığar. Bir kişinin bacağına bağlı olduğundan, boyut, ağırlık ve güç tüketimindeki azalma çok önemlidir. Proje ekibinin, üç parametrenin hepsinin, aşağıda belirtildiği gibi mikro ölçekli bir cihaza gidildiğinde kesinlikle en aza indirilebileceği umududur.

Bu vananın dikkat çekici özellikleri MEMS teknolojisinden yararlanılarak elde edilir. MEMS seri üretiminin kullanılması, bir gün tek bir silikon gofret üzerinde bu valflerin yüzlerce oluşturmasını sağlayarak üretim maliyetlerini büyük ölçüde azaltacaktır. Bu, daha önce belirtilen boyut ve güç avantajlarına ek olarak, yeni vanaların da düşük maliyetli olması gerektiği anlamına gelir. Vanalar da hafifken, vanalara güç vermek için gereken bataryayı küçültmek suretiyle daha büyük bir ağırlık azalması beklenir.

MEMS teknolojisi kullanılarak mikro vana tasarımı yeni değil; son 30 yılda yoğun bir şekilde çalışılmıştır. Bununla birlikte, geleneksel mikrovalfler, akışların dakikada mililitre düzeninde olduğu ve basınçların çok düşük olduğu mikro-akışkanlar alemiyle sınırlandırılmıştır. Bu nedenle, çoğu sıvı gücü uygulaması için geçerli değildir. Bu proje, MEMS teknolojisini daha büyük ölçekli bir vanaya uygulamak için yalnızca ikincisidir (ilki DMQ Microstaq tarafından geliştirilen bir servovalv).

Mikrovalfler iki ayrı plakadan, bir delikli plakadan ve ayrı ayrı imal edilen ve sonra bir araya getirilmiş olan bir tahrik plakasından oluşur. Aktüatörler konsol mimarisine sahiptir ve piezoelektrik malzemeden yapılmıştır. Piezoelektrik malzeme, uygulanan voltaj birimi başına uç sapma miktarının bir göstergesi olan mükemmel piezoelektrik katsayısı nedeniyle seçilen kurşun zirkonat titanattır (PZT). Bu kirişler “bimorflar” dır, yani iki aktif piezoelektrik malzeme katmanına sahiptirler ve bu nedenle sadece tek bir katmandan (“unimorph”) önemli ölçüde daha fazla sapma olurlar.

Her bir piezoelektrik katman, iki platin elektrotu arasına sıkıştırılır ve materyal boyunca bir voltaj uygulayarak aktive edilir. İki piezoelektrik katmana ters voltaj uygulayarak, üst katman, alt katman genişledikçe büzülür ve maksimum uç sapmasına neden olur. Orantılı yer değiştirme, sadece değişken bir voltaj uygulanarak elde edilir.

Bu vananın oluşturulmasına yönelik araştırma yaklaşımı, çok daha büyük, kavram kanıtı bir “mezo ölçekli” piezoelektrik vananın inşasıyla başladı. Bu valf MEMS valfinden kabaca 20 kat daha büyüktür. Piezoelektrik aktüatör raftan satın alındı ve MEMS vanalarındaki kirişlerden kabaca 100 kat daha büyük. Delik plakası, silikon yerine çelikten imal edilmiştir ve temiz bir odanın dışında hassas bir şekilde işlenmesi için yeterince büyük deliklere sahiptir. Bu vana, Minnesota Üniversitesi'nde tasarlanmış ve yapılmış deneysel bir test standı kullanılarak tanımlandı. Muhafaza içine bir kapasitif yer değiştirme sensörü yerleştirilmiştir ve aktüatörün üstündeki topraklanmış bir bakır ped ile etkileşime girer. Bu sistem, vana konseptini ve aynı zamanda test orifis akış modellerini doğrulamak için kullanıldı. Bu projeyle ilgisi olmayan bir firma tarafından 2012 yılında piyasaya benzer bir kapak piyasaya sürülerek, mezo ölçekli konseptin ticari olarak uygulanabilir olduğunu göstermiştir.

MEMS vanasına gelince, hem delik hem de aktüatör plakaları için başarılı bir imalat işlemi kurulmuştur. Delikler, delikler 20: 1'e kadar en boy oranına sahip olduğu için zorlayıcıydı. Aktüatör plakaları da zordur, çünkü kirişler sadece 2 um kalınlığındadır ve bu nedenle çok kırılgandır.

Ayrıca, PZT, ülke genelinde (maalesef Minnesota Üniversitesi de dahil olmak üzere) kurşun kontaminasyon endişelerinden dolayı çoğu mikro fabrikada kullanılmaktadır.

Her iki plaka tasarlanan, imal edilen ve test edilen son sınır, bunları eksiksiz bir vanaya birleştirir. Geleneksel temiz oda yapıştırma teknikleri, tam gofret seviyesinde temiz, düz, benzer yüzeyler için geçerli olduğundan, bu da zor olacaktır. Amaç, son derece kırılgan ve ince kirişler dahil olmak üzere çeşitli topolojiye sahip, çok farklı bir şekilde birbirine benzemeyen iki malzemenin birleştirilmesi ve bir gofretten çok daha küçük bir cihazda üstesinden gelinmesi gereken zorluklar vardır.

Bu araştırma, NSF-ERC “Kompakt ve Verimli Akışkan Gücü Merkezi” (EEC-0540834) tarafından kısmen desteklenmiştir.