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Micro-Molinoes de viento: Del laboratorio a poner

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No todas las ideas de la ingeniería de diseño comienzan como bosquejos en una servilleta del restaurante. ¿Algunos diseños comienzan en las escuelas de ingeniería prestigiosas de los laboratorios a lo más en todo el mundo, tal es la historia de Jung-Chih (J.C.) Chiao y Smitha Rao? micro-molino de viento de s que genera energía eólica

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Hace más de 11 años, Chiao, profesor de la ingeniería eléctrica en la Universidad de Texas en Arlington, enfocaba su investigación sobre los sistemas microelectromecánicos (MEMS), cuando él y Rao tenía la idea de poner algo movible, como un molino de viento, en chipes de silicio.

¿? ¿Allí eran las razones obvias para hacer esto? dice Chiao. ¿? Uno era energía que cosechaba, porque en la mayoría de las computadoras y de la electrónica hay mucho gradiente del calor, y pensamos que podríamos utilizar quizá el diseño para cosechar la circulación de aire en el sistema del módulo.

¿Podríamos después tomar esa energía cosechada y utilizarla como ventilador para enfriar el sistema como un ventilador de la computadora, pero mucho más pequeño y más eficiente.?

El equipo utilizaba técnicas convencionales de la fabricación del silicio MEMS, así que la capa del silicio terminó encima de ser muy delgadamente. ¿? ¿El silicio es un material muy fuerte, pero al mismo tiempo, él? ¿s muy frágil con un grueso del micrómetro? explica Chiao. ¿? ¿Siempre había un viento muy ligero, la turbina de viento funcionó muy bien, pero cuando la velocidad del viento cogida, el couldn del silicio? ¿t toma la fuerza y rompió.?

¿Después de varios ensayos sin éxito, Chiao admitió que la clase del equipo de dio para arriba y didn? visita de t la idea hasta 2012 cuando conectaron con Taiwán-basado, compañía WinMEMS.

Detrás de los muertos

¿El CEO de WinMEMS era un compan@ero de clase anterior de Chiao? s, y después de una reunión de clase, él explicó a Chiao que él pensó que podrían trabajar juntos. WinMEMS utiliza diversos materiales, tales como aleación de níquel, para crear los dispositivos de MEMS.

¿Chiao explicó cómo comenzaron a hacer las herramientas quirúrgicas muy pequeñas, los engranajes micro, y los inductores micro usando WinMEMS? proceso de la fabricación. ¿? ¿Él wasn? ¿t hasta el final del proceso de diseño para ese proyecto que mi asociado de investigación, Rao, sugerido nosotros revisita la idea del molino de viento usando los materiales de WinMEMS.?

¿Ninguna literatura o herramientas disponible existió para ayudar a comenzar el proceso de diseño porque WinMEMS? los procedimientos de fabricación no se han estandardizado con respecto a reglas del diseño, a funciones de la disposición, y a bloques huecos. Chiao y Rao tenían solamente intuición a partir de los últimos doce años de experiencia a ayudar a dirigirlos con el proceso de diseño.

¿? Tuvimos que pensar en cómo hacer el mueble de las láminas mientras que mantenían la estructura principal estable y robusta mientras que las obleas pasan con el producto químico áspero y procesos mecánicos. ¿Utilizamos técnicas micro-que trabajaban a máquina con capas sacrificatorias para crear una estructura 3D de varias capas plateadas de aleación de níquel? dice Chiao. ¿? ¿En laicos? ¿términos de s, él? s como la fabricación de una torta. Teníamos cinco capas estructurales con cuatro capas sacrificatorias mientras tanto. Cuando la oblea entera fue hecha con la deposición, la empapamos en una solución etchant quitamos las capas sacrificatorias. 3D abisagra e interconecta fue formado para permitir el movimiento mecánico. ¿Allí no se requiere a ninguna asamblea.?

¿Esta técnica particular es nueva, pero los principios de base están exactamente iguales que en la fabricación de MEMS, proporcionando las ventajas del bajo costo, producción en masa, oblea-escalan la fabricación de la hornada, y la integración con el metal complementario? ¿óxido? trazado de circuito del semiconductor (Cmos). No obstante ningún software comercial ha adoptado esta técnica particular, Chiao y su equipo tuvieron que trabajar de las capas de 2.os dibujos, visualizando lo que parecería en el mundo 3D.

¿? ¿WinMEMS ha desarrollado los dispositivos usados para las puntas de prueba del circuito integrado que han exhibido robustez, poseyendo a la elasticidad mecánica en la aleación? dice Chiao. ¿? ¿No se ha demostrado generalmente estadístico que puede ser utilizado durante un largo periodo de tiempo en vista de los campos de MEMS, de modo que sea lo que ahora nos estamos enfocando encendido.?

Investigue que nunca se ha hecho antes

Chiao y su equipo hicieron frente a varios desafíos al diseñar los micro-molinoes de viento, no obstante los ven como oportunidades de la investigación. ¿Primero, la idea proviene la investigación sobre algo que nunca se ha hecho antes? ningunos estándares a considerar, o diseños anteriores a referirse.

De una perspectiva del diseño, este proceso es nuevo a los ingenieros de MEMS, tan no hay herramientas del diseño o de la simulación a ayudar con el proceso de la fabricación. Los micro-molinoes de viento también implican diseño eléctrico y mecánico, así que el equipo tuvo que crear una nueva herramienta de modelado que incorporaría ambos.

¿? ¿El segundo desafío principal es la física dentro de las estructuras micro de la escala, el conocimiento que tenemos en los molinoes de viento grandes nos aplicamos directamente a lo que nosotros? el re intentar hacer. ¿Por ejemplo, en molinoes de viento más grandes, nosotros wouldn? cuidado de t demasiado sobre el polvo.

¿Sin embargo, en un micro-molino de viento, el polvo podía arruinar las piezas más pequeñas? dice Chiao. ¿? ¿La deformación de láminas de la presión en molinoes de viento más grandes es también mucho diferente en micro-molinoes de viento, así que necesitamos encontrar soluciones a estos tipos de ediciones.?

El tercer desafío que las caras del equipo son uso. Chiao cree que la investigación permitirá las ideas para muchos diversos usos en los sensores sin hilos para el Internet de cosas, porque los sensores se pueden colocar en las posiciones remotas que comunican con la nube con energía independiente económicamente. ¿? ¿Si inventamos apenas una cosa para un uso particular, entonces eso? ¿s no una inversión muy buena de nuestra investigación en la universidad? dice Chiao.

Otros desafíos implican a los investigadores que piensan en ediciones que no considerarían normalmente, por ejemplo la producción en masa y el coste. Chiao demanda que el equipo no está solucionando estas ediciones particulares en una manera tradicional.

¿? Tradicionalmente, las ediciones del coste serían solucionadas mirando los detalles en los procesos de fabricación. ¿Ponemos? ¿t sabe realmente cuáles serán los procesos de fabricación para estos tipos de dispositivos en el futuro, nosotros ejecuta tan arquitecturas del dispositivo con solamente la fabricación masa-presentable de la hornada en las partes frontales.? Por ejemplo, el equipo está intentando mantener el diseño simple mientras que mantiene un nivel de funcionamiento óptimo, que presenta otro más obstáculo.

En un diseño convencional de un molino de viento, la bisagra es una pequeña porción porque la lámina toma la mayor parte de el espacio. En la microescala, la lámina tiene que ser pequeña, que significa que la bisagra necesita ser incluso más pequeña. Cuando el molino de viento obra recíprocamente con el viento, hay ruina, polvo, y humedad en el aire.

La humedad puede crear el stiction, que es cuando las moléculas de agua comienzan a convertirse en pegamento, atando los materiales juntos. Esto se puede resolver con una cierta clase de lubricante, pero según Chiao, el lubricante para los dispositivos del metal MEMS podría ser totalmente diferente de qué se está utilizando en los más grandes.

Potencial comercial

¿Chiao? el equipo de s anticipa mucho potencial comercial para su idea, incluyendo una plataforma de carga para la energía que cosecha para proporcionar energía en áreas que no está disponible. También creen que podría ser utilizada para accionar los sensores sin hilos en los sistemas de vigilancia para los puentes, las carreteras, y los edificios.

¿? Ahora los Estados Unidos están haciendo frente a un problema de la infraestructura, y una estructura requiere ciento o más sensores supervisar los aspectos medioambientales. ¿Él? ¿s no una buena idea de enviar alguien una vez al año para substituir todas las baterías dentro de todos los sensores? dice Chiao. ¿? Este micro-molino de viento, energía que cosecha la plataforma haría el sensor a más independiente de la energía permitiendo que funcione continuamente. Esto es también un enabler para los sensores sin hilos usados para el Internet de cosas. ¿Imagínese millones de sensores sin hilos que se puedan colocar independientemente en posiciones remotas, alrededor de ciudades, y alrededor de nosotros para comunicar con la nube así que podemos determinar rápidamente los ambientes, los panoramas del desastre, o la salud de la infraestructura consiguiendo un cuadro más completo de una red de datos grande.?

Desde su aviso, Chiao ha recibido muchas respuestas para los usos potenciales. Varias compañías se han acercado a ellos con ideas, e incluso han ganado el reconocimiento internacional de Alemania, de Taiwán, y de Corea.

¿? ¿La idea se puede también aplicar a diversas industrias, tales como computadoras, electrónica portable, sensores, y automotor? dice Chiao. ¿? ¿La gente ve el potencial y tiene gusto de saber más.?

Según Chiao, su meta es intentar y establecer una plataforma que inspire interés por todas partes.