doc„Mikrosystemy” „Aktuatory” Prezentacja jest współfinansowana
download 
Reklamacja Transkrypt
„Mikrosystemy” „Aktuatory” Prezentacja jest współfinansowana
„Mikrosystemy” „Aktuatory” Prezentacja jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego w projekcie pt. „Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania osób niepełnosprawnych” Prezentacja dystrybuowana jest bezpłatnie Politechnika Łódzka, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź, tel. (042) 631 28 83 Projekt współfinansowany przez Unię Europejską www.kapitalludzki.p.lodz.pl w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Mikrosystemy Mikropompy Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 2 Mikrosystemy Definicja aktuatora – przyp. Aktuatorem (ang. actuator) nazywamy urządzenie, które umożliwia wykonanie pewnej pracy poprzez przetworzenie sygnału sterującego w postaci wielkości elektrycznej na sygnał innego typu. Zamiana energii elektrycznej na inny rodzaj energii, np. Na energię mechaniczną, którą można wykorzystać np. do napędzania różnego rodzaju elementów. Takim aktuatorem jest silnik krzemowy. Innym rodzajem aktuatora jest mikropompa, która wykorzystuje powstałą energię do przepływu różnych płynów. Aktuatory są przeciwieństwem czujników, gdzie poddawana jest konwersji określona wielkość fizyczna na wielkość elektryczną. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 3 Mikrosystemy Podstawowe typy mikrozaworów Zawory aktywne Różne typy aktuatorów np.: – – – – – zawory piezoelektryczne zawory elektromagnetyczne zawory elektrostatyczne zawory bimetaliczne zawory termopneumatyczne Zawory pasywne Otwarcie bądź zamknięcie zaworu w zależności od ciśnienia – zawory wlotowe (ang. Inlet) – zawory wylotowe (ang. Outlet) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 4 Mikrosystemy Podstawowe typy mikropomp Mikropompa jest systemem umożliwiającym przekazywanie, płynów, cieczy lub gazów z wejścia na wyjście przez rurki o bardzo małych średnicach. Mikropompy to różnego rodzaju aktuatory Najczęściej spotykane w literaturze mikropompy to: – – – – – mikropompy piezoelektryczne termopneumatyczne elektrostatyczne pneumatyczne elektrodynamiczne Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 5 Mikrosystemy 6 Pompa termopneumatyczna Mikropompa wykonana w ramach projektu BARMINT (ang. Basic Research for Microsystems Integration) w laboratorium we Francji. Mikropompa składa się z: – membrany – dwóch mikrozaworów – rezystora grzejnego Zasada działania Przepuszczenie prądu o kształcie prostokątnym o zmiennej częstotliwości przez rezystor powoduje zmienne wydzielanie się ciepła, które z kolei prowadzi do odkształcenia membrany. Odkształcanie membrany powoduje przepływ płynu z jednej komory do drugiej poprzez zawory wejściowy i wyjściowy Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Mikrosystemy 7 Proces technologiczny głównej części pompy • • • • • • • Nałożenie 1000A warstwy azotku krzemu po obydwu stronach podłoża krzemowego oraz fotowytrawienie plazmą obszarów azotku krzemu po obydwu stronach struktury w celu zabezpieczenia mikrozaworów. Anizotropowe trawienie krzemu w celu utworzenia wnęk zabezpieczających zawory. Utlenianie termiczne. Grubość warstwy dwutlenku krzemu ok. 5000A. Fotowytrawianie dwutlenku krzemu z wykorzystaniem trawienia chemicznego. Nałożenie warstwy szkła o niskiej temperaturze topnienia w celu utworzenia zaworów. Nałożenie warstwy dwutlenku krzemu na cały wafel krzemowy. Końcowa grubość dwutlenku krzemu ok. 8000A. Nałożenie 6um warstwy polikrystalicznego krzemu (proces CVD (ang. Chemical Vapor Deposition) ) w celu otrzymania struktury zaworów. Wytrawienie polikrzemu w celu uzyskania wsporników dla ramion zaworu. Nałożenie 1000A warstwy azotku krzemu na obie strony, aby zabezpieczyć zawory. Anizotropowe trawienie chemiczne 260 um krzemu w celu utworzenia 40 um cienkiej membrany. Uwolnienie zaworów poprzez proces trawienia. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Mikrosystemy Występujące problemy • Wykonanie mikropompy wymaga operacji na dwóch stronach wafla krzemowego (wymagane zabezpieczenie nieobrabianej powierzchni wafla krzemowego) • Problem z jednorodnym nałożeniem warstw o grubości 1 mikrona podczas wykonywania mikrozaworów (konieczność przeprowadzenia procesu utleniania termicznego) • Zabezpieczenie zaworów podczas trawienia membrany (wymagane nałożenie warstwy azotku krzemu w dwustopniowy procesie technologicznym) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 8 Mikrosystemy 9 Budowa mikropompy termopneumatycznej Budowa Oparta na membranie zamkniętej Zasada działania Praca oparta o cykliczne ogrzewanie i schładzanie gazu znajdującego się w szczelnie zamkniętej komorze. Gaz ogrzewany za pomocą elementu grzejnego, rozszerza się, oddziałuje na cienką membranę (jedna ze ścian komory), powodując jej ugięcie. Membrana odkształcając się, zwiększa ciśnienie płynu znajdującego się w drugiej komorze, zwiększone ciśnienie unosi zawór wylotowy i pozwala wydostać się pewnej ilości płynu, aż do momentu wyrównania się ciśnień po obu stronach zaworu. Schłodzenie gazu powoduje odwrotny efekt. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Mikrosystemy Mikrosystem zawierający mikropompę krzemową Uwaga Mikropompa jest zawsze podzespołem większego systemu Przykładowy mikrosystem z pompą krzemową zawiera: – mikropompę - element wykonawczy – zespół czujników - odpowiadają za zbieranie danych przekazywanych do modułu sterującego – moduł sterujący - analizuje dane i podejmuje decyzję, co do ilości płynu, jaka ma zostać przepompowana przez mikropompę – moduł zabezpieczający - zawiera czujniki i układy kontrolujące cały mikrosystem zabezpieczając przed wadliwym działaniem układu – moduł zasilający - źródło zasilania dla całego mikrosystemu. Zastosowania – aplikacje medyczne – aplikacje farmakologiczne – aplikacje biomedyczne Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 10 Mikrosystemy Model mikropompy Modelowanie mikropompy należy zacząć od opracowania modeli jej poszczególnych części składowych, tworzących zamknięty system: – – – – – elektrotermiczny model elementu grzejnego termiczny model transportu energii cieplnej w strukturze mikropompy model przemian gazowych mechaniczny model mikromembrany model przepływu płynu przez zawory Modelowanie najlepiej przeprowadzić za pomocą symulatora posługującego się metodą elementów skończonych np.: ANSYS Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 11 Mikrosystemy 12 Budowa mikropompy wężowej Budowa – Kanał przepływu cieczy – Trzy komory termopneumatyczne Zasada działania mikropompy wężowej Rozgrzany gaz w kolejnych komorach, oddziałuje na membrany powodując ich ugięcie, maksymalne ugięcie membrany spowoduje zamknięcie światła kanału i uniemożliwi cofnięcie się cieczy. Rozgrzewając cyklicznie gaz w poszczególnych komorach powoduje przemieszczenie się cieczy w kanale. Parametry – Częstotliwość pracy 20 Hz – Wydajność 7ml/min – Wymiary: 4 x 1 mm wejście Inlet element grzejny komory termopneumatyczne wyjście Outlet Zastosowania – Analiza chemiczna – Badania kliniczne membrana Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego kanał przepływu cieczy 13 Mikrosystemy Progowy element przełączający Budowa Sferycznie ukształtowana i uplastyczniona górna elektroda (Si), odizolowana przez warstwę pasywacji (SiO2) od drugiej elektrody (n–Si). SiO2 Si Al n-Si Zasada działania Górna elektroda poddana naciskowi na swoją górną powierzchnię, wygina się do dołu, zamykając obwód z dolną elektrodą. Gdy działające ciśnienie zmaleje elektroda powróci do poprzedniego kształtu. Parametry Plastyczność elektrody górnej zapewniająca histerezę zaworu (odpowiedni dobór wielkości oraz grubości górnej elektrody). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Mikrosystemy Mikrosilniki Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 14 Mikrosystemy 15 Mikrosilnik krzemowy Mikrosilnik to struktura krzemowa o średnicy kilkudziesięciu mikrometrów. Pierwsze mikrosilniki wykonano na uniwersytecie MIT (USA) i w laboratorium LAAS (Francja). Obecnie technologia wytwarzania pozwala na wykonywanie takich struktur w innych centrach mikrokrzemowych. Przy projektowaniu mikrosilnika krzemowego należy zwrócić uwagę na odpowiednią liczbę elektrod wirnika i stojana. W zależności od stosunku tych elektrod, może okazać się, że silnik może nie pracować płynnie, może wykonywać ruchy chaotyczne, lub nawet nie pracować w ogóle. Dlatego też najpierw należy przeprowadzić odpowiednie symulacje celem wybrania odpowiedniego stosunku elektrod wirnika i stojana, a dopiero później przystąpić do projektowania samego urządzenia. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Mikrosystemy Budowa mikrosilnika krzemowego Budowa – Stosunkowo prosta struktura składająca się z wirnika, stojana i piasty Trudności – podtrawienie i uwolnienie wirnika – znalezienie dla niego odpowiedniej aplikacji – niemożność podłączenia do silnika innej struktury, wykorzystującej jego moment obrotowy Potencjalne zastosowania piasta – aplikacje medyczne Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego wirnik stojan 16 Mikrosystemy 17 Zmodyfikowany model pojemnościowy Parametry geometryczne mikrosilnika z zaznaczonymi pojemnościami w płaszczyźnie wirnik-stojan Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Mikrosystemy Model pojemnościowy mikrosilnika Wartość pojemności pomiędzy wirnikiem a stojanem w zależności od położenia wirnika Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 18 Mikrosystemy Moment obrotowy silnika Porównanie maksymalnego momentu obrotowego dla zwykłego modelu pojemnościowego i modelu 2D FEM o konfiguracji biegunów 12/8 Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 19 Mikrosystemy Moment obrotowy silnika Porównanie kształtu charakterystyki momentu obrotowego dla zmodyfikowanego modelu pojemnościowego i modelu 2D FEM o konfiguracji biegunów 12/8 Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 20 Mikrosystemy 21 Efekt tarcia Maksymalny moment tarcia obrotowego w funkcji szczeliny powietrznej pomiędzy wirnikiem a stojanem dla konfiguracji 12/8 i różnych prześwitów między piastą i wewnętrzną średnicą wirnika Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Mikrosystemy Model dynamiczny Porównanie między symulowanym i rzeczywistym zachowaniem dynamicznym mikrosilnika Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 22 Mikrosystemy Mikrosilnik krzemowy wykonany we Francji Mikrosilnik krzemowy o konfiguracji biegunów 12/8, wykonany w Tuluzie we Francji Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 23 Mikrosystemy 24 Materiały źródłowe • • • • • • • • • Wójciak W.: Implementacja czujników temperatury w technologii CMOS i ich zastosowanie do termicznego monitorowania struktur półprzewodnikowych, Rozprawa doktorska, Politechnika Łódzka 1998 Orlikowski M.: Mikrostruktury krzemowe i mikrosystemy – modelowanie przy użyciu opisu behawioralnego, Rozprawa doktorska; Łódź 2000 Ristic L.: Sensor Technology and Devices, Artech House; Boston London 1994 Pacholik J., Napieralski A., Grecki M., Wójciak W., Ciota Z.: Thermopneumatic Micropump, 3rd WORKSHOP in the Frame of ESPRIT Project (European Strategic Programme for Research and Developement in Information Technology – CEC–Contract no 8173 – BARMINT (Basic Research for Microsystem Integration)), 22–24 February 1995, Darmstadt, Germany Folta J.A., Rayley N.F., Hee E.W.: Design, Fabrication and Testing of Miniature Perelistic Membrane Micropump, Tech. Digest, IEEE Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC, 1992, pp.186. Hauff M.A., Nikolich A.D., Schnidt M.A.: A Threshold Pressure Switch Using Plastic Deformation of Silicon, Tech. Digest, Transducers’91, San Francisco, 1991, p. 676 Napieralski A.: Mikrosystemy zintegrowane w technologiach krzemowych; ELTE’2000, Polanica, 18 – 22 września 2000 Salman A.W.A., Napieralski A. Theoretical Dynamic Bahaviour Model to Select Optimal Operational Micromotor; 6th International Conference Mixed Design of Integrated Circuits and Systems, Kraków 17–19 June 1999; pp.247–252. Salman A.W.A.: Simulation and Optimization of Variable Capaticance (VC) Micromotors; Rozprawa doktorska; Politechnika Łódzka 2000 Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego „Mikrosystemy” „Aktuatory” Prezentacja jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego w projekcie pt. „Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania osób niepełnosprawnych” Prezentacja dystrybuowana jest bezpłatnie Politechnika Łódzka, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź, tel. (042) 631 28 83 Projekt współfinansowany przez Unię Europejską www.kapitalludzki.p.lodz.pl w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego