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Micro-Moulins à vent : Du laboratoire à lancer sur le marché

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Non toutes les idées d'ingénierie de conception commencent comme croquis sur une serviette de restaurant. Quelques conceptions commencent dans les écoles de technologie prestigieuses de laboratoires tout au plus autour du monde, est-ce que telle est l'histoire de Jung-Chih (J.C.) Chiao et Smitha Rao ? micro-moulin à vent de s qui produit de l'énergie éolienne

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Il y a plus de 11 ans, Chiao, un professeur d'électrotechnique à l'Université du Texas à Arlington, focalisait sa recherche sur les systèmes micro-electro-mechanical (MEMS), quand il et Rao a eu l'idée de mettre quelque chose mobile, comme un moulin à vent, sur des puces de silicone.

? Là les raisons évidentes étaient-elles de faire ceci ? dit Chiao. ? On était énergie moissonnant, parce que dans la plupart d'ordinateurs et d'électronique il y a beaucoup de gradient de la chaleur, et nous avons pensé que peut-être nous pourrions employer la conception pour moissonner le flux d'air dans le système de module.

Nous pourrions alors prendre cette énergie moissonnée et l'employer comme ventilateur pour refroidir le système comme un ventilateur d'ordinateur, mais beaucoup plus petit et plus efficace. ?

L'équipe employait des techniques conventionnelles de fabrication du silicium MEMS, ainsi la couche de silicium a fini vers le haut d'être très légèrement. ? Le silicium est un matériel très fort, mais en même temps, il ? s très fragile avec une épaisseur de micromètre ? explique Chiao. ? Lorsqu'il y avait un vent très léger, la turbine de vent a-t-elle fonctionné très bien, mais quand la vitesse du vent prise, le couldn de silicium ? t prennent la force et se sont brisés. ?

Après plusieurs épreuves sans le succès, Chiao a admis que la sorte d'équipe de a abandonné et didn ? visite de t l'idée jusqu'en 2012 quand elles se sont reliées à Taiwan-basé, compagnie WinMEMS.

En arrière des morts

Le Président de WinMEMS était un ancien camarade de classe de Chiao ? s, et après une réunion de classe, il a expliqué à Chiao qu'il a pensé qu'ils pourraient fonctionner ensemble. WinMEMS emploie différents matériaux, tels que l'alliage de nickel, pour créer des dispositifs de MEMS.

Chiao a expliqué comment ils ont commencé à faire les outils chirurgicaux très petits, les vitesses micro, et les inducteurs micro utilisant WinMEMS ? processus de fabrication. ? Il wasn ? t jusqu'à la fin du processus de conception pour ce projet que mon associé de recherches, Rao, suggéré nous revisitent l'idée de moulin à vent utilisant les matériaux de WinMEMS. ?

Aucune littérature ou outil disponible n'a existé pour aider à commencer le processus de conception parce que WinMEMS ? des procédés de fabrication n'ont pas été normalisés en ce qui concerne des règles de conception, des fonctions de disposition, et des blocs constitutifs. Chiao et Rao ont seulement eu l'intuition des douze dernières années de l'expérience à aider à les guider par le processus de conception.

? Nous avons dû penser à la façon faire le mobilier amovible de lames tout en maintenant la structure principale stable et robuste tandis que les gaufrettes traversent le produit chimique dur et les processus mécaniques. Nous avions l'habitude des techniques de micro-usinage avec des couches sacrificatoires pour créer une structure 3D de plusieurs couches plaquées d'alliage de nickel ? dit Chiao. ? Dans les laïques ? limites de s, il ? s comme faire un gâteau. Nous avons eu cinq couches structurales avec quatre couches sacrificatoires dans l'intervalle. Quand la gaufrette entière a été faite avec le dépôt, nous l'avons imbibé dans une solution etchant enlevons les couches sacrificatoires. 3D s'articule et relie ensemble a été formé pour permettre le mouvement mécanique. Là aucune assemblée n'est-elle priée. ?

Cette technique particulière est nouvelle, est-ce que mais les principes de base sont exactement les mêmes que dans la fabrication de MEMS, fournissant les avantages du coût bas, production en série, gaufrette-mesurent la fabrication en lots, et l'intégration avec le métal complémentaire ? oxyde ? circuits du semi-conducteur (CMOS). Toutefois aucun logiciel commercial n'a adopté cette technique particulière, Chiao et son équipe ont dû fonctionner des couches des 2D schémas, visualisant ce que ressemblerait il à dans le monde 3D.

? WinMEMS a développé des dispositifs utilisés pour les sondes de circuit intégré qui ont montré la robustesse, possédant à l'élasticité mécanique dans l'alliage ? dit Chiao. ? Généralement on ne l'a pas statistiquement démontré qu'il peut être employé pendant une longue période en vue de les champs de MEMS, de sorte que soit ce que nous nous focalisons dessus maintenant. ?

Recherchez qui jamais n'a été fait avant

Chiao et son équipe ont relevé de divers défis en concevant des micro-moulins à vent, toutefois ils les regardent comme occasions de recherches. D'abord, l'idée provient de la recherche sur quelque chose qui jamais n'a été faite avant ? aucunes normes à considérer, ou conceptions précédentes à mettre en référence.

D'une perspective de conception, ce processus est nouveau aux ingénieurs de MEMS, tellement il n'y a aucun outil de conception ou de simulation à aider avec le processus de fabrication. Les micro-moulins à vent impliquent également la conception électrique et mécanique, ainsi l'équipe a dû créer un nouvel outil de modélisation qui incorporerait tous les deux.

? Le deuxième défi principal est la physique dans les structures micro de balance, la connaissance que nous avons sur de grands moulins à vent s'applique directement à ce qui nous ? essai re de faire. Par exemple, dans de plus grands moulins à vent, nous wouldn ? soin de t trop au sujet de la poussière.

Cependant, dans un micro-moulin à vent, la poussière a pu ruiner les pièces plus petites ? dit Chiao. ? La déformation des lames de la pression dans de plus grands moulins à vent est également beaucoup différente dans des micro-moulins à vent, ainsi devons-nous trouver des solutions à ces types d'issues. ?

Le troisième défi que les visages d'équipe est application. Chiao croit que la recherche permettra des idées pour beaucoup de différentes applications dans des sondes sans fil pour l'Internet des choses, parce que les sondes peuvent être placées aux sites éloignés communiquant avec le nuage avec la puissance auto-entretenue. ? Si nous inventons juste une chose pour une application particulière, puis cela ? s pas un investissement très bon de notre recherche à l'université ? dit Chiao.

D'autres défis font participer les chercheurs pensant aux issues qu'ils normalement ne considéreraient pas, comme la production en série et le coût. Chiao réclame que l'équipe ne résout pas ces problèmes particuliers d'une mode traditionnelle.

? Traditionnellement, des problèmes de coût seraient résolus en regardant des détails dans les processus de fabrication. Nous mettons ? t savent vraiment ce que seront les processus de fabrication pour ces types de dispositifs à l'avenir, ainsi nous mettent en application des architectures de dispositif avec seulement la fabrication masse-productible en lots dans l'embout avant. ? Par exemple, l'équipe essaye de maintenir la conception simple tout en maintenant un niveau des performances optimal, qui présente encore un autre obstacle.

Dans une conception conventionnelle d'un moulin à vent, la charnière est une petite partie parce que la lame prend la majeure partie de l'espace. À la micro-échelle, la lame doit être petite, qui signifie que la charnière doit être encore plus petite. Quand le moulin à vent agit l'un sur l'autre avec le vent, il y a les débris, la poussière, et de l'humidité dans le ciel.

L'humidité peut créer le stiction, qui est quand les molécules d'eau commencent à devenir colle, liant les matériaux ensemble. Ceci peut être résolu avec une certaine sorte de lubrifiant, mais selon Chiao, le lubrifiant pour des dispositifs en métal MEMS pourrait être complètement différent de ce qui est employé dans les plus grands.

Potentiel commercial

Chiao ? l'équipe de s prévoit beaucoup de potentiel commercial pour leur idée, y compris une plate-forme de remplissage pour l'énergie moissonnant pour fournir la puissance dans les secteurs qu'elle n'est pas disponible. Ils croient également qu'elle pourrait être employée pour actionner les sondes sans fil dans des systèmes de surveillance pour des ponts, des routes, et des bâtiments.

? En ce moment les Etats-Unis font face à un problème d'infrastructure, et une structure exige de cent sondes ou plus de surveiller les problèmes environnementaux. Il ? s pas une bonne idée d'envoyer quelqu'un une fois par an pour remplacer toutes les batteries dans toutes les sondes ? dit Chiao. ? Ce micro-moulin à vent, énergie moissonnant la plate-forme rendrait la sonde plus de puissance indépendante en lui permettant de fonctionner sans interruption. C'est également un enabler pour les sondes sans fil utilisées pour l'Internet des choses. Imaginez les millions de sondes sans fil qui peuvent être indépendamment placées dans des sites éloignés, autour des villes, et autour de nous pour communiquer avec le nuage ainsi nous pouvons rapidement évaluer les environnements, les scénarios de désastre, ou la santé d'infrastructure en obtenant une image plus complète d'un grand réseau informatique. ?

Depuis leur annonce, Chiao a reçu beaucoup de réponses pour des applications potentielles. Plusieurs compagnies les ont approchées avec des idées, et elles ont même gagné l'identification internationale d'Allemagne, Taiwan, et de Corée.

? L'idée peut également être appliquée à différentes industries, telles que des ordinateurs, l'électronique portative, sondes, et des véhicules à moteur ? dit Chiao. ? Les gens voient le potentiel et l'aiment savoir plus. ?

Selon Chiao, son but est d'essayer et établir une plate-forme qui inspirera l'intérêt partout.