Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6934
Formgedächtnis - Mikroventile mit hoher Energiedichte
Y. Liu, M. Kohl
Zusammenfassung
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.
Verschiedene 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.
VOLLTEXT
BIBLIOTHEK