In der Mikrosystemtechnik kommen bei der Entwicklung von Aktoren eine Vielzahl von Energiewandlungsprinzipien für Antriebselemente zum Einsatz. Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Auswahl des Antriebes ist ein möglichst hohes spezifisches Arbeitsvermögen, da hierdurch kompakte und leistungsstarke Aktoren realisierbar sind. Der bei einigen metallischen Legierungen auftretende Formgedächtniseffekt (FG-Effekt) ist für die Mikrosystemtechnik besonders interessant, da er das höchste spezifische Arbeitsvermögen aller Aktorprinzipien aufweist. Trotz dieses großen Vorteils stand zu Beginn dieser Arbeit die Nutzung des FG-Effektes in der Mikrosystemtechnik erst am Anfang. Es gab nur wenige Lösungsansätze sowie Prototypen mit Mikrobauteilen aus FG-Legierungen (FGL).

In der vorliegenden Arbeit werden erstmals FGL-Mikrobauteile mit spannungsoptimierter Geometrie entworfen, durch Mikrostrukturierung aus kaltgewalzter Folie und gesputtertem Film hergestellt und mit strukturierten Kunststoffkomponenten kombiniert. Neben der Auslegung der FGL-Antriebe werden geeignete Aufbau- und Verbindungstechniken für die FGL-Aktoren untersucht.

Zur Aktorentwicklung werden drei verschiedene FG-Legierungen eingesetzt, die zum Teil in Zusammenarbeit mit den Herstellern entwickelt werden: Kaltgewalzte Folien aus NiTi-50,3 at.% mit einer Ausgangsdicke von 157 µm, NiTi-50 at.% mit einer Dicke von 100 µm, sowie gesputterte NiTi-Filme mit einer Dicke von 8µm. Die thermischen und mechanischen Kenngrößen der Legierungen werden untersucht, dabei werden sie auf ihre Eignung in der Mikrosystemtechnik hin überprüft. Zur Mikrostrukturierung der Halbzeuge werden in Kooperationen mit anderen Forschungsinstituten das Laserschneiden und das elektrolytische Photoätzen weiterentwickelt.

Mikroventile mit gewalzter Folie werden als Demonstratoren zum Nachweis der Einsatzmöglichkeiten derartiger Mikroaktoren hergestellt und charakterisiert. Mit einem Membrandurchmesser von 4 mm können sie bis zu einer Druckdifferenz von 4000 hPa schließen. Der Druck von 4000 hPa entspricht hier einer Ventilschließkraft von 300 mN, die vom FGL-Bauteil aufgebracht wird. Neben den fluidischen Eigenschaften wird anhand der Schließ- und Öffnungszeiten, die etwa 0,5 - 2 s betragen, das dynamischen Verhalten der Ventile untersucht.

Mikrostrukturierte FGL-Bauteile aus gesputterten FGL-Filmen werden ebenfalls mit strukturierten Kunststoffkomponenten kombiniert. Hierfür wird ein Gold-Opferschicht-Verfahren für die Herstellung strukturierter, gesputterter FGL-Filme entwickelt. Die Verwendung eines Prozeßsubstrates mit anschließender Abhebetechnik ermöglicht erst die notwendige Wärmebehandlung der Filme, ohne dabei in der Auswahl des Aktorsubstrates auf thermisch stabile Materialien angewiesen zu sein. Mit einem Membranaktor, der aus einer PMMA-Grundplatte, einer Polyimidmembran mit 2 mm Durchmesser und dem FGL-Bauteil besteht, wird die technische Realisierbarkeit des Verfahren belegt.

Für die Herstellung der Aktoren werden etablierte Techniken und Verfahren der Mikrostrukturierungs-, Aufbau- und Verbindungstechnik eingesetzt. Damit wird die Kompatibilität der zur Realisierung von FGL-Aktoren eingesetzten Techniken zur Mikrosystemtechnik demonstriert.

Abstract

A large variety of energy conversion principles for driving elements are employed in the development of actuators in microsystems technology. One important aspect to be borne in mind in selecting a drive is the highest possible specific work capacity, as this allows compact and powerful actuators to be achieved. The shape memory effect (SM effect) found in some metal alloys is of particular interest in microsystems technology, as it offers the highest specific work capacity of all actuator principles. Despite this huge advantage, the use of the SM effect in microsystems technology was still in its infancy at the beginning of this work. There were very few design approaches and prototypes with microcomponents made of SM alloys (SMA).

The work described in this paper for the first time deals with the production of SMA microcomponents with stress-optimized geometries by microstructuring out of a cold rolled foil and a sputtered film, and a combination with structured plastics components. In addition to the design of SMA drives, also suitable buildup and joining techniques for the SMA actuators are examined.

Microvalves with a rolled foil are produced and characterized to demonstrate the possible uses of such microactuators. With a membrane diameter of 4 mm they can close up to a differential pressure of 4000 hPa. The pressure of 4000 hPa in this case corresponds to a closing force of a valve of 300 mN raised by the SMA component. On the basis of the closing and opening times, which are approx. 0.5 - 2 s, the dynamic behavior of the valves is examined in addition to the fluidic characteristics.

Microstructured SMA components made of sputtered SMA films are also combined with structured plastics components. For this purpose, a gold sacrificial layer technique is developed for making structured sputtered SMA films. The use of a process substrate followed by a membrane transfer technique allows the necessary heat treatment of films to be carried out without requiring the use exclusively of thermally stable materials for the actuator substrates. The technical feasibility of the process is documented in a membrane actuator consisting of a PMMA base plate, a polyimide membrane of 2 mm diameter, and the SMA component.

Established technologies and processes of microstructuring, buildup and joining techniques are used in manufacturing the actuators. This demonstrates the compatibility with microsystems technology of the techniques employed to produce SMA actuators.