CCEFP 업데이트 : 미세 공압 밸브 생성을 돕는 MEMS 기술

크기와 에너지 소비를 줄이는 것은 오늘날 대부분의 모든 시장 응용 분야, 특히 소형의 전력 및 제어를 필요로하는 보조 장치에서 가장 중요합니다.

이를 위해 공압 시스템의 공기 흐름을 제어하기위한 새로운 소형 비례 밸브가 미네소타 대학교에서 개발되고 있습니다. 이 밸브는 시중에서 판매되는 대부분의 기존 밸브보다 전력이 적은 2 차수를 필요로합니다. 설계 목표는 5mW의 전력으로 정상 폐쇄 밸브를 완전 개방 상태로 유지하는 것입니다. 6에서 5 bar의 압력에서 배기 할 때 의도 된 유량 용량은 40 slpm이며 최대 설계 압력은 100 psi입니다. 의도 된 패키지 크기는 7 cc입니다.

CCEFP 연구의 목표 중 하나는 휴대용 인간 규모의 유체 동력 솔루션을 개발하는 것입니다. 이 판막 프로젝트는 Champaign-Urbana의 일리노이 대학 (University of Illinois)의 Elizabeth Hsiao-Wecksler 교수가 개발 한 발목 발 보조기에서 영감을 받았습니다. 보조기는 비정상적인 보행 걸음 걸이를 고치는 데 도움이되는 능동형 의료 기기입니다. 발의 회전을 돕기 위해 작은 CO2 병과 회전식 액추에이터를 사용합니다. 전체 패키지는 사용자의 바지 다리 아래에 맞습니다. 사람의 다리에 붙어 있으므로 크기, 무게 및 전력 소비 감소가 가장 중요합니다. 프로젝트 팀의 희망은 아래에 설명 된 것처럼 세 가지 매개 변수를 모두 마이크로 스케일 장치로 이동하여 절대적으로 최소화 할 수 있기를 희망합니다.

이 밸브의 놀라운 사양은 MEMS 기술을 활용하여 달성됩니다. MEMS 배치 제작을 사용하면 언젠가 단일 실리콘 웨이퍼에 수백 개의 밸브를 만들 수있어 제조 비용이 크게 절감됩니다. 이는 이미 언급 한 크기 및 전력 이점 외에도 새로운 밸브도 저렴한 비용으로 예상됩니다. 또한 밸브는 가벼우면서도 밸브에 전원을 공급하는 데 필요한 배터리 크기를 줄이면 더 큰 중량 감소가 예상됩니다.

MEMS 기술을 사용하여 마이크로 밸브를 설계하는 것은 새로운 것이 아닙니다. 지난 30 년 동안 광범위하게 연구되었습니다. 그러나, 전통적인 미세 밸브는 유량이 분당 밀리리터 수준이고 압력이 매우 낮은 미세 유체 영역으로 제한되어있다. 따라서 대부분의 유체 동력 응용 분야에는 적용 할 수 없습니다. 이 프로젝트는 MEMS 기술을 더 큰 규모의 밸브 (DMQ Microstaq에서 개발 한 서보 밸브)에 적용한 두 번째 프로젝트입니다.

마이크로 밸브는 2 개의 개별 플레이트, 오리피스 플레이트 및 액추에이터 플레이트로 구성되며, 이들은 개별적으로 제조 된 후 함께 조립된다. 액츄에이터는 캔틸레버 구조를 가지며 압전 재료로 만들어집니다. 압전 재료는 납 지르 코 네이트 티타 네이트 (PZT)이며, 이는 압전 계수가 우수하여 선택된 전압 단위당 팁 편향의 양을 나타내는 것으로 선택되었다. 이 빔은 "바이 모프 (bimorphs)"인데, 이는 두 개의 압전 재료의 활성 레이어를 가지고있어 단일 레이어 ( "단일 형태")보다 훨씬 더 많은 편향을 의미합니다.

각각의 압전 층은 2 개의 백금 전극 사이에 끼워져 있고 재료에 전압을가함으로써 활성화된다. 2 개의 압전 층에 역 전압을인가함으로써, 하부층이 확장됨에 따라 상부층이 수축하여 팁 변형이 최대가된다. 비례 변위는 단순히 가변 전압을 적용하여 달성됩니다.

이 밸브를 만드는 연구 방법은 훨씬 더 큰 개념 증명 "중간 규모"압전 밸브의 구성으로 시작되었습니다. 이 밸브는 MEMS 밸브보다 약 20 배 더 큽니다. 압전 액츄에이터는 선반에서 구입했으며 MEMS 밸브의 빔보다 약 100 배 더 큽니다. 오리피스 판은 실리콘이 아닌 강철로 만들어졌으며 클린 룸 외부에서 정밀 가공 할 수있을만큼 큰 오리피스를 가지고 있습니다. 이 밸브는 미네소타 대학교에서 설계 및 제작 된 실험용 테스트 스탠드를 사용하여 특성화되었습니다. 용량 성 변위 센서는 하우징에 내장되어 있으며 액추에이터 상단의 접지 된 구리 패드와 상호 작용합니다. 이 시스템은 밸브 개념을 검증하고 오리피스 유량 모델을 테스트하는 데 사용되었습니다. 이 프로젝트와 관련이없는 회사가 비슷한 밸브를 2012 년에 시장에 도입하여 중간 규모 개념이 상업적으로 실행 가능함을 보여줍니다.

MEMS 밸브의 경우 오리피스 및 액추에이터 플레이트 모두에 대한 성공적인 제조 프로세스가 확립되었습니다. 오리피스 판의 종횡비가 최대 20 : 1이므로 오리피스 판은 어려웠습니다. 빔의 두께는 2μm에 불과하여 매우 연약하기 때문에 액추에이터 플레이트도 문제가되었습니다.

또한 PZT는 납 오염 문제로 인해 전국 대부분의 미세 제조 시설 (미안 타 미네소타 대학 포함)에서 금지되어 있습니다.

설계, 제작 및 테스트 된 두 플레이트를 사용하여 최종 프론티어는 이들을 완전한 밸브로 조립합니다. 기존의 클린 룸 본딩 기술이 전체 웨이퍼 레벨의 깨끗하고 평평한 유사한 표면에 적용되기 때문에 이것은 도전이 될 것입니다. 매우 취약하고 얇은 빔을 포함하여 다양한 토폴로지와 웨이퍼보다 훨씬 작은 장치에서 두 개의 극도로 이질적인 재료를 접착하려는 의도이므로 극복해야 할 과제가 있습니다.

이 연구는 NSF-ERC 프로그램“소형 및 효율적인 유체 동력 센터”(EEC-0540834)에 의해 부분적으로 지원되었습니다.