NiTi形狀記憶合金薄膜在MEMS中應(yīng)用的相關(guān)基礎(chǔ)研究.pdf

1、NiYi形狀記憶合金由于具有出色的形狀記憶效應(yīng)(SME)和超彈性(SE)效應(yīng)而倍受人們關(guān)注.因其具有可恢復(fù)應(yīng)變大、輸出應(yīng)力高、驅(qū)動(dòng)電壓低、生物相容性好等顯著優(yōu)點(diǎn),NiTi薄膜已成為MEMS微驅(qū)動(dòng)器中最具應(yīng)用潛力的驅(qū)動(dòng)方式之一.但是為了實(shí)現(xiàn)器件的實(shí)用化,有些相關(guān)基礎(chǔ)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(duì)近等原子比NiTi薄膜的超彈性特性進(jìn)行了研究. 結(jié)果

2、表明:拉伸法,鼓氣法和壓痕法均能較為直觀地表達(dá)出各種狀態(tài)下薄膜的超彈性特性和相應(yīng)的力學(xué)參數(shù),其中鼓氣法由于受力狀態(tài)與實(shí)際應(yīng)用中的薄膜最為相近,因此可以真實(shí)地反映驅(qū)動(dòng)器薄膜的力學(xué)性能.其次討論了NiTi薄膜的熱相變特性.結(jié)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?zé)崽幚韼?lái)的不利影響,并簡(jiǎn)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(yīng)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(gòu)的形成及影響因素后,、本文還用Matlab軟件計(jì)算了薄膜的相變應(yīng)變,并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行了算法改進(jìn).織構(gòu)分析表明:原位晶化制得的薄膜具有較強(qiáng)的 A (110)織構(gòu),適當(dāng)?shù)幕鍦囟?、較低的濺射功率和Ar壓力可以得到強(qiáng)織構(gòu)；對(duì)多晶相變應(yīng)變的理論計(jì)算表明 (110) 強(qiáng)織構(gòu)應(yīng)變要大于弱織構(gòu),而完全無(wú)織構(gòu)的薄膜應(yīng)變又大于有織構(gòu)的樣品,并且沿宏觀不同受

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