形状记忆合金驱动微泵的研究

论文摘要

NiTi基形状记忆合金由于具有出色的形状记忆效应(SME)和超弹性(SE)效应而倍受人们关注。因其具有可恢复应变大、输出应力高、驱动电压低和生物相容性好等显著优点,NiTi基薄膜已成为MEMS微驱动器中最具应用潜力的驱动方式之一。但是为了实现器件的实用化,有些相关基础问题尚需研究。本文首先从形状记忆合金的研究发展历程,分析了国内外同类课题的发展现状,探讨了SMA薄膜作为微驱动材料目前存在和要解决的问题和发展趋势,通过热弹性马氏体相变和形状记忆原理两个方面详细地阐述了形状记忆合金的工作原理。经过磁控溅射制备薄膜实验研究,分析了薄膜的化学组分和制备工艺因素对薄膜性能的影响,研究了制备工艺中靶材,基片和本底真空度对工艺的影响,为制备出理想的形状记忆合金薄膜微驱动器材料奠定了实验基础,并探索出一条与MEMS工艺兼容可批量制作的SMA薄膜工艺。对实验制备的SMA合金薄膜的DSC曲线进行分析,发现实验制备合金薄膜的相变点在60℃左右;合金薄膜的AFM表征表明,制备的薄膜材料表面晶粒的排列比较紧密,晶粒的尺寸约在200nm。通过对收缩/扩散管的流动特性的分析,得出了收缩/扩散管单向流动工作原理。并用IntelliSuite软件对制作工艺进行模拟,确定了微泵的制作方案。通过ANSYS软件对图形化和非图形化的驱动器进行了对比,得出了具有具大驱动力的图形化方案。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 形状记忆合金的发展历史及应用
• 1.1.2 微型泵
• 1.2 国内外同类课题研究现状
• 1.2.1 压电式微泵
• 1.2.2 热驱动式微泵
• 1.2.3 静电驱动式微泵
• 1.2.4 电磁驱动式微泵
• 1.2.5 形状记忆合金驱动式微泵
• 1.3 微泵的应用前景及SMA 驱动存在问题、发展趋势
• 1.3.1 微泵应用前景
• 1.3.2 SMA 驱动存在问题、发展趋势
• 1.4 本课题的目的和主要工作
• 1.4.1 目的
• 1.4.2 主要工作
• 1.5 小结
• 第2章 合金薄膜的理论分析
• 2.1 形状记忆原理
• 2.1.1 热弹性马氏体相变
• 2.1.2 形状记忆原理
• 2.2 形状记忆合金特性与分析
• 2.2.1 形状记忆效应
• 2.2.2 超弹性
• 2.2.3 机理
• 2.3 影响形状记忆合金薄膜性能的因素
• 2.3.1 化学成分对形状记忆合金薄膜性能的影响
• 2.3.2 溅射工艺对合金薄膜性能的影响
• 2.4 小结
• 第3章 微泵的结构设计与工作原理
• 3.1 形状记忆合金微泵的基本结构
• 3.2 形状记忆合金驱动器的工作原理
• 3.3 泵腔体积的变化
• 3.4 收缩/扩散管的流动特性分析
• 3.4.1 扩散管内压力分布
• 3.4.2 收缩管内压力分布
• 3.5 收缩/扩散管的工作原理
• 3.6 小结
• 第4章 微泵的工艺模拟研制
• 4.1 图形与非图形化合金膜驱动能力的ANSYS 分析
• 4.2 版图的设计
• 4.2.1 双螺旋合金电阻条
• 4.2.2 驱动膜
• 4.2.3 收缩/扩散管
• 4.3 计算机模拟
• 4.3.1 利用 AnisE 验证工艺方案的可行性
• 4.3.2 利用 IntelliFab 模拟工艺流程
• 4.4 主要工艺介绍
• 4.4.1 氧化
• 4.4.2 光刻
• 4.4.3 硅的各向异性腐蚀
• 4.5 具体的工艺步骤
• 4.5.1 驱动器的工艺
• 4.5.2 收缩扩散层的工艺
• 4.6 小结
• 第5章 实验过程及结果讨论
• 5.1 形状记忆合金薄膜的溅射工艺
• 5.1.1 真空磁控溅射的原理
• 5.1.2 溅射参数
• 5.2 不同组分合金的 X-射线能谱图
• 5.3 晶化处理
• 5.4 合金薄膜的断面与表面形态
• 5.5 DSC 分析
• 5.6 小结
• 结论
• 创新之处
• 展望
• 参考文献
• 致谢