ME552 SEMINARIO DE TERMOFLUIDOS Juan Carlos Celis. Jorge Coronado.

Kenneth S. Breuer Brown University, Providence RI, USA. “DESIGN, FABRICATION AND PERFORMANCE OF MEMS ACTUATORS FOR FLOW CONTROL” Kenneth S. Breuer Brown University, Providence RI, USA.

1. Topics Opciones y tipos de Actuadores de flujo Termales Superficie en Movimiento - Inyección de Momentum Electrodinamicos

Tecnología utilizada y en desarrollo para control de flujos. MEMS - Costo (alto desarrollo tecnológico en variadas industrias, costos optimizados y mejor performance). - Paralelismo (mantener condiciones de borde entre tramos)

2. Consideraciones generales para el diseño de los Actuadores Bajar el efecto parasitario del Actuador sobre el flujo. Performance de los MEMS.

En el caso de turbulencia: Requerimientos mas duros Para Reynolds alto Tamaño del Actuador ~ 10 µm. Frecuencia ~ 10-100 KHz. Para Reynolds bajo Tamaño del Actuador ~ 500 µm. Frecuencia ~ 1 KHz.

Actuadores Térmicos Funcionamiento: Inyección de calor a travéz de la superficie de contacto. Efectos - En gases Fuerza Buoyant (variación en la densidad). - En líquidos Fuerza producida por la disminución de la viscosidad del fluido

Actuadores Térmicos Existen Perdidas por Radiación y Conducción desde la membrana circular, minimizadas con las dimensiones de esta ultima BREUER: - Minimizar el espesor es mas importante. - El largo esta acotado por la presión Atm.

Actuadores Térmicos Inconvenientes: - Bajo Nivel de actuación. - Alto Consumo de Energía. Consecuencias: - Uso y Optimización no han sido masivos

Actuadores de superficie en Movimiento Funcionamiento: Movimiento de una superficie por debajo del fluido debido a la acción de una fuerza. Actuadores desarrollados: - BREUER (1989): Aire comprimido Cavidades cubiertas por membranas, accionada por aire comprimido, es posible apertura secuencial. ONDA VIAJERA - Problemas en la construcción de los sistemas de cañería a presión

Actuadores de Superficie en Movimiento TSAO ( 1994) +Cambia su orientación en 100μm. -Doblamientos debidos a stress residual y/o calentamiento. - Gran cantidad de energía para su accionamiento.

Actuadores de Superficie en Movimiento LIU (1995) YANG (1997) Se infla el globo por medio de una presión externa, lo infla la ebullición del fluido. + Deflexión de 670 μm. - Gran Cantidad de energía para el accionamiento.

Actuadores Electrodinámicos Funcionamiento: Movimiento de iones inducidos por la interacción entre campo eléctrico y/o magnético. Tipos: - Plasma Debil. Y Fuerza de Lorentz (el movimiento de los iones impulsa al gas neutro) V = 1 m/s Corke & Matlis V = 2 m/s

Actuadores Electrodinámicos Plasma débil (Glow-Discharge) Esquemas Sección Transversal

Actuadores Electromagnéticos Plasma débil (Glow-Discharge) Ventajas: - No posee partes móviles. - Microfabricados. Desventajas: - El sistema requiere altos Voltajes. - Equipos electrónicos requeridos de elevado costo. - Perdidas de energía, por calentamiento del fluido, que implica un efecto termal a elevado costo

Actuadores Electromagnéticos Lorentz Force Actuators Funcionamiento: Se genera una fuerza en el fluido al hacer interactuar un campo magnético con un campo eléctrico, debido a la fuerza de LORENTZ.

Actuadores Electromagnéticos Lorentz Force Actuators Esquema:

Actuadores Electromagnéticos Lorentz Force Actuators Ventajas: - No posee partes móviles. - Microfabricados. Inconvenientes: - Corrosión del electrodo. - Formación de Burbujas.

Actuadores de Jet Sintetico Funcionamiento: Inyección de Flujo a través de la comprensión de la cavidad por la membrana. Efectos - Desde una amplitud mínima se forma una onda acústica (presión). - Desde una amplitud máxima se forma un vortice en los bordes del orificio.

Actuadores de Jet Sintético Diseño Flujos en la cavidad y en la salida del orifio. Mecánicos (geometría y membrana de polímero)

Actuadores de Jet Sintético Frecuencia Natural E = Modulo. vp = Razón de Poison. Ma = Densidad de la Membrana. D = Diámetro de la Membrana. t = Espero de la Membrana.

Actuadores de Jet Sintético Fabricación (Coe) Etching anistropico al wafer de silicio. Relleno de Níquel. Recubrimiento (membrana polimera). Etching anistropico y deposito de un electrodo de aluminio.

Actuadores de Jet Sintético Fabricación (Rathnasingham) Remoción del material por etching iónico reactivo (Drie). Bloque de Membrana y Silicio sobre Aislante. Etching de la membrana y deposito de electrodos (actuador térmico).

Actuadores de Jet Sintético Fabricación (Rathnasingham)