Diseño y realización de una válvula de alta presión en silicio usando tecnología MEMS.

• Autores: Antonio Luque Estepa
• Directores de la Tesis: José Manuel Quero Reboul (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2005
• Idioma: español
• Número de páginas: 172
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  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen

  • El objetivo de la investigación realizada es el estudio de las necesidades actuales en los sistemas microfluidicos en cuanto al control del paso de fluidos. A partir de este estudio, se han analizado los procesos de fabricación de dispositivos de pequeño tamaño, con especial énfasis en las tecnologías de microsistemas y su fabricación en sala blanca. También se han estudiado los métodos de actuación para el control de fluidos, y con todo este conocimiento se ha diseñado y construido una microválvula de silicio para el control de fluidos a alta presión.

    El capítulo 1 describe por qué tal dispositivo es útil, y cuáles son sus aplicaciones más directas. También se mencionan cuáles deben ser los requisitos que debe cumplir para poder ser de utilidad.

    A continuación, en el capítulo 2 se describe el estado del arte, tanto en microválvulas, como en las técnicas de fabricación de microsistemas, que son las que se van a utilizar para llevar a cabo la investigación. El capítulo empieza explicando qué son los microsistemas, y cuáles son los procesos de fabricación más extendidos, con un especial énfasis en los que se van a usar en la investigación. Después se hace un breve repaso a las leyes de la mecánica de fluidos, y a su escalado a las dimensiones de las micras, ya que serán necesarias para el diseño y el modelado matemático del dispositivo. Por último, se presenta un compendio de las microválvulas diseñadas previamente por otros investigadores, con el objeto de situar al lector frente al panorama actual de tales dispositivos, y que se puedan apreciar las diferencias y ventajas del diseño de esta investigación frente a otros diseños previos. El capítulo termina con una comparación cuantitativa entre las válvulas descritas.

    Partiendo del estado del arte estudiado, se concibió una nueva estructura para construir una microválvula. El capítulo 3 empieza presentando el principio básico de funcionamiento de dicha microválvula, objeto de esta investigación, para luego describir la estructura física que se plantea para conseguir el objetivo buscado, junto con su geometría. Asimismo, introduce la notación sobre las dimensiones del dispositivo, que se usará en el resto del documento. Una vez presentada la forma y sus dimensiones, la sección 3.5 describe el modelo matemático del funcionamiento, basándose en gran parte en las leyes microfluidicas introducidas en el capítulo 2. Como se verá, es necesario también realizar simulaciones numéricas del comportamiento de la microválvula, que se describen en la última sección del capítulo.

    En el capítulo 3, a pesar de estar dedicado al diseño y modelado, se introducen conceptos relativos a la fabricación, como los materiales a usar, o las limitaciones en las dimensiones. Y en el capítulo 4, dedicado a la fabricación, se vuelven a mencionar conceptos de funcionamiento, ahora desde la óptica de su fabricación.

    El capítulo 4 describe el proceso de fabricación de la microválvula en una sala blanca. La fabricación fue realizada por el investigador durante una estancia en la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). A lo largo del capítulo se incluyen imágenes de las distintas etapas de fabricación, y las medidas intermedias realizadas para asegurar que el procedimiento era correcto.

    Las pruebas del dispositivo fabricado según el proceso del capítulo 4 se describen en el capítulo 5. El capítulo empieza describiendo el montaje experimental que se instaló para caracterizar la microválvula, e inmediatamente después se incluyen los resultados experimentales obtenidos. Estos resultados experimentales son analizados para extraer conclusiones, sobre todo desde el punto de vista de una serie de hipótesis que se realizaron en el capítulo 3 para obtener el modelo matemático. En el capítulo 5 se confirma la validez de estas hipótesis. Por último, se comparan los resultados obtenidos experimentalmente con los obtenidos mediante simulación, y se observa una buena correlación.

    Para finalizar, el capítulo 6 presenta las conclusiones de esta investigación, destacando las aportaciones originales de la misma. Entre estas aportaciones se encuentran la topología de la microválvula, el proceso de fabricación, o la eliminación del pegado. También se mencionan las posibles mejoras que podrían aplicarse al dispositivo, y las futuras líneas de investigación que se plantean en el campo de los microsistemas aplicados al procesamiento de fluidos.

    Después del capítulo 6, se incluyen tres apéndices. El primero (apéndice A) presenta la planificación del proceso de fabricación de la microválvula en la sala blanca (también llamada runcard). El apéndice B enumera todos los símbolos usados en las expresiones matemáticas a lo largo del texto, así como sus unidades respectivas en el sistema internacional, y los valores de las constantes físicas más útiles para la creación de sistemas microfluidicos. Por último relaciona las propiedades de los materiales que se usan en la fabricación de la microválvula. En el apéndice C se introduce un sistema de unidades muy útil a la hora de trabajar con microsistemas. Se trata del sistema uMKSV, que es idéntico al Sistema Internacional de Unidades, excepto en que la unidad base de longitud es la micra (um), en lugar del metro.