Actualización de CCEFP: tecnología MEMS que ayuda a crear válvulas microneumáticas

Reducir el tamaño y el consumo de energía es primordial en la mayoría de las aplicaciones de cualquier mercado actual, particularmente en las ortesis, que requieren potencia y control compactos.

Con este fin, se está desarrollando una nueva válvula proporcional en miniatura para controlar el flujo de aire en sistemas neumáticos en la Universidad de Minnesota. Se espera que la válvula requiera dos órdenes de magnitud, menos potencia que la mayoría de las válvulas convencionales en el mercado; El objetivo del diseño es mantener la válvula normalmente cerrada en estado completamente abierto con solo 5 mW de potencia. Su capacidad de flujo prevista es de 40 slpm cuando se ventila desde una presión de 6 a 5 bar y su presión máxima de diseño es de 100 psi. El tamaño del paquete previsto es de solo 7 cc.

Uno de los objetivos de la investigación de CCEFP es desarrollar soluciones portátiles de energía de fluidos a escala humana. Este proyecto valvular se inspiró en una órtesis tobillo-pie desarrollada por la profesora Elizabeth Hsiao-Wecksler en la Universidad de Illinois en Champaign-Urbana. La ortesis es un dispositivo médico activo para ayudar a corregir los andar anormales. Utiliza una pequeña botella de CO2 y un actuador giratorio para ayudar a la rotación del pie. Todo el paquete cabe debajo de la pernera del usuario. Como está unido a la pierna de una persona, las reducciones en tamaño, peso y consumo de energía son primordiales. Es la esperanza del equipo del proyecto que los tres parámetros puedan minimizarse absolutamente yendo a un dispositivo de microescala, como se describe a continuación.

Las notables especificaciones de esta válvula se logran mediante la explotación de la tecnología MEMS. El uso de la fabricación por lotes de MEMS reducirá drásticamente los costos de fabricación al poder algún día crear cientos de estas válvulas en una sola oblea de silicio. Esto significa que, además de los beneficios de tamaño y potencia ya mencionados, también se espera que las nuevas válvulas sean de bajo costo. Y aunque las válvulas también son livianas, se espera una reducción de peso mayor al reducir el tamaño de la batería requerida para alimentar las válvulas.

El diseño de microválvulas utilizando la tecnología MEMS no es nuevo; Se ha estudiado ampliamente en los últimos 30 años. Sin embargo, las microválvulas tradicionales se han restringido al ámbito de los microfluídicos, donde los flujos son del orden de mililitros por minuto y las presiones son muy bajas. Por lo tanto, no son aplicables a la mayoría de las aplicaciones de energía de fluidos. Este proyecto es solo el segundo en aplicar la tecnología MEMS a una válvula de mayor escala (la primera es una servoválvula desarrollada por DMQ Microstaq).

Las microválvulas están formadas por dos placas separadas, una placa de orificio y una placa de actuador, que se fabrican individualmente y luego se ensamblan juntas. Los actuadores tienen una arquitectura en voladizo y están hechos de material piezoeléctrico. El material piezoeléctrico es titanato de circonato de plomo (PZT), que se eligió debido a su excelente coeficiente piezoeléctrico, que es una indicación de la cantidad de desviación de la punta por unidad de voltaje aplicada. Estos haces son "bimorfos", lo que significa que tienen dos capas activas de material piezoeléctrico y, por lo tanto, significativamente más deflexión que una sola capa ("unimorfo").

Cada capa piezoeléctrica se intercala entre dos electrodos de platino y se activa imponiendo un voltaje a través del material. Al aplicar voltajes inversos a las dos capas piezoeléctricas, la capa superior se contrae a medida que la capa inferior se expande, causando una desviación máxima de la punta. El desplazamiento proporcional se logra simplemente aplicando un voltaje variable.

El enfoque de investigación para crear esta válvula comenzó con la construcción de una válvula piezoeléctrica "mesoescala" de prueba de concepto mucho más grande. Esta válvula es aproximadamente 20 veces más grande que la válvula MEMS. El actuador piezoeléctrico se compró en el estante y es aproximadamente 100 veces más grande que los haces de las válvulas MEMS. La placa de orificio está hecha de acero en lugar de silicio y tiene orificios lo suficientemente grandes como para ser mecanizados con precisión fuera de una sala limpia. Esta válvula se caracterizó mediante un banco de pruebas experimental diseñado y construido en la Universidad de Minnesota. Un sensor de desplazamiento capacitivo está incrustado en la carcasa e interactúa con una almohadilla de cobre con conexión a tierra en la parte superior del actuador. Este sistema se utilizó para validar el concepto de válvula, así como para probar modelos de flujo de orificio. En 2012, una compañía no relacionada con este proyecto introdujo una válvula similar en el mercado, lo que demuestra que el concepto de mesoescala es comercialmente viable.

En cuanto a la válvula MEMS, se ha establecido un exitoso proceso de fabricación tanto para el orificio como para las placas del actuador. Las placas de orificio fueron desafiantes ya que los orificios tienen una relación de aspecto de hasta 20: 1. Las placas del actuador también fueron un desafío, ya que las vigas tienen un grosor de solo 2 µm y, por lo tanto, son extremadamente frágiles.

Además, PZT está prohibido en la mayoría de las instalaciones de micro fabricación en todo el país (desafortunadamente, incluida la Universidad de Minnesota) debido a problemas de contaminación por plomo.

Con ambas placas diseñadas, fabricadas y probadas, la frontera final las ensamblará en una válvula completa. Esto también será un desafío ya que las técnicas convencionales de unión de salas limpias se aplican a superficies limpias, niveladas y similares en un nivel de oblea completo. Como la intención es unir dos materiales drásticamente diferentes, con una topología variada, que incluye vigas extremadamente frágiles y delgadas, y en un dispositivo mucho más pequeño que una oblea, hay desafíos que superar.

Esta investigación ha sido apoyada en parte por el Programa NSF-ERC "Centro de Energía Fluida Compacta y Eficiente" (EEC-0540834).