Die Miniaturisierung von Luftdüsen
Synthetische Düsenantriebe (SJA) sind Mikrofluidsysteme, die künstliche Luftströme erzeugen. Sie sind einfach konstruiert und bestehen aus einem Hohlraum mit einer Membran an einem Ende und einem kleinen Loch am anderen Ende. Die Membran wird in Schwingung versetzt, drückt oder zieht Flüssigkeit durch die Öffnung und generiert einen starken Wirbel. SJA wurden umfassend für den Einsatz als aktive Luftstromregler in Flugzeugen untersucht, um den Auftrieb zu erhöhen und Lärm zu verringern. Forscher liefen das EU-finanzierte Projekt "Micro synthetic jet actuator manufacturing" (MSAM) ins Leben, um das SJA-Konzept auf der Basis der Silizium-Wafer-Technologie in ein Mikro-SJA-Konzept zu verwandeln. Dadurch wird die Austrittsgeschwindigkeit erhöht und das Gesamtgewicht reduziert. Forscher optimierten die beiden Teilsysteme: den piezoelektrischen Wandler – ein elektromechanisches Mikrosystem (MEMS), das die Strömung und die allgemeine Geometrie des Hohlraums generiert – und die Austrittsdüse, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, indem man Modelle schafft und Simulationen auf Basis des Verfahrens konzentrierter Elemente (LEM) durchzuführen. Der Hohlraum und die Scheidewand wurden mikromechanisch bearbeitet und zu Wafern zusammengefügt, um den Antrieb zu bilden. Das piezoelektrische Keramikelement wurde dann mithilfe eines neuartigen Bindungsverfahrens in die mikromechanisch bearbeitete dünne Siliziummembran eingefügt, wodurch die Übertragung der Deflexion bei minimalen Verlusten möglich ist. Die Charakterisierung zeigte, dass die Mikro-SJA erhöhte Austrittsgeschwindigkeiten entwickeln können, wodurch ihre Verwendung zur aktiven Strömungskontrolle bestätigt wird. Die Wissenschaftler von MSAM konnten mit Erfolg Mikro-SJA entwerfen, herstellen und testen, indem sie piezoelektrische Keramik- und Siliziumsubstrate verwendeten. Die Ergebnisse der Geschwindigkeitstests bestätigten das Konstruktionskonzept für die mikrotechnologisch bearbeiteten SJA sowie das Herstellverfahren für Silizium-Wafer und die wirksame Verbindung der Systemkomponenten. Das Projekt hat auch wertvolle Tools zur Modellbildung von Mikro-SJA geliefert, die es zuvor nicht gegeben hat. Insgesamt wird erwartet, dass die Technologien und Tools, die im Projekt entwickelt wurden, den Weg für eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten für piezoelektrische Keramik und MEMS-Technologien auf Gebieten wie das der akustischen und optischen Mikrosysteme und Bewegungssensoren ebnen werden.
