In this paper the development, the fabrication and the experimental characterisation of a novel electrodynamic-driven micro-actuator for in plane motions and a novel vertical field effect transistor (vertical FET) is presented. The micro-actuator for motion is based on the Lorentz force generated by a current in a magnetic field. The Lorentz force acting on the actuator can be controlled easily by the amplitude of the current. The vertical FET can be used for signal conversion from the mechanical to the electrical domain.  This low impedance sensing technique was realized by introducing a source and drain region in opposite of a movable mass which acts as the gate.  The channel resistance between drain and source is influenced by the movable mass working as a sensing unit.  Theoretical calculations and practical experiments of the structure are performed. Mechanical and electrical effects over a temperature range of  -40 °C to 180 °C  are investigated. / In dieser Arbeit wird ein neues Aktorarray zur Objektmanipulation und ein neues Verfahren zur Detektion mechanischer Bewegung in Komponenten der oberflächennahen Bulk-Mikromechanik vorgestellt. Die Aktorstrukturen werden mit Hilfe der SCREAM-Technologie hergestellt und arbeiten nach dem elektrodynamischen Wirkprinzip. Bei dem Verfahren zur Bewegungsdetektion wird der aus der Mikroelektronik bekannte Feldeffekt mit mikromechanischen Strukturen gekoppelt. Die Arbeit konzentriert sich auf den Aufbau, die Wirkungsweise und die Technologie der Aktor- und Sensorstrukturen. Diese werden jeweils separat dargestellt und analysiert. Am Ende wird eine Kombination beider Komponenten vorgestellt.

Magnetic shape memory (MSM) materials are a new class of smart materials which exhibit shape deformation under the influence of an external magnetic field. They are interesting for various types of applications, including actuators, displacement/force sensors, and motion dampers. Due to the huge strain and the magnetic field-driven nature, MSM materials show definite advantages over other smart materials, e.g. conventional thermal shape memory materials, in terms of displacement and speed. The principle behind the magnetic field induced strain (MFIS) is the strong coupling between magnetization and lattice structure. The investigation of both static and dynamic magnetic domain structures in MSM materials is a key step in optimizing the properties for future possible devices. In this work, optical polarization microscopy is applied to investigate the twin boundary and magnetic domain wall motion in bulk NiMnGa single crystals. Surface magnetic domain patterns on adjacent sides of bulk crystals are revealed for the first time providing comprehensive information about the domain arrangement inside the bulk and at the twin boundary. The tilting of the easy axis with respect to the sample surface determines the preferable domain size and leads to spike domain formation on the surface. Out-of-plane surface domains extend into the bulk within a single variant, while a twin boundary mirrors the domain pattern from adjacent variants. Furthermore, magnetic domain evolution during twin boundary motion is observed. The partial absence of domain wall motion throughout the process contradicts currently proposed models. The magnetic state alternates along a moving twin boundary. With the abrupt nucleation of the second variant this leads to the formation of sections of magnetically highly charged head-on domain structures at the twin boundaries. On the other hand, a dynamic actuation experimental setup, which is capable to provide high magnetic fields in a wide range of frequency, was developed in the course of this study. The observation of reversible twin boundary motion up to 600 Hz exhibits the dependence of strain, hysteresis, and twin boundary velocity on the actuation speed. MFIS increases with frequency, while the onset field is similar in all observed cases. Twin boundary mobility enhancement by fast twin boundary motion is proposed to explain the increase in MFIS. The twin boundary velocity is shown to be inversely proportional to the twin boundary density. No limit of twin boundary velocity is observed in the investigated frequency range.

In this paper the development, the fabrication and the experimental characterisation of a novel electrodynamic-driven micro-actuator for in plane motions and a novel vertical field effect transistor (vertical FET) is presented. The micro-actuator for motion is based on the Lorentz force generated by a current in a magnetic field. The Lorentz force acting on the actuator can be controlled easily by the amplitude of the current. The vertical FET can be used for signal conversion from the mechanical to the electrical domain.  This low impedance sensing technique was realized by introducing a source and drain region in opposite of a movable mass which acts as the gate.  The channel resistance between drain and source is influenced by the movable mass working as a sensing unit.  Theoretical calculations and practical experiments of the structure are performed. Mechanical and electrical effects over a temperature range of  -40 °C to 180 °C  are investigated. / In dieser Arbeit wird ein neues Aktorarray zur Objektmanipulation und ein neues Verfahren zur Detektion mechanischer Bewegung in Komponenten der oberflächennahen Bulk-Mikromechanik vorgestellt. Die Aktorstrukturen werden mit Hilfe der SCREAM-Technologie hergestellt und arbeiten nach dem elektrodynamischen Wirkprinzip. Bei dem Verfahren zur Bewegungsdetektion wird der aus der Mikroelektronik bekannte Feldeffekt mit mikromechanischen Strukturen gekoppelt. Die Arbeit konzentriert sich auf den Aufbau, die Wirkungsweise und die Technologie der Aktor- und Sensorstrukturen. Diese werden jeweils separat dargestellt und analysiert. Am Ende wird eine Kombination beider Komponenten vorgestellt.

Magnetic shape memory (MSM) materials are a new class of smart materials which exhibit shape deformation under the influence of an external magnetic field. They are interesting for various types of applications, including actuators, displacement/force sensors, and motion dampers. Due to the huge strain and the magnetic field-driven nature, MSM materials show definite advantages over other smart materials, e.g. conventional thermal shape memory materials, in terms of displacement and speed. The principle behind the magnetic field induced strain (MFIS) is the strong coupling between magnetization and lattice structure. The investigation of both static and dynamic magnetic domain structures in MSM materials is a key step in optimizing the properties for future possible devices. In this work, optical polarization microscopy is applied to investigate the twin boundary and magnetic domain wall motion in bulk NiMnGa single crystals. Surface magnetic domain patterns on adjacent sides of bulk crystals are revealed for the first time providing comprehensive information about the domain arrangement inside the bulk and at the twin boundary. The tilting of the easy axis with respect to the sample surface determines the preferable domain size and leads to spike domain formation on the surface. Out-of-plane surface domains extend into the bulk within a single variant, while a twin boundary mirrors the domain pattern from adjacent variants. Furthermore, magnetic domain evolution during twin boundary motion is observed. The partial absence of domain wall motion throughout the process contradicts currently proposed models. The magnetic state alternates along a moving twin boundary. With the abrupt nucleation of the second variant this leads to the formation of sections of magnetically highly charged head-on domain structures at the twin boundaries. On the other hand, a dynamic actuation experimental setup, which is capable to provide high magnetic fields in a wide range of frequency, was developed in the course of this study. The observation of reversible twin boundary motion up to 600 Hz exhibits the dependence of strain, hysteresis, and twin boundary velocity on the actuation speed. MFIS increases with frequency, while the onset field is similar in all observed cases. Twin boundary mobility enhancement by fast twin boundary motion is proposed to explain the increase in MFIS. The twin boundary velocity is shown to be inversely proportional to the twin boundary density. No limit of twin boundary velocity is observed in the investigated frequency range.

Despite great progress of lab-on-a-chip (LoC) technology platforms in the last 30 years, there is a lack of standardized microfluidic components, real on-chip utomation and progressive functional scalability of the fluidic circuits. Hydrogel-based microfluidic circuits have a high scaling potential and provide on-chip automation, but are complex in system design. An advanced circuit concept for planar microfluidic chip architectures, originating from the early era of the semiconductor-based resistor-transistor-logic (RTL) is presented and the hydrogel-based chemical volume phase transition transistor (CVPT) for logic gate operations is implemented. The circuit concept (CVPT-RTL) is robust and simple in design, feasible with common materials and manufacturing techniques of the LoC technology. Thereby, three major challenges are solved: contamination issues, maintaining the signal compliance for cascadability, and chemical signal inversion. As a central element, a CVPT cascode is introduced. The functionality of the concept is verified by a 24 h test of the NAND gate operation and a self-automated chemofluidic analog-to-digital converter, utilized as interface between bioreactors and extended microfluidic logic circuits. Moreover, the CVPT-RTL cascode demonstrates the expected selfstabilizing performance of the NAND gate. Accompanying simulations of the component behavior based on a network description implemented in Matlab Simscape match with the experimental results.

Der Siegeszug der Mikroelektronik ist faszinierend. In den vergangenen Jahrzehnten bestimmte die Mikroelektronik das Geschehen in der Informationstechnik: Immer leistungsstärkere Computer, vernetzte Systeme und das Internet sind ohne Mikroelektronik nicht denkbar. Weltweit haben Mikroelektronik-Firmen ihre strategischen Ziele im Rahmen einer in regelmäßigen Abständen aktualisierten “Roadmap” niedergelegt. Alle gehen davon aus, dass die bisher zu beobachtende Steigerung der Leistungsfähigkeit mikroelektronischer Produkte auch in den nächsten Jahrzehnten fortgesetzt werden wird. Das bedeutet konkret, dass an vielen Stellen – auch in der heutigen Massenfertigung der Mikroelektronik – die charakteristischen Abmessungen der Einzelelemente im Nanometerbereich liegen, also eigentlich schon als Nanoelektronik bezeichnet werden können. Hinzu kommt ein weiteres, ebenso spannendes Feld: die Mikrosystemtechnik.

Um immer strengere Umweltauflagen zu erfüllen, wird zur Gewichtsreduzierung bei Automobilen auf Leichtbau gesetzt. Infolgedessen findet auch beim Herstellen von Karosserieblechteilen ein verstärktes Ausreizen des Werkstoffes statt. Erschwert wird dies durch den Trend zu komplexeren Bauteilgeometrien und markanterer Designsprache. Daher wird der Herstellungsprozess mehr und mehr an den Grenzbereichen der Stabilität betrieben. Piezoelektrische Aktoren (PA) können dabei so eingesetzt werden, dass der Umformprozess um zusätzliche Einflussparameter erweitert wird. Sie beeinflussen dabei die Materialbewegung lokal und können dadurch zu einer Steigerung der Effizienz beitragen. Im Rahmen der Dissertation wurden PA in die Matrize eines Großserien-Umformwerkzeugs (Karosseriebauteil einer Reserveradmulde) implementiert und hinsichtlich der Eignung für die Prozessregelung untersucht. Dabei wurden verschiedene Sensoren berücksichtigt, wobei sich Triangulationslaser zur Messung der Materialbewegung an der Platinenkante am besten eigneten. Es wurde die Wechselwirkung der PA auf die Materialbewegung empirisch und unter Verwendung statistischer Versuchsplanung ermittelt. Ein FE-Modell unterstützte die Prozessbeschreibung. Aus den Versuchsergebnissen wurde mittels Regressionsanalyse ein Polynomialmodell zur weiteren Untersuchung berechnet. Ausgehend von den Erkenntnissen über das Prozessverhalten wurden unter Verwendung der getesteten Sensoren Regelkreise aufgebaut. Zum einen wurde ein iterativer Ansatz untersucht, der nach jedem Umformvorgang die Regelabweichung ermittelt und durch Einsetzen der PA versucht, diese im Folgehub zu minimieren. Es konnte nachgewiesen werden, dass der Prozess auf diese Weise stabilisiert werden kann. Des Weiteren wurde eine In-Prozess-Regelung implementiert, welche die Regelabweichung kontinuierlich über den Prozess minimierte. Als Führungsgröße wurde eine Referenzkurve aus einer Schar von Gutteilen verwendet. Es zeigten sich eine verbesserte Bauteilqualität und ein Ausgleichen von Störgrößen.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Wissenschaftlicher Erkenntnisstand 2.1 Grundlagen der Blechumformung 2.2 Prozessregelung eines Umformvorgangs 2.3 Messeinrichtungen in Umformprozessen 2.4 Piezoelektrische Aktoren in Umformwerkzeugen 2.5 Diskussion zum wissenschaftlichen Erkenntnisstand 3 Auswahl großserientauglicher Sensorik zum Aufbau der Prozessregelung 3.1 Anforderungen an großserientaugliche Sensorik 3.2 Bewertungsmatrix einer Auswahl großserientauglicher Sensoren 4 Forschungsschwerpunkte und -hypothesen 5 Voruntersuchungen 5.1 Vorstellung des Versuchswerkzeug sowie der -geometrie 5.2 Untersuchung potenzieller Sensoren auf Beobachtbarkeit des Prozesses 5.3 Untersuchung der piezoelektrischen Aktoren 5.3.1 Prozessbeschreibung mit integrierten piezoelektrischen Aktoren 5.3.2 Versuchsaufbau mit integrierten piezoelektrischen Aktoren 5.3.3 Untersuchung der piezoelektrischen Aktoren auf Eignung im Prozess 5.3.4 Untersuchung der piezoelektrischen Aktoren auf Steuerbarkeit des Prozesses 6 Modellbildung 6.1 Versuchsplanung 6.2 Modellarten 6.3 Versuchsergebnisse und Modellvorstellung 6.4 Modellvergleich der Ziehkissenarten auf den Einfluss der PA 7 Prozessregelungsansätze 7.1 Iterative Regelung der Materialbewegung 7.1.1 Aufbau und Grundlagen der iterativen Regelung 7.1.2 Verifikation 1: Konvergenzverhalten bei gesetzten Zielen 7.1.3 Verifikation 2: Prozessregelung bei Prozessgrenzenüberschreitung 7.1.4 Diskussion der iterativen Prozessregelung 7.2 In-Prozess-Regelung der Materialbewegung 7.2.1 Aufbau und Grundlagen der In-Prozess-Regelung 7.2.2 Verifikation der In-Prozess-Regelung anhand empirischer Versuche 7.3 Ergebnisdiskussion und Gegenüberstellung der Regelungsansätze 8 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Allgemeine Ergänzungen

Die Geschichte der magnetischen Formgedächtnislegierungen (MFGL) ist im Kontext der Materialwissenschaften noch recht jung. In den letzten 30 Jahren sind dabei viele Erkenntnisse in der Forschung gewonnen worden. Der industrielle Durchbruch wiederum ist mit diesem Material noch nicht gelungen. Die existierenden Publikationen zur Auslegung von magnetischen Formgedächtnis- (MFG)-Aktoren sind in dieser Arbeit daher aufbereitet und systematisiert worden. Dabei stellt insbesondere die thermische Auslegung eine Wissenslücke dar, die entsprechende Grundlagenuntersuchungen erfordert. Aufbauend auf dieser Wissensbasis ist eine spezifische Entwurfsmethodik für MFGL entwickelt worden. Die Dimensionierung erfolgt zunächst mit analytischen Gleichungen, um eine zeit- und kosteneffiziente Vorgehensweise für Entwicklungsingenieure zu gewährleisten. Finite-Elemente-Methode-(FEM)-Software wird erst im zweiten Schritt zur Prüfung oder Optimierung eingesetzt. Außerdem kann mittels dieser Methodik auf unwirtschaftliche Iterationsschleifen und „trial and error“-Ansätze verzichtet werden. Abschließend ist die Methodik anhand eines Anwendungsszenarios verifiziert worden. Die abgeleiteten Anforderungen konnten dabei ohne Nachbesserungen oder weitere Iterationsschleifen erfüllt werden, so dass die Methodik eine strukturierte und erfolgreiche Entwicklung unterstützt hat.:1 Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 Grundlagenuntersuchungen 4 Entwurfsmethodik für MFG-Aktoren 5 Zusammenfassung und Ausblick

Magnetische Formgedächtnislegierungen (MSM-Legierungen) weisen im Vergleich zu anderen Festkörperwandlern und konventionellen elektromagnetischen Wandlerprinzipien unikale Kopplungseigenschaften auf. Dies motiviert ihre Anwendung in kompakten und schnellschaltenden Antrieben. Aufgrund der Kompliziertheit ihres Kopplungsverhaltens ist jedoch ein modellbasierter Entwurf unumgänglich. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Beschreibung einer Unterklasse von MSM-Antrieben mit eisenbehafteten Magnetkreisen und engen Luftspalten durch eine Kombination von Messung und Modell. Ziel ist dabei die Beantwortung anwendungsrelevanter Fragestellungen im Antriebsentwurf. Die Grundlage dafür bildet die heuristische Definition eines auf verallgemeinerten Kirchhoffschen Netzwerken (Netzwerkmodellen) basierenden Ersatzmodells des MSM-Elements samt umgebendem Luftspalt. Die das Verhalten des Ersatzmodells beschreibenden magnetischen Größen werden durch ein neuartiges und im Rahmen der Arbeit entwickeltes Messverfahren ermittelt. Ein Prüfstand setzt dieses Messverfahren um und ermöglicht eine simultane magnetische und magnetomechanische Charakterisierung von MSM-Elementen unter Kraft- oder Wegvorgabe. Eine empirische Validierung der gemessenen Zusammenhänge, auch anhand thermodynamischer Gesichtspunkte, weist die Plausibilität der das Ersatzmodell beschreibenden Zusammenhänge nach. Diese Ergebnisse motivieren die Entwicklung eines Netzwerkmodells, das die hysteresebehaftete magnetomechanische Kopplung innerhalb des Ersatzmodells thermodynamisch korrekt berücksichtigt. Mithilfe des Modells gelingt es, das experimentell bestimmte integrale magnetomechanische Verhalten des MSM-Elements samt umgebendem Luftspalt in wesentlichen Aspekten vorherzusagen. / Magnetic shape memory (MSM) alloys are considered promising active materials for compact electromagnetic drives due to their strong magneto-mechanical coupling. However, the latter is associated with a strong nonlinearity and a distinct hysteresis making a model-based design indispensable. The present work describes the behavior of a subclass of MSM drives with iron-core and small air gaps by means of a combination of model and experiment. Heuristically, an equivalent lumped-element model considering the MSM element and the surrounding air gap is proposed. An associated novel magnetic measurement procedure determines the quantities describing the behavior of this equivalent model. A test setup implements the measurement procedure and allows for a simultaneous magnetic and magneto-mechanical characterization either under constant load or under constant displacement. An empiric validation, also with regard to thermodynamic aspects, indicates the plausibility of the collected data describing the simplified equivalent model. These results motivate the development of a novel lumped-element model considering the hysteretic magneto-mechanical coupling of the equivalent model in a thermodynamically consistent way. Its validation by means of various magneto-mechanical experiments shows that the model is able to predict the essential magnetic and magneto-mechanical behavior of the MSM element and the surrounding air gap with sufficient accuracy, making it appropriate for system design.

Ion-exchange membranes, conventionally utilized in separation processes of electrolyte solutions, are electroactive polymers that display a unique coupling between electrochemistry and mechanics. Previous experimental studies have demonstrated the possibility of actuating cation-exchange membranes in salt solution through the application of a remote external electric field. The use of anion-exchange membranes as contactless actuators, however, has never been documented and little is known about the physics of their actuation. Here, it is reported for the first time the possibility of contactless actuating anion-exchange membranes in salt solutions; such an actuation is mediated by the selection of anions in the external salt solution and the membrane. Actuation is attributed to the physical phenomenon of solvation, the interaction between ions and solvent in solution. Contrary to previous studies with cation-exchange membranes, the results show that anion-exchange membranes consistently bend toward the anode. The integration of anion-exchange and cation-exchange membranes in composites promises innovative programmable contactless actuators, with applications in underwater robotics and biomedical engineering.