Formgedächtnis-Mikroventile mit hoher Energiedichte

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung von
Formgedächtnis-Mikroventilen und daraus aufgebauter
Durchflussregler für mikrofluidische Anwendungen. Ein erklärtes
Ziel war die Bereitstellung einer hohen Energiedichte, um
möglichst kompakte Bauelemente mit großem Arbeitsvermögen zu
realisieren. Von den bekannten Energiewandlungsprinzipien zeigt
der Formgedächtnis- (FG-) Effekt die höchste Energiedichte.
Daher liegt der Schwerpunkt der Arbeit in der Entwicklung
mikrosystemtechnischer Lösungen zur Strukturierung,
Kontaktierung und Integration verfügbarer Folien und
Dünnschichten aus Formgedächtnislegierungen (FGL).
Zur Mikrostrukturierung von FGL-Dünnschichten wurde in dieser
Arbeit ein neuartiges nasschemisches Photoätzverfahren
entwickelt. Dabei wurde eine zusätzliche chemisch inerte, jedoch
selektiv ätzbare Schutzschicht, die gleichzeitig als Ätzmaske
dient, eingeführt. Das Verfahren erlaubt eine kostengünstige
parallele Herstellung sehr empfindlicher, dünner Mikrostrukturen
mit hoher Ausbeute bis zu 100%. Die Anwendung wurde sowohl an
Legierungen basierend auf NiTi (NiTi, NiTiPd, NiTiCu, ...) als
auch an NiMnGa-Legierungen demonstriert.
... mehrVerschiedene elektrische Kontaktierungsverfahren für den
FGL-Mikroaktor wurden hinsichtlich Verlustleistung und
Zuverlässigkeit untersucht. Für den hier verwendeten
FGL-Mikroaktor hat sich das Laserschweißen bewährt. Für den
mechanischen Aufbau der auf thermoplastischen Polymeren
bestehenden Gehäuse, den FGL-Mikroaktor und andere Komponenten
wurden die Klebetechniken wie Kapillarkleben und
Stempelverfahren eingesetzt.
Die in dieser Arbeit entwickelten FGL-Mikroventile sind für den
Betrieb mit Gas und mit Flüssigkeit geeignet. Für verschiedene
Temperaturbereiche wurden zwei unterschiedliche Lösungen
entwickelt. Für Raumtemperaturbetrieb wurde eine NiTi-Folie und
für den Betrieb über 100°C eine NiTiPd-Dünnschicht eingesetzt.
Das NiTi-Mikroventil kann bis zu einer maximalen Druckdifferenz
von 400 kPa mit einer Leistung von 75 mW mit Gas betrieben
werden. Für den Betrieb mit Wasser betragen die maximale
Druckdifferenz und die benötige Leistung ca. 300 kPa bzw. 75 mW.
Die maximale Schaltfrequenz ist ca. 15 Hz. Durch den Einsatz von
NiTiPd wurde der Anwendungstemperaturbereich des
FGL-Mikroventils erstmalig bis 120 °C erweitert. Dabei wird eine
maximale Schaltfrequenz von 30 Hz erreicht.
Um einen Durchfluss-Regler zu realisieren, wurde das
FGL-Mikroventil sowohl modular als auch durch Hybridintegration
mit einem Durchflusssensor kombiniert. Für die modulare Lösung
wurde ein neuartiges, aus drei Funktionsebenen bestehendes
Konzept entwickelt. Auf diese Weise kann eine große Flexibilität
des Systemdesigns erreicht werden. Das hybrid integrierte System
erlaubt eine weitere Verringerung des Totvolumens und eine
Verbesserung der dynamischen Ansprechzeit. Mit einer PI-Regelung
zeigt der Durchfluß-Regler im Bereich von 10 % bis 90 % des
maximalen Durchflusses eine maximale Steuerabweichung von ca. 6
%. Die entsprechende Zeitkonstante beträgt ca. 200 ms.

Shape Memory – Microvalve with High Energy Density

Abstract

The work described here focused on the development of shape
memory microvalves and a microfluidic controller based on them.
It was the defined objective to reach a high energy density and
to obtain compact components with a large work output. Among the
known energy conversion principles, the shape memory effect
produces the highest energy density. Hence, development
concentrated on finding microsystems technology solutions for
micromachining, contacting, and integration of foils and thin
films made of shape memory alloys (SMA).
For micromachining of SMA thin films, a novel, wet-chemical
photoetching method was developed. This method is based on the
introduction of an additional, chemically inert, but selectively
etchable protective layer that also serves as an etching mask.
This allows for the inexpensive, parallel production of highly
sensitive, thin microstructures with high yields of up to 100%.
Application was demonstrated for alloys based on TiNi (TiNi,
TiNiPd, TiNiCu, …) and for NiMnGa alloys.
Various electrical contacting methods for the SMA microactuator
were studied with respect to power loss and reliability. For the
SMA microactuator used here, laser welding proved to be a
suitable method. To mechanically assemble the housings made of
thermoplastic polymers, the SMA microactuator, and other
components, adhesive bonding techniques, e.g. capillary bonding
and stamping, were applied.
The SMA microvalves developed are suited for operation with gas
and liquids. Two different solutions were conceived for
different temperature ranges. For operation at room temperature,
a TiNi foil was designed. For operation at temperatures in
excess of 100°C, a TiNiPd thin film was employed. The TiNi
microvalve can be operated with gas up to a maximum pressure
difference of 400 kPa at a power of 75 mW. For operation with
water, the maximum pressure difference and power requirement are
about 300 kPa and 75 mW, respectively. Maximum operation
frequency is about 15 Hz. Use of TiNiPd allowed an extension of
the temperature range of the SMA microvalve up to 120°C for the
first time. In this case, a maximum operation frequency of 30 Hz
is reached.
To produce a microfluidic controller, the SMA microvalve was
combined with a flow sensor in a modular manner or by hybrid
integration. The modular solution is based on a novel concept,
consisting of three functional layers. In this way, a high
flexibility in the design of microfluidic system is achieved.
Hybrid integration allows for a further reduction of the dead
volume and an improvement of dynamic response time. In the range
of 10 to 90% of maximum flow, these microfluidic controller
equipped with a proportional integral (PI) control has a maximum
control tolerance of about 6%. The corresponding time constant
is about 200 ms.