Design and optimization of a miniature actuator using shape memory alloy (SMA) wires

Abstract

Mikroakışkan systemlerin kimya ve biyomedikal bilimler gibi birçok alanda faydalı olduğu kanıtlanm ıştır. Diğer birçok avantajının yanısıra indirgenmiş numune hacimleri araştırmacıların ilgisini bu teknolojiye çekmektedir. Dolayısıyla, hassas sıvı dağıtım ve akış kontrol teknolojilerine duyulan ihtiyaç eskiye nazaran daha fazladır.Son on yıl içerisinde birçok mikropompa icat edilmesine rağmen hala küçük, hızlı, sessiz ve sağlam pompa tasarımlarına gerek duyulmaktadır. Her değişik uygulamanın kendine özgü karakterde pompaya ihtiyaç duyması sebebiyle yeni mikropompa tasarım arayışı hala devam etmektedir. Şekil hafızalı alaşımlar pseudoelastisite ve şekil hafıza efekti olarak adlandırılan yapısal özellikleri sebebiyle çok dikkat çekmektedirler. Şekil hafızalı alaşımların ileriseviye deformasyonlardaki eski haline geri gelme yeteneği onları çeşitli uygulamalar için çekici hale getirmektedir. Bu çalışmada elektrikli aktüatör tasarlamak adına ona özgü pseudoelastisite ve şekil hafıza efekti davranışlarının ikisi de kullanılmıştır. Bu aktüatörün tasarım ve karakterizasyonu süresince gelecekte bir mikropompa sistemigeliştirilmesi göz önunde bulunulmuşt ür. Sonuç olarak, tasarımın akışkan kanalını kapatma yetisi empedans ölçümleri ile irdelenmiş ve bu ölçümler aktüatörün hareket indikatörü olarak kullanılmıştır. İmal edilen aktüatör 150 mmHg ya kadarki basınçlarda bile başarılıbir şekilde kanalı kapattı. Bu ölçeklenebilir dizayn mikropompa geliştirilmesi ve `World to Chip` arayüzü gibi çeşitli uygulamalarda kullanılabilir.

Microfluidic systems have proven to be very beneficial in many fields such as chemical and biomedical sciences. The reduced sample volume, among many other advantages attracts researcher's attention to this technology. Consequently the need for a precise fluid handling and flow control is greater than before. Although many micropump systems have been invented over the last decade, there is still a need for a small, fast, quiet, and robust pump design. Because various applications have their own specific pumping requirements, the search for application driven novel micropumpdesigns still continues. Shape memory alloys have been gaining more attention recently, for their idiosyncrasies, namely shape memory effect and pseudoelasticity. The ability of the shape memory alloy to recover high deformations makes them appealing for various applications. Here we use both of its hallmark behaviors, shape memory effect and pseudoelasticity, to design an electrically driven actuator. We kept a micropump development in mind during the design and characterization of this actuator. Consequently, the obstruction level of a conductive fluid filled channel was quantified using impedance measurements of control fluid and used as an indicator of the actuation amplitude and rate. The fabricated actuator successfully closed the fluid channel even under fluid pressures of up to 150 mmHg. This scalable design can be used in different applications such as micropump development, and microfluidic World to Chip interface.