DE69433159T2

DE69433159T2 - Ein sich räumlich erstreckender film mit elementen die eine formgedächtnislegierung betätigen

Info

Publication number: DE69433159T2
Application number: DE69433159T
Authority: DE
Inventors: S. Ronald MAYNARD
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1993-02-24
Filing date: 1994-02-24
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2014-02-25
Also published as: CA2156431A1; DE69433159D1; JPH08510024A; EP0687190A4; EP0687190A1; EP0687190B1; WO1994019051A1; US5405337A; ATE249859T1; CA2156431C

Description

Das Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft im Allgemeinen Formgedächtnislegierungs- (SMA) Stellglieder. Insbesondere betrifft das Gebiet der vorliegenden Erfindung eine räumlich verteilte Stellgliedschicht, wobei eine Vielzahl von SMA-Stellgliedelementen zusammen mit einer zugehörigen Steuer- und Treiberschaltung auf einem dünnen, biegsamen Substrat unter Verwendung von Verfahren für höchstintegrierte Schaltkreise (VLSI) abgeschieden werden.
Die Basis für ein herkömmliches lenkbares Element, wie z. B. einen lenkbaren Katheter, das ein Formgedächtnislegierungs-Stellglied beinhaltet, ist die Fähigkeit von bestimmten speziellen Legierungen, eine mikrostrukturelle Transformation von einer austenitischen Phase bei hoher Temperatur in eine biegsame, sogenannte martensitische Phase bei einer niedrigeren Temperatur zu erleiden. Eine der üblicheren und nützlicheren Legierungen ist eine 49 : 51-Zusammensetzung von Titan und Nickel (TiNi). Die Temperatur, bei der der Phasenübergang auftritt, wird als Aktivierungstemperatur bezeichnet. Für die vorangehende Zusammensetzung ist diese ungefähr 70°C. Im Niedertemperaturbereich ist das SMA-Stellglied weich und weist einen Youngschen Modul von 3000 MPa auf. In diesem Zustand kann die Formgedächtnislegierung leicht bis zu 5% in einer beliebigen Richtung verformt werden, ohne ihre Gedächtniseigenschaften nachteilig zu beeinflussen.
Sobald sie gerade über die Aktivierungstemperatur hinaus erhitzt ist, findet eine Phasentransformation von der weichen, biegsamen martensitischen in die härtere, unbiegsame (6900 MPa) austenitische, die Mutterphase, statt. Das heißt, wenn das Formgedächtnis-Legierungsmaterial nicht übermäßig verformt wird oder nicht überspannt wird, versucht es, seine Struktur in eine vorher "gespeicherte" Form zu reorganisieren. Wenn man sie abkühlen läßt, wird die Formgedächtnislegierung wieder weich und kann mechanisch verformt werden, um einen weiteren Zyklus zu beginnen. Die mechanischen Auslenkungen, die durch Aktivieren des gespeicherten Zustands erzeugt werden, können bei geeigneter Anordnung eine nützliche Arbeit erzeugen. Obwohl die Erholungsauslenkungen klein (5%) sein können, können die Erholungskräfte für lineare Kontraktionen im Bereich von in der Nähe von 35 Tonnen pro Quadratinch oder mehr liegen. Somit ist die zurückgewinnbare Energie beträchtlich.
Eine beliebige Form kann in ein SMA-Stellgliedelement programmiert werden, indem das Stück physikalisch eingeschränkt wird, während es auf die zweckmäßige Ausheilungstemperatur erhitzt wird. TiNi-Legierungen sind in Platten-, Rohr- und Drahtformen kommerziell erhältlich und können einen breiten Bereich von Transformationstemperaturen aufweisen.
Eine Gedächtnistransformation eines SMA-Elements hängt von der Temperatur ab. Die Verformungsgeschwindigkeit hängt jedoch von der Kühl- und Heizgeschwindigkeit ab. Daher gibt die Geschwindigkeit, mit der die Temperaturänderungen stattfinden, die maximale Geschwindigkeit vor, mit der das SMA-Stellglied arbeiten kann. Wie bei allen mechanischen Entwürfen, besteht ein Kompromiss. Ein schneller betätigendes SMA-Stellglied muss schneller erhitzt und abgekühlt werden, wodurch mehr Leistung verbraucht wird und eine größere Menge an verschwendeter Wärme erzeugt wird.
Es ist bekannt, Formgedächtnislegierungs-Stellglieder in herkömmlich lenkbaren Elementen wie z. B. Kathetern zu verwenden. Eine solche Anwendung, US-Patent Nr. 4 543 090, beschreibt einen herkömmlichen lenkbaren und richtbaren Katheter, der eine Formgedächtnislegierung als Steuerelemente verwendet. Herkömmliche lenkbare Vorrichtungen, die SMA-Elemente verwenden, sind in der Geschicklichkeit stark begrenzt. Die Bewegung ist auf eine einzige Ebene begrenzt. Das SMA-Element muss auch mechanisch verformt werden, um einen weiteren Zyklus zu beginnen.
Somit muss in herkömmlichen Anwendungen jedes Formgedächtniselement mit mindestens einem weiteren Formgedächtniselement gekoppelt werden. Wenn eines der Elemente erhitzt wird, wird es durch das andere Gedächtniselement in seine ursprüngliche Position zurückgebracht. Dies ermöglicht eine gesteuerte Bewegung, aber nur in einer Ebene. Die Bewegung ist auf höchstens zwei Freiheitsgrade pro Verbindung begrenzt.
Herkömmliche lenkbare Vorrichtungen wie z. B. Katheter, die SMA-Stellglieder als Steuerelemente beinhalten, weisen beträchtliche Nachteile auf. Die Verbindungen müssen unangemessen groß und unhandlich gemacht werden, da immer eine entgegengesetzte Kraft erforderlich ist, um das SMA-Stellgliedelement nach der Transformation von der Mutterphase in seine martensitische Form zurückzubringen. Komplexe Bindeglieder sind erforderlich, um eine solche lenkbare Vorrichtung zu drehen. Der Bereich der Manövrierfähigkeit wird beispielsweise durch die Bindglieder, die erforderlich sind, um das SMA- Stellgliedelement in seine martensitische Form zurückzubringen, nachdem es aktiviert wurde, um seine programmierte Form anzunehmen, stark begrenzt.
Herkömmliche lenkbare Vorrichtungen, die Formgedächtnislegierungen verwenden, weisen insofern einen weiteren Nachteil auf, als sie relativ groß sind und eine stark eingeschränkte untere Grenze aufweisen, jenseits welcher eine Größenverringerung wirtschaftlich nicht durchführbar ist. Die relativ große Größe liegt an dem Bedarf für Steuerarme, Bindeglieder oder andere Elemente, die erforderlich sind, um das Formgedächtnisstellglied in seinen Anfangszustand zurückzubringen. Dies schränkt die Geometrie einer solchen herkömmlichen lenkbaren Vorrichtung stark ein.
Herkömmlichen lenkbaren Vorrichtungen, die Formgedächtnislegierungen beinhalten, fehlt die Geschicklichkeit und präzise Steuerung, die erforderlich sind, um sie in sehr kleine, geometrisch komplexe Räume zu manövrieren. Dies liegt an dem Bedarf für Steuerarme oder entgegengesetzt angeordnete Elemente, um das Stellglied in eine erste Position mechanisch zurückzubringen, nachdem es in seinen programmierten Zustand aktiviert wurde.
Herkömmliche lenkbare Vorrichtungen, die SMA-Stellglieder verwenden, sind häufig für viele medizinische Anwendungen, bei denen eine schnelle, geschickte Bewegung kritisch ist, zu langsam. Die große Größe von herkömmlichen lenkbaren Vorrichtungen, die SMA-Elemente verwenden, erfordert eine erhöhte Menge an Strom, um die Aktivierungstemperatur zu erzeugen, die für einen schnellen Übergang vom martensitischen Zustand in die programmierte oder "gespeicherte" austenitische Phase erforderlich ist. Ein herkömmliches SMA-Stellglied verbraucht eine große Menge an Leistung, wobei folglich eine große Menge an Wärme abgeleitet wird. Dies verlangsamt notwendigerweise die Abkühlung auf die Aktivierungsschwelle und verlangsamt dadurch den Übergang vom austenitischen Zustand zurück in den martensitischen Zustand, was zu einer langsamer wirkenden Vorrichtung führt.
Was erforderlich ist, ist eine lenkbare Vorrichtung, die zu uneingeschränkten und dennoch sehr präzisen und geschickten Manövern im dreidimensionalen Raum in der Lage ist. Es wäre vorteilhaft, den Bedarf für Steuerarme, Bindeglieder oder andere externe Mittel zum Zurückführen von herkömmlichen Formgedächtnislegierungs-Elementen in eine erste Position nach der Deaktivierung und dem Übergang von der Mutterphase zurück in den martensitischen Zustand zu beseitigen. Solche Steuerbindeglieder erhöhen die Größe der Vorrichtung, erhöhen die Leistungsanforderungen und verlangsamen die Ableitung von Wärme, was zu einer langsam wirkenden Vorrichtung führt.
Was auch erforderlich ist, ist eine lenkbare Vorrichtung, die zu einer uneingeschränkten Gelenkigkeit in drei Dimensionen in der Lage ist und die zum Vorsehen einer erhöhten Geschicklichkeit und Manövrierfähigkeit in sehr kleinen, geometrisch eingeschränkten Bereichen, die derzeit für herkömmliche lenkbare Vorrichtungen unzugänglich sind, skalierbar sein kann.
US 4 864 824 offenbart ein Stellglied, das durch eine Vielzahl von Dünnschicht-Formgedächtnismaterial-Elementen angetrieben wird, die auf einem Substrat abgeschieden und strukturiert wurden. Eine externe Schaltung umfasst Schalter und eine Stromquelle, um die Elemente derart einzeln zu erhitzen, dass eine Kontaktstelle durch Erhitzen der Elemente in Hin- und Herrichtung bewegt wird. Die Kontaktstelle ist ein Teil des ursprünglichen Substrats, der durch Ätzen abgetrennt wurde. Die Kontaktstelle wird relativ zum Substrat bewegt, es ist jedoch nicht vorgesehen, Teile des Substrats oder der Kontaktstelle zu biegen oder zu bewegen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schicht bereitzustellen, welche eine dreidimensionale Bewegung und einen vereinfachten Zugriff zur Steuerung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 18 gelöst.
Spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet die Tatsache, dass SMA-Legierungen unter Verwendung von herkömmlichen VLSI-Verfahren abgeschieden, strukturiert und ausgeheilt werden können. Der breite Bereich von vollständig entwickelten VLSI-Werkzeugen und -Verfahren verringert die Herstellung- und Montagekosten von kleinen lenkbaren Vorrichtungen wie z. B. Kathetern erheblich. Um eine lenkbare Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wie z. B. einen 6F- (French) Katheter herzustellen, werden die SMA-Dünnschichtstellglieder durch herkömmliche chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und VLSI-Verfahren auf einer dünnen, biegsamen Siliziumnitrid- oder Polyimidschicht abgeschieden und strukturiert. Elektrische Verbindungen werden unter Verwendung von Standard-Photolithographieprozessen hergestellt. Nach dem Lösen der SMA-Stellglied-"Haut" oder -Schicht von ihrer Siliziumbearbeitungsbasis ist sie dazu ausgelegt, um eine beliebige biegsame Oberfläche gewickelt zu werden, um dieser ein Drehmoment zu verleihen, wie z. B. einem Krafthandschuh, oder eine dreidimensionale Bewegung zu verleihen. In einem Ausführungsbeispiel ist die SMA-Stellgliedschicht dazu ausgelegt, in einer zylindrischen Anordnung um ein biegsames Element wie z. B. eine biegsame Katheterröhre oder dergleichen gewickelt zu werden. Die SMA-Stellgliedelemente werden dadurch räumlich um den Umfang des biegsamen Elements verteilt. Die SMA-Stellgliedelemente werden dann steuerbar ausgewählt, um das biegsame Element in einer beliebigen Richtung im dreidimensionalen Raum zu bewegen.
Die VLSI-Herstellung der Dünnschicht-SMA-Stellgliedelemente gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erzielt eine schnellere Ableitung von Wärme als es mit herkömmlichen SMA-Vorrichtungen möglich ist. Dies führt zu einer schneller wirkenden Vorrichtung. Sie hat auch den Vorteil, dass ein lenkbarer Katheter, der mit der SMA-Stellgliedschicht der vorliegenden Erfindung umhüllt ist, mit 100 Hz gelenkig bewegt werden kann. Ein Katheter mit einer Abmessung von 6 French, der mit der SMA-Stellgliedschicht der vorliegenden Erfindung umhüllt ist, kann in Intervallen von ½ Sekunde gelenkig bewegt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden eine Vielzahl von Ein-Aus-Schaltmitteln einteilig unter Verwendung von VLSI-Verfahren auf demselben biegsamen Substrat, das auch die SMA-Stellgliedschicht bildet, ausgebildet. Die Schaltmittel werden zum Liefern eines Phasenaktivierungs-Schwellenstroms zu ausgewählten SMA-Stellgliedern angeordnet, um den Phasenübergang von martensitisch in austenitisch zu erzeugen und dadurch eine gewünschte Bewegung zu verleihen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die Schaltmittel eine Vielzahl von CMOS-Leistungstransistoren. Die Transistoren und zugehörige Adressendecodierschaltung sind mit einem entsprechenden von jedem der SMA-Stellglieder zum selektiven Anlegen eines Phasenaktivierungsstrom an diese verbunden. Die VLSI-Herstellung beseitigt den Bedarf für eine Vielzahl von stromführenden Drähten zu den SMA-Stellgliedern. Nur drei Anschlussleitungen, eine Erdleitung, eine Stromleitung und eine Datensignalleitung, sind zum Verbinden einer Adressendecodierschaltung mit einem externen Mikroprozessor erforderlich. Alternativ können Steuerdaten entlang einer einzelnen Stromleitung moduliert werden.
Eine Mikroprozessorsteuereinheit wird zum Programmieren eines vorbestimmten Bewegungsweges für die SMA-Stellgliedschicht verwendet. Der Mikroprozessor ist eine separat gekapselte integrierte Schaltung, die mit der Steuerschaltung auf der SMA-Stellgliedschicht über herkömmliche Zuleitungen oder faseroptische Übertragungsstrecken in Informationsaustausch steht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Mikroprozessor ein Positionsabbildungsmittel. Drucksensormittel sind entlang des distalen oder aktiven Endes der SMA-Stellgliedschicht angeordnet. Die Drucksensormittel liefern Ausgangssignale in präzisen Positionsintervallen zum Mikroprozessor. Die Ausgangssignale stellen einen Druck dar, der festgestellt wird, wenn das distale Ende oder die Außenhaut der SMA-Stellgliedschicht gegen eine Grenze geschoben wird, die einen Bewegungsweg festlegt, wie z. B. die Wand einer Arterie. Der Mikroprozessor verwendet gemäß gut bekannten adaptiven Rückkopplungsverfahren die Ausgangssignale von den Sensormitteln, um eine Ortskurve von Winkelpositionen für die SMA-Stellglieder festzulegen, die eine idealen Bewegungsweg festlegen, wenn die SMA-Stellgliedschicht in einen geometrisch komplexen Raum vorwärts bewegt wird. Das Positionsabbildungsmittel zeichnet die Winkelpositionen der SMA-Stellglieder für präzise Positionsintervalle entlang des Bewegungsweges auf, wenn die lenkbare Vorrichtung in einen geometrisch komplexen Raum vorwärts bewegt wird. Beim Zurückziehen erzeugt das Positionsabbildungsmittel Ausgangssignale für die Steuerschaltung zum Aktivieren der SMA-Stellglieder in einer umgekehrten Sequenz entlang des Bewegungsweges. Die Anordnung der SMA-Stellgliedschicht wird dadurch automatisch für jedes der Positionsintervalle entlang ihres Bewegungsweges in einer umgekehrten Richtung wiederhergestellt. Dies ermöglicht, dass die SMA-Stellgliedschicht der vorliegenden Erfindung in komplexen Räumen, die für herkömmliche lenkbare Vorrichtungen unter Verwendung von SMA-Stellgliedelementen unzugänglich sind, geschickt in einer umgekehrten Richtung manövriert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Position des distalen oder aktiven Endes der SMA-Stellgliedschicht durch Messen des Widerstandes der SMA-Stellgliedelemente unter Verwendung von herkömmlichen Verfahren, die einem Fachmann gut bekannt sind, abgeleitet werden. Der Widerstand jedes Elements ist zu seiner Temperatur, folglich zu seinem Aktivierungszustand und zu seiner Winkelposition proportional. Folglich kann die Gesamtanordnung der SMA-Stellgliedschicht durch den Mikroprozessor für einen beliebigen gegebenen Punkt in einer Ortskurve von Punkten, die einen Bewegungsweg festlegen, ermittelt werden.
Es ist zu erkennen, dass gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung die SMA-Stellgliedschicht bezüglich einer Ortskurve von Punkten, die einen idealen Bewegungsweg festlegt, selbstführend ist, sobald die Winkelpositionen der SMA-Stellgliedelemente für jeden dieser Punkte im Positionsabbildungsmittel gespeichert wurden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ermöglichen die verringerten Kosten der SMA-Stellgliedschicht, die durch VLSI-Fertigung möglich gemacht werden, dass die SMA-Stellgliedschicht nach der Verwendung lösbar und wegwerfbar ist. Die SMR-Stellgliedschicht, die beispielsweise einen Katheter umhüllt und in eine Arterie eintritt, ist über biegsame Anschlussleitungen über einen einfachen Stecker/Buchsen-Verbindungsstecker mit einer externen Steuerschaltung verbunden. Die SMA-Stellgliedschicht ist dadurch von der Steuerschaltung lösbar und kann nach der Verwendung leicht ausgetauscht werden.
Die Herstellung der räumlich verteilten SMA-Stellglieder nach Anspruch 18, der zugehörigen Adressendecodierschaltung und Leistungstransistoren unter Verwendung von Dünnschicht-VLSI-Verfahren ermöglicht, dass eine erfindungsgemäße lenkbare Vorrichtung in der Lage ist, in der Größe auf viel weniger als 6F (French), was gleich 1900 Mikrometer ist, maßstäblich verkleinert zu werden. Dies hat gegenüber herkömmlichen lenkbaren Vorrichtungen unter Verwendung von SMA-Speicherelementen viele Vorteile, einschließlich kleinerer Größe, größerer Manövrierfähigkeit, geringeren Leistungsverbrauchs, schnellerer Wärmeableitung und folglich schnellerer Bewegung. Die maßstäblich verkleinerte Größe, die durch die vorliegende Erfindung erzielbar ist, ermöglicht auch, dass eine Vorrichtung geschickt durch geometrisch komplexe Räume in drei Dimensionen manövriert, die für herkömmliche Vorrichtungen unzugänglich sind.
Weitere Aspekte der Erfindung sowie die vorstehend erwähnten Einzelheiten sind durch die abhängigen Ansprüche festgelegt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung können durch Studieren der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung zusammen mit den Zeichnungen erkannt werden, in denen gilt:
1A ist eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung;
1B ist eine perspektivische Ansicht des in 1A dargestellten Ausführungsbeispiels;
1C ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des in 1A dargestellten Ausführungsbeispiels;
2A ist eine Seitenschnittansicht des in 1A dargestellten Ausführungsbeispiels;
2B ist eine Schnittstirnansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in 1A dargestellt ist;
3A ist eine abgeschnittene perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels, die zeigt, wie die räumlich verteilte SMA-Stellgliedschicht von 1 aufgegriffen wird, damit sie um eine flexible, biegsame Struktur gewickelt und an dieser befestigt wird;
3B ist eine Seitenschnittansicht des in 3A dargestellten Ausführungsbeispiels;
4 ist eine perspektivische Schnittansicht des in 3A und 3B dargestellten Ausführungsbeispiels, welche die Phasenaktivierungswirkung eines SMA-Elements darstellt; und
5 ist ein Ersatzschaltplan des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels.
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung, welche ein Beispiel einer verteilten Gelenkigkeit im dreidimensionalen Raum zeigt.
7 ist ein schematisches Diagramm eines typischen Drucksensormittels für die adaptive Rückkopplungsregelung des in 6 gezeigten Ausführungsbeispiels.
8 ist eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Messen der Winkelverschiebung der SMA-Stellgliedelemente, um eine präzise Steuerung der SMA-Stellgliedschicht vorzusehen.
BESCHREIBUNG
Überblick
Wie in den 1A, 1B und 1C gezeigt, umfasst eine räumlich verteilte SMA-Stellgliedschicht 100 eine Vielzahl von SMA-Dünnschichtstellgliedern 105, die in einem distalen Teil derselben angeordnet sind. Die SMA-Stellglieder 105 werden unter Verwendung von herkömmlichen VLSI-Verfahren auf einer Schicht aus einem auf Polyimid oder Kevlar basierenden Material abgeschieden, strukturiert und ausgeheilt.
Elektrische Verbindungen mit der Adressendecodierschaltung 118 und den zugehörigen Schaltmitteln 114, wie z. B. CMOS-Transistoren, werden unter Verwendung von Standard-VLSI-Photolithographieprozessen hergestellt.
Die Schicht 108 aus auf Polyimid oder Kevlar basierendem Material wird unter Verwendung von Standardverfahren wie z. B. EDH-Ätzen oder dergleichen von einer Siliziumbearbeitungsbasis gelöst. Dies bildet anschließend eine in sich geschlossene, biegsame SMA-Stellgliedschicht 100, wobei die SMA-Stellglieder 105 sowie die zugehörigen Schaltmittel 114 zum Anlegen des Phasenaktivierungsstroms an ausgewählte SMA-Stellglieder 105 und die Adressendecodierschaltung 118 in VLSI auf einer kompakten, biegsamen SMA-Schicht 100 integriert sind.
Die SMA-Stellgliedschicht 100 ist dazu ausgelegt, um eine beliebige Oberflächengestalt gewickelt zu werden, um dieser ein Drehmoment zu verleihen, wie z. B. ein Krafthandschuh oder dergleichen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die SMA-Stellgliedschicht 100 dazu ausgelegt, um ein biegsames Element wie z. B. eine Katheterröhre 300 oder dergleichen, wie in 3A und 3B gezeigt, gewickelt zu werden. Folglich werden dann eine Vielzahl von SMA-Stellgliedern 105 gleichmäßig um die Oberfläche der SMA-Stellgliedschicht 100 verteilt, welche das biegsame Element 150 umhüllt. Die selektive Aktivierung der SMA-Stellglieder 105 durch die Steuerschaltung verleiht dadurch dem biegsamen Element eine kontinuierliche Bewegung in einer beliebigen Richtung im dreidimensionalen Raum.
In dem in 3B gezeigten Beispiel sind drei Dünnschicht-SMA-Stellglieder 105 in 120°-Intervallen um eine biegsame Katheterröhre 300 angeordnet. Mit Bezug auf 1 werden die SMA-Stellglieder 105 selektiv durch die Adressendecodierschaltung 118 adressiert und werden durch die Transistorschaltmittel 114 auf eine Phasenaktivierungsschwelle gemäß Verfahren, die gut bekannt sind, durch Widerstand erhitzt. Das selektive Anlegen eines Stroms an eines oder mehrere der SMA-Stellglieder 105, der ausreicht, um den Formgedächtnis-Phasenübergang zu aktivieren, erzeugt eine Differenzkontraktion auf einer Seite der Röhre 300 und eine lokale Biegung.
Die SMA-Stellglieder 105 werden durch Entfernen der Stromquelle deaktiviert, wodurch ermöglicht wird, dass wärme vom SMA-Stellglied 105 fließt. Die Geschwindigkeit, mit der sich die SMA-Stellglieder abkühlen, ist durch ihre Dicke festgelegt. Es ist zu erkennen, dass die räumlich verteilten SMA-Stellglieder 105 einen mehrgelenkigen Manipulator oder eine Sonde mit mehreren Segmenten bilden, die nicht darauf beschränkt ist, sich in einer einzelnen Ebene zu bewegen, sondern sich in einer beliebigen Richtung mit uneingeschränkter Bewegung biegen kann.
Es ist auch zu erkennen, dass die Integration der SMA-Stellglieder 105 in überlappenden Anordnungen in einer biegsamen VLSI-Schicht eine Kontinuität von beweglichen SMA-Knoten erzeugt, die räumlich um den Umfang eines biegsamen Elements verteilt sind. Dies ermöglicht, dass ein biegsames Element, das mit der SMA-Stellgliedschicht 100 der vorliegenden Erfindung umhüllt ist, zu einer im Wesentlichen kontinuierlichen Bewegung in drei Dimensionen entlang seiner Länge in der Lage ist. Folglich kann die SMA-Stellgliedschicht 100, wenn sie um eine Katheterröhre oder dergleichen gewickelt ist, äußerst geschickte Manöver im dreidimensionalen Raum ausführen. Dies war mit herkömmlichen lenkbaren Vorrichtungen unter Verwendung von Formgedächtnislegierungs-Stellgliedern, die darauf beschränkt sind, sich in einer einzelnen Ebene zu bewegen, nicht möglich.
Verfahren zur Herstellung der SMA-Stellgliedschicht
Mit Bezug auf die 1C und 2A gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der Gesamtprozess zum Ausbilden der räumlich verteilten SMA-Stellgliedschicht folgendermaßen.
Ein Substrat 200 wird anfänglich als Grundlage für die VLSI-Integration der Steuer- und Adressenschaltung und der SMA-Stellgliedelemente bereitgestellt. Ein Standard-Siliziumwafer, [100]Si, mit einer Dicke von ungefähr 500 Mikrometern ist ein geeignetes Basissubstratmaterial.
Als nächstes wird eine Reihe von Nuten unter Verwendung von anisotropem Ätzen im Siliziumwafer ausgebildet. Die Nuten sehen eine wellige Grundlage im Substrat 200 vor, die verwendet wird, um eine Reihe von Wellen 130 in einer anschließend abgeschiedenen Polyimidschicht 108 auszubilden, die verwendet wird, um die VLSI-SMA-Stellgliedschicht 100 auszubilden.
Die Wellen 130 befinden sich im Wesentlichen unter jedem SMA-Stellgliedelement 105. Die Wellen sind im Wesentlichen quer zu den Verformungsachsen oder zur Betätigungsachse der SMA-Stellgliedelemente 105 angeordnet. Die Wellen 130 sehen ein Mittel vor, um zu ermöglichen, dass sich die Stellgliedelemente 105 bei Betätigung verformen, und um einem gesamten benachbarten Teil der SMA-Stellgliedschicht 100 eine Bewegung zu verleihen. Die Wellen 130 erleichtern folglich die gesteuerte Bewegung der SMA-Stellgliedschicht 100 bei Anlegen eines elektrischen Stroms. Die Größe und Anordnung der Wellen 130 können skaliert werden, um die in der SMA-Stellgliedschicht 100 durch die Kontraktion oder Ausdehnung der Stellgliedelemente 105 induzierte Bewegung zu maximieren.
Die Wellen 130 sehen auch ein Mittel zum Begrenzen der Dehnung in den Stellgliedelementen und in der SMA-Stellgliedschicht 100 vor und verhindern somit den Bruch der SMA-Stellgliedschicht 100. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel begrenzen die Wellen 130 die Dehnung auf ungefähr ≤ 8%.
Nach der Ausbildung der Wellen 130 wird eine dünne Isolationsschicht 109 aus SiNi über dem Wafer 200 unter Verwendung von herkömmlichen VLSI-Verfahren, die gut bekannt sind, abgeschieden. Die Schicht 109 aus SiNi wirkt als Sauerstoffbarriere, um eine Verunreinigung der TiNi-Schicht, die in einem anschließenden Prozessschritt aufgesputtert werden soll, zu verhindern. Die Schicht 109 aus SiNi weist eine Dicke auf, die in der Größenordnung von 2000 Å liegt.
Das Formgedächtnis-Legierungsmaterial wie z. B. eine 50 : 50 oder 49 : 51 TiNi-Formulierung wird dann gemäß gut bekannten CVD/VLSI-Verfahren über der Schicht 109 aus SiNi aufgesputtert. Das TiNi wird dann in seine programmierte Mutterphase ausgeheilt. Der Ausheilungsprozess hängt von der verwendeten TiNi-Formulierung ab. Die TiNi-Schicht wird typischerweise bei 510°C–540°C für eine Stunde ausgeheilt.
Wie erläutert wird, kann die TiNi-Schicht 105 ausgeheilt werden, um das aus dem Übergang in die Mutterphase zu gewinnende nützliche Drehmoment zu optimieren. Die TiNi-Schicht wird dann gemäß bekannten VLSI-Verfahren strukturiert und geätzt, um diskrete TiNi-SMA-Stellglieder 105 auszubilden. Die TiNi-Stellglieder 105 werden dann maskiert.
Eine Schicht 108 aus Polyimid oder einem anderen auf Kevlar basierenden Material wird über den TiNi-Stellgliedern derart abgeschieden, dass Fenster um jedes TiNi-Stellglied ausgebildet werden. Die Schicht 108 aus Polyimid sieht die Grundlage für die VLSI-Herstellung der Schaltmittel 114, der Adressendecodierschaltung 118 und der leitenden Wege 112, wie in 1B gezeigt, vor. Die Polyimidschicht 108 kann nicht dicker als ein halber Mikrometer sein.
Polyimid hat sich als mechanisches Material mit hoher Genauigkeit und hoher Festigkeit erwiesen, das insbesondere in diesem Fall anwendbar ist, wenn SMA-Stellglieder und eine zugehörige Steuer- und Treiberschaltung in VLSI auf einer sehr dünnen Fläche integriert werden müssen, die eine starke Biegsamkeit aufweisen und dennoch eine hohe Festigkeit aufweisen muss.
Obwohl Polyimid als Grundmaterial bevorzugt ist, soll die VLSI-SMA-Stellgliedschicht nicht auf Polyimid begrenzt sein und ein beliebiges geeignetes biegsames Folienmaterial zum Annehmen von VLSI-Bearbeitungsverfahren kann implementiert werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
Eine Vielzahl von Schaltmitteln 114 wie z. B. CMOS-Transistoren, die für die VLSI-Fertigung geeignet sind, werden über der Polyimidschicht 108 bereitgestellt. Jedes Schaltmittel 114 wird durch leitende Wege 112 mit einem entsprechenden SMA-Stellglied 105 zum Anlegen eines hohen Stroms an dieses Stellglied, um das SMA-Stellglied schnell durch Widerstand auf seine Aktivierungsschwelle zu erhitzen, verbunden. Jedes Schaltmittel 114 wird wiederum mit der Adressendecodierschaltung 118 verbunden, die auch unter Verwendung von herkömmlichen VLSI-Verfahren auf der Polyimidschicht 108 hergestellt wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Adressendecodierschaltung 118 eine Reihe von Speicherregistern, Logikgattern oder dergleichen, die leicht in VLSI hergestellt werden.
Die leitenden Wege 112 zwischen jedem der TiNi-Stellglieder und den zugehörigen Schaltmitteln und der Adressendecodierschaltung werden auch zu diesem Zeitpunkt unter Verwendung von herkömmlichen VLSI-Verfahren hergestellt.
Wie in 2A dargestellt, stellt eine leitende Anschlussleitung 112 einen elektrischen Kontakt mit einem Ende eines SMA-Stellgliedes 105 über den Leiterabschlussblock 201 her. Eine Masseebene (nicht dargestellt) ist in der Polyimidschicht 108 vorgesehen, um einen Stromrückweg für die SMA-Stellglieder 105 gemäß gut bekannten Verfahren vorzusehen.
VLSI-Sensormittel wie z. B. kapazitive Lineardehnungsmesser, Halleffektsensoren, Temperaturfühler oder dergleichen werden ebenso in VLSI auf der Polyimidschicht 108 integriert und werden einem entsprechenden SMA-Stellglied oder Segment der SMA-Stellgliedschicht 100 zugeordnet, wie erläutert wird.
Die Polyimidschicht 108 wird dann von ihrer Siliziumwafer-Bearbeitungsbasis 200 unter Verwendung eines herkömmlichen Ätzprozesses wie z. B. EDP-Ätzen gelöst. Es ist zu erkennen, dass die Polyimidfläche nun eine vollständig integrierte VLSI-Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht 100 umfasst. Das heißt, die SMA-Stellglieder 105, die Adressendecodier- 118 und Steuerschaltung, einschließlich der Schaltmittel 114, sowie Positionssensoren und Sensoren zum Messen von Umgebungsparametern sind alle integral als VLSI-Schaltung ausgebildet, die in eine biegsame Polyimidfläche 100 integriert ist.
Die vollständig integrierte VLSI-SMA-Stellgliedschicht 100 wird über eine Stromleitung 142 lösbar mit einer Stromquelle verbunden. Die SMA-Stellgliedelemente werden über eine Erdleitung 140 mit einer gemeinsamen Erdung verbunden.
Ein Mikroprozessor (nicht dargestellt) kann in VLSI an einem proximalen Teil der Polyimidfläche 100 mit der Adressendecodierschaltung 118 integriert werden. Alternativ kann ein Mikroprozessor als separat gekapselte integrierte Schaltung vorgesehen und wirksam mit der Adressendecodier- und Steuerschaltung auf der Polyimidfläche 100 über die Datenleitung 142 verbunden werden.
Der vorangehende Prozess stellt eine in sich geschlossene, vollständig integrierte VLSI-SMA-Stellgliedschicht 100 bereit, die in einer Betriebsart mit entweder offener Schleife oder geschlossener Schleife betätigt werden kann, um eine uneingeschränkte Bewegung in drei Dimensionen bereitzustellen, wie erläutert wird.
Wie in 1A, 1B und 1C gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung dargestellt, kann die in sich geschlossene VLSI-SMA-Stellgliedschicht 100 als Modul betrachtet werden. Die Datensignalleitung 144, die Stromleitung 142 und die Erdleitung 140 sind dazu ausgelegt, eine Vielzahl von in Kaskade geschalteten VLSI-SMA-Stellgliedern 100 als Module miteinander zu verbinden. Die VLSI-SMA-Module sind in sequentieller Weise kombiniert. Die Datensignalleitung 144, die Stromleitung 142 und die Erdleitung 140 eines ersten VLSI-SMA-Stellgliedschichtmoduls sind zur Adressendecodierschaltung 118 jedes nachfolgenden VLSI-SMA-Stellgliedmoduls weitergeführt. Somit können eine Vielzahl von VLSI-Formgedächtnisstellglied-Modulen für bestimmte Anwendungen miteinander in Kaskade geschaltet werden.
Die Formgedächtnisstellglieder
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das SMA-Material eine 49 : 51-Zusammensetzung aus Titan und Nickel (TiNi). Das SMA-Material ist von RAYCHEM Corporation, 300 Constitution Drive, Menlo Park, Kalifornien 94025 erhältlich. Die SMA-Stellglieder 105 sind thermisch stark empfindliche Elemente, die nach dem Anlegen eines kleinen elektrischen Stroms über die Zuleitungen 112 durch Widerstand auf eine Phasenaktivierungs-Schwellentemperatur erhitzt werden, wie in 1 gezeigt.
Die Ausbildung der SMA-Stellglieder wird gemäß VLSI-Verfahren durchgeführt, die gut bekannt sind. Typischerweise wird eine geeignete Matrix aus Formgedächtnismaterial wie z. B. TiNi unter Verwendung von Ionenbeschuss in einer Niederdruckkammer verdampft. Die verdampften Formgedächtnislegierungsatome bewegen sich zu einem Substrat, in diesem Fall der Siliziumnitrid-Basisschicht 109, wo die Atome zu einer Schicht kondensieren. Mit Bezug auf 1 wird die Formgedächtnis-Stellgliedschicht durch herkömmliche VLSI-Photolithographie- und Ätzvorgänge zum Entfernen des gesputterten SMA-Materials von Bereichen, wo es nicht erwünscht ist, strukturiert, um eine Matrix von SMA-Stellgliedelementen 105 auszubilden. Somit werden eine Vielzahl von SMA-Stellgliedelementen 105 auf der Siliziumnitridschicht 109 belassen, wie in 1 und 2 gezeigt.
Die SMA-Stellgliedschicht wird bei hoher Temperatur gemäß bekannten Verfahren ausgeheilt. Der Ausheilungsprozess programmiert die vorbestimmte Form in die SMA-Stellgliedelemente, die die Elemente nach der mikrostrukturellen Transformation von der martensitischen Phase in die Mutter- oder austenitische Phase annehmen. Eine beliebige Form kann in die Legierung programmiert werden, indem das Stück physikalisch eingeschränkt wird, während es auf die zweckmäßige Ausheilungstemperatur erhitzt wird. Für 49 : 51 TiNi beträgt diese Temperatur ungefähr 510°C für eine Stunde. Dies ist als Alterungsbehandlung bekannt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine 49 : 51 TiNi-Legierung für ein Einweg-Formgedächtnis-Stellglied verwendet. Während der Alterungsbehandlung wird die gesputterte SMA-Schicht in das eingeschränkt, was die Hochtemperaturform sein soll. Es ist zu erkennen, dass eine beliebige Art von Form zum Maximieren des Bewegungsausmaßes von der Niedertemperatur- oder martensitischen Phase in die Hochtemperatur- oder austenitische Phase programmiert werden kann. Bei der Alterungsbehandlung tritt eine Ausscheidungsreaktion in einer TiNi-Legierung auf. Es wird angenommen, dass die Ausscheidungsteilchen effektiv eine Gegenspannung verursachen, die eine Ablenkung von der eingeschränkten Form weg verursacht (in der austenitischen oder programmierten Phase), wenn das SMA-Stellgliedelement freigegeben und abgekühlt wird. Nach der Abkühlung biegt sich die TiNi-Legierung spontan von ihrer eingeschränkten oder programmierten Form weg.
Es ist bekannt, dass die Aktivierungstemperatur für die Phasentransformation von martensitisch zu austenitisch von der Legierung abhängt und durch Ändern der Legierungszusammensetzung verändert werden kann. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ermöglicht dies, dass die Phasenaktivierungstemperatur optimiert wird, um den minimalen Schwellenstrom festzulegen, der erforderlich ist, um die spontane Phasenänderung in die programmierte Form zu erzielen.
Eine Phasentransformation von der martensitischen in die Mutterphase oder in austenitisch hängt nur von der Temperatur ab. Die Geschwindigkeit der Verformung hängt jedoch von der Geschwindigkeit der Kühlung und Erhitzung ab. Daher gibt die Geschwindigkeit, mit der Temperaturänderungen stattfinden, die maximale Geschwindigkeit vor, mit der ein SMA-Stellglied arbeiten kann. Wie bei allen mechanischen Konstruktionen besteht ein Kompromiss. Ein schneller betätigendes SMA-Stellglied muss schneller erhitzt und gekühlt werden, wodurch mehr Leistung verbraucht wird und eine größere Menge an Abwärme erzeugt wird.
Wenn die SMA-Stellgliedelemente 105 durch Anlegen eines elektrischen Stroms selektiv durch Widerstand erhitzt werden, erzeugen sie eine gesteuerte Bewegung eines benachbarten Teils der SMA-Stellgliedschicht 100. Eine Formgedächtnislegierung von 49 : 51 Titannickel (TiNi) ist das bevorzugte Material, da dieses eine große Änderung des Schermoduls über einen relativ schmalen Temperaturbereich aufweist. Die Änderung des Moduls bei der Aktivierungstemperatur ist das Ergebnis einer reversiblen Festkörper-Phasentransformation von martensitisch in austenitisch.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt signifikante Leistungseinsparungen gegenüber herkömmlichen SMA-Vorrichtungen bereit. Das Legierungsgemisch wird bei 49 : 51 TiNi derart optimiert, dass ein minimaler Schwellenstrom an die Stellgliedelemente 105 angelegt wird, um ein maximales Ausmaß an nützlicher Bewegung während des Übergangs von der martensitischen Phase in die austenitische Phase zu erzielen.
Bezüglich der Anordnung der SMA-Stellgliedelemente wird die TiNi- oder eine andere geeignete Formgedächtnislegierung so aufgesputtert, dass sie eine Matrix von Atomen bildet, die eine Zugkraft durch Kontraktion vorsehen, wenn in die austenitische Hochtemperaturphase transformiert wird. Diese Form kann durch Sputtern einer Matrix aus geeignetem TiNi-Material in einer komprimierten Anordnung festgelegt werden, so dass das SMA-Stellgliedelement bei der Ausheilung so programmiert wird, dass es sich in einer engen, kompakten Anordnung befindet. Dies ist die sogenannte Mutterphase, die Form, an die bei erhöhter Temperatur "erinnert" wird. Diese wird auch als austenitische Phase bezeichnet. Bei einer Temperatur unterhalb der Aktivierungstemperatur können die TiNi-Elemente folglich nach außen gebogen und verlängert werden. Beim Anlegen eines elektrischen Stroms, der das SMA-Stellgliedelement durch Widerstand auf die Phasenaktivierungstemperatur erhitzt, nimmt das SMA-Stellgliedelement spontan seine programmierte Anordnung an und zieht die gesamte benachbarte Stellgliedschicht zusammen .
Dies ist analog zum Sputtern des SMA-Stellgliedmaterials in einer Anordnung, die mit einer Druckfeder in ihrer "erinnerten" oder programmierten Phase verglichen werden kann. Eine solche Anordnung würde sich spontan zusammenziehen, um eine Zugkraft vorzusehen, wenn das SMA-Stellgliedelement durch Widerstand auf die Phasenaktivierungstemperatur erhitzt wird. Somit würde eine solche Anordnung eine Zugkraft vorsehen, wenn sie aktiviert wird. Ob die SMA-Stellgliedschicht der vorliegenden Erfindung im Druck- oder Zugmodus arbeitet, hängt von den mechanischen Einschränkungen ab, die den Elementen nach der Ausheilung auferlegt werden.
In US-A-4864824 sind eine Dünnschicht-Formgedächtnislegierung und ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 offenbart.
Verschiedene Anordnungen der SMA-Stellgliedelemente können durch VLSI-Verfahren strukturiert werden, um die Schub- oder Zugkraft, die während der Phasentransformation von martensitisch in austenitisch auftritt, zu optimieren. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ziehen sich die SMA-Stellglieder zusammen, nachdem sie durch Widerstand auf die Aktivierungsschwelle erhitzt werden.
Zusammengefasst wird das SMA-Stellgliedmaterial unter Verwendung von herkömmlichen VLSI-Verfahren abgeschieden, strukturiert und ausgeheilt. Die zugehörigen Schaltmittel 114 und die Adressendecodierschaltung 118 werden auch in VLSI auf der Polyimidschicht abgeschieden. Die Polyimidschicht 108 wird gemäß herkömmlichen Ätzverfahren, die gut bekannt sind, von ihrer Siliziumbearbeitungsbasis gelöst. Dies stellt eine biegsame, modulare SMA-Stellgliedschicht 100 bereit, wobei die SMR-Stellglieder 105, die zugehörige Steuerschaltung wie z. B. die Schaltmittel 114 und die Adressendecodierschaltung 118 alle in VLSI auf demselben biegsamen Substrat zusammen integriert sind.
Es ist zu erkennen, dass die biegsame SMA-Stellgliedschicht 100 um eine beliebige Oberfläche angeordnet werden kann, um dieser eine Bewegung oder ein Drehmoment zu verleihen. Wenn die SMA-Stellgliedschicht um eine zentrale Längsachse gewickelt wird, sieht die räumliche Verteilung der SMA-Stellgliedelemente 105 um den Umfang der SMA-Stellgliedschicht 100 ein Mehrknoten-Gelenk in drei Dimensionen vor. Eine mehrgelenkige Sonde gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, sehr geschickte Manöver im dreidimensionalen Raum ohne Einschränkung durchzuführen.
Ein Aspekt der Erfindung beseitigt ein signifikantes Problem bei herkömmlichen lenkbaren SMA-Vorrichtungen. Dieses Problem betrifft die kritischen Einschränkungen, die der Größe und Anzahl von Strom führenden Leitern auferlegt werden. Große TiNi-Stellglieder entnehmen eine große Menge an Strom, was eine entsprechende Vergrößerung der Querschnittsfläche der Leiter erfordert. Dies ist mit Vorrichtungen mit engen Abmessungseinschränkungen nicht kompatibel. Das vorangehende erlegt ein kritisches Problem auf, das bis jetzt nicht beseitigt wurde. Einige herkömmliche TiNi-betätigte Katheter können aufgrund dieser Begrenzung beispielsweise nur ein einzelnes bewegliches Gelenk unterstützen.
Um einen herkömmlichen SMA-betätigten lenkbaren Katheter mit Präzision arbeiten zu lassen, wäre es erforderlich, ungefähr 3 Amp zum TiNi-Stellglied zu liefern. Die Platzeinschränkungen, die den Stromzuführungsdrähten auferlegt werden, sind derart, dass größere Vorrichtungen eine große Menge an Strom entnehmen, wenn die TiNi-Stellglieder direkt erhitzt werden. Die Stromzuführungsdrähte müssten untragbar groß sein und würden die Bewegung der Vorrichtung hemmen.
Ein weiteres Problem bei herkömmlichen lenkbaren SMA-Vorrichtungen besteht darin, dass TiNi schwierig genau zu steuern ist, da TiNi eine Beziehung der Temperatur als Funktion des Widerstandes mit einer signifikanten Hysteresekurve aufweist.
Um die vorangehenden Nachteile von herkömmlichen SMA/TiNi-betätigten Vorrichtungen zu beseitigen, stellt ein Aspekt der Erfindung, wie in 2B gezeigt, eine Dünnschicht-Dehnungsentlastung 202 aus einem biegsamen Isolationsmaterial wie z. B. Polyimid bereit, die über jedem TiNi-Stellglied 105 abgeschieden wird. Die Dehnungsentlastungsschicht 202 weist eine Dicke in der Größenordnung von 20000 Å auf. Die Dehnungsentlastungsschicht 202 kann in Abhängigkeit von den Gesamtabmessungen der SMA-Stellglieder dicker oder dünner sein. Anschließend wird eine sehr dünne leitende Schicht 204 benachbart zur Dehnungsentlastungs- oder Isolationsschicht 202 bereitgestellt. Die dünne leitende Schicht 204 umfasst ein Widerstandsheizmittel zum Vorsehen einer Wärmequelle mit hohem Widerstand für das TiNi-Stellglied 105. Die leitende Schicht 204 wird auch als Widerstandsheizschicht bezeichnet und umfasst vorzugsweise eine dünne Schicht aus ungefähr 50 : 50 Nickelchrom (NiCr).
Die NiCr-Widerstandsheizschicht 204 sieht einen höheren Widerstand vor als Masse-TiNi und erhitzt das TiNi-Element 105 durch Widerstand auf seine Phasenaktivierungsschwelle durch Wärmeleitung durch die Isolationsschicht 202. Das TiNi-Element 105 ist nicht elektrisch mit der Widerstandsheizschicht 204 verbunden.
Es wurde festgestellt, dass die Verwendung einer Widerstandsheizschicht 204 in der vorliegenden Erfindung insofern einen beträchtlichen Vorteil gegenüber bekannten SMA-Stellgliedern erzielt, als der Versorgungsstrom erheblich, um mindestens zwei Größenordnungen, für dieselbe Leistungsabgabe verringert wird. Dies ist für Vorrichtungen mit größeren Abmessungen, bei denen der Versorgungsstrom kritisch ist, besonders vorteilhaft. In einer lenkbaren SMA-Vorrichtung mit großer Abmessung ohne die Widerstandsheizschicht 204 müsste der Versorgungsstrom beispielsweise auf einen fast untragbaren Grad erhöht werden, um eine nützliche Bewegung zu erzielen.
Es wurde festgestellt, dass eine Widerstandsheizschicht 204 mit einem Metall wie z. B. NiCr keine Hysteresekurve des Widerstandes als Funktion der Temperatur von TiNi aufweist und daher in der Lage ist, mit großer Genauigkeit gesteuert zu werden. Die Widerstandsheizschicht 204 mit NiCr ist im Gegensatz zu TiNi durch ein lineares Verhalten des Widerstandes als Funktion der Temperatur gekennzeichnet, wodurch der Steueraufwand erheblich verringert wird.
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird die lineare Reaktion der Temperatur als Funktion des Widerstandes der Widerstandsheizschicht 204 verwendet, um die Temperatur eines zugehörigen SMA-Stellgliedes 105 und folglich den Grad der Betätigung und die Position des zugehörigen SMA-Stellgliedes 105 abzuleiten.
Ein vorbestimmter Strom wird durch die Widerstandsheizschicht 204 geleitet. Schaltungsmittel werden gemäß bekannten VLSI-Verfahren zum Messen des Potentialabfalls über den elektrischen Verbindungen für die Widerstandsheizschicht 204 bereitgestellt. Dies ermöglicht dadurch, dass der Widerstand der Widerstandsheizschicht 204 festgestellt wird.
Da die Widerstandsheizschicht 204 durch eine lineare Reaktion des Widerstandes als Funktion der Temperatur gekennzeichnet ist, wird die Temperatur der Widerstandsheizschicht 204 leicht aus dem bekannten Widerstand ermittelt. Die Temperatur der Widerstandsheizschicht 204 ist im Wesentlichen gleich jener des zugehörigen SMA/TiNi-Elements. Somit gibt die Temperatur den Grad des Betätigungs- oder Aktivierungszustands des zugehörigen SMA-Stellgliedes 105 und folglich die Position des zugehörigen SMA-Stellgliedes an. Aus dieser können die SMA-Stellglieder gemäß herkömmlichen Verfahren, die gut bekannt sind, genau gesteuert werden.
Mit Bezug auf die 3A und 3B ist gemäß einem Aspekt der Erfindung das biegsame Substrat mit der SMA-Stellgliedschicht 100 dazu ausgelegt, um eine zentrale Längsachse angeordnet zu werden, um eine uneingeschränkte Bewegung in drei Dimensionen bereitzustellen. Die SMA-Stellgliedschicht 100 wird um ein biegsames Element wie z. B. eine hohle, biegsame Katheterröhre 300 oder dergleichen gewickelt. Es ist zu erkennen, dass die Wellen 130 eine maximale Bewegung der SMA-Stellgliedelemente 105 ermöglichen und folglich die Biegung der zylindrisch gestalteten SMA-Stellgliedschicht 100 in einer beliebigen Richtung im dreidimensionalen Raum maximieren. Die verschachtelten Anordnungen der SMA-Stellgliedelemente 105 erleichtern, wenn sie um den Umfang des biegsamen Elements 300 gewickelt sind, wie in 3B dargestellt, eine uneingeschränkte Bewegung der SMA-Stellgliedschicht 100 im dreidimensionalen Raum. Wie vorher dargelegt, sehen die Wellen 130 auch vorteilhafterweise ein nützliches Mittel zum Begrenzen der Spannung der SMA-Stellgliedschicht 100 vor, wenn sie sich entlang eines komplexen Weges bewegt. Dies hat den Vorteil, dass ermöglicht wird, dass die Dehnung auf ungefähr 8% erhöht wird, was weitaus größer ist als jene von herkömmlichen SMA-Stellgliedvorrichtungen.
In dem Beispiel von 3B ist die Verschachtelung der SMA-Stellgliedelemente 105 derart, dass für ein gegebenes Segment der SMA-Stellgliedschicht 100 drei SMA-Stellgliedelemente ungefähr 120° voneinander entfernt um den Umfang am biegsamen Element 300 angeordnet sind. Eine beliebige zweckmäßige Anordnung von SMA-Stellgliedelementen um den Umfang des biegsamen Elements 200 ist jedoch möglich, beispielsweise vier SMA-Elemente, die in 90°-Intervallen angeordnet sind.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Größe und Anordnung der SMA-Stellgliedelemente 105 so ausgewählt werden, dass die Drehmomentanforderungen zum Bewegen des darunterliegenden biegsamen Elements 300 optimiert werden. Das TiNi-Material kann beispielsweise so gesputtert werden, dass es eine Form annimmt, die zu einer Druckfeder in ihrer Aktivierungsphase analog ist.
Die Erholungskräfte der SMA-Elemente 105, die das biegsame Element 300 mit uneingeschränkter Bewegung im dreidimensionalen Raum bewegen, sind beträchtlich. Die Erholungskräfte, die während der Phasenänderung von martensitisch in austenitisch erreicht werden, liegen in einem Bereich von 35 bis 60 Tonnen pro Quadratinch. Somit können die SMA-Elemente gemäß einem Aspekt der Erfindung in der Größe maßstäblich verkleinert werden, um bei sehr kleinen Abmessungen eine beträchtliche Kraft bereitzustellen.
Gesamte Funktionsweise
Das Grundfunktionsprinzip einer VLSI-Formgedächtnislegierungs-Stellgliedvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist unkompliziert. Eine biegsame VLSI-Schicht mit einer Vielzahl von SMA-Stellgliedern 105 und einer zugehörigen Adressendecodier- 118 und Treiberschaltung 114 ist dazu ausgelegt, um ein biegsames Element gewickelt zu werden. Folglich werden eine Vielzahl von Dünnschicht-SMA-Stellgliedern in regelmäßigen Intervallen um ein biegsames Element wie z. B. eine biegsame Katheterröhre oder dergleichen angeordnet. Das selektive Anlegen eines elektrischen Stroms an eines oder mehrere der SMA-Stellglieder 105 erzeugt eine Differenzkontraktion auf einer Seite der Röhre 300, was eine lokale Biegung erzeugt.
Unter erneuter Bezugnahme auf die 1 und 2 umfassen die SMA-Stellgliedelemente 105 ein thermisch aktiviertes Mittel zum Erzeugen einer gesteuerten Bewegung. Jedes SMA-Stellgliedelement 105 ist mit einem entsprechenden Schaltmittel 114 zum Anlegen eines geeigneten elektrischen Stroms, der dazu in der Lage ist, jedes ausgewählte SMA-Element auf seine vorbestimmte Phasenaktivierungstemperatur durch Widerstand zu erhitzen, verbunden. Die Schaltmittel 114 umfassen CMOS-Leistungstransistoren, die ebenso auf dem Siliziumsubstrat 200 unter Verwendung von VLSI-Verfahren, die gut bekannt sind, ausgebildet werden. Die Schaltmittel 114 können auch entweder MOSFET- oder Bipolarleistungstransistoren sein.
Jeder CMOS-Leistungstransistor 114 ist über Zuleitungen 112 wirksam mit einem Adressendecodier-Schaltungsmittel 118 zum selektiven Aktivieren von einem oder mehreren CMOS-Leistungstransistoren verbunden, wie in 1 gezeigt. Das Adressendecodier-Schaltungsmittel 118 ist mit einer Erdleitung, einer Stromleitung und einer Datenfreigabeleitung versehen, wie in 1 gezeigt. Das Adressendecodier-Schaltungsmittel 118 wird ebenso unter Verwendung von VLSI-Verfahren, die gut bekannt sind, ausgebildet. Alternativ kann die Adressendecodierschaltung 118 eine separat gekapselte integrierte Schaltung sein.
Das Adressendecodier-Schaltungsmittel 118 umfasst eine Reihe von Logikgattern oder Speicherregistern oder anderen zweckmäßigen Mitteln zum selektiven Adressieren von jedem SMA-Stellgliedelement 105 als Reaktion auf Signale von einem Mikroprozessor.
Ein Mikroprozessor ist mit einem Adressendecodier-Schaltungsmittel 118 über die Datensignalleitung verbunden. Der Mikroprozessor legt fest, welche SMA-Stellglieder oder Gruppe von SMA-Stellgliedern 105 aktiviert werden sollen, um die gewünschte Bewegung der SMA-Stellgliedschicht 100 zu erzielen. Gemäß Verfahren, die gut bekannt sind, lädt der Mikroprozessor ein ausgewähltes Aktivierungsmuster in die Speicherregister des Adressendecodier-Schaltungsmittels 118. Das Adressendecodier-Schaltungsmittel 118 aktiviert dann selektiv CMOS-Leistungstransistoren 114. Die aktivierten CMOS-Leistungstransistoren 114 legen dann einen Strom mit einer vorbestimmten Aktivierungsschwelle an entsprechende SMA-Stellgliedelemente 105 an. Dies bewirkt die Phasentransformation der ausgewählten SMA-Stellglieder, um dadurch ein gewünschtes Manöver im dreidimensionalen Raum auszuführen, wie durch den Mikroprozessor festgelegt. Es ist bevorzugt, ein Widerstandsheizmittel wie z. B. einen Dünnschicht-Reihenwiderstand (nicht dargestellt) so eng wie möglich an jedem SMA-Stellglied 105 anzuordnen. Dies erhöht vorteilhafterweise die Geschwindigkeit der Widerstandsheizung; was zu einer schneller wirkenden Vorrichtung führt.
Der Mikroprozessor kann entfernt von der Stellgliedschicht 100 angeordnet sein, wie in 5 gezeigt. Dies ist vorteilhaft, wenn eine große Speicherkapazität erforderlich ist, wie beispielsweise, wenn der Bewegungsweg der Stellgliedschicht 100 abgebildet wird, wenn sie in einen geometrisch komplexen Raum vorgeschoben wird. Die entfernte Anordnung der Mikroprozessorsteuereinheit ist auch vorteilhaft, wenn eine extreme maßstäbliche Verkleinerung, beispielsweise auf einige Mikrometer im Durchmesser, der Stellgliedschichtsonde für medizinische Anwendungen erforderlich ist. Dies ermöglicht, dass die Sonde maßstäblich verkleinert wird, während eine große Speicherkapazität an einer entfernten Stelle aufrechterhalten wird.
Ein biegsames Element wie z. B. eine Katheterröhre, die mit der SMA-Stellgliedschicht umhüllt ist, ist nicht darauf eingeschränkt, sich in einer einzelnen Ebene zu bewegen, sondern kann sich in einer beliebigen Richtung biegen. Somit stellt die vorliegende Erfindung zunächst eine räumlich verteilte SMA-Stellgliedschicht bereit, die eine uneingeschränkte Bewegung im dreidimensionalen Raum erzielt. Die räumlich verteilte Stellgliedschicht der vorliegenden Erfindung kann fast einen kontinuierlichen Bewegungsweg über ein ganzes biegsames Element, das sie umhüllt, aufgrund der Überlappung der verschachtelten Anordnungen von Stellgliedelementen 105, wenn sie um ein biegsames Element gewickelt werden, erzeugen. Diese und weitere vorstehend erwähnten Merkmale der Erfindung erzeugen sehr geschickte Bewegungen im dreidimensionalen Raum.
In dem in 4 gezeigten Beispiel wird das SMA-Stellgliedelement 105a ausgewählt und durch Widerstand erhitzt. Die gezeigten Pfeile geben die Ableitung von Wärme vom Stellgliedelement an. Die Wellen 130 ermöglichen eine übereinstimmende Ausdehnung und Kontraktion von entgegengesetzten Seiten des biegsamen Elements 300. In 4 ist die kontrahierte Anordnung des Stellgliedelements 105b die programmierte Form oder Mutterphase, die das Stellgliedelement 105b spontan annimmt, sobald die Phasenaktivierungstemperatur erreicht ist.
Es ist zu erkennen, dass der Phasenübergang von austenitisch in martensitisch bei Abkühlung kristallographisch reversibel ist. Die zugehörige Elastizität des biegsamen Polyimids, das die Grundlage für die SMA-Stellgliedschicht bildet, bringt die SMA-Aktivatorelemente 105 bei Deaktivierung in ihre biegsame martensitische Form zurück. Folglich ist keine Gegenkraft erforderlich, um ein deaktiviertes SMA-Stellgliedelement in seinen biegsamen oder martensitischen Zustand zurückzubringen. Dies hat insofern einen weiteren Vorteil, als die Geschwindigkeit der Bewegung der SMA-Stellgliedschicht 100 durch den Mikroprozessor eng gesteuert werden kann. Die Geschwindigkeit der Bewegung kann beispielsweise durch Minimieren der Aktivierungszeit, während ein elektrischer Strom angelegt wird, um jedes SMA-Stellgliedelement durch Widerstand zu erhitzen, erhöht werden, wobei folglich die Wärmeableitung und eine reversible martensitische Phasentransformation verstärkt werden, sobald die Temperatur des SMA-Stellgliedelements unterhalb die Aktivierungsschwelle fällt. Die selektive zeitabhängige Aktivierung der SMA-Stellgliedelemente wird gemäß Mikroprozessor-Steuerverfahren, die gut bekannt sind, durchgeführt.
Aktivierung der SMA-Stellglieder
5 zeigt eine Ersatzschaltung für die Vorrichtung von 1. In diesem Beispiel sind die SMA-Stellglieder 105a, 105b, 105c so ausgelegt, dass sie in 120°-Intervallen um den Umfang der SMA-Stellgliedschicht 100 beabstandet sind, wenn sie um ein biegsames Element gewickelt ist, wie in 3A und 3B gezeigt. Es ist selbstverständlich, dass eine Vielzahl von SMR-Stellgliedern 105 sich in der zur Mittelachse der SMA-Stellgliedschicht 100 parallelen Richtung überlappen, wie in 1 gezeigt, um einen im Wesentlichen durchgehenden Bewegungsbereich vorzusehen. Der Deutlichkeit halber zeigt die Schaltung von 5 nur eine Reihe oder ein Segment der SMA-Stellgliedschicht. Eine Vielzahl von SMA-Stellgliedern 105 werden durch die Schaltung von 5 gesteuert.
Es ist für Fachleute auch zu erkennen, dass die SMA-Stellgliedschicht 100 der vorliegenden Erfindung nicht auf eine zylindrische Gestalt begrenzt ist. Vielmehr könnte die SMA-Stellgliedschicht an eine beliebige Oberflächengestalt wie z. B. einen Handschuh oder dergleichen angepasst werden, um eine Kraftrückkopplung vorzusehen. Die folgende Beschreibung der Steuerschaltung gilt für alle derartigen alternativen Gestalten.
Unter erneuter Bezugnahme auf 5 weisen die SMA-Stellglieder 105a, 105b, 105c eine gemeinsame Erdung auf. Eine Vielzahl von Schaltmitteln 114a, 114b, 114c sind mit einem entsprechenden SMA-Stellgliedelement 105a, 105b, 105c über eine zugehörige Stromleitung 112a, 112b, 112c verbunden. Die Transistoren können CMOS-, MOSFET- oder Bipolarleistungstransistoren 114a, 114b, 114c sein, die als Schaltmittel zum Anlegen eines Aktivierungsschwellenstroms an jedes entsprechende SMA-Stellglied 105a, 105b, 105c wirken. Ein beliebiges Schaltmittel, das zum Anlegen eines Schwellenaktivierungsstroms ausgelegt ist und zur Implementierung in VLSI geeignet ist, kann verwendet werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die Schaltmittel 114 CMOS-Leistungstransistoren.
Es gibt viele mögliche äquivalente Verbindungsschemen zum Aktivieren der SMA-Stellgliedelemente 105. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Drainpol jedes Transistorschaltmittels 114a, 114b, 114c mit einem entsprechenden SMA-Stellgliedelement 105a, 105b, 105c usw. verbunden und sein Sourcepol ist mit einer Stromquelle Vcc gekoppelt. Die Gates der CMOS-Leistungstransistoren 114a, 114b, 114c sind mit der Adressendecodierschaltung 118 über jeweilige Datenleitungen 116a, 116b, 116c gekoppelt.
Als Reaktion auf Signale vom Mikroprozessor, die über die Datensignalleitung 150 übertragen werden, sendet die Adressendecodierschaltung 118 ein Freigabesignal über die Datenleitungen 116a, 116b, 116c zu den Gates von einem oder mehreren ausgewählten CMOS-Transistoren 114a, 114b, 114c. Wenn das Gate eines ausgewählten CMOS-Transistorschaltmittels, beispielsweise 114a, freigegeben wird, erzeugt der Transistor 114a einen hohen Ausgangsstrom an seinem Drainpol oder auf der Ausgangsleitung 112a, die mit einem entsprechenden SMA-Stellgliedelement 105a verbunden ist. Vorzugsweise wird der Ausgangsstrom aus den CMOS-Leistungstransistoren 114 auf die Phasenaktivierungsschwelle des entsprechenden SMA-Stellgliedelements 105 optimiert. Bei Aktivierung erleben die ausgewählten SMA-Stellgliedelemente 105 die im Wesentlichen unverzügliche Phasenänderung von martensitisch in austenitisch, wodurch einem benachbarten Segment der biegsamen SMA-Stellgliedschicht 100 eine nützliche Bewegung verliehen wird. Die ausgewählten SMA-Stellglieder 105 werden aktiviert, solange es erforderlich ist, die Sonde in einer gewünschten Anordnung zu halten.
Die SMA-Stellglieder 105 werden einfach durch Entfernen der Stromquelle deaktiviert, wodurch ermöglicht wird, dass Wärme abgeleitet wird. Die Geschwindigkeit, mit der die Wärme auf unterhalb der Aktivierungsschwelle ableitet, legt die Geschwindigkeit der Vorrichtung fest. Die biegsame SMA-Stellgliedschicht 100, in der die SMA-Stellgliedelemente 105 angeordnet sind, weist eine ausreichende Elastizität auf, um die SMA-Stellglieder 105 im Wesentlichen unverzüglich in ihre ursprüngliche Position zurückzubringen, wenn die Temperatur unterhalb die Aktivierungsschwelle geht.
Für kleinere Vorrichtungen leitet die Wärme schneller von den SMA-Stellgliedern 105 ab und kann vorteilhafterweise zu einer äußerst schnell wirkenden Vorrichtung führen. Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden. Erfindung mit 6 French kann beispielsweise in drei Dimensionen in Intervallen von einer halben Sekunde gelenkig bewegt werden. Die vorliegende Erfindung erzielt eine schnellere Gelenkbewegung, da die SMA-Stellgliedelemente sich als Funktion der Impedanz zusammenziehen. Kleinere SMA-Stellgliedelemente weisen eine geringere Impedanz auf und leiten gleichzeitig die Wärme schneller ab.
Für größere Abmessungen empfangen die SMA-Stellgliedelemente 105 gemäß der vorliegenden Erfindung einen Aktivierungsstrom, der über ein Widerstandsheizmittel wie z. B. eine dünne Widerstandsheizschicht aus NiCr, die über einer dünnen Dehnungsentlastungsschicht aus Polyimid oder dergleichen benachbart zum SMA-Element 105 angeordnet ist, wie in 2B gezeigt, angelegt wird. Der Aktivierungsstrom von der Ausgangsleitung eines ausgewählten CMOS-Leistungstransistors 114 wird dann an das entsprechende Eingangsende des Widerstandsheizmittels zum schnellen Erhitzen des ausgewählten SMA-Stellgliedelements 105 auf eine Aktivierungsschwelle angelegt.
Mit Bezug auf 6 wird gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine räumlich verteilte SMA-Stellgliedschicht 100 wie vorher beschrieben in einer zylindrischen Anordnung gewickelt, um einen biegsamen, mehrgelenkigen Manipulator oder eine Sonde 400 auszubilden, die in der Lage ist, sehr geschickte Manöver im dreidimensionalen Raum durchzuführen. In dem gezeigten Beispiel umfasst die Sonde 400 einen distalen Teil 401 mit der biegsamen VLSI-SMA-Stellglied- 401 Schicht, die beispielsweise 5 Zentimeter lang ist. Dies ist der manövrierbare oder aktive Teil der Sonde 400, der mit der räumlich verteilten Anordnung von SMA-Stellgliedelementen versehen ist. Es ist selbstverständlich, dass der distale Teil 401 länger gemacht werden kann als 5 cm, um in einen geometrisch komplexen Raum zu gelangen.
In 6 ist ein Mikroprozessor 410 wirksam mit dem proximalen Ende 402 der Sonde 400 verbunden. Wie für Fachleute leicht verständlich ist, umfasst die Sonde 400 die VLSI-Formgedächtnis-Stellgliedschicht 100, die in 1 gezeigt ist und die in einer zylindrischen Anordnung gewickelt ist, um eine Sonde 400 auszubilden, die zu einer Mehrknoten-Gelenkigkeit in drei Dimensionen in der Lage ist. Wie vorher erläutert, sind die SMA-Stellglieder räumlich um den Umfang des distalen Teils 401 der Sonde 400 verteilt, um uneingeschränkte, sehr geschickte Manöver im dreidimensionalen Raum bereitzustellen. Es ist selbstverständlich, dass die Adressendecodier- und Steuerschaltung wie z. B. die Transistorschaltmittel von 1 in VLSI in einen proximalen Teil 402 der Sonde 400 integriert sind. Die vorangehenden SMA-Stellglieder und die Steuerschaltung sind aus 6 der Deutlichkeit halber weggelassen.
In dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel steht der Mikroprozessor 410 über herkömmliche Zuleitungen oder faseroptische Leitungen 403, über ein Signalverarbeitungsmittel 411 mit den Transistorschaltmitteln und der Adressendecodierschaltung (wie in 1 gezeigt), die am proximalen Ende 402 der Sonde 400 angeordnet sind, in Informationsaustausch. Ein herkömmlicher faseroptischer Koppler (nicht dargestellt) ist zum Koppeln der faseroptischen Signale mit der Treiberschaltung gemäß Verfahren, die gut bekannt sind, vorgesehen. Der Mikroprozessor 410 umfasst ein Positionsabbildungsmittel 415 zum Aufzeichnen und Speichern einer Ortskurve von Winkelpositionen für die SMA-Stellglieder, die eine Bewegungsachse für den distalen Teil 401 der Sonde 400 darstellt, wenn sie entlang eines Bewegungsweges vorgeschoben wird.
Die Sonde 400 ist vom Mikroprozessor an der Kopplung 404 lösbar. Die Kopplung 404 ist ein einfacher Stecker/Buchsen-Verbindungsstecker. Alternativ kann die Kopplung 404 ein beliebiges zweckmäßiges Mittel zum lösbaren Koppeln der Datenübertragungsleitungen 403 von der Sonde 400 sein. Da die Sonde 400 unter Verwendung von VLSI-Verfahren hergestellt wird, ist es kosteneffizient, die Sonde 400 nach der Verwendung lösbar und wegwerfbar zu machen. Dies hat in medizinischen Anwendungen einen Vorteil, dass der Bedarf für zeitaufwändige und komplexe Sterilisationsvorgänge vermieden wird.
Funktionsweise des Steuersystems
Die Erfindung kann in der Betriebsart entweder mit offener Schleife oder geschlossener Schleife betrieben werden. In der Betriebsart mit offener Schleife wird ein vorbestimmter Bewegungsweg in den Mikroprozessor 410 programmiert. Der Mikroprozessor liefert dann Ausgangssignale zur Adressendecodierschaltung, die in VLSI auf dem proximalen Teil 402 der Sonde 400 integriert ist, wie vorher erläutert. Der vorbestimmte Bewegungsweg wird dann in die Speicherregister oder Logikgatter in der Adressendecodierschaltung gemäß Verfahren, die gut bekannt sind, abgebildet. Die Adressendecodierschaltung aktiviert dann ausgewählte SMA-Stellglieder, die im distalen Teil 401 der Sonde 400 angeordnet sind, um die Sonde gemäß dem programmierten Bewegungsweg zu bewegen, wie vorher erläutert.
Die Erfindung kann auch in einer Betriebsart mit geschlossener Schleife arbeiten. In der Betriebsart mit geschlossener Schleife verwendet dieser Aspekt der Erfindung adaptive Rückkopplungsregelungsverfahren, um die Sonde 400 auf einem Bewegungsweg zu zentrieren. Mit Bezug auf 5 kann der Mikroprozessor die Winkelverschiebung und folglich die Position von jedem der TiNi-Elemente, die die SMA-Stellglieder 105a, 105b, 105c und so weiter bilden, feststellen. Daraus kann die Gesamtposition und -anordnung der SMA-Stellgliedschicht oder Sonde für gegebene Positionsintervalle leicht festgestellt werden.
Die Winkelverschiebung der SMA-Elemente 105 wird durch Feststellen des Spannungsabfalls über einem Widerstand 117a, 117b, 117c mit niedrigem Wert ermittelt. Jeder widerstand 117a, 117b, 117c wird in VLSI gemäß bekannten Verfahren hergestellt und wird mit einem entsprechenden SMA-Stellglied 105a, 105b, 105c und so weiter verbunden. Herkömmliche Mittel sind zum Feststellen der Spannungen an den Knoten V1, V2, V3 und so weiter vorgesehen. Die Spannungsinformation wird über einen Datenübertragungsweg gemäß Verfahren, die gut bekannt sind, zu einem Mikroprozessor geliefert.
Stromsensormittel 110a, 110b, 110c und so weiter sind auch zum Messen des Stroms, der zu jedem entsprechenden SMA- Stellglied 105a, 105b, 105c etc. geliefert wird, angeschlossen. Die Stromsensormittel umfassen Differenzverstärker 110a, 110b, 110c zum Messen des zu jedem entsprechenden SMA-Stellglied gelieferten Stroms. Die Stromwerte für jedes SMA-Stellglied 105a, 105b, 105c werden an den Ausgangsleitungen I1, I2, I3 von jedem betreffenden Differenzverstärker 110a, 110b, bzw. 110c abgetastet. Die Ausgangsleitungen I1, I2, I3 sind über einen Datenübertragungsweg zu einem Mikroprozessor geführt.
Die SMA-Stellgliedelemente sind durch Strom angesteuerte Vorrichtungen. Die Betätigungstemperatur, die eine Phasentransformation der SMA-Stellglieder 105a, 105b, 105c und so weiter bewirkt, ist eine innewohnende Eigenschaft der Legierung. Für ein Gemisch von TiNi von 50 : 50 Prozent ist die Betätigungstemperatur konstant 70°C. Für eine 49 : 51 Zusammensetzung von TiNi in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Betätigungstemperatur konstant 100°C. Es ist zu erkennen, dass durch Abtasten der Spannungen an den Knoten V1, V2 und V3 und des Stroms bei I1, I2, I3 für präzise Positionsintervalle entlang eines Bewegungsweges der Widerstand von jedem betreffenden Element und folglich seine Winkelverschiebung für jedes Positionsintervall entlang eines Bewegungsweges leicht vom Mikroprozessor ermittelt werden können. Da die Phasenübergangstemperatur der Stellgliedelemente konstant ist, weist der Widerstand von jedem SMA-Element eine direkte Beziehung mit seiner Winkelverschiebung auf.
Eine Nachschlagetabelle 160 von Temperatur/Widerstands-Beziehungen ist im Mikroprozessor gemäß Verfahren, die gut bekannt sind, verkörpert. Da eine konstante Stromquelle für jeden einzelnen CMOS-Transistor 114a, 114b, 114c vorhanden ist, ergibt das Abtasten der Spannungen an den Knoten V1, V2 und V3 und des Stroms bei I1, I2, I3 ein Maß für den Widerstand für jedes entsprechende SMA-Stellgliedelement 105a, 105b und 105c.
Die Nachschlagetabelle 160 wird für jede TiNi-Formulierung der SMA-Stellglieder gemäß Verfahren, die gut bekannt sind, optimiert, um eine schmale Hystereseschleife vorzusehen. In der Nachschlagetabelle korreliert der Mikroprozessor dann jeden Widerstandswert mit einer Temperatur und kann folglich den Aktivierungszustand und somit die Winkelverschiebung und Position von jedem der SMA-Elemente 105a, 105b und 105c in einem gegebenen Positionsintervall feststellen. Die Ortskurve von Winkelpositionen für alle SMA-Stellglieder legt die Gesamtanordnung der Sonde 400 für jedes Intervall fest. Aus dieser kann die Gesamtanordnung der Sonde für jeglichen Punkt entlang eines Bewegungsweges ermittelt werden.
Gemäß Verfahren, die gut bekannt sind, umfasst ein Positionsabbildungsmittel 415 im Mikroprozessor (in 6 gezeigt) ein Mittel zum Festlegen einer Bezugsanordnung mit einer Ortskurve von Winkelpositionen für die SMA-Stellglieder. Dies legt wiederum einen Bewegungsweg für die Sonde 400 fest. Sobald eine Ortskurve von Winkelpositionen für die SMA-Stellgliedelemente gespeichert ist, ist der gespeicherte Bewegungsweg mit extremer Geschwindigkeit wiederholbar. Folglich kann eine Sonde 400 oder ein Katheter oder dergleichen, die/der mit der erfindungsgemäßen SMA-Stellgliedschicht umhüllt ist, sowohl ihre/seine Richtung als auch Aktivierungssequenz unverzüglich umkehren, so dass sie/er auch den komplexesten Bewegungsweg präzise nachzieht. In dieser Hinsicht ist eine Sonde 400, die die SMA-Stellgliedschicht der vorliegenden Erfindung beinhaltet, bezüglich auch des komplexesten Bewegungsweges selbstführend, sobald er im Positionsabbildungsmittel gespeichert ist.
Es ist zu erkennen, dass das Positionsabbildungsmittel 415 einen oder mehrere Bewegungswege im Speicher speichern kann. Dies hat den Vorteil, dass ermöglicht wird, dass die Sonde 400 gemäß der vorliegenden Erfindung einen ausgewählten Bewegungsweg präzise wiederholt und dadurch selbstgeführt ist, sobald der Bewegungsweg im Positionsabbildungsmittel gespeichert wurde. Dies hat zahlreiche Anwendungen in der Roboterchirurgie und beim zerstörungsfreien Testen oder einer ähnlichen Anwendung, bei der es vorteilhaft ist, einen mehrgelenkigen Manipulator präzise zu konfigurieren, damit er einem vorbestimmten Bewegungsweg entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind eine Vielzahl von Drucksensormitteln 405 entlang des Äußeren des distalen Teils 401 der SMA-Stellgliedschicht 100 vorgesehen, wie in 6 gezeigt. Die Drucksensormittel werden für eine adaptive Rückkopplungsregelung der Sonde 400 verwendet. In diesem Aspekt der Erfindung besteht das Ziel der adaptiven Rückkopplungsregelung darin, den festgestellten Druck überall am Äußeren oder an der Außenhaut des distalen Teils der Sonde 400 zu minimieren. Bekannte Rückkopplungsverfahren werden dann verwendet, um die Sonde auf einem Bewegungsweg zu zentrieren.
7 zeigt ein repräsentatives kapazitives Drucksensormittel 700 zum Feststellen von sehr kleinen Druckänderungen als Funktion der Kapazität. Das Drucksensormittel 700 umfasst zwei entgegengesetzte Nickel- oder Chromnickel- (CrNi) Platten 702, 706, die gemäß gut bekannten VLSI-Verfahren gesputtert oder abgeschieden werden, um eine Polyimidzwischenschicht 704 zu umhüllen. Die Polyimidzwischenschicht 704 wird auch durch herkömmliche VLSI-Verfahren ausgebildet. Es ist zu erkennen, dass das Druckfeststellungsmittel 700 dazu ausgelegt ist, als Teil des VLSI-Prozesses, der die SMA-Stellgliedschicht 100 wie vorher beschrieben ausbildet, integral ausgebildet zu werden. Das Drucksensormittel 700 ist dazu ausgelegt, über oder im Wesentlichen benachbart zu einem geeignet angeordneten TiNi-Element oder SMA- Stellglied 105 integriert zu werden. Das Drucksensormittel 700 könnte jedoch auch an einer beliebigen zweckmäßigen Stelle im äußeren Teil der Stellgliedschicht 100 integriert werden, wie in 6 gezeigt.
Im Betrieb wird eine Spannungsquelle an der Anschlussleitung 708 des Drucksensormittels 700 vorgesehen. Die Abmessungen des Drucksensors 700 und die Spannungswerte auf der Anschlussleitung 708 werden gemäß Verfahren, die gut bekannt sind, derart optimiert, dass selbst ein geringfügiger Druck gegen die Dünnschichtplatte 702 eine messbare Steigerung der Kapazität erzeugt. Da die Signale, die die Kapazitätsänderung darstellen, die auf der Ausgangsleitung 709 erzeugt werden, sehr schwach sind, ist ein Signalverarbeitungsmittel 710 lokal zur Vorverarbeitung der Signale vom Drucksensor 700 vor dem Senden der Signale weiter zu einem Druckgradienten-Abbildungsmittel 712 im Mikroprozessor vorgesehen. Da die Signale vom Drucksensor 700 klein sind, beseitigt das Signalverarbeitungsmittel diejenigen Signale, die oberhalb und unterhalb einer vorbestimmten Schwelle liegen. Das Signalverarbeitungsmittel 710 ist auch vorzugsweise nahe dem Drucksensormittel 700 vorgesehen, um Rauschen zu beseitigen.
Das Signalverarbeitungsmittel 710 liefert Signale, die kleine Kapazitätsänderungen darstellen, zum Druckgradienten-Abbildungsmittel 712. Der Drucksensor 700 wird derart kalibriert, dass ein Signal, das eine Zunahme der Kapazität darstellt, verwendet wird, um ein vorbestimmtes Druckausmaß abzuleiten. Das Signalverarbeitungsmittel 710 liefert eine Vielzahl von repräsentativen relativen Druckmesswerten zurück zum Druckgradienten-Abbildungsmittel 712.
Das Druckgradienten-Abbildungsmittel 712 stellt eine Druckgradientenabbildung für eine Ortskurve von Positionen, die einen Bewegungsweg für die Sonde festlegt, her. Wie vorher dargelegt, sind adaptive Rückkopplungsmittel zum Zentrieren der Sonde auf einem Bewegungsweg, der den Gesamtdruck für jeden Punkt an der Sonde minimiert, vorgesehen. Das Druckgradienten-Abbildungsmittel 712 legt fest, von welchen Bereichen der Sonde der Druck gemildert werden muss und in welcher Richtung. Gemäß Verfahren, die gut bekannt sind, ist eine Nachschlagetabelle (nicht dargestellt) von Kapazitäts-/Druck-Werten in den Mikroprozessor integriert. Der Mikroprozessor verwendet die Nachschlagetabelle, um die Betätigungssequenz der SMA-Stellgliedelemente festzulegen, um den Druck in einer ausgewählten Zone der Sonde zu minimieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine präzise Steuerung der SMA-Stellgliedschicht durch eine Vielzahl von kapazitiven Dünnschicht-Lineardehnungsmessern erzielt, die in VLSI in der SMA-Stellgliedschicht gemäß Verfahren, die gut bekannt sind, integriert werden. Jeder kapazitive Lineardehnungsmesser ist zum Messen der Winkelverschiebung eines entsprechenden SMA-Stellgliedes 105 angeordnet.
Wie in 8 gezeigt, umfasst ein kapazitiver Lineardehnungsmesser 800 zwei linear überlappende Verbundplatten 802, 804. Jede Verbundplatte 802, 804 umfasst eine Dünnfilmschicht aus leitendem Material 802a, 804a und eine entsprechende Isolationsschicht 802b, 804b. Die leitenden Schichten können gesputtert, plattiert oder anderweitig gemäß gut bekannten VLSI-Bearbeitungsverfahren abgeschieden werden. Die Isolationsschichten 802b, 804b sind zueinander benachbart und bewegen sich seitlich relativ zueinander als Reaktion auf eine lineare Verschiebung, wie durch die Pfeile in 8 angegeben. Eine Isolationsschicht 802b besteht beispielsweise aus SiNi. Die benachbarte Isolationsschicht 804b ist vorzugsweise Teflon oder dergleichen. Es ist erwünscht, Verbundschichten 802, 804 mit benachbart entgegengesetzten Isolationsschichten 802b, 804b zu verwenden, um einen Durchbruch zu verhindern, da die Spannung in der SMA-Stellgliedschicht nicht niedriger als 10⁸ Volt pro Meter sein kann und der Abstand zwischen den leitenden Platten 802, 804 minimiert werden muss.
Somit werden die zwei leitenden Platten 802a, 804a durch ein Isolationsmedium, die Isolationsschichten 802b, 804b, getrennt. Die Verbundplatten 802, 804 sind für die lineare Bewegung in einer einzelnen Ebene, die mit den Platten 802, 804 zusammenfällt, angeordnet.
Eine Rückstellfeder 806 aus Polyimid oder einem anderen geeigneten Material bringt die Platten 802, 804 in eine anfängliche Ruheposition zurück, wenn die zugehörige Verschiebungskraft entfernt wird. Greifelemente 810, 812 sind zur Einschränkung irgendeiner Bewegung außerhalb der Ebene vorgesehen. Endanschläge 814a, 814b sind zum Begrenzen des Ausmaßes der linearen Bewegung vorgesehen.
Als Reaktion auf die lineare Bewegung eines zugehörigen SMA-Stellgliedes nimmt die Fläche der überlappenden Platten 802, 804 ab, wodurch die Kapazität verringert wird. Die Verringerung der Kapazität wird vom Signalprozessor 808, der eine lokale Verstärkungsschaltung umfasst, gemäß Signalverarbeitungsverfahren, die Fachleuten gut bekannt sind und die ohne übermäßige Experimentierung implementiert werden können, festgestellt. Was wichtig ist, ist, dass die kapazitiven Lineardehnungsmesser und die zugehörigen Signalprozessoren in VLSI in der SMA-Stellgliedschicht integriert sind. Es ist bevorzugt, das Signalprozessormittel 808 so nahe wie praktisch an seinem zugehörigen kapazitiven Lineardehnungsmesser anzuordnen, um zu verhindern, dass die schwachen Signale im Rauschen verloren gehen. Die Funktion des Signalprozessors besteht darin, verstärkte Signale, die die Kapazitätsänderung darstellen, zum Mikroprozessor zu senden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst das Signalprozessormittel 808 ein Mittel zum Erfassen der Phase und Frequenz der schwachen Signale vom kapazitiven Lineardehnungsmesser 800. Dies wird vorzugsweise durch einen Ringoszillator durchgeführt, der in VLSI integriert und in die SMA-Stellgliedschicht gemäß bekannten Verfahren integriert wird. Der Ringoszillator vergleicht eine Grundfrequenz mit einer Frequenz, die durch eine Änderung der Kapazität geändert wird. Dies stellt die Vorteile einer extremen Empfindlichkeit gekoppelt mit hoher Unempfindlichkeit gegen Rauschen bereit. Somit ist das Signalverarbeitungsmittel 808 sowohl äußerst unempfindlich als auch in der Lage, rauen Betriebsumgebungen standzuhalten, während eine extreme Empfindlichkeit beibehalten wird. Folglich stellt dies eine große Genauigkeit in der Steuerung der SMA-Stellgliedschicht 100 bereit.
Es wurde festgestellt, dass eine direkte lineare Beziehung zwischen der linearen Verschiebung der Platten 802, 804 des kapazitiven Lineardehnungsmessers 800 und der resultierenden Kapazität besteht. Somit ist es ein einfacher Prozess für den Mikroprozessor, die Position jedes SMA-Stellgliedes als Funktion der erfassten Kapazitätsänderung abzuleiten. Der kapazitive Lineardehnungsmesser stellt ein Mittel zum Messen des Verbindungswinkels von jedem der SMA-Stellglieder mit geeigneter mechanischer Verstärkung gemäß gut bekannten Verfahren bereit. Daraus kann die Gesamtanordnung der SMA-Stellgliedschicht für eine gegebene Position berechnet werden.
Der vorstehend beschriebene kapazitive Lineardehnungsmesser weist einen Vorteil gegenüber herkömmlichen Sensormitteln auf, indem er auf sehr kleine Abmessungen maßstäblich verkleinert und auf der VLSI-Polyimidschicht 100 über oder benachbart zu einem zugehörigen SMA-Stellglied 105 integriert werden kann. Die Färbung von Sensoren und SMA-Stellgliedern, die von diesem Aspekt der Erfindung bereitgestellt wird, verbessert die Steuerbarkeit erheblich. Der kapazitive Lineardehnungsmesser 800 kann auch äußerst kleine Ausmaße an Verschiebung mit extremer Genauigkeit erfassen. Dies ermöglicht, dass die Bewegung der SMA-Stellgliedschicht durch den Mikroprozessor genau gesteuert wird.
Es ist zu erkennen, dass eine beliebige Anzahl von anderen Sensoren, die für die VLSI-Herstellung ausgelegt sind, in die SMA-Stellgliedschicht integriert werden können, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Viele Arten von Sensormitteln zum Messen von Parametern in der Umgebung, durch die die SMA-Stellgliedschicht bewegt wird, können beispielsweise integral in VLSI auf der SMA-Stellgliedschicht 100 ausgebildet werden.
Halleffektsensoren, die in VLSI durch bekannten Verfahren hergestellt werden, können in die SMA-Stellgliedschicht 100 zum Messen von Magnetfeldern integriert werden. In Chirurgieanwendungen ist es auch vorteilhaft, VLSI-Sensormittel zum Erfassen von Temperaturänderungen oder zum Erfassen von Änderungen des chemischen Potentials, wie z. B. einen Sauerstoffkonzentrationssensor oder dergleichen, in VLSI auf der SMA-Stellgliedschicht zum Messen von winzigen Änderungen der chemischen Konzentration oder von Temperaturänderungen zu integrieren.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung zieht auch die Integration eines VLSI-Fernmessmittels an jeder SMA-Verbindung in der SMA-Stellgliedschicht zum Übertragen von Messungen, die durch die vorangehenden VLSI-Sensoren durchgeführt werden, zu einem entfernten Empfänger in Betracht. Ein Ultraschallwandler, ein elektromagnetischer Wandler, ein Mikrowellenwandler oder ein LED- Sender/Empfänger-Paar könnte beispielsweise in VLSI auf der SMA-Stellgliedschicht integriert werden, um eine sofortige Rückführung von Umgebungsparametern vorzusehen.
In medizinischen Anwendungen wäre es vorteilhaft, Ultraschallwandler vorzusehen, die in VLSI an jeder Verbindung in der SMA-Stellgliedschicht integriert sind. Die Ultraschallwandler könnten in Kombination mit dem Fernmessmittel zum Abbilden der Position der SMA-Stellgliedschicht und/oder des dazwischentretenden Gewebes oder Materials, das die SMA-Stellgliedschicht umgibt, verwendet werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 6 ist gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung zu erkennen, dass eine Bezugsanordnung, die durch das Positionsabbildungsmittel 415 festgelegt wird, einer Ortskurve von Winkelpositionen entspricht, die eine ideale Bewegungsachse für die Sonde 400 festlegen, wenn sie entlang eines Weges vorgeschoben wird, egal wie geometrisch komplex dieser ist. Die Bezugsanordnung des Positionsabbildungsmittels 415 entspricht auch der Winkelposition von jedem der SMA-Stellgliedelemente in einem jeweiligen Segment der Stellgliedschicht 100 für Positionsintervalle auf einem Bewegungsweg. Somit kann die Anordnung des gesamten beweglichen Teils der Sonde 400 durch den Mikroprozessor für einen beliebigen gegebenen Punkt entlang des Bewegungsweges abgeleitet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ermöglicht das Positionsabbildungsmittel, dass die Sonde 400 spontan ihre Richtung an einem beliebigen Punkt entlang des Bewegungsweges umkehrt. Die in der Bezugsanordnung des Positionsabbildungsmittels 415 gespeicherten Daten ermöglichen, dass die Sonde den idealen Bewegungsweg in einer umgekehrten Richtung präzise wiederholt.
Eine Sonde oder medizinische Vorrichtung wie z. B. ein Katheter, die mit der räumliche verteilten Stellgliedschicht gemäß der vorliegenden Erfindung umhüllt ist, könnte mit uneingeschränkter Bewegung in drei Dimensionen entlang eines geometrisch gewundenen Weges manövrieren, während ein idealer Bewegungsweg aufgezeichnet wird. Sobald eine Bezugsanordnung, die eine Ortskurve von Positionen zum Festlegen einer idealen Bewegungsachse festlegt, festgelegt ist, ist der gespeicherte Weg mit extremer Geschwindigkeit wiederholbar und die Sonde oder der Katheter kann sowohl ihre/seine Richtung als auch die Aktivierungssequenz, die ihre/seine Anordnung festlegt, sofort umkehren, so dass sie/er ihre/seine Positionen für einen komplexen Bewegungsweg genau nachzieht. In dieser Hinsicht ist eine Sonde oder ein Katheter, die/der mit der räumlich verteilten SMA-Stellgliedschicht der vorliegenden Erfindung umhüllt ist, bezüglich selbst des komplexesten Bewegungsweges, der im Positionsabbildungsmittel gespeichert ist, selbstführend.
Ein lenkbarer Katheter, der mit der SMA-Stellgliedschicht umhüllt ist, weist signifikante Vorteile gegenüber herkömmlichen lenkbaren SMA-Vorrichtungen auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein lenkbarer Katheter beispielsweise elektronisch gesteuert und ist zu raffinierten Bewegungen in der Lage, wie z. B. stehende Wellen, automatische Lenkung, und kann in eine Vielzahl von gewünschten Katheterendanordnungen betätigt werden. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung könnte auch mit Abschmelzvorrichtungen ausgestattet werden.
Ferner kann die lenkbare SMA-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Intervallen von ½ Sekunde gelenkig bewegt werden und kann dadurch einen nachgiebigen, nicht verletzenden Kontakt mit der Oberfläche eines Herzmuskels aufrechterhalten, selbst wenn das Herz ein Flimmern erleiden sollte. Da ein erfindungsgemäßer Katheter, bis er elektrisch aktiviert wird, äußerst nachgiebig ist, beschädigt er keine Gefäßwände mit übermäßiger Kraft, wenn er in einer Betriebsart mit offener Schleife betätigt wird.
Obwohl eine Grundanwendung für die räumlich verteilte SMA-Stellgliedschicht der vorliegenden Erfindung im Gebiet von medizinischen Vorrichtungen und insbesondere Kathetern liegt, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung bei einer Kathetervorrichtung begrenzt. Eine räumlich verteilte SMA-Stellgliedschicht mit integraler VLSI-Steuerungs- und Treiberschaltung kann angewendet werden und ein aktives Operationsinstrument oder eine Sonde für die zerstörungsfreie Untersuchung oder eine beliebige Vorrichtung, bei der es vorteilhaft ist, eine uneingeschränkte, ferngesteuerte Bewegung im dreidimensionalen Raum vorzusehen, umhüllen.
Eine räumlich verteilte SMA-Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise mit einem aktiven chirurgischen Element an ihrem distalen Ende ausgestattet werden. Dies könnte breite Anwendungen auf dem Gebiet der Roboterchirurgie haben, da das chirurgische Element entlang eines Bewegungsweges in drei Dimensionen selbstgeführt sein kann, wenn die Ortskurve von Positionen, die die ideale Bewegungsachse festlegt, im Positionsabbildungsmittel gespeichert wird.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung könnte auch mit einem ladungsgekoppelten Miniaturbauelement (CCD) auf Siliziumbasis ausgestattet werden. Dies würde einem ermöglichen, geometrisch komplexe Bereiche wie z. B. Turbinenmotoren oder dergleichen auf Defekte optisch abzubilden. Da die vorliegende SMA-Stellgliedschicht auf eine Dicke von nur einigen Mikrometern maßstäblich verkleinert werden kann und in der Lage ist, auf einem festen Bewegungsweg selbstgeführt zu sein, weist die vorliegende Erfindung eine breite Anwendung in medizinischen Vorrichtungen, im Gebiet der Robotik und besonders im Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung auf. Es ist zu erkennen, dass die vorangehenden Aspekte der Erfindung den Bedarf für entgegengesetzt angeordnete Stellgliedelemente, externe Steuerarme, Bindeglieder oder dergleichen, die in herkömmlichen lenkbaren SMA-Vorrichtungen erforderlich sind, um die SMA-Stellgliedelemente nach der Aktivierung in ihre ursprüngliche Position zurückzubringen, vollständig beseitigen.
Es ist zu erkennen, dass äquivalente Anordnungen zum Zentrieren der SMA-Stellgliedsonde auf einem Bewegungsweg eine Vielzahl von Temperaturfühlern oder Annäherungssensoren umfassen, die am Äußeren an der Sonde integriert sein und Ausgangssignale liefern könnten, die verwendet werden könnten, um eine Temperaturgradientenabbildung oder dergleichen herzustellen. Die genaue Steuerung der Sonde kann auch durch Messen der Position, Verschiebung (Positionsänderungen) und relativen Dehnung der SMR-Stellglieder durch lineare variable Differentialtransformatoren (LVDTs) oder Dehnungsmesser erzielt werden. Solche äquivalenten Anordnungen können mit bekannten adaptiven Rückkopplungsverfahren verwendet werden, um die Sonde auf einem Bewegungsweg zu zentrieren, und können durch einen Fachmann ohne übermäßige Experimentierung implementiert werden. Daher sollen alle derartigen äquivalenten Anordnungen innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche liegen.
Fachleute werden verstehen, dass SMA-Stellgliedelemente aus einem beliebigen geeigneten Einweg-Formgedächtnismaterial wie z. B. Cu-Zn-Al oder TiNi oder dergleichen bestehen können. Außerdem erkennen Fachleute, dass die SMA-Stellgliedelemente in einer Vielfalt von geeigneten Formen angeordnet sein können, um das Ausmaß an nützlicher Bewegung, die durch die Phasenänderung von martensitisch in austenitisch gewonnen wird, zu maximieren, wie erläutert wird.
Ein Formgedächtnislegierungs-Stellglied, wie hierin verwendet, umfasst ein beliebiges äquivalentes Material, das sich als Funktion von Erhitzen oder Kühlen oder des Anlegens eines elektrischen/magnetischen Feldes ausdehnt oder zusammenzieht, wie z. B. Formgedächtnismetall-Stellglieder, ein piezoelektrisches Material, ein Material mit negativem oder positivem Ausdehnungskoeffizienten oder dergleichen.

Claims

Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) mit: einem biegsamen Substrat (200); einer Vielzahl von Formgedächtnis-Stellgliedmitteln (105), die auf dem Substrat (200) abgeschieden sind; und einem Schaltmittel (114), das mit einem entsprechenden der Formgedächtnis-Stellgliedmittel (105) verbunden ist, zum Anlegen des elektrischen Stroms, um selektiv ein oder mehrere Formgedächtnis-Stellgliedmittel (105) als Reaktion auf Steuersignale zu aktivieren; dadurch gekennzeichnet, dass das Stellgliedmittel (105) einem benachbarten Teil des Substrats (200) eine Bewegung verleiht, nachdem es durch einen elektrischen Strom mit einem vorbestimmten Wert durch Widerstand erhitzt wird; und gekennzeichnet durch ein Steuerschaltungsmittel (118) zum Erzeugen der Steuersignale zum selektiven Aktivieren des Schaltmittels (114), um eine gewünschte dreidimensionale Bewegung des Substrats (200) zu erzeugen; wobei das Steuerschaltungsmittel (118) über einen Teil des Substrats (200) integriert ist.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 1, wobei das Substrat (200) eine biegsame Fläche mit dem Steuerschaltungsmittel (118), das über einen proximalen Teil der Fläche integriert ist, umfasst und die Vielzahl von Formgedächtnis-Stellgliedmitteln (105), die wirksam mit dem Steuerschaltungsmittel (118) verbunden sind, räumlich über ein distales Ende der biegsamen Fläche verteilt sind, um eine im Wesentlichen kontinuierliche Mehrknoten-Behandlung in drei Dimensionen bereitzustellen.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 1, wobei das Schaltmittel (114) eine Vielzahl von CMOS-Transistoren umfasst, die jeweils eine Eingangsleitung, die mit einer Spannungsquelle (Vcc) verbunden ist, eine Freigabeleitung, die mit dem Steuerschaltungsmittel (118) verbunden ist, und eine Ausgangsleitung zum Anlegen eines vorbestimmten Phasenaktivierungsstroms an ein entsprechendes Formgedächtnis-Stellgliedmittel (105) aufweisen.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 1, wobei das Substrat (200) ferner eine Reihe von Wellen (130) umfasst, die sich durch dieses erstrecken und zum Maximieren der Bewegung des Formgedächtnis-Stellgliedmittels (105a, 105b, 105c) angeordnet sind, während die Dehnung der Fläche auf ein vorbestimmtes Ausmaß begrenzt wird.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 1, wobei das Steuerschaltungsmittel (118) eine Adressendecodierschaltung, die auf ein Mikroprozessormittel (114) reagiert, zum selektiven Aktivieren des Schaltmittels (114) zum Bewirken einer gewünschten Bewegung des Substrats (200) umfasst.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 5, wobei das Steuerschaltungsmittel (118) ferner ein Positionsabbildungsmittel (415) zum Speichern eines Aktivierungssequenzdatensatzes mit einer Ortskurve von Winkelpositionen des Formgedächtnislegierungs-Stellgliedmittels (105) umfasst.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 6, welche ferner eine Vielzahl von Sensormitteln (405), die an einem distalen Teil (401) des Substrats (200) angeordnet sind, zum Feststellen der Winkelposition eines zugehörigen Segments des distalen Teils des Substrats und zum Liefern von Ausgangssignalen, die diese darstellen, zum Mikroprozessor (410) umfasst.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 7, wobei der Mikroprozessor (410) ferner ein adaptives Rückkopplungsmittel (415), das auf die Ausgangssignale vom Sensormittel (405) reagiert, zum Zentrieren des Substrats (200) entlang eines gewünschten Bewegungsweges umfasst.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 8, wobei der Mikroprozessor (410) ferner ein Mittel (411) zum Erzeugen von Ausgangssignalen für das Schaltmittel (114) zum selektiven Aktiveren des Formgedächtnis-Stellgliedmittels (105) in einer umgekehrten Sequenz umfasst, um zu ermöglichen, dass das Substrat (200) seine Richtung und die entsprechende Anordnung für irgendeinen Punkt entlang des Bewegungsweges umkehrt.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 1, wobei: das biegsame Substrat (200) dazu ausgelegt ist, in einer zylindrischen Form gewickelt zu werden, um sich ohne Einschränkung in drei Dimensionen entlang eines Bewegungsweges zu bewegen; das Schaltmittel (114) dazu ausgelegt ist, den elektrischen Strom anzulegen, um ein ausgewähltes Formgedächtnislegierungs-Stellglied (105) auf seine Aktivierungsschwelle durch Widerstand zu erhitzen, um eine Winkelverschiebung zu induzieren; und das Steuerschaltungsmittel (118) dazu ausgelegt ist, die Steuersignale für ein ausgewähltes Aktivierungsmittel zum Bewegen des biegsamen Substrats entlang eines gewünschten Bewegungsweges zu erzeugen.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Formgedächtnisstellgliedern (105) ferner umfasst: eine verschachtelte Matrix von Formgedächtnis-Stellgliedelementen (105a, 105b, 105c), die über einem distalen Teil (401) des Substrats (200) derart abgeschieden sind, dass, wenn das Substrat (200) so gewickelt wird, dass es einen Zylinder bildet, die Stellgliedelemente (105a, 105b, 105c) über die Oberfläche des Zylinders räumlich verteilt sind, um bei Aktivierung diesem eine uneingeschränkte dreidimensionale Bewegung zu verleihen.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 11, wobei das Substrat (200) ferner eine Vielzahl von Wellenmitteln (130) umfasst, die sich im Wesentlichen quer zur Betätigungsachse des Substrats erstrecken, um eine im Wesentlichen kontinuierliche mehrgelenkige Behandlung in drei Dimensionen vorzusehen und die Dehnung des Substrats (200) auf ein vorbestimmtes Ausmaß zu begrenzen.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 1, wobei: die Vielzahl von Formgedächtnis-Stellgliedmitteln (105) in das Substrat (200) integriert sind, jeweils um eine Verschiebung entlang einer Betätigungsachse zu erzeugen, nachdem sie durch Anlegen eines elektrischen Stroms auf eine Phasenaktivierungsschwelle durch Widerstand erhitzt werden; das Schaltmittel (114) in das Substrat (200) integriert ist, wobei jedes Schaltmittel (114) eine Verbindung mit einem entsprechenden der Stellgliedmittel aufweist, um ein entsprechendes Formgedächtnis-Stellgliedmittel (105) auf den Empfang von Steuersignalen hin durch Widerstand zu erhitzen; das Steuermittel (118) eine Adressendecodierschaltung umfasst, die in das Substrat (200) integriert ist, um Steuersignale für ein ausgewähltes Schaltmittel (114) zu erzeugen, wobei die Steuersignale eine gewünschte Bewegung eines ausgewählten Stellgliedmittels (105) darstellen, so dass das Stellgliedmittel (105) dem Substrat (200) eine gewünschte dreidimensionale Bewegung verleiht.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 13, wobei das Steuermittel (118) ein adaptives Rückkopplungsmittel (5) umfasst, das ferner eine Vielzahl von Sensormitteln (117a, b, c) umfasst, die in das Substrat (200) integriert sind, wobei jedes Sensormittel zum Messen einer Winkelposition eines entsprechenden Stellgliedmittels (105a, b, c) angeordnet ist und in einer Rückkopplungsschleife mit dem Steuermittel (118) verbunden ist.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 14, wobei das adaptive Rückkopplungsmittel ( 5) ferner eine Vielzahl von kapazitiven Lineardehnungsmessermitteln (700) umfasst, die jeweils in unmittelbarer Nähe zu einem entsprechenden Formgedächtnis-Stellgliedmittel (105) angeordnet sind, um einen Verbindungswinkel eines ausgewählten Stellgliedmittels (105) zu messen und um eine messbare Änderung der Kapazität zu erzeugen, die zur Verschiebung des Stellgliedmittels (105) direkt proportional ist.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 15, wobei das kapazitive Lineardehnungsmessermittel (700) zwei überlappende Verbundplatten (702, 706) umfasst, die jeweils eine Schicht aus gesputtertem leitenden Material über einer Isolationsbasis (704) umfassen, wobei die Basen (704) der Verbundschichten in benachbarter Gleitbeziehung relativ zueinander angeordnet sind, so dass die Bewegung eines entsprechenden Stellgliedmittels (105) eine lineare Verschiebung der überlappenden Platten (702, 706) verursacht und eine Änderung der Kapazität erzeugt, die zur Verschiebung des Stellgliedmittels (105) direkt proportional ist.
Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 1, wobei: die Vielzahl von Formgedächtnis-Stellgliedmitteln (105) eine Dehnungsentlastungsschicht (202), die benachbart zum Formgedächtnis-Stellgliedmittel (105) angeordnet ist, zum elektrischen Isolieren des Formgedächtnis-Stellgliedmittels (105); und ein Widerstandsheizmittel (204), das über der Dehnungsentlastungsschicht (202) angeordnet ist, zum ohmschen Erhitzen des Formgedächtnis-Stellgliedmittels (105) durch Wärmeleitung durch die Dehnungsentlastungsschicht hindurch, wodurch der Strombedarf des Formgedächtnis-Stellgliedmittels (105) verringert wird, umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer räumlich verteilten Formgedächtnislegierungs-Stellgliedschicht (100) nach Anspruch 1 zur Bereitstellung einer uneingeschränkten Bewegung im dreidimensionalen Raum, mit den Schritten: Vorsehen eines Halbleitersubstrats (200); Ausbilden einer Vielzahl von Wellen (130) über das Substrat (200); Abscheiden einer Isolationsschicht (109) über dem Substrat (200); Sputtern eines Formgedächtnismaterials über der Isolationsschicht (109); Ausheilen des Formgedächtnismaterials; Ätzen des ausgeheilten Formgedächtnismaterials, um diskrete Formgedächtnisstellglieder (105) auszubilden; Maskieren der Formgedächtnis-Stellgliedelemente (105a, 105b, 105c), um Fenster um jedes der Formgedächtnisstellglieder (105) auszubilden; Abscheiden einer Schicht (108) aus einem biegsamen Isolationsmaterial wie z. B. Polyimid oder dergleichen über der Vielzahl von Formgedächtnislegierungs-Stellgliedern (105); Herstellen einer Vielzahl von VLSI-Schaltmitteln (114) und einer zugehörigen Adressierungsdecodierschaltung (118) auf der Polyimidschicht zum Verbinden mit einem entsprechenden von jedem der Vielzahl von Formgedächtnislegierungs-Stellgliedern (105); Lösen der Polyimidschicht (108) von dem Substrat (200), so dass die Formgedächtnislegierungs-Stellglieder (105), das zugehörige Schaltmittel (114) und die Adressendecodierschaltung (118) in VLSI auf einer einzelnen biegsamen Fläche integriert werden; Vorsehen eines Mikroprozessors (410), der wirksam mit der Adressendecodierschaltung (118) und dem Schaltmittel (114) verbunden ist, zum selektiven Aktivieren der Formgedächtnislegierungs-Stellglieder (105), um eine gewünschte Bewegung zu verleihen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt der Abscheidung einer Vielzahl von Formgedächtnislegierungs-Stellglieder (105) ferner die Schritte umfasst: Abscheiden einer Vielzahl von Sensormitteln in der Nähe zu jedem Formgedächtnislegierungs-Element (105a, 105b, 105c) durch VLSI-Verfahren zum Messen des Verbindungswinkels von aktivierten Formgedächtnislegierungs-Stellgliedern (105), um eine Steuerrückkopplung zum Bewegen der Formgedächtnislegierungs-Stellglieder (105) in einer gewünschten Weise vorzusehen.