Click here to load reader

Macheta XII - Raport NUCLEU 2012 ICPE-CA

  • View
    219

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Macheta XII - Raport NUCLEU 2012 ICPE-CA

  • 1

    MACHETA nr. XII Contractor : INCDIE ICPE-CA Cod fiscal : RO 13827850

    Raport anual de activitate privind desfurarea programului nucleu

    Inginerie electrica pentru societate /INGENIOS Cod 35N

    Anul 2012

    Durata programului: 4 ani Data nceperii: 2009 Data finalizrii: 2012 1. Scopul programului: Cercetari aplicative pentru dezvoltarea de sisteme, echipamente,dispozitive, materiale aplicabile in ingineria electrica, energetica, sanatate si mediu 2. Modul de derulare al programului:

    2.1. Descrierea activitilor (utiliznd i informaiile din rapoartele de faz,macheta VIII): Obiectiv 1: Produse si materiale avansate pentru ingineria electrica Nr.tema

    Descrierea activitatilor

    PN 35-01-01

    n cadrul temei au fost continuate cercetri care se nscriu n tematica general a proiectului: de componente si sisteme microelectromecanice MEMS realizate prin tehnologii specifice, cu aplicabilitate n medicin, microfluidic si inginerie electric. Faza 1.Microcomponentele electromecanice au fost realizate modele experimentale de actuatori n domeniul 0,1mN2N, cu tensiuni electrice ntre 5 1000Vcc, un senzor de fort n domeniul 10cN..5N si un microgenerator tip harvesting cu: 02 V efectiv si 050V vrf la vrf (in regim de impuls mecanic) si microputere generat 5W...2mW. Structura utilizat att ca actuator ct si ca senzor si microgenerator tip harvesting este cu membrane de elastomer situate ntre doi electrozi rigizi pentru excitarea n cmp electric. n Fig.1 este prezentat un senzor de forta (tractiune) care are performante si ca microgenerator harvesting. Au fost realizate standuri pentru experimentarea actuatorilor, senzorilor si microgeneratoarelor tip harvesting, initiindu-se si noi metode de msur si experimentare.

    Fig.1 Structura senzorului de tractiune (fort).

    n ceea ce priveste proiectarea si realizarea unui model experimental-functional de traductor piezoelectric au fost realizate mai multe tipuri de traductoare ce au fost folosite la realizarea de dispozitive piezoelectrice pentru msurarea vscozittii fluidelor si anume: traductor piezoelectric bazat pe principiul modificrii frecventei de operare la imersarea n fluid (fig.2.a); celul cu dou traductoare de emisie si receptie situate pe fetele opuse (fig. 2.b) si dispozitiv cu dou traductoare emisie receptie situate la o distanta fix ce se imerseaz n lichid (fig. 2.c). Traductorul piezoelectric de form cilindric se bazeaz pe elemente ceramice piezoelectrice de tip

  • 2

    titanat zirconat de plumb dopat cu niobiu, PZT-Nb cu fete metalice realizate n institut. Pe una din fete a fost atasat o lamel metalic cu rol de rezonator, pentru mrirea sensibilittii traductorului, a fortei de vibratie si totodat pentru schimbarea frecventei de lucru a traductorului.

    Fig. 2. Dispozitive piezoelectrice de masurare a vascozitatii fluidelor

    Pentru stabilirea caracteristicilor electrice ale dispozitivelor piezoelectrice de msurare a

    vascozittilor fluidelor, (fluide cu vscozitti apropiate) au fost experimentate mai multe tipuri de materiale piezoelectrice. Astfel s-au folosit elemente piezoceramice de tip zirconat titanat de plumb dopat cu frit de germaniu, notat PZTF, (provenient INCDIE ICPE-CA), elemente piezoceramice achizitionate din comert, elemente ceramice - tot pe baza de PZT - dar dopat cu niobiu (provenient INCDIE ICPE-CA). Un exemplu pentru frecventele de rezonant determinate este prezentat n fig. 3.

    35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 700000.0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1.0

    1.2

    1.4 aer 50% apa+50% glicerina glicerina apa

    Adm

    itant

    a Y[

    S]

    Frecventa [kHz]

    Fig. 3. Frecventa de rezonant a traductorului cu element ceramic PZT- Nb. Traductoarele realizate sunt utilizate pentru determinarea vscozittii cinematice a fluidelor de diverse tipuri, dar principalul avantaj este c pot decela fluide cu vzcozitti apropiate. Faza 2. Microsenzorii de presiune piezoelectrici au fost finalizate un algoritm de calcul si proiectarea pentru microsenzorii de tip embedded ce includ conceptie, schem functional, breviar de calcul, scheme echivalente, determinri de coeficienti, ecuatia functional a microsenzorului piezoelectric. Au fost realizati la nivel de model experimental (n dou variante dimensionale) microsenzori pentru evaluarea motilittii membrului superior si structuri de matrici pe baz de microsenzori piezoelectrici sau de tip elastomeric la nivel experimental pentru evaluarea membrelor inferioare. S-a realizat o mnus de evaluare medicala (Fig. 4) si au fost realizate experimente specifice caracterizrii tehnice cum ar fi: coeficienti de elasticitate sau de amortizare, caracteristici de microdeplasare versus forta aplicat, reactante capacitive si impedante echivalente, metode dinamice de tarare a microsenzorilor piezoelectrici.

  • 3

    Fig. 4 Mnus cu matrici de microsenzori pentru evaluare medicala.

    Au avut loc experimente specifice pentru aplicatiile din cadrul domeniului de evaluare dupa procedurile de reabilitare medical sau a monitorizarii proceselor din antrenamentul sportiv: experimente privind compresiuni periodice sau aperiodice ale degetelor de la mn, stabilitatea postural pe membrele inferioare (cu ajutorul matricii de microsenzori), studiul contactului piciorului n cadrul mersului, analiza solicitrii succesive si n regim singular al presiunii de contact de scurt si lung durat a degetelor, studiul flexiei degetelor si al prinderii unei mingi. n ceea ce priveste cipurile de captare microfluidic s-au realizat calculul, conceptia si desenele de executie pentru cipurile de captare microfluidice tip laborator pe un chip, destinate separarii celulelor si/sau microorganismelor de acelasi tip, din sisteme complexe. S-au calculat si proiectat dou cipuri de captare, unul destinat captrii si separrii eritrocitelor de limfocitele din sngele uman, iar cellalt destinat separrii algelor din apa marin (Fig. 5).

    Fig. 5 Microcip de separare alge marine

    Principiul de separare folosit a fost cel pe baza mrimii particulelor iar metoda aleas a fost cea a deplasrii lateral deterministe, folosind matrici cu piloni verticali si curgere laminar. Pentru separarea eritrocitelor de limfocitele din sngele uman (diametrul eritrocitelor 5-7 m iar diametrul leucocitelor 7-20 m) s-a folosit o singur matrice cu diametrul critic de separare 7,12 m iar pentru separarea algelor din apa marin s-au folosit dou matrici de separare, n conformitate cu mrimea fiecrui tip de alge (diametrul 2 -3 m pentru aureococcus anophagefferens, 3 -6 m pentru chlorella stigmatophora, 10-15 m pentru heterosigma akashivo si 10 -15 m pentru chlamydomonas), cu diametrul critic de separat 3 m respectiv 8 m. Cderea maxim de presiune pe circuitul microfluidic a fost de 5232,61 Pa. Pentru actionare s-a proiectat o micropomp cu actionare electromagnetic (bazat pe interactiunea dintre o bobin plan si un micromagnet permanent). Desenele de executie si simulrile mecanice (Fig. 6) s-au realizat cu ajutorul programului SOLIDWORKS 2009.

  • 4

    (a) Volumul teoretic de fluid dislocat, pentru h = 0,2 mm, r=4mm si R=10 mm

    (b) Deformarea membranei din camera micropompei

    Fig. 6 Simulri realizate cu programul SOLIDWORKS 2009 Faza 3.Pentru realizarea unui microdispozitiv termoelectric au fost utilizate materiale ceramice semiconductoare de tipul Ca0,9La0,1MnO3 si Ca3Co4O9. Aceste materiale au fost sintetizate prin metoda sol gel si au fost procesate prin sinterizare prin presare isostatica n HIP sub forma unor comprimate cilindrice cu diametrul =4mm si nltime h=2mm n cadrul institutului. Plecndu-se de la aceste materiale au fost realizate dou microdispozitive termoelectrice cu un singur modul respectiv cu dou module termoelectrice (1 modul=2 termoelemente). Stadiile de realizare ale microdispozitivului cu dou module termoelectrice sunt prezentate n figura 7.

    a) b) c) Figura 7. Microdispozitiv termoelectric cu un doua module: a) desen 3D , b) placa-suport cu pastile montate, c) pastile conectate cu ajutoul unor trasee realizate cu pasta comductoare cu Ag si fire de legatura Modelele de microdispozitive au fost testate. Au fost comparate rezultatele proiectrii cu rezultatele obtinute n urma testrii microdispozitivului cu dou module si s-au obtinut rezultate care confirm algoritmul de proiectare. Ca aplicatie pentru microdispozitivul de conversie termoelectric a fost proiectat si realizat un echipament adaptor pentru voltmetre care permite msurarea diferentei de temperatur ntre fetele functionale ale microdispozitivului termoelectric. S-a proiectat si executat un model experimental de element de conversie microelectromecanic (microdispozitiv) i al echipamentului aferent, care in banda de frecvent 10-11000 Hz, asigur un semnal electric de tensiune, de max.10 V. Soluia constructiv aleas a fost realizarea unui senzor piezoelectric de compresie cu dou elemente PZT inelare. Echipamentul de conversie a fost conceput ca un adaptor de semnal pentru senzor, care s furnizeze la ieire semnal unificat, denumit unificator de semnal.

  • 5

    Senzorul piezoelectric realizat denumit MCMEM-00 este prezentat n figura 8.

    Fig. 8 Senzor piezoelectric model functional S-a realizat un amplificator de sarcin i un amplificator de condiionare semnal ncorporat ntr-o carcasa ecranata cu capac detasabil.

    Fig. 9 Unificatorul de semnal model functional amplificator de sarcin, amplificator de condiionare semnal si surs alimentare (+/-12Vcc).

    PN 35-01-02

    Realizarea activitatilor in cadrul proiectului a fost impartita in doua parti si anume: Partea I a proiectului consta in realizarea de magneti