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Mikro-Windmühlen: Zu vermarkten vom Labor

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Nicht alle Entwurfstechnikideen fangen als Skizzen auf einer Gaststätteserviette an. Einige Entwürfe beginnen in den Laborhöchstens prestigevollen Ingenieurschulen um die Welt, ist so die Geschichte von Jung-Chih (J.C.) Chiao und Smitha Rao? s Mikro-windmühle, die Windenergie erzeugt

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Mehr als 11 Jahren, fokussierte Chiao, ein Elektrotechnikprofessor an der Universität von Texas in Arlington, seine Forschung auf micro-electro-mechanical Systemen (MEMS), wenn er und Rao die Idee des Setzens vor bewegliches etwas, wie eine Windmühle, auf Silizium-Chips hatte.

? Dort waren offensichtliche Gründe, dies zu tun? sagt Chiao. ? Eins war die erntende Energie, weil in den meisten Computern und in der Elektronik es viel Hitzesteigung gibt, und wir dachten, dass möglicherweise wir den Entwurf verwenden könnten, um den Luftstrom im Modulsystem zu ernten.

Wir könnten diese geerntete Energie dann nehmen und sie als Ventilator verwenden, um das System wie ein Kühlventilator des Computers unten abzukühlen, aber viel kleiner und leistungsfähiger.?

Die Mannschaft verwendete herkömmliche Herstellungstechniken des Silikons MEMS, also beendete die Silikonschicht herauf Sein sehr dünn. ? Silikon ist ein sehr starkes Material, aber gleichzeitig, es? s sehr spröde mit einer Mikrometerstärke? erklärt Chiao. ? Immer wenn es einen sehr hellen Wind gab, funktionierte die Windturbine fein, aber als die Windgeschwindigkeit, die, das Silikon couldn aufgehoben wurde? t nehmen die Kraft und zerbrachen.?

Nach einigen Versuchen ohne Erfolg, ließ Chiao zu, dass die Mannschaftart von und didn aufgab? t-Wiederbesuchen die Idee bis 2012, als sie an Taiwan-gegründet anschlossen, Firma WinMEMS.

Zurück von den Toten

Der WinMEMS CEO war ein ehemaliger Mitschüler von Chiao? s und nach einer Kategorienwiedervereinigung, erklärte er Chiao, dass er dachte, dass sie zusammenarbeiten konnten. WinMEMS benutzt verschiedene Materialien, wie Nickellegierung, um MEMS Vorrichtungen zu verursachen.

Chiao erklärte, wie sie anfingen, sehr kleine chirurgische Werkzeuge, Mikrozahnräder und Mikrodrosselspulen unter Verwendung WinMEMS herzustellen? Herstellungsprozeß. ? Es wasn? t bis das Ende des Entwurfsprozesses für dieses Projekt, dem mein Forschungsteilnehmer, Rao, vorgeschlagen wir die Windmühlenidee unter Verwendung der Materialien von WinMEMS. nochmals besuchen?

Keine vorhandene Literatur oder Werkzeuge existierten, um zu helfen, den Entwurfsprozeß zu beginnen weil WinMEMS? Herstellungsverfahren sind nicht in Bezug auf Entwurfsrichtlinien, Planfunktionen und Bausteine standardisiert worden. Chiao und Rao hatten nur Intuition von den letzten zwölf Jahren der Erfahrung, zum zu helfen, sie durch den Entwurfsprozeß zu führen.

? Wir mussten an, wie man denken das Blattbewegliche beim Halten der Hauptstruktur beständig und robust bildet, während die Oblaten durch raue Chemikalie und mechanische Prozesse überschreiten. Wir verwendeten Mikro-maschinell bearbeitentechniken mit Opferschichten, um eine Struktur 3D von einigen überzogenen Schichten der Nickellegierung zu verursachen? sagt Chiao. ? In den Laien? s-Ausdrücke, es? s wie die Herstellung eines Kuchens. Wir hatten fünf strukturelle Schichten mit vier Opferschichten in-between. Als die gesamte Oblate mit Absetzung getan wurde, tränkten wir sie in einer etchant Lösung entfernen die Opferschichten. 3D lagert schwenkbar und schält wurden gebildet, um mechanische Bewegung zu erlauben zusammen. Dort wird keine Versammlung. angefordert?

Diese bestimmte Technik ist neu, aber die Grundprinzipien sind genau die selben wie in der MEMS Herstellung und stellen die Vorteile der niedrigen Kosten, Massenproduktion bereit, Oblate-stufen Reihenherstellung und Integration mit ergänzendem Metall ein? Oxid? Schaltkreis des Halbleiters (CMOS). Gleichwohl keine Handels-Software diese bestimmte Technik angenommen hat, mussten Chiao und seine Mannschaft von den Schichten 2D Zeichnungen arbeiten und sichtbar machen, was es wie in der Welt 3D aussehen würde.

? WinMEMS hat die Vorrichtungen entwickelt, die für Schaltungprüfspitzen benutzt werden, die Robustheit angezeigt haben und besessen zur mechanischen Elastizität in der Legierung? sagt Chiao. ? Im Allgemeinen ist es nicht statistisch demonstriert worden, dass es während einer langen Zeitspanne der Zeit hinsichtlich der MEMS Felder verwendet werden kann, damit ist, was wir an jetzt. fokussieren?

Erforschen Sie, das nie vorher getan worden ist

Chiao und seine Mannschaft stellten verschiedene Herausforderungen gegenüber, als, Mikro-windmühlen entwerfend, gleichwohl sie sie als Forschungsgelegenheiten ansehen. Zuerst stammt die Idee Forschung auf etwas ab, das nie vorher erfolgt worden ist? keine zu betrachten Standards oder vorhergehende zu beziehen Entwürfe.

Von einer Entwurfsperspektive ist dieser Prozess zu den MEMS Ingenieuren neu, so gibt es keine Entwurfs- oder Simulationswerkzeuge, zum beim Herstellungsprozeß zu helfen. Die Mikro-windmühlen beziehen auch elektrischen und mechanischen Entwurf mit ein, also musste die Mannschaft ein neues modellierendes Werkzeug herstellen, das beide enthalten würde.

? Die zweite Hauptherausforderung ist die Physik innerhalb der Mikroskalastrukturen, das Wissen, das wir auf großen Windmühlen zutreffen direkt haben auf, was wir? Reversuchen zu tun. Z.B. in größere Windmühlen, wir wouldn? t-Sorgfalt zu viel über Staub.

Jedoch in einer Mikro-windmühle, konnte Staub die kleineren Teile ruinieren? sagt Chiao. ? Die Deformation der Blätter vom Druck in den größeren Windmühlen ist auch in den Mikro-windmühlen viel unterschiedlich, also müssen wir Lösungen zu diesen Arten der Ausgaben finden.?

Die dritte Herausforderung, dass die Mannschaftgesichter Anwendung ist. Chiao glaubt, dass die Forschung Ideen für viele verschiedenen Anwendungen in den drahtlosen Sensoren für das Internet von Sachen ermöglicht, weil die Sensoren an den entfernten Außenstellen gesetzt werden können, die die Wolke mit autarker Energie verbunden sind. ? Wenn wir gerade eine Sache für eine bestimmte Anwendung erfinden, dann das? s nicht eine sehr gute Investition unserer Forschung in der Universität? sagt Chiao.

Andere Herausforderungen beziehen die Forscher mit ein, die an Ausgaben denken, dass sie normalerweise nicht betrachten würden, wie Massenproduktion und Kosten. Chiao behauptet, dass die Mannschaft nicht diese bestimmten Ausgaben auf eine traditionelle Art und Weise löst.

? Traditionsgemäß würden Kostenausgaben gelöst, indem man Details in den Herstellungsverfahren betrachtete. Wir ziehen an? t wissen wirklich, was die Herstellungsverfahren für diese Arten der Vorrichtungen zukünftig sind, so wir einführen Vorrichtungsarchitektur mit nur Masse-produzierbarer Reihenherstellung in der Vorderseite.? Z.B. versucht die Mannschaft, den Entwurf einfach zu führen beim Beibehalten eines optimalen Leistungsniveaus, das noch eins Hindernis darstellt.

In einem herkömmlichen Entwurf einer Windmühle, ist das Scharnier ein kleiner Teil, weil das Blatt die meisten des Raumes aufnimmt. An der Mikroskala muss das Blatt klein sein, das bedeutet, dass das Scharnier sogar kleiner sein muss. Wenn die Windmühle auf Wind einwirkt, gibt es Rückstand, Staub und Feuchtigkeit in der Luft.

Die Feuchtigkeit kann das stiction, das verursachen ist, wenn die Wassermoleküle beginnen, Kleber zu werden und die Materialien zusammen binden. Dieses kann mit irgendeiner Art des Schmiermittels gelöst werden, aber entsprechend Chiao, könnte das Schmiermittel für Vorrichtungen des Metall MEMS sein vollständig unterschiedlich zu, was in den größeren verwendet wird.

Handelspotential

Chiao? s-Mannschaft nimmt viel Handelspotential für ihre Idee, einschließlich eine aufladenplattform für die Energie vorweg, die erntet, um Energie in den Bereichen zur Verfügung zu stellen, dass sie nicht vorhanden ist. Sie glauben auch, dass sie verwendet werden könnte, um drahtlose Sensoren in den Überwachungsanlagen für Brücken, Landstraßen und Gebäude anzutreiben.

? Im Augenblick stellen die Vereinigten Staaten ein Infrastrukturproblem gegenüber, und eine Struktur erfordert hundert oder mehr Sensoren, die Umweltfragen zu überwachen. Es? s nicht eine gute Idee, jemand einmal jährlich zu senden, um alle Batterien innerhalb aller Sensoren zu ersetzen? sagt Chiao. ? Diese Mikro-windmühle, die Energie, die Plattform erntet, würde den Sensor mehr Energie unabhängig bilden, indem sie sie ununterbrochen funktionieren ließ. Dieses ist auch ein Enabler für die drahtlosen Sensoren, die für das Internet von Sachen benutzt werden. Stellen Sie sich Millionen der drahtlosen Sensoren vor, die in entfernte Außenstellen, um Städte und um uns unabhängig gesetzt werden können, um sich mit der Wolke zu verständigen, also wir die Umwelt, die Unfalldrehbücher oder die Infrastrukturgesundheit schnell festsetzen können, indem wir eine komplettere Abbildung von einem großen Datennetz. erhalten?

Seit ihrer Ansage hat Chiao viele Antworten für mögliche Anwendungen empfangen. Einige Firmen haben sich ihnen mit Ideen genähert, und sie haben sogar internationale Anerkennung aus Deutschland, Taiwan und Korea gewonnen.

? Die Idee kann an den verschiedenen Industrien, wie Computern, bewegliche Elektronik, Sensoren und Automobil auch angewendet werden? sagt Chiao. ? Leute sehen das Potenzial und mögen mehr wissen.?

Entsprechend Chiao ist sein Ziel, eine Plattform zu versuchen und herzustellen, die Interesse überall anspornt.