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.

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