CCEFP-update: MEMS-technologie voor het maken van micropneumatische kleppen

Het verminderen van de grootte en het energieverbruik is tegenwoordig van groot belang in de meeste markttoepassingen, met name in orthesen, die compacte kracht en controle vereisen.

Hiertoe wordt aan de Universiteit van Minnesota een nieuw miniatuur proportioneel ventiel ontwikkeld voor het regelen van de luchtstroom in pneumatische systemen. De klep heeft naar verwachting twee orden van grootte nodig, minder vermogen dan de meeste conventionele kleppen op de markt; het ontwerpdoel is om de normaal gesloten klep in de volledig open toestand te houden met slechts 5 mW vermogen. De beoogde stroomcapaciteit is 40 slpm bij een ventilatie van 6 tot 5 bar en de maximale ontwerpdruk is 100 psi. De beoogde pakketgrootte is slechts 7 cc.

Een van de doelen van het CCEFP-onderzoek is het ontwikkelen van draagbare vloeistofoplossingen op menselijke schaal. Dit klepproject werd geïnspireerd door een enkel-voet-orthese die werd ontwikkeld door professor Elizabeth Hsiao-Wecksler aan de Universiteit van Illinois in Champaign-Urbana. De orthese is een actief medisch hulpmiddel om abnormale loopgangen te helpen repareren. Het maakt gebruik van een kleine CO2-fles en een roterende actuator om de voetrotatie te ondersteunen. Het hele pakket past onder de broekspijp van de gebruiker. Omdat het aan het been van een persoon is bevestigd, zijn reducties in grootte, gewicht en stroomverbruik van het grootste belang. Het is de hoop van het projectteam dat alle drie de parameters absoluut kunnen worden geminimaliseerd door naar een microschaal te gaan, zoals hieronder wordt beschreven.

De opmerkelijke specificaties van deze klep worden bereikt door gebruik te maken van MEMS-technologie. Het gebruik van MEMS-batchproductie zal de productiekosten drastisch verlagen door op een dag honderden van deze kleppen op één enkele siliciumwafer te kunnen maken. Dit betekent dat de nieuwe kleppen naast de reeds vermelde afmetingen en vermogensvoordelen ook naar verwachting lage kosten zullen hebben. En hoewel de kleppen ook licht van gewicht zijn, wordt een grotere gewichtsreductie verwacht door het inkrimpen van de batterij die nodig is om de kleppen van stroom te voorzien.

Het ontwerpen van microkleppen met behulp van MEMS-technologie is niet nieuw; het is de afgelopen 30 jaar uitgebreid bestudeerd. Traditionele microkleppen zijn echter beperkt tot het rijk van de micro-fluidics, waar de stromen in de orde van milliliter per minuut zijn en de drukken zeer laag zijn. Daarom zijn ze niet van toepassing op de meeste toepassingen met vloeibaar vermogen. Dit project is slechts het tweede dat MEMS-technologie toepast op een klep op grotere schaal (de eerste is een servovalve ontwikkeld door DMQ Microstaq).

De microkleppen bestaan uit twee afzonderlijke platen, een openingplaat en een actuatorplaat, die afzonderlijk worden vervaardigd en vervolgens aan elkaar worden gemonteerd. De aandrijvingen hebben cantilever-architectuur en zijn gemaakt van piëzo-elektrisch materiaal. Het piëzo-elektrische materiaal is loodzirkonaattitanaat (PZT), dat werd gekozen vanwege de uitstekende piëzo-elektrische coëfficiënt, die een indicatie is van de hoeveelheid puntafbuiging per toegepaste spanningseenheid. Deze stralen zijn "bimorfen", wat betekent dat ze twee actieve lagen piëzo-elektrisch materiaal hebben en daarom aanzienlijk meer afbuiging dan slechts een enkele laag ("unimorf").

Elke piëzo-elektrische laag is gesandwiched tussen twee platina-elektroden en wordt geactiveerd door een spanning over het materiaal aan te leggen. Door het toepassen van omgekeerde spanningen op de twee piëzo-elektrische lagen, trekt de bovenste laag samen terwijl de onderste laag uitzet, waardoor maximale puntafbuiging wordt veroorzaakt. Proportionele verplaatsing wordt bereikt door eenvoudig een variabele spanning aan te leggen.

De onderzoeksbenadering voor het maken van deze klep begon met de constructie van een veel grotere, op meso-schaal gebaseerde piëzo-elektrische klep met proof-of-concept. Deze klep is ongeveer 20 keer groter dan de MEMS-klep. De piëzo-elektrische actuator is van de plank gekocht en is ongeveer 100 keer groter dan de balken op de MEMS-kleppen. De openingplaat is gemaakt van staal in plaats van silicium en heeft voldoende grote openingen om buiten een schone ruimte nauwkeurig te worden bewerkt. Deze klep werd gekenmerkt met behulp van een experimentele testbank ontworpen en gebouwd aan de Universiteit van Minnesota. Een capacitieve verplaatsingssensor is ingebed in de behuizing en werkt samen met een geaard koperen kussen aan de bovenkant van de actuator. Dit systeem werd gebruikt om het klepconcept te valideren, evenals modellen van testopeningsstromingen. Een soortgelijke klep werd in 2012 op de markt geïntroduceerd door een bedrijf dat geen banden heeft met dit project, waaruit blijkt dat het concept op mesoschaal commercieel levensvatbaar is.

Wat betreft de MEMS-klep is een succesvol fabricageproces voor zowel de opening als de actuatorplaten vastgesteld. De openingenplaten waren uitdagend omdat de openingen een beeldverhouding van maximaal 20: 1 hebben. De actuatorplaten waren ook uitdagend, omdat de balken slechts 2 µm dik zijn en daarom uiterst kwetsbaar.

Bovendien is PZT verboden in de meeste nationale fabrieken voor microfabricage (helaas inclusief de Universiteit van Minnesota) vanwege problemen met loodbesmetting.

Met beide platen ontworpen, gefabriceerd en getest, zal de laatste grens ze samenvoegen tot een complete klep. Ook dit zal een uitdaging zijn, aangezien conventionele cleanroom-verbindingstechnieken van toepassing zijn op schone, vlakke, vergelijkbare oppervlakken op een volledig waferniveau. Omdat het de bedoeling is om twee drastisch ongelijksoortige materialen te verbinden, met gevarieerde topologie, waaronder extreem fragiele en dunne balken, en op een apparaat dat veel kleiner is dan een wafel, zijn er uitdagingen die moeten worden overwonnen.

Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door het NSF-ERC-programma "Centre for Compact and Efficient Fluid Power" (EEC-0540834).