CCEFP yangilanishi: Mikro-pnevmatik klapanlarni yaratishda yordam beradigan MEMS texnologiyasi

Energiya sarfini va hajmini kamaytirish bugungi kunda har qanday bozorda, ayniqsa ixcham quvvat va nazoratni talab qiladigan ortezlarda muhim ahamiyatga ega.

Shu maqsadda Minnesota universitetida pnevmatik tizimlardagi havo oqimini boshqaruvchi mutanosib ravishda yangi miniatyurali valf ishlab chiqilmoqda. Valf bozorda odatiy klapanlarga qaraganda kamroq kuchlilikdagi ikkita buyurtmani talab qilishi kutilmoqda; dizayn maqsadi faqat 5 mVt quvvatga ega bo'lgan normal yopiq valfni to'liq ochiq holatda ushlab turishdir. 6 dan 5 bargacha bo'lgan bosimda shamollatish paytida uning mo'ljallangan oqimi 40 slpm ni tashkil qiladi va maksimal dizayn bosimi 100 psi ni tashkil qiladi. Paket hajmi 7 cc ni tashkil qiladi.

CCEFP tadqiqotlarining maqsadlaridan biri bu inson uchun mo'ljallangan suyuqlik quvvatiga ega ko'chma echimlarni ishlab chiqishdir. Ushbu valf loyihasi Champaign-Urbana shtatidagi Illinoys universitetida professor Elizabeth Hsiao-Wekksler tomonidan ishlab chiqilgan oyoq Bilagi zo'r ortozdan ilhomlangan. Ortez g'ayritabiiy yurish moslamalarini tuzatishga yordam beradigan faol tibbiy vositadir. Oyoqning aylanishiga yordam beradigan kichik CO2 shisha va aylantiruvchi aktuatordan foydalanadi. Butun to'plam foydalanuvchining oyoq-oyog'iga to'g'ri keladi. Biror kishining oyog'iga yopishtirilganligi sababli, o'lcham, vazn va quvvat sarfini kamaytirish birinchi darajali ahamiyatga ega. Bu loyiha guruhining umidlari, quyida ko'rsatilganidek, barcha uch parametrlarni mikro o'lchovli qurilmaga o'tish orqali mutlaqo kamaytirish mumkin.

Ushbu valfning ajoyib xususiyatlariga MEMS texnologiyasidan foydalanish orqali erishiladi. MEMS to'plamini ishlab chiqarish yordamida ishlab chiqarish xarajatlarini keskin kamaytiradi, bir kun kelib bitta kremniy gofretida ushbu valflarni yuzlab yaratishga qodir bo'lasiz. Bu shuni anglatadiki, allaqachon aytib o'tilgan kattalik va quvvat imtiyozlaridan tashqari, yangi klapanlar ham arzon narxlarda bo'lishi kutilmoqda. Va klapanlar ham yengil bo'lsa-da, klapanlarni quvvatlantirish uchun zarur bo'lgan batareyani kamaytirish orqali katta vazn kamayishi kutilmoqda.

MEMS texnologiyasidan foydalangan holda mikrovozlarni loyihalash yangi emas; u so'nggi 30 yil ichida keng o'rganildi. Shu bilan birga, an'anaviy mikrovalveklar mikroto'lqinlar sohasi bilan cheklangan, bu erda oqim daqiqada mililitrga to'g'ri keladi va bosim juda past. Shuning uchun, ular ko'p suyuqlik quvvat dasturlarida qo'llanilmaydi. Ushbu loyiha MEMS texnologiyasini kattaroq miqyosli klapanga qo'llash bo'yicha ikkinchi masala (birinchisi - DMQ Microstaq tomonidan ishlab chiqilgan servovalve).

Mikrovozlar ikkita alohida plastinkadan, orifikulyar plastinkadan va aktuator plastinkasidan iborat bo'lib, ular alohida-alohida ishlab chiqarilib, keyin bir joyga yig'iladi. Aktuatorlar kantilevar arxitekturasiga ega va piezoelektrik materialdan tayyorlangan. Piezoelektrik material - bu mukammal piezoelektrik koeffitsienti tufayli tanlangan qo'rg'oshinli tsirkonat titanat (PZT), bu qo'llaniladigan kuchlanish birligi uchun uchi deflyatsiya miqdorini ko'rsatadi. Ushbu nurlar "bimorflar" dir, ya'ni ular piezoelektrik materialning ikkita faol qatlamiga ega va shuning uchun bir qavatdan ("unimorf") ko'ra sezilarli darajada ko'proq egiladilar.

Har bir piezoelektrik qatlam ikkita platina elektrodlari orasida o'ralgan va material bo'ylab kuchlanish kiritish orqali faollashadi. Ikki piezoelektrik qatlamga teskari kuchlanishni qo'llagan holda, pastki qavat kengaygan sari yuqori qavat qisqaradi, bu esa uchlarning maksimal egilishiga olib keladi. Mos keladigan joy almashtirishga faqat o'zgaruvchan kuchlanishni qo'llash orqali erishiladi.

Ushbu valfni yaratish bo'yicha tadqiqot yondashuvi ancha katta, aniq isbotlangan "mezo-shkalali" piezoelektrik qopqoqni qurish bilan boshlandi. Ushbu valf MEMS valfidan taxminan 20 baravar katta. Piezoelektrik aktuator rafdan sotib olingan va MEMS klapanlaridagi nurlardan taxminan 100 baravar katta. Orifice plastinkasi kremniydan emas, balki po'latdan yasalgan va toza xonadan tashqarida nozik ishlov berish uchun etarlicha katta teshikka ega. Ushbu valf Minnesota universitetida ishlab chiqilgan va qurilgan eksperimental sinov stendi yordamida tavsiflangan. Kapasitiv joy almashtirish sensori korpusga joylashtirilgan va aktuatorning yuqori qismidagi tuproqli mis pad bilan o'zaro ta'sir qiladi. Ushbu tizim valf kontseptsiyasini, shuningdek, orifice oqim modellarini tekshirish uchun ishlatilgan. Shunga o'xshash klapan bozorga 2012 yilda ushbu loyihaga aloqasi bo'lmagan kompaniya tomonidan kiritildi va bu mezo-miqyosli kontseptsiya tijorat maqsadlarida ishlashini ko'rsatdi.

MEMS klapaniga kelsak, ikkala teshik ham, aktuator plitalari uchun ham muvaffaqiyatli ishlab chiqarish jarayoni yo'lga qo'yilgan. Orifik plitalar juda qiyin edi, chunki teshiklarning tomonlar nisbati 20: 1 gacha. Ruxsat beruvchi plitalar ham juda qiyin edi, chunki nurlar shunchaki 2 mkm va shuning uchun juda mo'rt.

Bundan tashqari, PZT taqiqlangan, mamlakat ichidagi mikro-ishlab chiqarish korxonalarida (afsuski, Minnesota universiteti) qo'rg'oshin bilan zaharlanish sababli.

Ikkala plastinka ham ishlab chiqilgan, to'qilgan va sinovdan o'tgan holda, oxirgi chegara ularni to'liq vana ichiga yig'adi. Bu ham oson bo'lmaydi, chunki odatdagi toza xonani bog'lash texnikasi toza, tekis va shunga o'xshash sirtlarga to'liq gofret darajasida qo'llaniladi. Ikkita keskin farq qiladigan materiallarni, turli xil topologiyalarni, shu jumladan o'ta mo'rt va ingichka nurlarni bog'lash niyatida va gofretdan kichikroq bo'lgan qurilmada bir-biriga bog'lanish niyatida bo'lganidan keyin, qiyinchiliklarni engib o'tish kerak.

Ushbu tadqiqot qisman NSF-ERC dasturi tomonidan "Suyuqlikni ixcham va samaralilik markazi" (EEC-0540834) tomonidan qo'llab-quvvatlandi.