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Thermal processes of miniature thermomagnetic generators in resonant self-actuation mode
This paper presents an investigation of the heat transfer processes in miniature thermomagnetic generators (TMGs) that are based on the recently developed concept of resonant self-actuation of a cantilever enabling efficient conversion of thermal into electrical energy. A lumped element model (LEM) is introduced to describe the dynamics of heat intake during mechanical contact between a thermomagnetic (TM) film and heat source, and of heat dissipation. The key parameters governing heat intake and dissipation are the heat transfer coefficient at contact and the thermal resistance R(b) of the bonding layer between TM film and cantilever, respectively. The effects of these parameters on the performance metrics are investigated for different heat source temperatures above the Curie temperature of the TM film. LEM simulations reveal critical values of κ and R(b), above which stable performance of energy generation occurs characterized by large stroke and frequency resulting in large power
Lumped Element Model for Thermomagnetic Generators Based on Magnetic SMA Films
This paper presents a lumped element model (LEM) to describe the coupled dynamic properties of thermomagnetic generators (TMGs) based on magnetic shape memory alloy (MSMA) films. The TMG generators make use of the concept of resonant self-actuation of a freely movable cantilever, caused by a large abrupt temperature-dependent change of magnetization and rapid heat transfer inherent to the MSMA films. The LEM is validated for the case of a Ni-Mn-Ga film with Curie temperature TC of 375 K. For a heat source temperature of 443 K, the maximum power generated is 3.1 µW corresponding to a power density with respect to the active material’s volume of 80 mW/cm3. Corresponding LEM simulations allow for a detailed study of the time-resolved temperature change of the MSMA film, the change of magnetic field at the position of the film and of the corresponding film magnetization. Resonant self-actuation is observed at 114 Hz, while rapid temperature changes of about 10 K occur within 1 ms during mechanical contact between heat source and Ni-Mn-Ga film. The LEM is used to estimate the effect of decreasing TC on the lower limit of heat source temperature in order to predict possible routes towards waste heat recovery near room temperature
Bistable Actuation Based on Antagonistic Buckling SMA Beams
Novel miniature-scale bistable actuators are developed, which consist of two antagonistically coupled buckling shape memory alloy (SMA) beams. Two SMA films are designed as buckling SMA beams, whose memory shapes are adjusted to have opposing buckling states. Coupling the SMA beams in their center leads to a compact bistable actuator, which exhibits a bi-directional snap-through motion by selectively heating the SMA beams. Fabrication involves magnetron sputtering of SMA films, subsequent micromachining by lithography, and systems integration. The stationary force–displacement characteristics of monostable actuators consisting of single buckling SMA beams and bistable actuators are characterized with respect to their geometrical parameters. The dynamic performance of bistable actuation is investigated by selectively heating the SMA beams via direct mechanical contact to a low-temperature heat source in the range of 130–190 °C. The bistable actuation is characterized by a large stroke up to 3.65 mm corresponding to more than 30% of the SMA beam length. Operation frequencies are in the order of 1 Hz depending on geometrical parameters and heat source temperature. The bistable actuation at low-temperature differences provides a route for waste heat recovery
Bi-Directional Origami-Inspired SMA Folding Microactuator
We present the design, fabrication, and characterization of single and antagonistic SMA microactuators allowing for uni- and bi-directional self-folding of origami-inspired devices, respectively. Test devices consist of two triangular tiles that are interconnected by double-beam-shaped SMA microactuators fabricated from thin SMA foils of 20 µm thickness with memory shapes set to a 180° folding angle. Bi-directional self-folding is achieved by combining two counteracting SMA microactuators. We present a macromodel to describe the engineering stress–strain characteristics of the SMA foil and to perform FEM simulations on the characteristics of self-folding and the corresponding local evolution of phase transformation. Experiments on single-SMA microactuators demonstrate the uni-directional self-folding and tunability of bending angles up to 180°. The finite element simulations qualitatively describe the main features of the observed torque-folding angle characteristics and provide further insights into the angular dependence of the local profiles of the stress and martensite phase fraction. The first antagonistic SMA microactuators reveal bi-directional self-folding in the range of −44° to +40°, which remains well below the predicted limit of ±100°
Miniatur-Laserscanner für mobile Anwendungen
Kurzfassung
Laserscanner-Systeme zur hochaufgelösten Umfelderfassung nutzen
momentan hauptsächlich
makroskopische Aktoren zur Strahlablenkung und unterliegen damit
Einschränkungen hinsichtlich
minimaler Baugröße und Unempfindlichkeit gegenüber
Erschütterungen. Hauptgrund ist die
Aktoreinheit, die meist große Spiegel- und Stellelemente und
damit große bewegte Massen enthält.
Eine deutliche Verbesserung verspricht der Einsatz von
Mikroaktoren. Bisherige Entwicklungen
ermöglichen meist jedoch nur kleine Scanwinkel um 10°. Große
Winkel über 50° erfordern
komplexe Aktorstrukturen, was mit aufwendiger Prozesstechnik und
hohen Kosten verbunden ist.
Die hier vorgestellte Arbeit versucht die Nachteile
makroskopischer Aktoren, sowie bisheriger Mikroaktoren,
durch die gezielte Anwendung sogenannter Smart Materials in
mikroaktorischen
Systemen zu beheben. Dazu wird zunächst ein neuartiger
Aktormechanismus auf Basis der ferromagnetischen
Formgedächtnislegierung Ni2MnGa eingesetzt. Dieser vereint die
Wirkmechanismen
des Ferromagnetismus und des Formgedächtniseffektes in einem
Dünnfilm-Bauteil. Den
erzeugten antagonistischen Kräften stehen sehr kleine
Rückstellkräfte gegenüber, wodurch sich
große Scanwinkel in einem breiten Frequenzbereich erzeugen
lassen. Weitere Mikroaktoren auf
der Grundlage von Smart Materials nutzen entweder
Dünnfilm-Verbundschichten mit reinem
Formgedächtniseffekt auf der Basis von NiTiCu oder mit rein
ferromagnetischen Eigenschaften.
In dieser Arbeit werden, ausgehend von den vorgestellten
Aktormechanismen, 1D-Mikroaktoren
mit einem Ablenkwinkel entwickelt und diese in einem weiteren
Schritt zu 2D-Mikroaktoren mit
zwei rechtwinklig zueinander stehenden Ablenkwinkeln erweitert.
Abschließend erfolgt die Entwicklung
eines 2D-Laserscanner-Systems bestehend aus einem 1D-Mikroaktor
kombiniert mit
einem FlugzeitEntfernungsmesssystem (TOF-System).
Das Design der 1D-Mikroaktoren basiert auf Doppelbiegebalken,
deren Strukturen auf eine möglichst
gleichmäßige Temperaturverteilung ausgelegt sind. Bei der
Herstellung kommt eine Spaltschweiß-
Technik zur Erzeugung kleiner und zuverlässiger elektrischer
Verbindungen zum Einsatz.
Verglichen mit anderen Wirkprinzipien, die meist eine passive
Feder-Rückstellung nutzen,
werden bei dem 1D-Mikroaktor aus Ni2MnGa große, nahezu
frequenzunabhängige optische Ablenkwinkel
von 120° bei 60 Hz oder 60° bei 180 Hz erzielt. Die Baugröße
liegt dabei im Millimeter-
Bereich, der Energiebedarf bei weniger als 100mW.
1D-Mikroaktoren aus der Verbundschicht mit
der Formgedächtnislegierung NiTiCu zeigen weit größere
Scanwinkel bis zu 170°, jedoch nur in
Resonanz bei 85 Hz.
Das Design der 2D-Mikroaktoren ist monolithisch ausgeführt und
benötigt nur einen Mikrospiegel
zur Strahlablenkung. 2D-Mikroaktoren aus Ni2MnGa lehnen an das
1D-Design an und kombinieren
Biegebewegungen mit einer zusätzlich hervorgerufenen
Kippbewegung. Erste Prototypen
zeigen in einem Frequenzbereich von 40 Hz bis 80 Hz bei
leistungsoptimierter Ansteuerung
2D-Scanmuster mit optischen Scanwinkeln von 38° x 50°. Eine
andere Variante besteht
aus zwei strukturoptimierten und mechanisch gekoppelten, im
90°-Winkel zueinander angeordneten
1D-Aktoren aus der NiTiCuVerbundschicht und erreicht maximale
optische Scanwinkel von
20° x 40°. Diese Winkel treten nur bei 25, beziehungsweise 85 Hz
in Resonanz auf und zeigen
eine große mechanische Kopplung.
Im letzten Teil der Arbeit wird ein 2D-Laserscanner-System zur
horizontalen Detektion von Entfernung
und Winkel hergestellt. Dies gelingt durch die Integration einer
Hochleistungs-Halbleiterlaserdiode,
eines Ni2MnGa 1D-Mikroaktors, eines optischen Winkelsensors und
eines TOFSystems.
Der Winkelsensor wird durch einen Strahlteiler und einen
positionsempfindlichen Photodetektor
(PSD) auf einer optischen Bank realisiert. Dabei stellen die
optischen Aperturen des
TOF-Empfängers große Anforderungen an die Strahlkollimation des
Lasers und die Fokussieroptik
im Detektorstrahlengang. Berücksichtigt werden muss weiterhin
die Abstimmung der komplexen
Hardware- und Software-Komponenten der Sensorik. Ein erster
Demonstrator zeigt eine
maximale Messentfernung von 30 m, die neben der Laserleistung
durch die Empfindlichkeit des
optischen Empfängers begrenzt wird. Die erzielbare Ortsauflösung
des Systems ist einerseits
durch die Auflösung des Winkelsensors von 0.5° vorgegeben und
wird weiterhin durch die zeitliche
Auflösung des TOF-Systems von etwa 1 ns bestimmt.
Miniature-Laserscanner for Mobile Applications
Abstract
Laserscanning systems for highly resolved sensing of the
environment are currently using macroscopic
actuators for beam deflection and, thus, are restricted with
respect to their size and insensitivity
to shock. Main reason is the actuation unit, comprising large
mirrors and actuators and,
thus, large moving masses. It is expected that the use of
microactuators will lead to a considerable
improvement. In most cases, however, previous developments
enable only small scanning angles
in the order of 10 deg. Large angles above 50 deg require
complex actuator structures resulting
in extensive processing technology and higher costs.
This work is an effort to resolve the disadvantages of
macroscopic as well as current microactuators
by the systematic implementation of so called smart materials in
microactuators. For this
purpose, first a novel actuation mechanism on the basis of the
ferromagnetic shape memory alloy
Ni2MnGa is introduced, combining the ferromagnetic and shape
memory effect in one thin film
component. The resulting antagonistic forces are opposed by
small reset forces, thus, allowing
large scanning angles in a wide frequency range. Further
microactuators on the basis of smart
materials make use of thin film composites with either pure
shape memory effect on the basis of
NiTiCu or pure ferromagnetic properties. Based on these
actuation mechanisms this work pursuits
the development of 1D microactuators with one deflection angle
and, in a further step, their
extension to 2D microactuators with two scanning directions
being at right angles with respect
to each other. Finally, a 2D laserscanner system is developed
consisting of a 1D microactuator
combined with a time-of-flight (TOF) system.
The designs of the 1D microactuators are based on double-beam
cantilever structures, which
are constructed for a temperature distribution as homogeneous as
possible. Fabrication technology
comprises a gap welding technology to generate small size and
reliable electrical contacts.
Compared to other actuation mechanisms, which mostly utilize a
passive reset spring, the 1D
microactuators of Ni2MnGa achieve large, nearly
frequency-independent optical scanning angles
of 120 deg at 60 Hz or 60 deg at 180 Hz. The size of the
actuator is in the millimeter-range, while
energy consumption is less than 100 mW. 1D microactuators of the
NiTiCu composite show even
larger scanning angles up to 170 deg but only at their resonance
frequency of 85 Hz.
The 2D microactuators are designed monolithically using one
micromirror for beam deflection.
The 2D microactuators of Ni2MnGa are based on the 1D design and
combine the bending motion
with an additionally excited tilting motion. First prototypes
show in the frequency range of 40 to 80
Hz at optimized driving power 2D scanning patterns with optical
scanning angles of 38 x 50 deg.
An other variant comprising of two mechanically coupled, at
right angles oriented 1D actuators of
the NiTiCu composite achieves optical scanning angles of 20 x 40
deg. These scanning angles
only occur at the resonance frequencies of 25 and 85 Hz,
respectively, and show a stronger
mechanical coupling.
In the final part of this work, a 2D laserscanner system for
horizontal detection of distance and
angle is built up. This is achieved by integration of a
high-power semiconducting laser diode, a
Ni2MnGa 1D microactuator, an angle sensor and a TOF system. The
angle sensor is realized
on an optical bench by a beam splitter and a position sensitive
detector (PSD). Thereby, the
optical apertures of the TOF detector are making high demands on
the beam collimation and
focussing optics in the detector beam path. Furthermore, the
adjustment of the complex software
and hardware components of the sensor system has to be taken
into account. A first demonstrator
shows a maximum range detection of 30 m which is limited,
besides the laser power, by the
receiver sensitivity. The achievable spatial resolution of the
system is on the one hand given by
the resolution of the angle sensor of 0.5 deg and in addition by
the time resolution of the TOF
system of about 1 ns
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.
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
Enhancement of Shock Absorption Using Hybrid SMA-MRF Damper by Complementary Operation
A hybrid damper concept is presented here using a combination of a Magnetorheological (MR) Fluid (MRF) and Shape Memory Alloy (SMA)-based energy dissipation. A demonstration is performed utilizing the shear operating mode of the MRF and the one-way effect of the SMA. The damping performance of different MRF-SMA configurations is investigated and the corresponding energy consumption is evaluated. We demonstrate that the operation of MRF and SMA dampers complement each other, compensating for each other’s weaknesses. In particular, the slow response from the MR damper is compensated by passive SMA damping using the pseudoplastic effect of martensite reorientation, which can dissipate a significant amount of shock energy at the beginning of the shock occurrence. The MR damper compensates for the incapability of the SMA to dampen subsequent vibrations as long as the magnetic field is applied. The presented hybrid SMA-MR damper demonstrates superior performance compared to individual dampers, allowing for up to five-fold reduction in energy consumption of the MR damper alone and thereby opening up the possibility of reducing the construction volume of the MR damper
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