NiTi形狀記憶合金薄膜在MEMS中應用的相關基礎研究.pdf

1、NiYi形狀記憶合金由于具有出色的形狀記憶效應(SME)和超彈性(SE)效應而倍受人們關注.因其具有可恢復應變大、輸出應力高、驅動電壓低、生物相容性好等顯著優(yōu)點,NiTi薄膜已成為MEMS微驅動器中最具應用潛力的驅動方式之一.但是為了實現(xiàn)器件的實用化,有些相關基礎問題尚需研究.本文首先通過室溫濺射方法制備了NiTi薄膜,并采用電阻溫度曲線、拉伸、鼓氣、納米壓痕等多種分析方法,對近等原子比NiTi薄膜的超彈性特性進行了研究. 結果

2、表明:拉伸法,鼓氣法和壓痕法均能較為直觀地表達出各種狀態(tài)下薄膜的超彈性特性和相應的力學參數(shù),其中鼓氣法由于受力狀態(tài)與實際應用中的薄膜最為相近,因此可以真實地反映驅動器薄膜的力學性能.其次討論了NiTi薄膜的熱相變特性.結果表明:原位晶化可以直接獲得具有相變特性的晶化薄膜,從而避免了高溫熱處理帶來的不利影響,并簡化了工藝.通過控制濺射工藝可獲得具有不同相變特性的SMA薄膜,本文中應用于微器件的最佳制備工藝為:原位加熱 300℃,濺射功率2

3、00w,Ar壓力6×10<'-4>Torr. 在采用XRD和極圖分析方法討論了薄膜中織構的形成及影響因素后,、本文還用Matlab軟件計算了薄膜的相變應變,并結合實際情況進行了算法改進.織構分析表明:原位晶化制得的薄膜具有較強的 A (110)織構,適當?shù)幕鍦囟?、較低的濺射功率和Ar壓力可以得到強織構；對多晶相變應變的理論計算表明 (110) 強織構應變要大于弱織構,而完全無織構的薄膜應變又大于有織構的樣品,并且沿宏觀不同受

4、力方向的應變各不相同.由于在薄膜制備過程中織構的出現(xiàn)是不可避免的,因此加工薄膜時很有必要進行織構的控制. 本文利用ANSYS有限元分析軟件對SME器件橋結構進行了驅動過程的分析與仿真,并研究了薄膜內部應力的分布情況.模擬結果表明:薄膜從高溫冷卻到室溫時界面的熱應力大小為169Mpa,并在沿厚度方向存在應力梯度,且A狀態(tài)和M狀態(tài)沿三維方向的應力分布不同.該熱應力的變化是影響薄膜驅動效果的主要因素.最后,利用上述的研究結果和MEM