Nuashonrú CCEFP: Teicneolaíocht MEMS ag Cabhrú le Comhlaí Micrea-Aeroibrithe a chruthú

Tá laghdú ar mhéid agus ar ídiú fuinnimh fíorthábhachtach i bhforfheidhmiú an mhargaidh ar bith inniu, go háirithe i orthoses, a bhfuil cumhacht dhlúth agus rialú de dhíth orthu.

Chun na críche sin, tá comhla comhréireach mionlach nua á fhorbairt in Ollscoil Minnesota chun sreabhadh aeir i gcórais aeroibrithe a rialú. Meastar go mbeidh dhá ordú méide ag teastáil ón gcomhla, lúide cumhacht ná an chuid is mó de na comhlaí traidisiúnta ar an margadh; Is é an sprioc deartha an comhla dúnta de ghnáth a choinneáil sa stát lán oscailte agus gan ach 5 mW cumhachta aige. Is é an toilleadh sreafa atá i gceist ná 40 slpm nuair a bhíonn aerú ó bhrú idir 6 agus 5 barra agus is é 100 psi an brú dearaidh uasta atá aige. Níl ach 7 cc i méid an phacáiste atá beartaithe.

Ceann de na spriocanna atá ag taighde CCEFP is ea réitigh cumhachta iniompartha ar scála sreabhach daonna a fhorbairt. Ba é an tOllamh Elizabeth Hsiao-Wecksler ag Ollscoil Illinois ag Champaign-Urbana a spreag an tionscadal comhla seo. Is feiste leighis ghníomhach é an orthosis chun cabhrú le gaistí siúil neamhghnácha a shocrú. Úsáideann sé buidéal beag CO2 agus gníomhaire rothlach chun cabhrú le rothlú na gcos. Luíonn an pacáiste iomlán faoi chos pant an úsáideora. Toisc go bhfuil sé ceangailte le cos duine, tá laghduithe ar mhéid, meáchan agus tomhaltas cumhachta ríthábhachtach. Tá súil ag foireann an tionscadail gur féidir na trí pharaiméadar go léir a íoslaghdú trí dhul chuig feiste micrea-scála, mar atá leagtha amach thíos.

Baintear amach na sonraíochtaí suntasacha den chomhla seo trí leas a bhaint as teicneolaíocht MEMS. Trí úsáid a bhaint as monaraithe baisce MEMS laghdófar go mór na costais déantúsaíochta trí na céadta comhlaí seo a chruthú ar shliseán sileacain amháin. Ciallaíonn sé seo chomh maith leis na tairbhí méid agus cumhachta a tugadh faoi deara cheana féin, táthar ag súil go mbeidh na comhlaí nua ar chostas íseal. Agus cé go bhfuil na comhlaí éadrom freisin, meastar go dtiocfaidh laghdú meáchain níos mó trí laghdú a dhéanamh ar an gceallra a theastaíonn chun cumhacht a thabhairt do na comhlaí.

Ní nua é dearadh micrea-mheaisíní ag baint úsáide as teicneolaíocht MEMS; rinneadh staidéar forleathan air le 30 bliain anuas. Mar sin féin, tá micrea-thonnta traidisiúnta teoranta don réimse micrea-leachtanna, áit a bhfuil sreafaí ar ord millilítear in aghaidh an nóiméid agus tá na brúnna an-íseal. Dá bhrí sin, ní bhaineann siad le formhór na n-iarratas ar chumhacht sreabháin. Níl sa tionscadal seo ach an dara ceann chun teicneolaíocht MEMS a chur i bhfeidhm ar chomhla mórscála (an chéad cheann ina shearbhascán forbartha ag DMQ Microstaq).

Tá dhá phláta ar leithligh, pláta orifice agus pláta achtúire, atá déanta as féin agus ansin cóimeáilte le chéile. Tá ailtireacht cantilever ag na hachtúirí agus tá siad déanta as ábhar piezoelectric. Is é an t-ábhar piezoelectric an tíotáit ziorcateáite luaidhe (PZT), a roghnaíodh mar gheall ar a chomhéifeacht piezoelectric den scoth, atá ina léiriú ar an méid sraonadh tip in aghaidh an aonaid voltais a cuireadh i bhfeidhm. Is iad “bimorphs” na bíomaí seo, rud a chiallaíonn go bhfuil dhá shraith ghníomhacha d'ábhar piezoelectric acu agus dá bhrí sin go bhfuil siad níos sraonta ná ciseal amháin (“unimorph”).

Déantar gach ciseal piezoelectric a dháileadh idir dhá leictreoid platanam agus gníomhaítear é trí voltas a fhorchur trasna an ábhair. Trí voltais droim ar ais a chur i bhfeidhm ar an dá shraith piezoelectric, méadaíonn na conarthaí barr ciseal de réir mar a leathnaíonn an ciseal bun, rud is cúis le sraonadh barr uasta. Baintear díláithriú comhréireach amach trí voltas athraitheach a chur i bhfeidhm.

Cuireadh tús leis an gcur chuige taighde maidir leis an gcomhla seo a chruthú nuair a tógadh comhla piezoelectric “mórscála” i bhfad níos mó. Tá an chomhla seo tuairim is 20 uair níos mó ná comhla MEMS. Ceannaíodh an gníomhaire piezoelectric as an tseilf agus tá sé thart ar 100 uair níos mó ná na bíomaí ar chomhlaí MEMS. Tá an pláta ornice déanta as cruach seachas sileacain agus tá orifices mór go leor le machnamh beacht lasmuigh de sheomra glan. Bhí an comhla seo tréithrithe ag tástáil thurgnamhach a bhí deartha agus tógtha ag Ollscoil Minnesota. Tá braiteoir díláithrithe capacitive leabaithe sa tithíocht agus idirghníomhaíonn sé le ceapadán ar bharr an achtúire. Baineadh úsáid as an gcóras seo chun coincheap an chomhla a bhailíochtú, chomh maith le samhlacha sreafa a thástáil. Thug cuideachta nach mbaineann leis an tionscadal seo comhla comhchosúil don mhargadh in 2012, ag taispeáint go bhfuil an coincheap mórscála inmharthana ó thaobh na tráchtála de.

Maidir le comhla MEMS, bunaíodh próiseas monaraithe rathúil do na plátaí dílleachta agus actuator. Bhí na plátaí díscriosacha dúshlánach mar go bhfuil cóimheas gné suas le 20: 1 ag na héadóga. Bhí na plátaí actuator dúshlánach freisin, mar ní bhíonn na bíomaí ach 2 µm tiubh, agus mar sin tá siad an-leochaileach.

Ina theannta sin, tá cosc ar PZT i bhformhór na n-áiseanna micrea-monaraithe ar fud na tíre (ar a n-áirítear Ollscoil Minnesota ar an drochuair) mar gheall ar ábhair imní éillithe luaidhe.

Agus an dá phláta deartha, déanta agus tástáilte, beidh an teorainn deiridh á gcur le chéile i gcomhla iomlán. Beidh sé seo dúshlánach freisin toisc go bhfuil feidhm ag teicnící nascáil gnáth-sheomra glan le dromchlaí glana, leibhéalta ar leibhéal sliseog iomlán. Ós rud é go bhfuil sé i gceist dhá ábhar neamhionanna a chur le chéile, le topaic éagsúil, lena n-áirítear bíomaí atá an-leochaileach agus tanaí, agus ar ghléas atá i bhfad níos lú ná sliseog, tá dúshláin le sárú.

Thacaigh an Clár NSF-ERC “Lárionad Cumhachta Sreabháin Dlúth agus Éifeachtúil” (CEE-0540834) leis an taighde seo go páirteach.