Atualização do CCEFP: Tecnologia MEMS ajudando a criar válvulas micropneumáticas

Atualmente, a redução do tamanho e do consumo de energia é fundamental na maioria das aplicações de qualquer mercado atualmente, principalmente em órteses, que exigem controle e potência compactos.

Para esse fim, uma nova válvula proporcional em miniatura para controlar o fluxo de ar em sistemas pneumáticos está sendo desenvolvida na Universidade de Minnesota. Espera-se que a válvula exija duas ordens de grandeza, menos energia do que a maioria das válvulas convencionais no mercado; o objetivo do projeto é manter a válvula normalmente fechada no estado totalmente aberto com apenas 5 mW de potência. Sua capacidade de fluxo pretendida é de 40 slpm ao ventilar de uma pressão de 6 a 5 bar e sua pressão máxima de projeto é de 100 psi. O tamanho da embalagem pretendida é de apenas 7 cc.

Um dos objetivos da pesquisa do CCEFP é desenvolver soluções portáteis de energia de fluidos em escala humana. Este projeto de válvula foi inspirado na órtese tornozelo-pé desenvolvida pela professora Elizabeth Hsiao-Wecksler da Universidade de Illinois em Champaign-Urbana. A órtese é um dispositivo médico ativo para ajudar a corrigir andamentos anormais. Ele usa uma pequena garrafa de CO2 e um atuador rotativo para ajudar na rotação do pé. O pacote inteiro cabe sob a perna da calça do usuário. Como está preso à perna de uma pessoa, as reduções de tamanho, peso e consumo de energia são fundamentais. É a esperança da equipe do projeto que todos os três parâmetros possam ser absolutamente minimizados acessando um dispositivo de microescala, conforme descrito abaixo.

As notáveis especificações desta válvula são alcançadas através da exploração da tecnologia MEMS. O uso da fabricação em lote de MEMS reduzirá drasticamente os custos de fabricação, pois um dia será possível criar centenas dessas válvulas em uma única pastilha de silício. Isso significa que, além dos benefícios de tamanho e potência já observados, também é esperado que as novas válvulas sejam de baixo custo. E, embora as válvulas também sejam leves, espera-se uma redução maior do peso, reduzindo o tamanho da bateria necessária para alimentar as válvulas.

Projetar microválvulas usando a tecnologia MEMS não é novidade; foi estudado extensivamente nos últimos 30 anos. No entanto, as microválvulas tradicionais foram restritas ao domínio da micro-fluídica, onde os fluxos são da ordem de mililitros por minuto e as pressões são muito baixas. Portanto, eles não são aplicáveis à maioria das aplicações de energia fluida. Este projeto é apenas o segundo a aplicar a tecnologia MEMS a uma válvula de maior escala (a primeira é uma servoválvula desenvolvida pela DMQ Microstaq).

As microválvulas são constituídas por duas placas separadas, uma placa de orifício e uma placa de atuador, que são fabricadas individualmente e depois montadas. Os atuadores têm arquitetura cantilever e são feitos de material piezoelétrico. O material piezoelétrico é o titanato de zirconato de chumbo (PZT), escolhido devido ao seu excelente coeficiente piezoelétrico, que é uma indicação da quantidade de deflexão da ponta por unidade de tensão aplicada. Essas vigas são "bimorphs", o que significa que possuem duas camadas ativas de material piezoelétrico e, portanto, significativamente mais deflexão do que apenas uma camada ("unimorph").

Cada camada piezoelétrica é imprensada entre dois eletrodos de platina e é ativada impondo uma tensão através do material. Ao aplicar tensões reversas às duas camadas piezoelétricas, a camada superior contrai à medida que a camada inferior se expande, causando a máxima deflexão da ponta. O deslocamento proporcional é alcançado simplesmente aplicando uma tensão variável.

A abordagem de pesquisa para a criação desta válvula começou com a construção de uma válvula piezoelétrica muito maior e de prova de conceito em "escala meso". Esta válvula é aproximadamente 20 vezes maior que a válvula MEMS. O atuador piezoelétrico foi comprado da prateleira e é aproximadamente 100 vezes maior que as vigas nas válvulas MEMS. A placa de orifício é feita de aço e não de silício e possui orifícios grandes o suficiente para serem usinados com precisão fora de uma sala limpa. Esta válvula foi caracterizada usando um suporte de teste experimental projetado e construído na Universidade de Minnesota. Um sensor de deslocamento capacitivo é incorporado ao alojamento e interage com uma almofada de cobre aterrada na parte superior do atuador. Este sistema foi usado para validar o conceito de válvula, bem como testar modelos de fluxo de orifícios. Uma válvula semelhante foi introduzida no mercado em 2012 por uma empresa não relacionada a este projeto, mostrando que o conceito de meso escala é comercialmente viável.

Quanto à válvula MEMS, foi estabelecido um processo de fabricação bem-sucedido para as placas do orifício e do atuador. As placas do orifício eram desafiadoras, pois os orifícios têm uma proporção de aspecto de até 20: 1. As placas do atuador também eram desafiadoras, pois as vigas têm apenas 2 µm de espessura e, portanto, são extremamente frágeis.

Além disso, o PZT é proibido na maioria das instalações de microfabricação em todo o país (infelizmente incluindo a Universidade de Minnesota) devido a preocupações com a contaminação por chumbo.

Com as duas placas projetadas, fabricadas e testadas, a fronteira final será montada em uma válvula completa. Isso também será desafiador, pois as técnicas convencionais de ligação em salas limpas se aplicam a superfícies limpas, niveladas e similares em um nível completo de bolacha. Como a intenção é unir dois materiais drasticamente diferentes, com topologia variada, incluindo vigas extremamente frágeis e finas, e em um dispositivo muito menor que uma bolacha, existem desafios a serem superados.

Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo programa NSF-ERC "Centro de energia fluida compacta e eficiente" (EEC-0540834).