NiTi形状记忆合金薄膜在MEMS中应用的相关基础研究

论文摘要

NiTi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、生物相容性好等显著优点, NiTi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。本文首先通过室温溅射方法制备了NiTi薄膜,并采用电阻温度曲线、拉伸、鼓气、纳米压痕等多种分析方法,对近等原子比NiTi薄膜的超弹性特性进行了研究。结果表明:拉伸法,鼓气法和压痕法均能较为直观地表达出各种状态下薄膜的超弹性特性和相应的力学参数,其中鼓气法由于受力状态与实际应用中的薄膜最为相近,因此可以真实地反映驱动器薄膜的力学性能。其次讨论了NiTi薄膜的热相变特性。结果表明:原位晶化可以直接获得具有相变特性的晶化薄膜,从而避免了高温热处理带来的不利影响,并简化了工艺。通过控制溅射工艺可获得具有不同相变特性的SMA薄膜,本文中应用于微器件的最佳制备工艺为:原位加热300℃,溅射功率200w,Ar压力6×10-4Torr。在采用XRD和极图分析方法讨论了薄膜中织构的形成及影响因素后,本文还用Matlab软件计算了薄膜的相变应变,并结合实际情况进行了算法改进。织构分析表明:原位晶化制得的薄膜具有较强的A（110）织构,适当的基板温度、较低的溅射功率和Ar压力可以得到强织构;对多晶相变应变的理论计算表明（110）强织构应变要大于弱织构,而完全无织构的薄膜应变又大于有织构的样品,并且沿宏观不同受力方向的应变各不相同。由于在薄膜制备过程中织构的出现是不可避免的,因此加工薄膜时很有必要进行织构的控制。本文利用ANSYS有限元分析软件对SME器件桥结构进行了驱动过程的分析与仿真,并研究了薄膜内部应力的分布情况。模拟结果表明:薄膜从高温冷却到室温时界面的热应力大小为169Mpa,并在沿厚度方向存在应力梯度,且A状态和M状态沿三维方向的应力分布不同。该热应力的变化是影响薄膜驱动效果的主要因素。最后,利用上述的研究结果和MEMS加工技术制备了形状记忆合金微温度开关,达到了良好的实际效果。结果表明:单层的NiTi桥结构的挠度比起NiTi/Si复合结构的挠度大大增加,最高的可回复应变为0.5%;MEMS热开关的工作区间在20℃～70℃之间,经多次升温和降温后器件的工作状态趋于稳定,热滞在15℃左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 NiTi 合金的相变特性及物理性能
• 1.2.1 NiTi 合金的M 相变
• 1.2.2 NiTi 合金的相变类型
• 1.2.2.1 温度诱发M 相变
• 1.2.2.2 应力诱发马氏体相变
• 1.2.3 NiTi 合金的物理性能
• 1.3 NiTi 薄膜的制备方法及其影响规律
• 1.3.1 NiTi 基薄膜的制备流程
• 1.3.1.1 薄膜的制备方法
• 1.3.1.2 NiTi 基薄膜的图形化
• 1.3.1.3 NiTi 基薄膜的晶化工艺
• 1.3.2 SMA 薄膜性能与材料及制备工艺的关系
• 1.3.2.1 化学成份对NiTi 基薄膜性能的影响
• 1.3.2.2 溅射工艺对NiTi 薄膜性能的影响
• 1.3.3 NiTi 薄膜中的织构
• 1.3.4 SMA 薄膜与基片间的界面与残余应力
• 1.4 NiTi 形状记忆合金在MEMS 中的应用
• 1.4.1 MEMS 系统概述
• 1.4.2 SMA 在MEMS 中的应用
• 1.4.2.1 SMA 在微传感器中的应用
• 1.4.2.2 SMA 在微执行器中的应用
• 1.5 本文的研究意义及内容
• 第二章 NiTi 薄膜的超弹性特性
• 2.1 引言
• 2.2 超弹性的理论模型
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 SMA 薄膜的制备
• 2.3.1.1 SMA 薄膜的溅射沉积
• 2.3.2.2 NiTi 薄膜的晶化
• 2.3.2 力学测试方法
• 2.4 实验结果与讨论
• 2.4.1 薄膜的相变特性
• 2.4.2 拉伸实验
• 2.4.3 鼓气实验
• 2.4.3.1 鼓气法的实验原理
• 2.4.3.2 实验结果
• 2.4.4 压痕实验
• 2.4.4.1 压痕法的实验原理
• 2.4.4.2 实验结果
• 2.4.5 实验结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 原位加热NiTi 薄膜的热相变特性
• 3.1 引言
• 3.2 NiTi 基薄膜的制备工艺
• 3.3 薄膜性能的分析方法
• 3.4 NiTi 薄膜的相变特性分析
• 3.4.1 基板温度的影响
• 3.4.1.1 薄膜相变特性的变化
• 3.4.1.2 薄膜中的织构
• 3.4.2 溅射功率的影响
• 3.4.3 溅射气压的影响
• 3.4.4 靶材Ti 含量的影响
• 3.4.5 退火温度的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 NiTi 薄膜中的织构及相变应变的计算
• 4.1 引言
• 4.2 NiTi 薄膜织构的形成过程
• 4.2.1 成膜过程
• 4.2.1.1 连续薄膜的形成
• 4.2.1.2 连续薄膜的生长
• 4.2.2 溅射成膜时的织构模型
• 4.2.3 薄膜的表面与界面
• 4.2.3.1 薄膜的表面
• 4.2.3.2 膜基界面
• 4.2.4 薄膜中的内应力
• 4.2.4.1 本征应力
• 4.2.4.2 热应力
• 4.3 制备工艺对薄膜织构的影响
• 4.3.1 基板温度的影响
• 4.3.2 溅射功率的影响
• 4.3.3 溅射气压的影响
• 4.3.4 部分样品的极图测试
• 4.4 薄膜的相变应变计算
• 4.4.1 理论模型
• 4.4.1.1 Bain 应变
• 4.4.1.2 NiTi 马氏体相变的惯习面
• 4.4.1.3 应力诱发马氏体相变的Schmidt因子[5]
• 4.4.1.4 晶格变形理论（Latice Deformation-LD 理论）
• 4.4.1.5 相变应变与位向的关系
• 4.4.1.6 算法实现
• 4.4.2 多晶体的变形特点
• 4.4.3 多晶应变理论模型介绍及改进
• 4.4.3.1 取向分布函数（ODF）简介
• 4.4.3.2 多晶体变形模型
• 4.4.3.3 NiTi 多晶相变应变模拟
• 4.4.4 多晶相变应变模型的改进
• 4.4.4.1 多最值平均算法
• 4.4.4.2 考虑晶界及取向影响的算法
• 4.4.4.3 考虑受力方向的算法
• 4.4.4.4 各种计算方法的比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 NiTi/Si 复合膜驱动原理及有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 形状记忆效应与双金属效应的比较
• 5.3 NiTi/Si 复合膜驱动原理
• 5.3.1 理论模型
• 5.3.2 NiTi/Si 复合驱动膜变形过程
• 5.4 基于温度开关变形膜驱动特性的ANSYS 模拟
• 5.4.1 实体模型的建立
• 5.4.2 材料参数的选用
• 5.4.3 实体模型的网格化
• 5.4.4 施加边界条件及载荷
• 5.4.5 求解
• 5.5 数据后处理
• 5.5.1 驱动膜几何尺寸的影响
• 5.5.1.1 厚度比的影响
• 5.5.1.2 驱动膜长度的影响
• 5.5.1.3 驱动膜宽度的影响
• 5.5.2 薄膜应力分析
• 5.5.2.1 复合膜的挠度
• 5.5.2.2 复合膜的应力分布
• 5.6 本章小结
• 第六章 MEMS 温度开关的制备及其测试
• 6.1 引言
• 6.2 温度开关的工作原理
• 6.3 温度开关的制备流程
• 6.3.1 驱动部分的制备
• 6.3.2 基底的制备
• 6.3.3 温度开关的组装
• 6.4 器件性能测试
• 6.4.1 驱动部分位移的测量
• 6.4.1.1 NiTi/Si 复合结构挠度的测量
• 6.4.1.2 单层NiTi 桥结构挠度的测量
• 6.4.2 单层NiTi 桥结构变形分析
• 6.4.3 开关的响应温度范围及灵敏度
• 6.5 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 本文的主要结论
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 对下一阶段研究的设想
• 附录
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文