W Instytucie Technologii Elektronowej w Warszawie skonstruowano dwa rodzaje zaworów przeznaczonych do stosowania w urządzeniach mikrohydraulicznych. Elementy czynne zaworów wykonano z krzemu z użyciem zaawansowanych technologii używanych w produkcji układów półprzewodnikowych. Nowe mikrozawory mogą pracować z cieczami i gazami znajdującymi się pod bardzo dużym ciśnieniem.
Zawory dostępne w sprzedaży, przeznaczone do instalacji mikrohydraulicznych, są konstrukcjami czysto mechanicznymi i nie gwarantują szczelności pozwalającej na efektywną pracę z płynami pod ciśnieniem wielu atmosfer. W Instytucie Technologii Elektronowej w Warszawie skonstruowano zawory mikromechaniczne wykonane w krzemie za pomocą technologii stosowanych w obróbce materiałów półprzewodnikowych. – Nasze mikrozawory krzemowe gwarantują szczelność sięgającą mikrolitrów na minutę przy ciśnieniach rzędu kilkudziesięciu atmosfer. Sądzimy, że można ją jeszcze poprawić – mówi jeden z konstruktorów, inż. Paweł Kowalski (ITE).
W Instytucie Technologii Elektronowej zbudowano dwa mikrozawory krzemowe: zwrotny, niewymagający sterowania, oraz przepływowy, kontrolowany elektronicznie za pomocą stosu piezoelektrycznego. Urządzenia należą do kategorii układów mikromechanicznych znanych jako MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems). W obu kluczową rolę odgrywają krzemowe membrany oraz specjalnie wyprofilowane gniazda wykonane z dokładnością do pojedynczych mikrometrów.
W zaworze zwrotnym krzemowa membrana pod wpływem ciśnienia działającego w kierunku przepływu odkształca się i ciecz lub gaz mogą swobodnie przepływać. Jeśli kierunek ciśnienia zmieni się na przeciwny, membrana zostaje dociśnięta do otworu wlotowego i go blokuje. O czułości zaworu i zakresie ciśnień, przy których może pracować, decyduje grubość krzemowych wsporników przytrzymujących membranę nad otworem. – Podstawową zaletą zaworu jest jego banalnie prosta konstrukcja – podkreśla inż. Kowalski.
W zaworze kontrolowanym elektronicznie krzemowa membrana opiera się o stos piezoelektryczny. W zależności od przyłożonego napięcia, stos rozszerza się lub kurczy i odkształca membranę, zamykając lub otwierając przepływ płynu. Jeśli stos jest zasilany napięciem 24 V, zawór będzie pracował przy ciśnieniach do 50 atmosfer. Przy napięciu 150 V ciśnienia mogą osiągnąć wartość 200 atmosfer. Zakres ciśnień można także rozszerzyć bez podnoszenia napięcia, zwiększając rozmiary zastosowanego stosu piezoelektrycznego. Krzemowe elementy obu zaworów powstają w kolejnych procesach trawienia plazmowego, fotolitografii oraz osadzania tlenków krzemu i aluminium. Zaawansowane technologie produkcji elementów roboczych zaworów, typowe dla procesów produkcyjnych układów elektronicznych, nie są tanie. Jednak w pojedynczym cyklu produkcyjnym na pojedynczej krzemowej płytce można wytworzyć do kilkudziesięciu elementów roboczych, co znacząco obniża cenę jednostkową. Gotowe elementy krzemowe zaworów są następnie montowane w metalowych obudowach.
Prace nad krzemowymi zaworami mikrofluidycznymi zostały sfinansowane ze środków statutowych Instytutu Technologii Elektronowej.
