简介概要

NiTi形状记忆薄膜的应用及进展

来源期刊：中国有色金属学报2001年第z2期

论文作者：吴廷斌江伯鸿漆璿

文章页码：6 - 10

关键词：NiTi薄膜；形状记忆合金；研究；应用；进展

Key words：NiTi thin film； shape memory alloy； research； application； advancement

摘要：介绍了当前国内外NiTi薄膜在以微机电系统 (MEMS)为主的诸多领域中的应用研究情况 ,分析了存在的问题 ,并展望了今后的发展前景。

Abstract: A introduction to the latest progress in application research on NiTi shape memory thin film was made. Its potential application was prospected and some possible problems in future development was estimated.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s2.002

NiTi形状记忆薄膜的应用及进展

吴廷斌江伯鸿漆璿

上海交通大学国家教育部高温材料及测试开放实验室

上海交通大学国家教育部高温材料及测试开放实验室上海200030

摘要：

介绍了当前国内外NiTi薄膜在以微机电系统 (MEMS) 为主的诸多领域中的应用研究情况 , 分析了存在的问题 , 并展望了今后的发展前景。

关键词：

NiTi薄膜;形状记忆合金;研究;应用;进展;

中图分类号： TB383

收稿日期：2000-12-26

基金：中国比利时双边合作项目 (B -99-0 2 );

Advancement in application research on NiTi shape memory thin films

Abstract：

A introduction to the latest progress in application research on NiTi shape memory thin film was made. Its potential application was prospected and some possible problems in future development was estimated.

Keyword：

NiTi thin film; shape memory alloy; research; application; advancement;

Received： 2000-12-26

形状记忆效应是一种利用可逆热弹性马氏体相变实现多次回复到初始形状的固态现象。许多材料展示出这种效应, 其中性能最好、最稳定、应用最为广泛的是NiTi基形状记忆合金 ^[1] 。块状和丝状NiTi合金的开发应用历史较长, 工艺也比较成熟。近10年内, NiTi合金薄膜在微机电系统 (MEMS) 、溅射和微加工技术迅速发展的带动下日益受到人们的重视 ^[2] 。最初对NiTi薄膜的研究主要集中于制备工艺、热处理工艺、性能测试等方面; 随着进一步研究的深入, NiTi薄膜作为驱动或传感元件的应用研究逐渐成为研究热点之一。由于回复率高、回复力大, NiTi薄膜在MEMS的驱动器和传感器设计和制造方面占有极其重要的地位。除此之外, NiTi薄膜在诸如电容传感器、光缆控制器等领域也有独特的开发应用前景。本文作者重点介绍NiTi薄膜在MEMS中的应用研究概况, 并对今后可能的研究方向以及出现的问题作简单阐述。

1 NiTi薄膜在MEMS中的应用

NiTi薄膜在MEMS中主要用作驱动机构的驱动材料, 这些驱动机构包括各种伸缩机构 ^[3] 、夹持机构 ^[4,5] 、阀门机构 ^[6,7,8,9,10] 等等。同时, 也有少量利用NiTi薄膜的物性变化来制作传感元件的报道 ^[11] 。

1.1 微型弹簧

用NiTi丝弹簧做成微驱动器的成功报道有很多, 但最细的NiTi丝直径只能达到0.1 mm, 这极大地限制了结构的微型化。如果能把NiTi薄膜直接加工成弹簧, 就可以大大减小结构的尺寸。

1990年, Waller等人 ^[3] 采用刻蚀法制备的NiTi薄膜做成了微型弹簧, 通过电流加热驱动, 响应频率可以达到20 Hz, 如图1所示。

图1 NiTi薄膜弹簧示意图

Fig.1 NiTi thin film spring

1.2 微型机械手/微钳

1993年, Bayashi等人 ^[4] 用NiTi薄膜做成微型机器人的手臂。一个微型手臂使用3个可动微曲梁作为框架, 长度小于1 mm。用通电控制NiTi薄膜的相变, 从而控制它的动作。

图2所示是美国Lawrence Livermore国家实

图2 美国研制的微钳示意图

Fig.2 Three-dimensional scheme of microgripper

验室于1995年设计制造的微钳 ^[5] 。整个微钳厚0.2 mm, 长1 mm, 宽0.38 mm。其中TiNiCu厚5 μm, 硅片悬梁厚12.5 μm。受热时钳口张开2 μm×55 μm, 相当于产生20 mN的驱动力, 工作频率为100 Hz, 输入功率30 mW (空气中) 或150 mW (水中) 。该微钳的相变温度正好在体温之上, 非常适于医用。

1.3 微型阀门

1.3.1 气阀 (Pneumatic valve)

图3 (a) 是德国Karlsruhe研究中心研制的微气阀器件剖面图及原理图 ^[6] 。该气阀尺寸为6 mm×6 mm×2 mm。 SMA薄膜不是通过溅射制备的, 而是用激光切割100 μm厚的SMA自由膜成应力优化的图案状, 再粘贴到聚酰亚胺衬底上。 SMA受热时拉着绝缘块封住阀门, 平时由于气体的偏置力, 阀门是开着的。该阀门的输出功率为35 mW, 驱动电压为450 mV, 响应时间为0.5～1.2 s。

图3 SMA薄膜微气阀

Fig.3 Scheme of SMA gas microvalve

图3 (b) 是美国TiNi合金公司 (TiNi Alloy Company) 制作的微阀示意图 ^[7,8] 。加热时, TiNi薄膜丝收缩, 拉起硅塞, 打开通道; 冷却时靠偏置弹簧的作用使TiNi薄膜丝拉伸, 封住通道。工作时硅塞位移可达250 μm, 封住400 Pa以上的气压。通过改变薄膜丝的尺寸及数目, 可以获得所希望的驱动力和驱动位移。微阀的输出功率为10 μW, 气流量为2 L/min。

1992～1995年, 美国TiNi合金公司集中研究和开发了基于Si基板上溅射NiTi薄膜制成的微驱动器, 其制造工艺是从微电子制造及微机电系统工艺中借鉴来的, 包括图案化样品的制备。空气阀外观尺寸为5 mm×8 mm×2 mm, 驱动电流为50～150 mA, 比例控制通过反馈获得。在输出0.5 N力的情况下, 可产生100 μm的位移, 反应时间为几ms。

目前, 美国NiTi合金公司的气阀产量有限, 主要用在分析仪器和医疗仪器中, 而流量控制器和压力调节器还处于实验阶段。

1.3.2 液阀

图4所示为美国Lawrence Livermore国家实验研制的TiNiCu薄膜微阀 ^[9] 。加热TiNiCu薄膜导致SMA/Si膜片从玻璃上拉起1～2 μm, 打开通道。

图4 SMA薄膜微阀的俯视图和截面图

Fig.4 Top and cross-sectional views of bimorph SMA film micro-valve

1.3.3 光阀

1998年, Tabib等人 ^[10] 第一次将SMA薄膜应用于光学装置的设计制造中。因为在加热过程中, NiTi薄膜会发生相变, 而母相和低温相具有不同的光学性质。经过测定发现, 在550～850 nm的波长范围内, NiTi薄膜母相的光反射系数要比马氏体相的高出45%。根据这个差别, 他们设计并制造了一个内孔直径为0.26 mm的实验性光阀。加热光阀时, 从内孔中穿透的光强度减弱10%～17%。这种光阀将来可应用于许多有趣而又实用的光学仪器中, 比如光开关、显微镜、电器、火灾报警器等。

1.4 微型支撑架

传统微型设备是用沉积技术和去除牺牲层技术在Si基板上制造的。目前, 正开发一种非平面微驱动器, 它源于大型平板显示器 (场发射显示器) 的生产需要。平板显示器具有体积小、质量轻的优点, 非常适合于计算机的输出设备。制造场发射显示器存在的一个难题就是显示器面板内的真空环境会给显示器前后板上造成很大的大气压力, 迫使显示板内陷。问题的解决方案是在前后板之间加一个网状的微型支撑架, 抵抗大气压力, 但前提是不能挡住场发射离子轰击前面板, 也即微型支撑架尺寸要小于两个象素之间的间隔。图5所示是平板显示器中的微型支撑架装置 ^[12] 。它由支撑块、倾斜块和NiTi薄膜驱动部分组成, 由NiTi薄膜驱动支撑块直立起来, 撑住前后面板。

图5 平板显示器中的支撑架

Fig.5 Spacer in FED

1.5 微泵

微泵可应用在低流量精确处理场合, 如药物输送, 燃料进给, 微量化学分析系统等领域。利用SMA的大回复力、大位移和输出功率大的优点, 可以克服传统微泵的种种不足。

1988年, William等 ^[12] 设计制造了两种微泵, 一种是聚酰亚胺偏置弹簧式驱动, 另一种是互补式驱动 (见图6) 。结果表明, 前者驱动能力达到6 μL/min, 后者则达到50 μL/min。随着驱动频率增大, 冷却时间缩短, 当没有足够时间从母相冷却至马氏体相时, 泵膜振动频率就会下降。如果再增加驱动信号的频率, 就会导致加热时间太多, 冷却时间不够, 从而马氏体相变无法充分进行, 最后无法进行马氏体相变, 最终导致泵膜停止动作。

2000年, 王莉等 ^[14] 设计的微泵经测试发现, 其工作的最佳脉冲电流占空比为10∶10, 脉冲电流可在10～120 mA之间调节, 平均电流35～60 mA。微泵流量随电流的增加而增加, 可达到33 0mL/min, 微泵的膜片振幅为2～6 μm。

图6 两种微泵示意图

Fig.6 Micro-pump with complementary type design (a) or polyamides bias spring (b)

1.6 微型继电器

1999年, 美国NiTi公司用NiTi薄膜制成了微型继电器。它利用铝牺牲层技术在硅基底上溅射NiTi薄膜制得。电接触依靠沉积金膜, 镍横梁依靠电镀。薄膜拉动横梁运动从而完成继电器的开闭。其适用于尺寸小, 通断电流不超过1 A的情况下, 可作为独立IC元件的保护装置或十字开关网络等。当电源关闭时, 继电器本身不改变状态, 所以, 它只在状态改变时才消耗能量。在1 cm²可制造1 000个这样的继电器。

1.7 线性微驱动器

除了上述驱动位移垂直于膜面的微驱动器外, 还有沿膜面驱动的微驱动器 ^[15] (如图7所示) 。该微驱动器由一个TiNiCu驱动弹簧和一个TiNi超弹

图7 线性微驱动器

Fig.7 Linear actuators moving horizontally

性弹簧组成, 通过控制加热实现线性位移控制。 TiNiCu弹簧通电加热时会收缩, 拉着TiNi弹簧水平向左移动。 TiNi弹簧由于超弹性和应力诱发马氏体相变, 所以易变形; 当TiNiCu停止加热时, 恢复到柔软的马氏体态, 对TiNi弹簧不再有很大力的作用, TiNi弹簧因外应力消失而回到奥氏体态, 就拉动TiNiCu弹簧向右回移, 实现水平的往复运动。该微驱动器可产生500 μm的驱动位移和10 mN的驱动力, 驱动功率为190 mW, 加热和冷却时间分别为300 ms和1.5 s。

1.8 NiTi薄膜在智能结构中的应用

除了全部采用NiTi薄膜 (或连同Si基片) 制造微型驱动器之外, 还有人尝试把它同其它材料复合成一个具有不同材料各自优点的新型结构。 1995年Jardine等人 ^[16,17,18] 设想利用压电材料的传感、驱动能力和SMA的驱动能力, 将它们复合起来构成有传感和驱动能力的复合材料。图8是NiTi-PZT多层复合材料结构示意图。

它作为一个智能阻尼系统, 可以用于振动的主动抑制。当应力波从左向右穿过该结构时, 首先到达NiTi层, 使NiTi薄膜发生应力诱发马氏体相变, 应力波中的一部分机械能转化成热能; 当应力波传播至第一个PZT层时, 产生电压信号, 这个信号被送到第二个PZT层, 又产生与原应力波相位不同的应力波, 以削弱应力波的传播强度。在这个体系中, 厚度不同的TiO₂层起着改变电阻、电容以调节相位的作用。考虑到应力波的速度可能超过系统的响应速度, 可在TiO₂层与第二个PZT层之间加上Al (Ti或TiNi) 层作为缓冲层, 以减缓应力波速度。

图8 NiTi/PZT主动阻尼结构示意图

Fig.8 Scheme of smart NiTi/PZT active damping structure

上述SMA薄膜微驱动器根据其驱动结构大致可分为两类: 一类是SMA薄膜和硅基片组成双晶片型 (Bimorph) 的微驱动器。薄膜溅射沉积在硅基片上, 利用两者之间的残余应力, 用硅基片作为偏置弹簧实现双向驱动; 另一类产生动作的薄膜是自由膜 (Free-standing) , 薄膜或者是通过溅射沉积到基片上再通过牺牲层技术将基片除去, 或者是通过机械冷轧的方法获得, 而后与其它驱动机构粘合在一起, 这类微驱动需要额外的偏置机构以实现双向往复运动。

2 NiTi薄膜传感器

1998年, Bendahan ^[11] 等人在SiO₂/Si基板上用磁控溅射方法制备NiTi薄膜, 利用NiTi薄膜相变时高低温相电容值的变化做成监控电流的传感器。同样, 这种传感器可集成在电子电路中。

3 存在问题

总体上讲, 目前NiTi形状记忆薄膜的应用研究呈现两大特点: 1) 学科交叉性目前NiTi薄膜的研究人员不仅仅局限于材料学工作者, 而是包括机械、电子、信息以及医疗等诸多领域的科技人员; 2) 多系统高度集成化趋势利用NiTi薄膜的易集成制造特点, 将其用于微机电系统 (MEMS) 、微光机电系统 (MOEMS) 等高度集成系统, 从而充分展现其小型化的特点及优势。

与此同时, 目前仍有一些问题阻碍NiTi应用研究的发展:

1) 对NiTi薄膜性能 (形状记忆效应、寿命等) 缺乏统一的或普遍认可的测试标准和评价准则, 这可能会阻碍从应用研究到最终产品化的进程。

2) 实际应用环境下的温度条件无法达到实验研究阶段的要求。由于天气或局部工作环境温度的波动 (可能超出NiTi薄膜工作温度范围) 、元件散热条件的改变等使得NiTi薄膜元件失效或误作用。这在元件的最初设计阶段应给以充分的考虑, 否则难以实现真正的实用化。