具有磁性形状记忆合金的操作元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1的前序所述的操作元件，以及一种用于制造如权利要求16的前序所述的操作元件的方法。

根据本发明的操作元件包含磁性形状记忆合金材料，旨在用作各种装置和设备的操作或功能元件。在操作元件中的某些区域可以通过磁性形状记忆(MSM)效应来激活，此处定义其为活性区域；而其他区域则通过特殊的制造方法使其变为非活性，从而使这些非活性区域不会在所施加的磁场中产生形变，但是它们具备有设备的其他必不可少的功能。非活性区域可以用作设备的外壳、弹簧、磁通路径、抓具、阀、光学或电气开关，流体腔或通道或它们的一部分。本发明是一种解决方案，其局部磁场用于对磁性形状记忆材料上的孪晶变体结构产生局部变化，使得其中的元件可能被局部约束。该操作元件可以由目前表现出最佳磁性形状记忆性能的Ni-Mn-Ga或Ni-Mn-Ga基合金制成。本发明将简化各种工业设备的复杂装置，例如光学，流体，微工程和生物医学行业。由于整个设备或设备中的操作部分包含的多个功能部件可以由一个含有磁性形状记忆材料的源件来制成，因而本发明在微米和纳米级装置应用中特别重要。

背景技术

磁性形状记忆(MSM)合金或铁磁性形状记忆(FSMA)合金是一种独特的材料，当向它们施加磁场时，它们会产生百分之几的形变。磁性形状记忆合金制成的样品所产生的形变是基于磁场感应，并相对应于样品中孪晶变体的比例。磁性形状记忆材料的主要组份是Ni-Mn-Ga合金。磁性形状记忆材料包含至少两个孪晶变体，孪晶变体之间由孪晶边界分隔。该材料必须具有足够高的磁晶各向异性能和较低的孪晶应力，以便在向该材料施加足够强度和方向的外部磁场时，该材料的易磁化方向和晶体轴能随着磁场的变化而变化。该材料必须包含两个晶体方向，其晶格参数为a和c，轴c为较短轴。例如，这种材料是Ni-Mn-Ga的10M马氏体。在此示例中，c轴是该材料容易磁化的方向。磁化方向切换的平面在下文中称为活性平面。孪晶变体的体积相对于整个材料的体积的比率被定义为该所述孪晶变体的体积分数。本发明并不限于Ni-Mn-Ga合金或其他赫斯勒(Heusler)合金。孪晶变体的类型可以根据材料而有所不同。当晶体是例如单斜晶，正交晶或四方晶时，材料中的孪晶变体的类型也可以是不同的，例如I型和II型孪晶。这些孪晶变体具有不同的属性，例如在孪晶变体之间切换的孪晶应力和需求磁场能量。以下，将磁性形状记忆合金或MSM合金定义为在其中发生了磁性形状记忆效应的材料，即，它的形状会通过在其上面施加足够强度的磁场和合适的方向来改变。

磁性形状记忆材料由于具有能够从与该材料不连接的能量源中快速且精确地产生形变的能力，因此具有巨大的商业潜力。由于缺少合适的能够在微米和纳米级装置中产生大行程的活性技术，因而磁性形状记忆装置在微米和纳米级装置应用中显示出了巨大的商业潜力。旋转和线性电动机无法缩小到微米尺寸级，并且压电或磁致伸缩材料产生的行程很小，仅占由Ni-Mn-Ga合金所制成的磁性形状记忆材料最大行程的百分之一。磁性形状记忆效应的效率(机械功输出/磁场能量)可以超过95％，疲劳寿命超过20亿个循环。最近表明，当在Ni-Mn-Ga中的驱动速度为4m/s，加速度超过一百万m/s2时，这被认为是所有驱动器材料中最高的加速度。由于驱动速度和加速度主要是受磁性形状记忆元件移动部分的惯性所限制，小型磁性形状记忆装置可从高驱动速度和高加速度中获得最大收益。而较大的磁性形状记忆装置要比小型装置慢。

目前的磁性形状记忆装置可以包含多个独立的功能部件，例如磁场路径(磁轭)、弹簧、外壳以及多个像抓具、夹具、阀门、电气开关等之类的操作部件。小批量组装所有这些部件是个困难且昂贵的过程，有时根本不可能做到。在微小的磁性形状记忆样品中准备合适的孪晶结构并要将这些元件精确地组装到微型装置中，也是非常困难的。本发明解决了上述问题。根据本发明的整个设备或设备的操作元件可以由一个合金源件制成，即磁性形状记忆材料。所制造的设备包含一个或多个活性区域，并且还可以包含其他一些功能部件，例如外壳、磁通路径、弹簧、以及一些像抓具、夹具或开关之类的操作部件。本发明将通过替换当前复杂机械的独立功能部件来简化各种工业应用中的许多设备。

发明内容

本发明包括一种用于构建孪晶变体的方法，并且涉及一种由磁性形状记忆材料制成的操作元件，其中，对配置了孪晶变体的设备的至少一个区域施加磁场。在该区域，也称为设备的活性区域或响应磁场的区域，该区域的形状会因所施加的磁场而改变。该设备的其他区域可以以使得其在那些区域中不会发生磁性形状记忆效应的方式处理或制造，即，那些区域的形状不会因施加的磁场而改变。该设备的这些非活性区域或对磁场无响应的区域，可以用作弹簧、磁通路径、机器外壳或其他功能部件，例如抓具(gripper)、夹具(clamp)、机械手、喷射器、混合器、泵、阀、歧管、电气或光学开关。施加到活性区域或部分活性区域的局部磁场可以由例如至少一个电磁体或至少一个永磁体产生。通过代替复杂的机械装置，本发明将简化各种工业应用中的许多装置。应用领域的例子包括光学、电子、流体、微工程和生物医学。非活性区域可以通过使用特殊的表面处理或在表面上涂上足够坚硬的物质以及其他方法来制成。此非活性区域也可以通过压制或夹紧方法来制成。

在用磁性形状记忆材料的源件制造操作元件之前，可以通过机械力或磁场在磁性形状记忆材料的源件内产生预定体积分数的孪晶变体。然后，用磁性形状记忆材料的源件制成操作元件。然后，将操作元件中那些将要变为非活性状态的区域，以使得当磁场施加到这些区域时，孪晶边界不会移动的方式进行处理。具有足够高磁场能量的能够改变在操作元件活性区域中的孪晶变体结构的局部磁场，可用于改造活性区域中的孪晶变体的局部结构，同时保持该活性区域的孪晶变体的总体积分数。该活性区域可以进一步限制在两个平行板之间，以产生一种特殊的孪晶结构，称为收缩，如下所示。设备可以用光刻，激光切割或雕刻，或其他方法从薄膜中制造。

附图说明

图1示意性地示出了一个由磁性形状记忆材料所制成的装置的例子。板的某些区域(3)被制成非活性状态，其用黑色表示。板(1和2)的活性区域用灰色表示。图1a示出了晶体轴c处于沿水平方向上的情况。这种情况下，该活性区域在轴向方向上是短的，而抓具闭合。图1b示出了一种长晶体轴a处于沿轴向上，而短轴c垂直于轴向方向的情况。这种情况下，该活性区域在水平方向上是长的，而抓具打开。

图2示意性地示出了由磁性形状记忆材料所制成的板，其中该材料用作由外部磁场源(6)感应引起的磁通路径。孪晶变体用1和2表示；板的非活性区域(黑色)用3和5表示；气隙用4表示；磁通线用7表示。

图3示意性地示出了由磁性形状记忆材料所制成的板的俯视图。将合金源件拉伸，从而得到孪晶变体1和孪晶变体2所需的体积分数。将孪晶变体1和2组成的活性区域的周围区域(黑色区域3)制成非活性状态。该板的活性区域被限制在该元件的左侧和右侧。图3a，3b和3c显示了在具有相等体积分数的孪晶变体的活性区域中，孪晶变体的多种配置。

图4示意性地示出了由磁性形状记忆材料所制成的板的俯视图，该板具有预定体积分数的孪晶变体1和2。将该板拉伸，以产生孪晶变体1和孪晶变体2所需的体积分数。拉伸后，该元件的周围区域(黑色区域3)变成非活性状态。部件5也被变成非活性状态。图4a示出了该板的活性区域右侧收缩的情况，这是因为其由变体2组成，且轴c在水平方向上沿着板面。该板的活性区域左侧是细长的，因为它包含变体1的一宽区域(灰色)，其结晶长轴a沿着该板。图4b显示了如何通过使用在活性平面中对齐，并垂直于元件水平方向上的局部磁场来改变变体结构。相应地，第5部分从右向左移动。

图5示意性地示出了由磁性形状记忆材料所制成的板，其中切割了两个狭缝(4)(图5a)。将该板拉伸，以得到孪晶变体所期望的体积分数(图5b)。变体之间的孪晶边界用8表示。当轴c与图平面垂直正交时，变体的短结晶轴c在变体2(2)中标记有一个由小圆包围的十字，而当轴c指向水平方向上的图平面时，则用短水平线标记。图5c示出了将板的侧面制成非活性的情况(黑色区域3)。

图6示意性地示出了由磁性形状记忆材料所制成的板，其中切割了两个狭缝(4)。将该板拉伸，以产生孪晶变体所期望的体积分数。将板的侧面制成非活性状态(黑色区域6)。变体之间的孪晶边界由8表示。在变体1和2中，短结晶轴c用短线标记。

图7显示了中线A-A和非活性部件5向右移动时的三个快照。图7a显示了初始状态，图7b显示了中间状态，图7c显示了最终状态，其中部件5左侧的活性区域处于轴c在垂直方向上的单一变体状态，而部件5右侧的活性区域处于轴c在水平方向上的单一变体状态。

图8a示意性地示出了流体控制器的示例的截面图。当局部上基本垂直对齐的磁通量(6)从左向右移动时，收缩部分(10)沿着活性区域(9)移动，从而将流体从入口转移到出口。该设备的非活性区域(3)用作泵的框架。

图8b显示了由薄Ni-Mn-Ga片所制成的泵。在将薄片激光切割出如图所示的泵的形状之前，要在薄片中制成具有相等比例的孪晶变体1和2的致密孪晶结构。然后，通过激光处理非活性区域(3)的表面来阻止孪晶边界运动。为了保持致密的孪晶结构，对活性区域(9)进行了轻微的喷丸硬化处理。图中显示了在活性区域中，通过旋转径向磁化的永磁体(6)而产生收缩之前的泵。在这种泵的设计中，该设备的非活性区域(3)用作泵的框架。该设备用弹性体密封，图中未显示。

图9示意性地示出了流体阀或光学开关的截面图。活性区域用9表示，非活性区域用3表示。流体或光束的流动穿过活性区域9移动的孔(12)。

具体实施方式

本发明包括一种用于构建孪晶变体的方法，并且涉及一种由磁性形状记忆材料制成的操作元件，其中，磁场被施加到设备的至少一个区域，从而产生该设备在该区域的形变，同时，该设备的其他区域在施加的磁场中不产生形变，但是它们在设备中具有其他功能。发生磁场感应形变的区域被称为该设备的活性区域或对磁场响应的区域。该设备的其他区域(面积或体积)以使得其形状不会因施加的磁场而改变的方式进行处理或制造。这些区域称为设备的非活性区域或对磁场无响应的区域，但具有设备中的其他功能。该非活性区域可以用作设备的外壳、弹簧、抓具、夹具、操纵器、喷射器、混合器、泵、阀或歧管或其一部分的外壳。该非活性区域以及活性区域，也可能包含有空腔，该空腔可以是流体通道或腔室，或者通道或腔室的一部分。磁性形状记忆材料源件的活性区域和非活性区域也可以用于引导磁性形状记忆设备中的磁通量。可以使用特殊的表面处理，例如变形(喷丸、喷砂或研磨方法)，激光处理或用例如金属、陶瓷、聚合物对表面进行涂层，以及其他方法，以制造非活性区域。还可以通过机械夹紧或挤压使这些区域没有活性。本发明还涉及这样的设备，其由多晶或单晶磁性形状记忆块、箔或薄膜通过使用不同的方法例如化学、电化学、电加工、光刻、激光雕刻或切割、离子束铣削或机械加工来去除材料以制成。该块、箔和薄膜在下文中也被称为磁性形状记忆合金的源件，或者简称为合金的源件。

任何其他使得该设备具有某些区域没有活性而某些其他区域有活性的结构的制造方法，可以用于制造本发明的磁性形状记忆设备的操作元件。在活性区域，有益的孪晶结构通常是致密的。密集的孪晶结构可以通过研磨、喷丸、喷砂或用弹性涂层涂覆使活性区域的至少一个表面变形来稳定。

由于用单一源件的磁性形状记忆材料制成的设备可以代替由单独零件组成的复杂机械，所以本发明将简化各种工业应用中的许多装置。与磁致伸缩和压电装置相比，本发明的设备的主要优点是大约100倍更大的形变，并且在磁场关闭后，由磁场产生的位移仍然存在。本发明还涉及一种设备，其中包含至少一个活性区域和至少一个非活性区域的磁性形状记忆材料的单个源件构成该设备的一部分，该设备还包含由除磁性形状记忆材料以外的其他材料制成的其他功能部件或由磁性形状记忆材料制成的其他功能部件。例如，本发明的实施例可以包含由铜制成的绕组，或者设备可以是由三个平行板组成的阀：中间板由磁性形状记忆材料(操作元件)制成，另外两个板由另一种材料制成(包含入口和出口孔)密封流体通道。这些实施例在下面详细描述。

下面通过选择的实例描述本发明的一些特征。图1中所示的抓具(gripper)说明了非活性区域如何在完成设备的机械运动中发挥作用，以及为什么在制造操作元件之前，在磁性形状记忆材料的源件中调整出合适的孪晶变体结构是必要的。在将磁性形状记忆材料板切割出抓具之前，该板沿轴向(水平)上收缩为单一变体状态，且晶体短轴c于轴向上设置。然后，由该板制成抓具。该板的某些区域(3)可以通过激光处理使其没有活性，该区域用黑色表示。该板(1和2)的活性区域用灰色表示。在图1a所示的例子中，因为在从磁性形状记忆板切割出抓具之前，由于活性区域在轴向方向上收缩，所以抓具闭合。图1b示出了在具有足够场强的磁场被施加到活性区域之后抓具打开的情况，其导致活性区域的延长，其中长结晶轴a沿着轴向(水平)方向上而短晶体轴沿着垂直方向上。由于该非活性区域的弹力，抓具可以通过使活性区域在轴向方向上收缩而闭合。可以用不同方法控制本发明的磁性形状记忆设备的运动。在诸如抓具之类的小型装置中，诸如机器视觉的光学方法是有用的方法，可以用于监视设备的运动和形状变化。该光学信息可用于控制设备的运动。

在本发明的设备中，可以使用外力，施加的磁场，弹力来完成对活性区域的恢复(伸长率收缩回到其原始形状)，该弹力通过非活性区域，或弹性涂层的薄层，或活性区域表面的变形，或利用样品的磁性形状各向异性来形成，即，在薄箔中，磁场倾向于沿着该平面排列，而在薄纤维中，磁场倾向于在纤维的长尺寸上排列。由磁性形状各向异性引起的磁场会趋于使细纤维或箔收缩。

磁性形状记忆设备的活性区域或非活性区域可以用作磁通路径。图2示意性地示出了本发明的总体特征，如何将活性区域和非活性区域用于传导由外部磁场源(6)感应的磁通量。孪晶变体用1和2表示；设备的非活性区域(黑色)用3和5表示；气隙用4表示；磁通线用7表示。

用来制造操作元件的合金源件或磁性形状记忆材料源件，例如板、箔或薄膜，可以处于单变体状态或多变体状态。多变体状态可以包含选定变体的预定体积分数。在用磁性形状记忆材料的源件制造操作元件之前，可以在合金源件中定制孪晶变体的预定体积分数。然后，可以通过磨蚀、喷丸或喷砂、激光处理或通过在表面上覆盖一层足够刚度的涂层，至少在磁性形状记忆材料源件的表面上产生变形的方式，阻止在磁性形状记忆材料的整个源件中的孪晶边界的运动。然后，使用以下至少一种方法将磁性形状记忆材料的源件制造成操作元件：机械加工、激光切割或雕刻、光刻、蚀刻、机电加工、电解。在制造操作元件之后，通过使用以下方法之一，在该活性区域中解除对孪晶边界运动的阻碍：电抛光、蚀刻、溅射或研磨该活性区域的至少一个表面(侧面)。适当的孪晶结构，例如致密的孪晶结构可以通过以下至少一种方法来稳定：通过磨蚀或喷丸处理使活性区域的表面变形，或通过激光处理；或通过用弹性涂层涂覆表面，或通过保持磁性形状记忆材料整个源件的部分先前变形来实现。可替代性地，操作元件可以由这样一种磁性形状记忆材料源件来制成，其中孪晶边界运动不被阻挡。在这种情况下，通过磨蚀、喷丸处理或喷砂、激光处理、或通过涂上足够坚硬的涂层、或通过机械约束，使活性区域的至少一个表面变形，以此仅在操作元件中限制孪晶边界的移动性。可以使用上述方法来稳定活性区域中合适的孪晶结构。

活性区域可以被非活性区域包围。在这种情况下，活性区域的总体伸长和收缩会受到限制。施加到部分活性区域的局部磁场可以使活性区域发生局部应变，但是在孪晶变体中的总体积分数保持不变。沿磁性形状记忆元件并正交于受约束端的轴，在下文中称为轴向，如图3所示。图3示意了孪晶约束磁性形状记忆元件的俯视图，其含有预定体积分数的两个孪晶变体。图3说明了三种不同的配置，其中孪晶变体1和2的体积分数相同。变体1的体积分数约为30％。图3a显示了两个单独部分的变体1。图3b显示了一个部分的变体1，图3c显示了几个狭窄部分的变体1。让我们假设，例如，磁性形状记忆元件由Ni-Mn-Ga合金的10M马氏体制成。当在活性平面内，在与水平(轴向)呈基本平行或基本垂直的方向上，活性区域的一部分受到具有足够强度的局部磁场的影响时，该部分元件在与磁场相同方向上缩短，并在垂直于磁场的方向上拉伸。让我们假设一个包含变体1和2的元件，其体积分数分别为30％和70％，如图4a所示。在此图中，活性平面与该图中的表面垂直，并沿其轴向上对齐。让我们进一步假设，变体1的短结晶轴c在活性平面中对齐并且垂直于轴向，而变体2的c轴在活性平面中并且在轴向上对齐。当在活性平面中对齐，并垂直于轴向的具有足够高强度的局部磁场，施加到最初为变体2的部分元件时，磁场会使c轴在垂直轴向上旋转，因此，创建了变体1的新部分。如果磁场影响至少覆盖了元件总体积的30％的部分，则变体1的新部分的体积分数为30％，图4a中所示的原始变体1变成了变体2，因为变体1的总体积分数为30％。所得到的结构如图4b所示。这个例子说明了本发明的一个基本特征，即当通过在元件的不同位置上施加局部磁场而重新构建变体的部分时，变体的体积分数得以保留。这些部分可以是任何宽度和数量。可以将宽的部分切割出薄的部分，反之亦然。这些部分可以沿元件在两个方向上顺序移动，也可以沿元件不连续地移动。这些部分也可以由I型或II型孪晶组成，并且该元件可以同时包含两种类型的孪晶。当限制活性区域时，在改变孪晶变体的结构之前、期间和之后，孪晶变体的体积分数保持恒定。一旦新的孪晶变体结构产生，即使不再将磁场施加到该元件上，它也会保持不变。可以使用短磁场脉冲来产生孪晶变体结构。这具有很大的实际重要性，因为它可以防止电磁体过热并节省电能。

图4所示的中间部分(5)可用于多种应用。还可以在中间部分上附加其他功能对象，以提高适用性。例如，中间部分可以用作锁止阀。中间部分可以具有一个孔，该孔可以相对于另一个固定孔而移动。当孔同轴对齐时，流量可以最大程度地通过孔。当孔彼此之间相对移动时，流量受到限制，并且当孔移动至彼此分开时，流动将完全停止。中间部分也可以用于闭合和断开电路。可以将一个开关安装在设备的中间部分(5)中，而将第二个开关安装在设备的框架(3)中。下面显示的示例说明了这些功能。

如以上使用Ni-Mn-Ga作为示例材料所示，可以通过具有足够强度的局部磁场来构建孪晶变体，该局部磁场位于在活性平面内并且基本上垂直于磁性形状记忆元件的轴向的方向上。例如，这样的磁场可以由电磁体或永磁体产生。至少两个局部磁场源可以同时施加到元件的不同位置，从而在这些位置将一个变体改变为另一变体。可以将局部磁场源相继施加到元件上，此后意味着局部磁场沿其轴向方向连续施加而不增加其宽度，从而使一个孪晶变体的一部分沿着该元件行进。局部磁场源也可以相继(continuously)且连续(successively)地施加到元件上，此后意味着在保持其先前区域的同时，顺序地施加局部磁场，以使局部磁场的宽度增加，从而使一个孪晶变体的部分沿着该元件变宽。磁场源也可以沿着元件移动，从而在该元件的不同位置上改变变体的构造。磁场源可以设置在该元件的一侧，或者可以由设置在该元件相对侧的部分组成。至少一个磁场源可以是电磁体。如果电磁体彼此并排放置，它们可以形成阵列，并且可以完全或部分覆盖电磁体。使用电磁体阵列，局部磁场可以相继(continuously)也可以连续(successively)地施加到该元件上。类似的阵列也可以设置在元件的相对侧上，并且可以通过磁轭与另一侧上的电磁体连接。也可以在一侧设置电磁体，在另一侧设置磁轭。尤其是在薄而小的结构中，绕组也可以设置在元件的至少一侧而没有磁轭，或者磁轭可以是设置在元件与线圈相反的一侧上的铁磁板。在微机电结构(MEMS)中，可以使用例如光刻技术或激光切割来制造扁平线圈。当用短电脉冲将线圈磁化时，线圈不会明显发热。因此，线圈中的电流密度可以很高，这使得可以使用较小的线圈。在小规模上，表面积与体积之比很大，这也允许在线圈中使用更高的电流密度。也可以在轴向对元件的部分磁化。这样的一个实施例是缠绕在元件上的线圈。为了在元件中达到足够高的磁场，使用电流脉冲对线圈进行磁化是最有利的。

图5示出了说明本发明的示例。图5a示出了由磁性形状记忆材料制成的板，该板具有例如使用激光或光刻的方法切割的两个狭缝(4)。该板通过例如拉伸(图5b)或弯曲而变形，使得该板由两个变体组成，该变体的短结晶轴c垂直于板表面(2)且平行于板表面(1)。然后，如图5c所示，对板的外侧进行处理，使其变为非活性状态(黑色区域3)。板的中间部分未经处理，因此仍对磁场产生响应。活性区域包含孪晶变体的体积分数，该体积分数与该板原先呈现的体积分数相同。

预定的孪晶结构也可以被制成使得c方向能够在与图中平面平行的平面上被切换。如图6所示，也可以在板的侧面被处理成无活性之后进行此操作，例如使用表面处理。因为现在由磁场引起的元件尺寸变化发生在图形平面中，所以缝隙的宽度会发生变化。例如，它可以用于流体应用中进行泵送。也可以在狭缝区域中使部分收缩或形成其他形状。这些部分可以沿元件移动，并用于许多应用中，例如用于传输流体的流体学中。图7显示了一个示例，其中元件的中线(A-A)向右移动(图7b)，导致短c轴位于中点右侧轴向的变体体积分数增加，而在中点左侧的变体体积分数减少。图7c示出了最终的情况，其中A-A线的右侧整体上是一种变体，其中c轴在轴向方向上对齐，而A-A线的左侧的结构整体上是一种变体，其中c轴在图的垂直方向上对齐。

在根据本发明的设备在活性区域中的孪晶变体之间的孪晶边界可以是I型或II型。例如，II型孪晶的孪晶边界在10M的马氏体Ni-Mn-Ga合金中，以比I型孪晶的磁场强度低得多的磁场强度来运动，并且它们的运动对温度的依赖性较小。因此，我们更喜欢在根据本发明制造的某些装置中使用II型孪晶。在14M马氏体中，I型和II型孪晶边界在磁场强度很低的情况下移动。14M马氏体适用于工作温度较高的应用场合，因为14M马氏体的奥氏体起始温度可以比10M马氏体的奥氏体起始温度更高。要强调的是，本发明并不仅限于Ni-Mn-Ga基合金的10M或14M马氏体，而可以是所有能发生磁性形状记忆效应的这类材料。本发明通过替代复杂的机械设备，简化了在多种工业应用中的复杂装置。应用领域的例子是光学、流体技术、微工程、机器人技术、操纵和生物医学。通过改变局部的孪晶变体结构，可以改变与该元件轴相关的表面角度。这有助于改变光学元件的反射角度，可用于光学分离，光学开关和干涉仪等应用。至少一个收缩位置的连续运动可用于沿着磁性形状记忆元件的传输材料，例如流体，从而形成泵或线性马达。另外，至少一个收缩位置的不连续移动可用于在多个收缩结构之间快速切换，从而允许精确的阀门控制和实现创建歧管的能力。本发明在微米和纳米级装置中特别重要，因为包含多个功能部件的整个设备可以由一个用磁性形状记忆材料的源件制成。

本发明包括所述方法和设备的几种用途。在以下各节中，提供了本发明的使用和适用性的一些示例。要强调的是，本发明不限于那些示例。所示实施例主要说明本发明的一些特征。

实施例1

抓具由厚度为0.1毫米的Ni-Mn-Ga箔制成。在单一变形状态下将箔片压缩，然后通过喷丸处理使箔片表面变形以阻止孪晶边界运动。用激光束从薄片上切割成类似于图1所示的抓具。抓具的长度为5毫米，宽度为2.6毫米。切割后，非活性区域覆盖有一层漆层，并对抓具进行了电抛光。漆层可防止非活性区域的电抛光。对活性区进行电抛光，使喷丸后的部分变形保留下来，并稳定由外加磁场形成的致密孪晶结构。通过在活性区域施加磁场来演示抓具的操作。

实施例2

图8a示出了由Ni-Mn-Ga片制成的泵的原理。活性区域(9)用作泵送元件。孪晶变体1和2的比例为70％和30％。外部局部磁场(6)在活性区域产生收缩。当基本垂直对准的局部磁通量(6)从左向右移动时，收缩部分(10)沿着活性区域(9)行进，从而将流体从入口转移到出口。设备的非活性区域(3)用作泵的框架。

图8b示出了由Ni-Mn-Ga片制成的泵的另一实施例。在将薄片激光切割成如图所示的泵的形状之前，在薄片中制成具有相等比例的孪晶变体1和2的致密孪晶结构。然后，通过激光处理非活性区域(3)的表面来阻止孪晶边界运动。为了保持致密的孪晶结构，对活性区(9)进行了轻微喷丸处理。图8b示出了在活性区域中，通过旋转径向磁化的永磁体(6)而产生收缩之前的泵。在这种泵的设计中，设备的非活性区域(3)用作泵的框架。该设备用弹性体密封，该弹性体未在图8b中示出。

实施例3

如果元件被约束在物体(例如板或条)之间，该物体具有基本平坦的表面和另一个基本平坦且两端都受约束的表面，则当至少一个局部磁场源被施加到元件上时，该物体可以在元件的轴向上移动。这是基于元件的尺寸会局部更改的事实。例如，在10M的Ni-Mn-Ga合金马氏体中，在那些垂直方向上收缩的位置，该元件沿轴向上伸长。当收缩沿着该元件移动时，位于该元件上的平面沿着该元件移动。这是线性电动机的原理，其运行已得到证明。

实施例4

该设备可以是微流体装置，例如，芯片实验室。用于微流控通道和腔室的腔体可以在设备中制造，例如，在其非活性部分中。泵、阀、歧管、混合器和其他装置可以在磁性形状记忆材料的同一源件的活性部件中制成。根据本发明的芯片实验室的一个实施例由置于两个聚合物板之间的磁性形状记忆板组成，该两个聚合物板也可以包含流体通道和腔室。

实施例5

图10示出了一种设备的实施例，该设备可以用作例如流体阀或光学开关。根据所施加的磁场强度，孔(12)全部或部分从一端(位置1)朝向另一端(位置2)移动。因此，用于流体流动或光束的路径的开口可以是完全的或部分的。活性区域用9表示，非活性区域用3表示。该设备由Ni-Mn-Ga片材通过激光加工制成。在从Ni-Mn-Ga薄板切割出设备之前，通过弯曲薄板形成具有50-50孪晶变体比例的窄孪晶结构。用激光束从薄板上切割出设备。在非活性区域即设备的框架(3)和部件(5)通过对表面进行激光处理，可以阻止孪晶边界运动。图10a示出了当右侧活性区域用引导至线圈的磁场脉冲来磁化时，在设备的活性区域中以及非活性区域(设备的框架)中的磁通量分布。图10b显示了当左侧活性区域被磁化时的类似情况。该实例表明，该设备的非活性区域也传导了本发明的设备中的磁通量。该设备的计算机建模很好地对应于该设备实验测量数据。位置1和2之间的切换在几微秒内发生。

实施例6

该设备可以是电气开关或断路器。这种开关的一个实施例是由Ni-Mn-Ga合金薄板通过激光加工制成的。该设备的构造和工作原理类似于图10所示的设备。与图10所示设备的区别在于，部件(5)的来回运动用于断开和闭合电触点。电触点与设备电绝缘。测量的切换时间为几微秒。根据本发明的电气开关和断路器具有巨大的商业潜力，特别是在微电子学中用于切换高频电流。

实施例7

根据本发明的设备可以包括至少一个活性区域，该活性区域的形状通过在所施加的磁场中弯曲或扭结来改变。弯曲可以通过向该活性区域施加足够场强的非均匀磁场来实现。如果将该活性区域的一个表面做成非活性状态而另一侧保持活性状态，则在基本均匀的磁场中也会发生弯曲。活性侧通过磁场产生应变而非活性侧不产生应变，这导致了活性区域的弯曲形变。该设备还可以包含几个在所施加的磁场中弯曲的活性区域。这种类型的设备可以用于例如混合流体。

要强调的是，以上所示的所有示例仅用于说明本发明的某些特征。本发明并不仅限于这些实施例。