CCEFP अपडेट: माइक्रो-वायवीय वाल्व बनाने के लिए एमईएमएस प्रौद्योगिकी मदद

आकार और ऊर्जा की खपत को कम करना आज के किसी भी बाजार आवेदन में सर्वोपरि है, विशेषकर ऑर्थोस में, जिसके लिए कॉम्पैक्ट पावर और नियंत्रण की आवश्यकता होती है।

इसके लिए, मिनेसोटा विश्वविद्यालय में वायवीय प्रणालियों में वायुप्रवाह को नियंत्रित करने के लिए एक उपन्यास लघु आनुपातिक वाल्व विकसित किया जा रहा है। वाल्व को बाजार पर अधिकांश पारंपरिक वाल्वों की तुलना में कम परिमाण के दो आदेशों की आवश्यकता होती है; डिजाइन लक्ष्य केवल 5 mW की शक्ति के साथ पूरी तरह से खुले राज्य में सामान्य रूप से बंद वाल्व रखना है। 6 से 5 बार के दबाव से वेंटिंग करते समय इसकी अधिकतम प्रवाह क्षमता 40 slpm है और इसका अधिकतम डिज़ाइन दबाव 100 psi है। इच्छित पैकेज का आकार केवल 7 सीसी है।

CCEFP अनुसंधान के लक्ष्यों में से एक पोर्टेबल मानव-पैमाने पर द्रव बिजली समाधान विकसित करना है। यह वाल्व परियोजना चंपक-उरबाना में इलिनोइस विश्वविद्यालय में प्रोफेसर एलिजाबेथ एचसो-वेक्स्लर द्वारा विकसित किए जा रहे टखने-पैर के ऑर्थोसिस से प्रेरित थी। ऑर्थोसिस असामान्य चलने वाले गैट्स को ठीक करने में मदद करने के लिए एक सक्रिय चिकित्सा उपकरण है। यह पैर को घुमाने के लिए CO2 की छोटी बोतल और रोटरी एक्ट्यूएटर का उपयोग करता है। पूरा पैकेज उपयोगकर्ता के पैंट-पैर के नीचे फिट बैठता है। जैसा कि यह एक व्यक्ति के पैर से जुड़ा हुआ है, आकार, वजन और बिजली की खपत में कमी सर्वोपरि है। यह परियोजना टीम की आशा है कि सभी तीन मापदंडों को सूक्ष्म-पैमाने पर डिवाइस पर जाकर कम से कम किया जा सकता है, जैसा कि नीचे उल्लिखित है।

इस वाल्व के उल्लेखनीय विनिर्देशों को एमईएमएस प्रौद्योगिकी का दोहन करके प्राप्त किया जाता है। एमईएमएस बैच निर्माण का उपयोग किसी सिलिकॉन वफ़र पर किसी दिन सैकड़ों वाल्व बनाने में सक्षम होने से विनिर्माण लागत को कम करेगा। इसका मतलब यह है कि पहले से नोट किए गए आकार और बिजली के लाभों के अलावा, नए वाल्वों की लागत कम होने की भी उम्मीद है। और जब वाल्व भी हल्के होते हैं, तो वाल्व को बिजली देने के लिए आवश्यक बैटरी को कम करके बड़े वजन में कमी की उम्मीद की जाती है।

एमईएमएस प्रौद्योगिकी का उपयोग करते हुए सूक्ष्मजीवों को डिजाइन करना नया नहीं है; यह पिछले 30 वर्षों में बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है। हालांकि, पारंपरिक सूक्ष्मजीवों को सूक्ष्म-द्रव के दायरे तक सीमित कर दिया गया है, जहां प्रवाह प्रति मिनट मिलीलीटर के क्रम में होता है और दबाव बहुत कम होता है। इसलिए, वे अधिकांश द्रव बिजली अनुप्रयोगों पर लागू नहीं होते हैं। एमईएमएस प्रौद्योगिकी को बड़े पैमाने पर वाल्व लगाने के लिए यह परियोजना केवल दूसरी है (पहले DMQ Microstaq द्वारा विकसित एक सर्वोलेव है)।

माइक्रोवलव्स दो अलग-अलग प्लेटों, एक छिद्र प्लेट और एक एक्चुएटर प्लेट से बने होते हैं, जो अलग-अलग गढ़े जाते हैं और फिर एक साथ इकट्ठे होते हैं। एक्चुएटर्स में ब्रैकट आर्किटेक्चर होता है और यह पीजोइलेक्ट्रिक मैटेरियल से बना होता है। पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री सीसा जिरकोनेट टाइटनेट (पीजेडटी) है, जिसे इसके उत्कृष्ट पीजोइलेक्ट्रिक गुणांक के कारण चुना गया था, जो लागू वोल्टेज की प्रति यूनिट टिप विक्षेपण की मात्रा का संकेत है। ये बीम "बिमॉर्फ़्स" हैं, जिसका अर्थ है कि उनके पास पाईज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री की दो सक्रिय परतें हैं और इसलिए यह केवल एक परत ("असमतल") की तुलना में काफी अधिक विक्षेपण है।

प्रत्येक पीज़ोइलेक्ट्रिक परत को दो प्लैटिनम इलेक्ट्रोड के बीच सैंडविच किया जाता है और सामग्री में एक वोल्टेज लगाकर सक्रिय किया जाता है। दो पाईज़ोइलेक्ट्रिक परतों में रिवर्स वोल्टेज लागू करने से, शीर्ष परत नीचे की परत के रूप में सिकुड़ती है, जिससे अधिकतम टिप विक्षेपण होता है। आनुपातिक विस्थापन केवल एक चर वोल्टेज को लागू करके प्राप्त किया जाता है।

इस वाल्व को बनाने के लिए अनुसंधान दृष्टिकोण बहुत बड़े, प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट "मेसो-स्केल" पीजोइलेक्ट्रिक वाल्व के निर्माण के साथ शुरू हुआ। यह वाल्व एमईएमएस वाल्व की तुलना में लगभग 20 गुना बड़ा है। पीजोइलेक्ट्रिक एक्ट्यूएटर को शेल्फ से खरीदा गया था और यह एमईएमएस वाल्वों पर बीम से लगभग 100 गुना बड़ा है। छिद्र की प्लेट सिलिकॉन के बजाय स्टील से बनी होती है और एक साफ कमरे के बाहर सटीक रूप से मशीनी होने के लिए बड़े पर्याप्त कक्ष हैं। इस वाल्व को मिनेसोटा विश्वविद्यालय में डिज़ाइन और निर्मित एक प्रायोगिक परीक्षण स्टैंड का उपयोग करके दिखाया गया था। एक कैपेसिटिव विस्थापन सेंसर आवास में एम्बेडेड है और एक्ट्यूएटर के शीर्ष पर एक ग्राउंडेड कॉपर पैड के साथ इंटरैक्ट करता है। इस प्रणाली का उपयोग वाल्व अवधारणा को मान्य करने के लिए किया गया था, साथ ही परीक्षण छिद्र मॉडल भी। 2012 में इस परियोजना से संबंधित एक कंपनी द्वारा इसी तरह के वाल्व को बाजार में पेश किया गया था, जिसमें दिखाया गया था कि मेसो-स्केल अवधारणा व्यावसायिक रूप से अनुकूल है।

एमईएमएस वाल्व के लिए, छिद्र और एक्चुएटर प्लेट दोनों के लिए एक सफल निर्माण प्रक्रिया स्थापित की गई है। छिद्र प्लेटें चुनौतीपूर्ण थीं क्योंकि ऑरिफिस का अनुपात 20: 1 तक होता है। बीमांकिक प्लेटें भी चुनौतीपूर्ण थीं, क्योंकि बीम केवल 2 मीटर मोटी होती हैं, और इसलिए बेहद नाजुक होती हैं।

इसके अलावा, पीजेडटी देश के अधिकांश सूक्ष्म निर्माण सुविधाओं में निषिद्ध है (दुर्भाग्यवश मिनेसोटा विश्वविद्यालय सहित) प्रमुख संदूषण संबंधी चिंताओं के कारण।

डिज़ाइन किए गए, गढ़े गए और परीक्षण किए गए दोनों प्लेटों के साथ, अंतिम सीमांत उन्हें एक पूर्ण वाल्व में एक साथ जोड़ देगा। यह भी चुनौतीपूर्ण होगा क्योंकि पारंपरिक साफ कमरे की बॉन्डिंग तकनीक एक पूर्ण वेफर स्तर पर साफ, स्तर, समान सतहों पर लागू होती है। जैसा कि इरादा दो अलग-अलग असमान सामग्रियों से बंधना है, विभिन्न टोपोलॉजी के साथ, जिसमें बेहद नाजुक और पतले बीम शामिल हैं, और वेफर की तुलना में बहुत छोटे डिवाइस पर काबू पाने की चुनौतियां हैं।

इस शोध को एनएसएफ-ईआरसी कार्यक्रम "कॉम्पैक्ट और कुशल तरल शक्ति केंद्र" (ईईसी -0540834) द्वारा समर्थित किया गया है।