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