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Micro-Mulini a vento: Dal laboratorio da introdurre

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Non tutte le idee di ingegneria di disegno cominciano come abbozzi su un tovagliolo del ristorante. Alcuni disegni cominciano in laboratorio le scuole di ingegneria prestigiose al massimo intorno al mondo, tale è la storia di Jung-Chih (J.C.) Chiao e Smitha Rao? micro-mulino a vento di s che genera l'energia di vento

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Più di 11 anno fa, Chiao, un professore di ingegneria elettrica all'Università del Texas a Arlington, stava mettendo a fuoco la sua ricerca sui sistemi micro-electro-mechanical (MEMS), quando lui e Rao ha avuto l'idea di mettere qualche cosa di mobile, come un mulino a vento, sulle placchette di silicio.

? Là erano gli ovvi motivi fare questo? dice Chiao. ? Uno era energia che raccoglie, perché nella maggior parte diin calcolatore e della elettronica ci è molta pendenza di calore ed abbiamo pensato che forse potremmo usare il disegno per raccogliere il flusso d'aria nel sistema del modulo.

Potremmo allora prendere quell'energia raccolta ed usarli come ventilatore per raffreddare il sistema come un ventilatore del calcolatore, ma molto più piccolo e più efficiente.?

La squadra stava usando le tecniche convenzionali di montaggio del silicone MEMS, in modo da lo strato del silicone si è concluso molto sottilmente su essere. ? Il silicone è un materiale molto forte, ma allo stesso tempo, esso? s molto fragile con uno spessore di micrometro? spiega Chiao. ? In qualsiasi momento ci era un vento molto chiaro, la turbina di vento ha funzionato benissimo, ma quando la velocità del vento presa, il couldn del silicone? la t prende la forza e si è frantumata.?

Dopo parecchie prove senza successo, Chiao ha ammesso che la specie della squadra di ha dato in su e didn? nuova visita di t l'idea fino al 2012 quando si sono collegate con Taiwan-basato, azienda WinMEMS.

Indietro dai morti

Il CEO di WinMEMS era un ex compagno di classe di Chiao? s e dopo una riunione di codice categoria, ha spiegato a Chiao che ha pensato che potrebbero funzionare insieme. WinMEMS usa i materiali differenti, quale la lega di nichel, per generare i dispositivi di MEMS.

Chiao ha spiegato come hanno cominciato fare gli attrezzi chirurgici molto piccoli, i micro ingranaggi ed i micro induttori usando WinMEMS? processo di montaggio. ? Esso wasn? t fino alla conclusione del processo di disegno per quel progetto che il mio socio di ricerca, Rao, suggerito noi rivisita l'idea del mulino a vento usando i materiali da WinMEMS.?

Nessuna letteratura o attrezzo disponibile è esistito per contribuire ad iniziare il processo di disegno perché WinMEMS? le procedure di montaggio non sono state standardizzate riguardo alle regole di disegno, alle funzioni della disposizione ed alle particelle elementari. Chiao e Rao hanno avuti soltanto intuizione a partire dai dodici anni scorsi di esperienza da contribuire a guidarli con il processo di disegno.

? Abbiamo dovuto pensare a come fare il bene mobile delle lamierine mentre mantenevamo la struttura principale stabile e robusta mentre le cialde attraversano il prodotto chimico duro ed i processi meccanici. Abbiamo usato le tecniche micro-lavoranti con gli strati sacrificali per generare una struttura 3D da parecchi strati placcati della lega di nichel? dice Chiao. ? In laici? termini di s, esso? s come la fabbricazione della torta. Abbiamo avuti nel fratempo cinque strati strutturali con quattro strati sacrificali. Quando l'intera cialda è stata fatta con il deposito, lo abbiamo impregnato in una soluzione etchant rimuoviamo gli strati sacrificali. 3D munisce e collega è stato formato per permettere il movimento meccanico. Là nessun'assemblea è richiesta.?

Questa tecnica particolare è nuova, ma i principi di base sono esattamente gli stessi di nel montaggio di MEMS, fornente i vantaggi di basso costo, fabbricazione in serie, cialda-regolano la fabbricazione in lotti e l'integrazione con metallo complementare? ossido? circuiti a semiconduttore (CMOS). Comunque nessun software commerciale ha adottato questa tecnica particolare, Chiao e la sua squadra hanno dovuto funzionare dagli strati delle 2D illustrazioni, visualizzanti che cosa avrebbe assomigliato nel mondo 3D.

? WinMEMS ha sviluppato i dispositivi utilizzati per le sonde del circuito integrato che hanno visualizzato la robustezza, possedendo all'elasticità meccanica nella lega? dice Chiao. ? Non è stato dimostrato generalmente statisticamente che può essere usato per un lungo periodo di tempo rispetto ai campi di MEMS, di modo che è che cosa ora stiamo mettendo a fuoco sopra.?

Ricerchi che non è stato fatto mai prima

Chiao e la sua squadra hanno affrontato le varie sfide quando progetta i micro-mulini a vento, comunque li osservano come occasioni di ricerca. In primo luogo, l'idea proviene dalla ricerca su qualcosa che non sia stato fatto mai prima? nessun campioni da considerare, o disegni precedenti da riferirsi.

Da una prospettiva di disegno, questo processo è nuovo agli assistenti tecnici di MEMS, così non ci sono attrezzi di simulazione o di disegno da aiutare con il processo di montaggio. I micro-mulini a vento inoltre coinvolgono il disegno elettrico e meccanico, in modo da la squadra ha dovuto generare un nuovo attrezzo modellante che avrebbe incorporato entrambi.

? La seconda sfida principale è la fisica all'interno di micro strutture della scala, la conoscenza che abbiamo sui grandi mulini a vento direttamente ci applichiamo a che cosa noi? re prova di fare. Per esempio, in più grandi mulini a vento, noi wouldn? cura di t troppo circa polvere.

Tuttavia, in un micro-mulino a vento, la polvere ha potuto rovinare le più piccole parti? dice Chiao. ? La deformazione delle lamierine da pressione in più grandi mulini a vento è inoltre mólto differente in micro-mulini a vento, in modo da dobbiamo trovare le soluzioni a questi tipi di edizioni.?

La terza sfida che i fronti della squadra è l'applicazione. Chiao crede che la ricerca permetta alle idee per molte applicazioni differenti in sensori senza fili per il Internet delle cose, perché i sensori possono essere disposti alle posizioni a distanza che comunicano con la nube con potere economicamente indipendente. ? Se inventiamo appena una cosa per l'un'applicazione particolare, allora quello? s non un investimento molto buon della nostra ricerca nell'università? dice Chiao.

Altre sfide fanno partecipare i ricercatori che pensano alle edizioni che non abbiano considerato normalmente, quali fabbricazione in serie e costo. Chiao sostiene che la squadra non sta risolvendo queste edizioni particolari ad un modo tradizionale.

? Tradizionalmente, le edizioni di costo sarebbero risolte esaminando i particolari nei processi di fabbricazione. Indossiamo? la t realmente conosce che cosa i processi di fabbricazione saranno per questi tipi di dispositivi in avvenire, così noi realizza le architetture del dispositivo con soltanto montaggio massa-producible in lotti nella parte frontale.? Per esempio, la squadra sta provando a mantenere il disegno semplice mentre effettuava un livello di rendimento ottimale, che presenta ancora un altro ostacolo.

In un disegno convenzionale di un mulino a vento, la cerniera è una piccola parte perché la lamierina prende la maggior parte dello spazio. Alla microscala, la lamierina deve essere piccola, che significa che la cerniera deve essere ancora più piccola. Quando il mulino a vento interagisce con vento, ci è residui, polvere ed umidità nell'aria.

L'umidità può generare lo stiction, che è quando le molecole di acqua cominciano trasformarsi in in colla, legante insieme i materiali. Ciò può essere risolta con una certa specie del lubrificante, ma secondo Chiao, il lubrificante per i dispositivi del metallo MEMS potrebbe essere completamente differente da che cosa sta utilizzando in quei più grandi.

Potenziale commerciale

Chiao? la squadra di s prevede molto potenziale commerciale per la loro idea, compreso una piattaforma di carico per energia che raccoglie per fornire il potere nelle zone che non è disponibile. Inoltre credono che potrebbe essere usato per alimentare i sensori senza fili nei sistemi di controllo per i ponticelli, le strade principali e le costruzioni.

? Ora gli Stati Uniti stanno affrontando un problema dell'infrastruttura ed una struttura richiede cento o più sensori di controllare le questioni ambientali. Esso? s non una buona idea trasmettere qualcuno una volta all'anno per sostituire tutte le batterie all'interno di tutti i sensori? dice Chiao. ? Questo micro-mulino a vento, energia che raccoglie la piattaforma renderebbe al sensore più potere indipendente permettendo che funzioni continuamente. Ciò è inoltre un enabler per i sensori senza fili utilizzati per il Internet delle cose. Immagini milioni di sensori senza fili che possono essere disposti indipendente nelle posizioni a distanza, intorno alle città ed intorno noi per comunicare con la nube in modo da possiamo valutare rapidamente gli ambienti, i piani d'azione di disastro, o la salute dell'infrastruttura ottenendo un'immagine più completa da una grande rete di trasmissione di dati.?

Dal loro annuncio, Chiao ha ricevuto molte risposte per le applicazioni potenziali. Parecchie aziende si sono avvicinato con le idee e persino hanno guadagnato il riconoscimento internazionale dalla Germania, da Taiwan e dalla Corea.

? L'idea può anche applicarsi alle industrie differenti, quali i calcolatori, elettronica portatile, sensori ed automobilistico? dice Chiao. ? La gente vede il potenziale e gradice conoscere più.?

Secondo Chiao, il suo obiettivo è di provare e stabilire una piattaforma che ispirerà l'interesse dappertutto.