Mise à jour du CCEFP: la technologie MEMS aide à créer des vannes micro-pneumatiques

La réduction de la taille et de la consommation d'énergie est primordiale dans la plupart des applications de tous les marchés aujourd'hui, en particulier dans les orthèses, qui nécessitent une puissance et un contrôle compacts.

À cette fin, une nouvelle valve proportionnelle miniature pour contrôler le débit d'air dans les systèmes pneumatiques est en cours de développement à l'Université du Minnesota. La soupape devrait nécessiter deux ordres de grandeur, moins de puissance que la plupart des soupapes conventionnelles sur le marché; l'objectif de conception est de maintenir la vanne normalement fermée à l'état complètement ouvert avec seulement 5 mW de puissance. Sa capacité de débit prévue est de 40 slpm lors de la ventilation à partir d'une pression de 6 à 5 bars et sa pression de conception maximale est de 100 psi. La taille de l'emballage prévue n'est que de 7 cc.

L'un des objectifs de la recherche du CCEFP est de développer des solutions portables d'énergie hydraulique à échelle humaine. Ce projet de valve a été inspiré par une orthèse cheville-pied développée par le professeur Elizabeth Hsiao-Wecksler de l'Université de l'Illinois à Champaign-Urbana. L'orthèse est un dispositif médical actif pour aider à corriger les allures de marche anormales. Il utilise une petite bouteille de CO2 et un actionneur rotatif pour aider la rotation du pied. L'ensemble du paquet tient sous la jambe du pantalon de l'utilisateur. Comme il est attaché à la jambe d'une personne, la réduction de la taille, du poids et de la consommation d'énergie est primordiale. L'équipe de projet espère que les trois paramètres peuvent être absolument minimisés en utilisant un appareil à micro-échelle, comme indiqué ci-dessous.

Les caractéristiques remarquables de cette vanne sont obtenues en exploitant la technologie MEMS. L'utilisation de la fabrication par lots MEMS réduira considérablement les coûts de fabrication en pouvant un jour créer des centaines de ces vannes sur une seule tranche de silicium. Cela signifie qu'en plus des avantages de taille et de puissance déjà notés, les nouvelles vannes devraient également être à faible coût. Et bien que les soupapes soient également légères, une réduction de poids plus importante devrait résulter de la réduction de la taille de la batterie requise pour alimenter les soupapes.

La conception de microvannes à l'aide de la technologie MEMS n'est pas nouvelle; il a été étudié de manière approfondie au cours des 30 dernières années. Cependant, les microvannes traditionnelles ont été limitées au domaine de la microfluidique, où les débits sont de l'ordre de millilitres par minute et les pressions sont très faibles. Par conséquent, ils ne sont pas applicables à la plupart des applications d'énergie hydraulique. Ce projet n'est que le deuxième à appliquer la technologie MEMS à une vanne à plus grande échelle (le premier étant une servovalve développée par DMQ Microstaq).

Les microvannes sont composées de deux plaques séparées, une plaque à orifices et une plaque d'actionneur, qui sont fabriquées individuellement puis assemblées. Les actionneurs ont une architecture en porte-à-faux et sont fabriqués en matériau piézoélectrique. Le matériau piézoélectrique est le titanate de zirconate de plomb (PZT), qui a été choisi en raison de son excellent coefficient piézoélectrique, qui est une indication de la quantité de déviation de la pointe par unité de tension appliquée. Ces faisceaux sont des «bimorphes», ce qui signifie qu'ils ont deux couches actives de matériau piézoélectrique et donc beaucoup plus de déviation qu'une seule couche («unimorph»).

Chaque couche piézoélectrique est prise en sandwich entre deux électrodes de platine et est activée en imposant une tension aux bornes du matériau. En appliquant des tensions inverses aux deux couches piézoélectriques, la couche supérieure se contracte à mesure que la couche inférieure se dilate, provoquant une déviation maximale de la pointe. Le déplacement proportionnel est obtenu en appliquant simplement une tension variable.

L'approche de recherche pour créer cette vanne a commencé avec la construction d'une vanne piézoélectrique «méso-échelle» beaucoup plus grande et à l'épreuve du concept. Cette valve est environ 20 fois plus grande que la valve MEMS. L'actionneur piézoélectrique a été acheté sur étagère et est environ 100 fois plus grand que les faisceaux sur les vannes MEMS. La plaque à orifices est en acier plutôt qu'en silicium et possède des orifices suffisamment grands pour être usinés avec précision à l'extérieur d'une salle blanche. Cette valve a été caractérisée à l'aide d'un banc d'essai expérimental conçu et construit à l'Université du Minnesota. Un capteur de déplacement capacitif est intégré dans le boîtier et interagit avec un plot en cuivre mis à la terre sur le dessus de l'actionneur. Ce système a été utilisé pour valider le concept de vanne, ainsi que pour tester des modèles de débit d'orifice. Une vanne similaire a été introduite sur le marché en 2012 par une entreprise non liée à ce projet, montrant que le concept à méso-échelle est commercialement viable.

En ce qui concerne la vanne MEMS, un processus de fabrication réussi pour les plaques à orifice et à actionneur a été établi. Les plaques à orifices étaient difficiles car les orifices ont un rapport d'aspect allant jusqu'à 20: 1. Les plaques de l'actionneur étaient également difficiles, car les faisceaux ne font que 2 µm d'épaisseur et sont donc extrêmement fragiles.

En outre, le PZT est interdit dans la plupart des installations de micro-fabrication à l'échelle nationale (malheureusement, y compris l'Université du Minnesota) en raison de problèmes de contamination par le plomb.

Avec les deux plaques conçues, fabriquées et testées, la frontière finale les assemblera en une valve complète. Cela sera également difficile car les techniques conventionnelles de collage en salle blanche s'appliquent à des surfaces propres, planes et similaires sur un niveau de tranche complet. Comme l'intention est de lier deux matériaux radicalement différents, avec une topologie variée, y compris des faisceaux extrêmement fragiles et minces, et sur un appareil beaucoup plus petit qu'une tranche, il y a des défis à surmonter.

Cette recherche a été financée en partie par le programme NSF-ERC «Centre for Compact and Efficient Fluid Power» (EEC-0540834).