CCEFPアップデート：マイクロ空気圧バルブの作成を支援するMEMSテクノロジー

サイズとエネルギー消費量を削減することは、今日のほとんどの市場アプリケーション、特にコンパクトな電力と制御を必要とする装具で最も重要です。

この目的のために、空気圧システムの気流を制御するための新しいミニチュア比例バルブがミネソタ大学で開発されています。 バルブは、市場に出回っているほとんどの従来のバルブよりも2桁、少ない電力で済むと予想されます。 設計目標は、わずか5 mWの電力で、通常は閉じているバルブを完全に開いた状態に保つことです。 6〜5 barの圧力からベントする場合、その意図された流量は40 slpmであり、最大設計圧力は100 psiです。 意図したパッケージサイズは7 ccのみです。

CCEFP研究の目標の1つは、ポータブルな人間規模の流体動力ソリューションを開発することです。 このバルブプロジェクトは、イリノイ大学シャンペーンアーバナ校のエリザベスシャオウェックスラー教授によって開発された足首足矯正器に触発されました。 装具は、異常な歩行歩容の修正に役立つアクティブな医療機器です。 小さなCO2ボトルと回転式アクチュエータを使用して、足の回転を支援します。 パッケージ全体がユーザーのパンツ脚の下に収まります。 人の脚に取り付けられるため、サイズ、重量、および電力消費の削減が最も重要です。 以下に概説するように、マイクロスケールデバイスに移行することにより、3つすべてのパラメーターを完全に最小化できることがプロジェクトチームの希望です。

このバルブの顕著な仕様は、MEMSテクノロジーを活用することで達成されています。 MEMSバッチ製造を使用すると、いつか1つのシリコンウェーハにこれらの数百のバルブを作成できるため、製造コストが大幅に削減されます。 これは、すでに述べたサイズと電力の利点に加えて、新しいバルブも低コストであることが期待されることを意味します。 また、バルブも軽量ですが、バルブに電力を供給するために必要なバッテリーを小型化することにより、大幅な軽量化が期待されています。

MEMS技術を使用したマイクロバルブの設計は新しいものではありません。 過去30年にわたって広く研究されてきました。 しかし、従来のマイクロバルブは、マイクロフルイディクスの領域に制限されており、フローは毎分ミリリットルのオーダーであり、圧力は非常に低くなっています。 したがって、それらはほとんどの流体動力用途には適用できません。 このプロジェクトは、MEMS技術を大規模なバルブに適用した2番目のプロジェクトです（最初のプロジェクトは、DMQ Microstaqが開発したサーボバルブです）。

マイクロバルブは、オリフィスプレートとアクチュエータプレートの2つの独立したプレートで構成されており、個別に製造されてから一緒に組み立てられます。 アクチュエータはカンチレバー構造で、圧電材料で作られています。 圧電材料はチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）であり、その優れた圧電係数のために選択されました。これは、印加電圧の単位あたりの先端のたわみの量を示しています。 これらのビームは「バイモルフ」です。つまり、圧電材料の2つのアクティブ層があるため、単一の層（「ユニモルフ」）よりも大幅にたわみます。

各圧電層は2つのプラチナ電極の間に挟まれており、材料に電圧をかけることで作動します。 2つの圧電層に逆電圧を印加することにより、下層が膨張するにつれて上層が収縮し、先端のたわみが最大になります。 比例変位は、可変電圧を印加するだけで実現されます。

このバルブを作成するための研究アプローチは、はるかに大きく、概念実証の「メソスケール」圧電バルブの構築から始まりました。 このバルブは、MEMSバルブの約20倍の大きさです。 圧電アクチュエータは既製で購入され、MEMSバルブのビームの約100倍の大きさです。 オリフィスプレートはシリコンではなくスチールで作られており、クリーンルームの外で精密に機械加工するのに十分な大きさのオリフィスを備えています。 このバルブは、ミネソタ大学で設計および製造された実験用テストスタンドを使用して特徴付けられました。 容量性変位センサーがハウジングに埋め込まれ、アクチュエーター上部の接地された銅パッドと相互作用します。 このシステムを使用して、バルブのコンセプトを検証し、オリフィス流量モデルをテストしました。 同様のバルブが2012年にこのプロジェクトに関係のない会社によって市場に導入され、中規模のコンセプトが商業的に実行可能であることが示されました。

MEMSバルブに関しては、オリフィスとアクチュエータプレートの両方の製造プロセスが成功しています。 オリフィスのアスペクト比は最大20：1であるため、オリフィスプレートは困難でした。 ビームの厚さはわずか2 µmであり、したがって非常に壊れやすいため、アクチュエータプレートも困難でした。

さらに、鉛汚染の懸念により、PZTは全国のほとんどの微細加工施設（ミネソタ大学を含む）で禁止されています。

両方のプレートを設計、製造、およびテストした後、最終的なフロンティアでそれらを組み立てて完全なバルブにします。 従来のクリーンルームボンディング技術は、フルウェーハレベルのクリーンで水平な同様の表面に適用されるため、これも困難になります。 非常に壊れやすい細いビームを含むさまざまなトポロジーで、ウエハーよりもはるかに小さいデバイス上で、2つの大幅に異なる材料を結合することが目的であるため、克服しなければならない課題があります。

この研究は、NSF-ERCプログラム「コンパクトで効率的な流体動力センター」（EEC-0540834）によって部分的にサポートされています。