（微电子学与固体电子学专业论文）形状记忆合金驱动微泵的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 n i 前基形状记忆合金由于具有出色的形状记忆效应( s m e ) 和超弹性( s e ) 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，n i t i 基薄膜已成为m e m s 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s m a 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 m e m s 工艺兼容可批量制作的s m a 薄膜工艺。对实验制备的s m a 合金薄膜的 d s c 曲线进行分析，发现实验制备合金薄膜的相变点在6 0 左右；合金薄膜的 a f m 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2 0 0 衄。 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i n t e l l i s u i t e 软件对制作工艺进行模拟，确定了微泵的制作方案。通过 a n s y s 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。 关键词：形状记忆合金薄膜；微泵；收缩扩散管 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o r ea 1 1 dm o r ea n e n t i o ni sb e i n gp a i dt on i t is h a p em e m o 巧a l l o y sd u et 0i t s e x c e l l e n ts h a p em e m o r ye 舵c t ( s m e ) 锄ds u p e r e l a s t i ce 髓c t ( s e ) t h es h a p em e m o 巧 a l l o yt h i nf i l m sa r eb e c o m i n go i l eo ft h em o s tp o t e m i a lm i c r o a c t u a t i i l gm a t i 嘶a l s ，m 屺 t 0m e i rl 鹕er e c o v c r a b l es 砌玛s t r o n go u t p u tf o r c e ，l o w 嘶v i n gv o l t a g e ，g o o db i o l o g y c o m p a t i b i l i 劬e t c h o 、v e v e r ，t h e r ea r es o m eb a s i cq u e s t i o l l sn e e d e dt 0b es t u d i e df o r d e v i c e 印p l i c a t i o n t l l i st e x ta i 】i a l y z e dd o m e s t i ca n di n t e m a t i o 硼d e v e l o p i n gs i t u a t i o i l so ft h es 锄e k 如l dt o p i cf 如mt h er e s e a r c l l i i 培p r o c e s so ft l l es h a p em e m o 巧猷l o yf i r s t ，t i l ep r o b l e m st 0 e x i s ta i l dt ob er e s o l v e da i l dt h e 慨n do f d e v e l o p m e n to f s m aa st h e 血v i i l gi n a t 面a l w e r ed i s c u s s e d ，也ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs h a p en 圮m o 巧a l l o yw a se l a b o r a t i e d 试d e t a i l t l l r o u 曲t l l et v 旧嬲p e c t s ：t l l ep h a s et r a l i l s i t i o no f t l l et h e 姗a 1d y n 锄i cc h a r a c t e r i s t i co f m a r t e i l s i t ca n dm es h a p em e r n o 巧p r i i l c i p l e ，n l er e s e a r c l 血go fm a k i l l gf i l mb y m a g e n t r o ns p u _ t t e r i n g ，t 置l ei 1 1 n u e n c eo fc h e m i c 2 l lc o i i 】【p o s i t i o na n dm a k i i 培t e c h n o l o g yt 0 t l 】ef i l mw 鹤a i l a l y z e da n dd l l r i i 培m em 蛐g 妣h 1 0 l o g y ，t h e 砌u e 珈o ft a r g e t ， s l l b s 仃a t ea n dt h ev 觚吼1 mo fb a c k 孕o l 】i l dt ot h ef i l i nw e r er e s e a r c h e d ，w 1 i c he s t a b l i s h e d t 1 1 ef 0 1 m d a t i o nf o rm a l ( i 】唱t l l eb 眦e rs m af o ra 曲翰t o ra n di i l _ v e s t i g a t e dap i e c eo f t e c h n o l o g yo fs m af i l m 吐1 a tc a i lb ep r o d u c e df o rb a t c hq 啪t 时a n dc o i n p a t i b l ew i m m e m s t e c h n o l o g y b ya n a l y z i i l gm ed s c c u r v eo fs m a 蛐f i l m ，w ec a nf o u n dt h e p h a s e 劬i l s i t i o nt e m p e e 叭鹏i s 加u t6 0 l ea f m s u 血c em o i 】p h o l o g yo fs m at l l i n f i l me i l u n c i a t e dm ea l i 鲫e n to fm eg r a i no f m en 血f i l ms u m c ew a sc l o s e ，m es 协o f m e 黟a i ni s 灿u t2 0 0 i n w i 吐1 日1 ea i l m y s i so fm ef l u x i o nc l 磁r a c t e r i s t i co f c o n s t r i i 培e n c y 佃r o l i f e r a t i o nt u b e ， o n e w a yn o wp r 洫c i p l eo fc o n s t r i n g e n c y p r o l i f e r a t i o nt u b ew a sg o t t e i i t h et e c h l o l o g y o f 而c r o p u m pw 嬲m t a t e db yi n t e l l i s m t e ，、 ，：l l i c h a s s u r e dt l l e m a j 【i n gp r o j e c t a b s t r a c t c o m p 鲫e dt h ea c t u a t o ro fn o n s k e t c ht 哪w i t ht h es k e t c ht u mb ya n s y s ，w e c a i lg o t t l l ep r o j e c tt h a tc a l lp r o d u c et i l ea c t u a t o rw h i c hh a st l l eb i g g e r 赫v i n gf o r c e k e ) 州o r d s ：s h a p em e m o 呵a l l o yt l l i nf i l m s ；m i c r o p u m p ；c o n s t r i n g e n c y 佃r o l i f e r a t i o nt u b e 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蕉堑太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名： 马弁签字日期：另加膊6 月日 vv 7一 学位论文版权使用授权书 本入完全了解墨蕉选太堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 。一 人授权墨蕉堑太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位论文作者签名：骂孛 导师签名： 卯旨 签字日期：矽脾 月 日 签字日期：口皤石月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 黼：| 弓9 弓6 峰弓6 65 邮编： 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 形状记忆合金的发展历史及应用 形状记忆合金( s h 印em e m o 巧a l l o y s m a ) 是指具有一定初始形状的合金在低 温下经塑性形变并固定成另一种形状后，通过加热到某一临界温度以上又可恢复成 初始形状的一类合金。形状记忆合金的发展历史可以分为三个阶段： 第一阶段：在金属中发现形状记忆效应最早可追溯到2 0 世纪3 0 年代。1 9 3 8 年，美国的1 i l 】g e r h 和m 0 0 n h a i l 在c u z n 合金中发现了马氏体的热弹性转变n 1 。 随后，前苏联的k u r d i 啪对这种现象进行了研究。1 9 5 1 年，c h a i l g 和r e a d 在 a u 一4 7 5 a t c d 合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化而发生迁动n 1 。 这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。直到1 9 6 3 年，美国海军武器实验室的 b u e l l l e r 等人发现等原子比的t i - n i 合金具有优良的形状记忆功能，从此形状记忆 合金引起了人们的广泛兴趣，对其的研究进入了一个新的阶段圆。1 9 7 6 年，c a s t l e m a l l 等h 1 首次报道了镍钛合金的生物相容性评价。1 9 7 7 年，美国3 m u 1 1 i t e k 公司销售镍钛合金牙齿矫形丝，成为第一个镍钛合金医学产品口】。 第二阶段：1 9 8 7 年一1 9 9 4 年，深入细致地研究了基础理论，包括马氏体的三变 体自协作形状恢复机制，线性超弹性和非线性超弹性的影响因素等畸1 ，这个阶段是 镍钛合金工程的鼎盛时期。1 9 9 0 年，b u t t e 刑o r t h h e i n e m 锄公司出版的e n 西n e 耐n g a s p e c t so fs h a p em e m o 巧a 1 1 0 y s 一书全面地反映了当时镍钛合金涉及到的工业领 域的盛况n 1 。在医学领域，1 9 9 0 年美国f d a 批准m i t e k 公司的n i t i 骨铆钉进入市 场推广应用h 1 。1 9 9 1 年，美国r a y c h e m 公司首次制造出镍钛合金薄壁管，并与 u s s 吨i c 合作制造出可操纵的腹腔镜，自此镍钛合金才逐渐被医疗器械设计者接 受口1 。1 9 9 4 年在美国加州成立了国际形状记忆与超弹性技术委员会，此后每3 年在 美国加州召开一次国际会议，以工程和生物医学应用为主要议题。 第三阶段：1 9 9 5 年至今，一些新的镍钛合金加工技术和基础理论问题不断出 黑龙江大学硕士学位论文 现，如镍钛合金的表面改性技术，激光加工技术和脉动疲劳寿命测试等7 1 。1 9 9 7 年一1 9 9 9 年，芬兰医生r y l l l l e n 曲1 系统评价了肌肉组织，神经组织和骨组织对n i t i 合金的反应，消除了人们对镍钛合金中镍毒性的顾虑，并接受了镍钛合金具有良好 的生物相容性的观点。近1 0 年来，镍钛合金医学产品的设计生产与销售成为主流， 镍钛合金器械主要在放射学，内镜检查学和微创外科中大显身手。此外，尽管超弹 性比形状记忆效应晚十几年才得到认识，但在目前记忆合金的医学及工程应用中， 9 0 左右是利用其超弹性性能来实现功能的。 我国从上世纪7 0 年代末才开始s m a 的研究工作，起步较晚，但起点较高。 在材料冶金学方面，特别是实用形状记忆合金的炼制水平已得到国际学术界的公 认。在应用开发上也有一些独到的成果。但是，由于研究条件的限制，在s m a 的 基础理论和材料科学方面的研究，我国与国际先进水平尚有一定差距，尤其是在 s m a 产业化和工程应用方面与国外差距较大。近十年来，我国在s m a 基础理论 研究方面有了很大发展，在s m a 的应用和开发方面更是取得了长足进步。在过去 的几十年中，随着人们对形状记忆合金研究的不断完善，其可广泛地应用于生产 和生活的各个领域，1 们。 1 1 2 微型泵 近年来，微型机械的研究正在高速发展，已制作出微传感器、微型机械零件、 微流动系统、微执行器以及更为复杂的微机械电子系统等多种微机械结构，其中 微流动系统是m e m s 的一个重要分支，近年来已经成为热门的研究领域。目前， 微流体系统在医药( 如体液检测、药物输送) 、计算机( 如c p u 冷却) 、生化( 如微 分析系统、基因筛选) 、交通( 如燃料喷射) 和环境监测等方面已显现出广阔的应用 前景。其中微型喷墨打印头、微生物化学分析系统等有些成果己经比较成熟。 微泵作为一种重要的微流动系统器件，能够精确检测和控制流量，是微流动系统 发展水平的重要标志，也代表m e m s 的发展概况。微泵的类型多种多样，分类方 法众多。按照其结构，可将微泵分为机械式微泵和非机械式微泵，机械式微泵靠 活动部件来传输控制流体，而非机械式微泵则没有任何活动部件。机械式微泵按 第1 罩绪论 照其驱动方式可分为压电驱动、静电驱动、电磁驱动、热驱动、双金属效应驱动 和形状记忆驱动等。其中，压电、静电、电磁属于高频驱动，所制备的泵流量较 大，但需要的工作电压较高。而热气功、双金属效应、形状记忆效应驱动属低频 驱动，泵的流量相应也较小，最大仅在4 0 5 0 0 p l m i n 左右。在以上各种驱动方式 中，形状记忆合金效应驱动的能量输出密度最大，具有应变大、驱动力大的优点， 被公认为是种较理想的驱动方式。 1 2 国内外同类课题研究现状 1 2 1 压电式微泵 压电驱动微泵在振动膜上设置有一压电片，通过压电材料的逆压电效应使振 动膜周期性振动，提供微泵工作的动力源，使泵腔压力周期性变化。压电驱动的 优点是结构简单，驱动力大，响应时间短；其缺点是驱动电压高，振幅小。压电 式微泵的驱动频率受止回阀的限制，所以无阀泵的工作频率比有阀泵的工作频率 高，可以达到数千赫兹。现采用的压电材料有压电片，压电膜，p z t 压电堆。压 电片和p z t 压电堆都需要手工粘接于振动膜，不利于批量生产，而且丧失了微加 工技术的精度高，稳定性好的优点。利用溶胶凝胶法n 羽，物理气相淀积法n 3 1 和平 面印刷法n 町制作的压电膜可以很好地与微加工工艺兼容，可以批量生产。因为溶 胶凝胶法和物理气相淀积法制作的压电膜厚度小( 小于1 0 0 “m ) ，所以仅介绍基于 平面印刷工艺的厚膜压电驱动微泵。k o c h 等人首先报道的p z t 膜微泵是有阀型微 泵，泵振动膜尺寸为8 i 撒4 删 1 l 7 0 p m ，p z t 膜厚度为1 0 0 岬，在6 0 0 v ，2 0 0 h z 正弦电压驱动下，泵的最大流量为1 2 0 山m i n ，背压为2 1 ( p a 。k o c h 研究的p z t 膜 微泵n 朝，p z t 膜是采用平面印刷工艺制作的，厚度为1 0 0 岬，硅振动膜的尺寸为 8 m m 4 n l l i l 7 0 岬。该泵由于采用了无阀泵结构形式，工作频率可以很高 ( 0 5 k 8 l ( h z ) ，在4 0 0 v ，2 k h z 的正弦电压驱动下，泵流量为1 0 5 “l m i n ，背压为 5 0 0 p a 。k o c h 随后报道的另一用于化学反应系统的微泵n 刨，在2 4 0 v ，4 m z 的正弦 电压驱动下最大流量为4 4 0 p l 1 1 l i n ；在2 4 0 v ，3 4 k h z 的正弦电压驱动下最大流量为 黑龙江大学硕士学位论文 2 2 0 “l 珈【i l l 。 无阀泵是由s t e m m e n 钉首先提出，无阀泵相对于有阀泵来说，可以得到更高的 工作频率，因此受到人们的关注。当驱动频率较高时，无阀泵的流量为反向流量， 这是无阀泵的一个特性，t 0 r s t e ng n 和h a n d e r s s o n n 对无阀微泵在高频下的反向 流动特性进行了研究，在此基础上a o l s s o n 啪2 提出了具有两个泵腔的微泵，两个 泵腔以互补的模式工作，可以减少液压冲击，获得较为稳定的压力和流量。该泵 外形尺寸为1 5 m m 1 7 h u n x1 瑚m ，两个压电片尺寸为3 8 n 1 i i l o 2 m m 。在1 4 5 v ， 3 k 4 k h z 正弦电压驱动条件下，泵的流量达到2 3 m l i n i n ，背压为7 4 k p a 。由于微泵 的冲程体积比较小，所以对气泡比较敏感，同时，微泵的自启动也是个值得关 注的问题。m 黜h t e r 瞄1 对这一问题进行了讨论，并理论推导出：当振动膜的冲程体 积与泵的死体积之比大于1 1 3 时，微泵可以克服上述两个问题。w i j n g a a n 1 首次 报道了可以自启动、对气泡敏感性小且可以双向输送液体的微泵。这是因为将泵 腔设计的较小，增大了冲程体积与泵的死体积比( 为l ：9 ) ，实验测得，该泵在 4 0 0 h z 时微泵呈现反向流。当驱动电压为1 0 0 v 时，正向最大流量为3 0 肛蜥n ，背 压为4 k p a ，反向最大流量为3 0 p 妇l i n ，背压为5 l 【p a 。 1 2 2 热驱动式微泵 热驱动器一般由加热器、振动膜片和密封的气体或者液体组成，对密封的气体 或者液体加热然后冷却，密封腔的压力变化使振动膜片产生变形，为微泵提供驱 动动力源。热驱动可以在驱动电压低时获得较大的膜片振幅，但是冷却慢，驱动 频率低，一般为几赫兹，同时能耗较大。v a nd e lp o l 胁矧对热驱动微泵进行了研究， 实验测得，在6 v ，1 h z 电压驱动下，泵的最大流量为3 4 山m i n 。 j e o n g 啪刀1 利用波纹状的硅薄片作为热驱动式微泵的振动膜片，这可以增大膜片 的振幅，从而增大微泵的冲程体积。该微泵由两层耐热玻璃和中间一层硅结构构 成。通过电子束气体沉积工艺将加热线圈沉积在上层耐热玻璃上，最后通过阳极 键合将三层结构键合起来。该微泵硅振动膜片由掺硼的硅进行化学腐蚀制成，其 尺寸4 m m 4 m m 2 p m ，在1 5 v ，4 h z 电压驱动条件下，最大振幅为1 0 0 “m ，该 第1 章绪论 泵的最大流量为1 4 p 蛳n ，能耗为3 w 。w e 9 0 汹1 采用印刷电路板工艺，将4 层印刷 电路板黏合在一起，制成微泵，提供了一种微流体系统与微电子控制线路集成的 方法。 1 2 3 静电驱动式微泵 在微机电系统中，静电驱动方法被广泛采用，能方便地批量生产。静电驱动可 以获得较高的驱动频率，同时有如下优点：能耗低，一般为毫瓦级；振动膜片的 振幅可以很容易地由驱动电压进行控制，响应时间快。但是，静电驱动也有如下 缺点：一是驱动电压高，一般高于5 0 v ，这与i c 电路所用的5 v 或者1 2 v 电压不 兼容，如果要降低驱动电压，泵的流量则很小；其次，体积冲程小，这是因为静 电力只有在较小距离范围内才足够大；另外，微泵中还需要防止电路短路的绝缘 膜。z e n g e r l e 豳1 研究了静电驱动微泵，泵的外形尺寸为7 m m 7 i m 2 m m ，所用 电极的尺寸为4 眦n x 4 n 珊2 5 p m ，在1 7 0 v ，2 5 h z 电压驱动条件下，泵的流量为 7 0 “= l i n ，泵的工作频率为l o o h z 。由于该泵采用有阀泵结构，故工作频率比较低。 z e l l g 鲥e 侧研究了一种双向流微泵，泵的外形尺寸为7 m m 7 m m 2 m m ，静电微 泵的性能主要受到阀单元止回阀膜片厚度和驱动单元振动膜片与电极对间隙的影 响。改变驱动频率，阀的响应和入口出口压力差产生了相变，因而泵的流向得以 改变。当驱动电压频率在0 1 8 0 0 h z 时，泵的流向为正向；当驱动电压频率在 2 k 6 娜z 时，泵的流向为反向。当止回阀膜片厚度为1 5 岬，振动膜片与电极对之 间的间隙为3 岫时，它的共振频率约为1 6 k h z ，实验测得当驱动电压频率为1 6 姐z 时，泵的漏量几乎为零，两者正好吻合，驱动电压频率低于1 6 k h z 时，微泵的流 向为正向( 从入口流动到出口) 。当驱动电压频率为2 k 6 l ( h z 时，微泵的流向为反 向，这是由于止回阀膜片的响应与入口出口之间的压力差产生了相交。实验测得， 该泵正向最大流量为2 5 0 p l m i n ，背压为3 1 l ( p a ；反向最大流量为3 5 0 肛l m i i l ，背压 为7 k p a 。 1 2 4 电磁驱动式微泵 采用电磁驱动方式，可以在较大的距离范围得到较大的驱动力，驱动电压低， 5 - 黑龙江大学硕士学1 立论文 结构简单，还可以远程控制，而且可靠性高。因为电磁驱动力是长度尺寸因子的 三次方，所以当微机械尺寸减小时，电磁驱动力会随之有较大的减小。电磁驱动 需要采用磁性材料，虽然电磁驱动器工艺很成熟，但只有一部分电磁材料容易采 用微加工工艺进行加工。与此同时，电磁驱动的能耗也比较高。b o h m b 等人用传 统的方法制作了一个1 0 1 1 1 i l l 1 0 m m 8 m m 的微泵，可以抽吸气体和液体。该泵的 振动膜片采用弹性较大的有机聚合物，将永久磁铁粘结在振动膜片上，通过线圈 与永久磁铁之间洛伦兹力的作用，使振动膜片上下往复振动。由于振动膜片的振 幅较大( 约为7 5 0 岬) ，所以泵可以自启动。当驱动电流为1 0 0 i n a ，驱动频率为5 0 h z 时，泵的液体流量达到最大，为2 1 m l 血n ；当驱动频率为4 0 0 h z 时，泵的气体流 量达到最大为4 0 m l m i i l 。这一结构形式的微泵，需要手工将电磁驱动器粘结上去， 不能进行批量生产。k h o o 口2 3 研究的电磁驱动式微泵采用硅橡胶和坡莫合金( n i 舯f e ) 制作电磁驱动器，扩散器也由硅橡胶制得，采用聚合物微加工方法，成型无阀门 扩散器。由于所采用的硅橡胶生物兼容性好，这种微泵适于生物微流体方面。其 中所采用的电磁驱动器，通过电镀的方法将坡莫合金内置于硅橡胶振动膜片内， 夕卜加磁场与坡莫合金的相互作用使振动膜产生振动。振动膜的尺寸为2 i l l n l 2 姗 4 灿。当驱动磁化强度为2 8 5 1 0 5 m ，频率为2 9 h z 时，泵的流量为1 2 斗蜥n ， 增大驱动磁化强度和提高驱动频率可以增大流量。 1 2 5 形状记忆合金驱动式微泵 b e n a r d 瑚1 首先将形状记忆合金用于微泵的驱动。如图1 1 嗍，两个t i n i 膜片 之间是一个硅隔离块。上面t - n i 膜片受热，下面t i n i 膜片冷却时( 状态1 ) ，驱动 器位于下面位置；而当上面t i n i 膜片冷却，下面t i n i 膜片受热时( 状态2 ) ，驱动 器位于上面位置。因为热传递速度的限制，所以该泵的工作频率不高。当驱动电 流为o 9 a ，频率为o 9 h z 时，该泵抽吸水的最大流量为4 9 肛l m i n ，可以达到的最 大背压为4 2 3 k p a 。m a k i l l o 口5 1 制作的形状记忆合金微泵用一个玻璃罩和t i n i 构成 一个封闭区域，并有一定的初始偏压，这样可以只用一个t i n i 膜片。上海交通大 学微米纳米科学技术研究院啪1 ，采用溅射方法将1 玳i 条沉积在硅振动膜上，硅振 第1 章绪论 动膜除了可以将t i n i 条与液体分开，还可以提供回复力，这就省去了形状记忆合 金驱动中专门采用的一个回复力结构。其结构如图卜2 所示，泵的外形尺寸为6 m m 6 m m 1 5 m m ，硅振动膜的尺寸为3 m m 3 n u n 2 0 岬。实验所用脉冲电流为 7 0 1 2 0 m a ，占空比为1 ：1 ，当驱动频率为5 0 6 0 h z 时，泵的流量达到3 4 0 “蜥n ( 最 大值) ，随着频率的进一步升高。泵的流量减小。这是由于t i n i 合金相变速度的限 制，该泵的最高工作频率为1 0 0 h z 。 ，歌瓢i f 西撼j o 醛辩离骖 7 ，+ n 、0 t ；毋7 “、i 蕊熟) 。 l + ；、i f 羚鬟；j 一麟 图1 1 形状记忆合金微泵【3 5 1 f i g 1 - 1t h em i c r o p u m po fs h 印em e m o r ya l l o y 黪辍誉壤瓢、i 簸 ， 酒酲鼙鼹爨曩曩纛 掰。厂焉万、 图1 2 具有硅振动膜的形状记忆合金微泵【3 6 】 f i g 1 2t h em i c r 叩u m po fs h 印em e m o r ya l l o yw 淌t h ev i b r a t i o nf i l i l lo fs i 黑龙江大学硕士学位论文 1 3 微泵的应用前景及s m a 驱动存在问题、发展趋势 1 3 1 微泵应用前景 有阀型微泵往往基于机械驱动，原理简单，制造工艺成熟，易于控制，是目 前应用的主流；无阀型微泵则常常利用流体在微尺寸下的新特性，原理比较新颖， 更适于微型化，具有更大的发展前景。作为微流量系统核心部分的微泵由于其能 精确检测和控制流量，在药物微量输送、燃料微量喷射、细胞分离、集成电子元 件冷却、微量化学分析以及微小型卫星的推进等方面有着重要的应用前景。 1 3 2s m a 驱动存在问题、发展趋势 1 3 2 1s m a 驱动存在许多有待解决的问题 ( 1 ) 因为s m a 的各种功能均依赖于马氏体相变，需要不断对其加热、冷却 及加载、卸载，而且材料变化具有迟滞性，所以s m a 只适用于低频( 1 0 以下) 窄带振动中，这就大大限制了材料的应用。 ( 2 ) s m a 自身存在损伤和裂纹等缺陷，如何克服这些缺陷，改善材料性能是 当前急需解决的问题。 ( 3 ) 在医学应用方面，还需继续研究s m a 的生物相容性和细胞毒性。 ( 4 ) 现有的s m a 机构模型在实际的工程应用中都还存在一些缺陷，如何克 服这些缺陷，从而精确地模拟出s m a 的材料行为也是一个需要研究的重要课题。 ( 5 ) 为了提高应用水平，s m a 元器件还需要进一步微型化，提高反应速度和 控制精度，在这方面仍有很多工作要做刀。 1 3 2 2s m a 的发展方向和趋势 ( 1 ) 充分发掘、改进和完善现有s m a 的性能； ( 2 ) 研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料； ( 3 ) 高温s m a 的开发； ( 4 ) s m a 薄膜的研究与应用； ( 5 ) s m a 智能复合材料的研究与开发。 第1 章绪论 1 4 本课题的目的和主要工作 1 4 1 目的 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料，是集感知与驱动于一体的智能 材料，因其功能独特，可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而倍 受关注，并获得了广泛应用。 利用n i t i 基形状记忆合金硅薄膜相变时具有大的可回复力和s i 衬底膜的反 偏置力，产生双向往复振动的特性制作微驱动膜，微驱动膜驱动的微型泵可以精 确控制液体的微流量，使以新型微型泵为主要部件的控制系统具有响应速度快、 体积小、集成度及控制精度高、可靠性好、有利于批量生产、成本低等优点。在 航空、航天、电子设备和医疗器械等方面，微型泵将具有更广泛的应用价值。 由于n 汀i 基形状记忆合金的相变点通常较低，所以利用n i t i 基形状记忆合 金硅薄膜制成的微驱动器的功耗大大降低，使以新型微泵为主要部件的控制系统 的功耗减小。另外，n i 面基薄膜容易实现图形化，使微驱动器的制造工艺易与集 成电路工艺兼容。 1 4 2 主要工作 1 了解形状记忆合金的形状记忆原理。 2 分析影响合金薄膜的质量因素。 3 分析收缩扩散管的导通原理。 4 利用a n s y s 软件对图形化与非图形化合金的驱动性能进行分析。 5 利用m e m s 软件做仿真分析，确定形状记忆合金硅膜驱动的微泵的工艺流程 和各个参数。 6 采用镍钛铜组合靶材溅射形状记忆合金薄膜。 7 利用x 一射线能谱对合金薄膜的组分进行检测并分析结果。 8 通过a f m 、d s c 对薄膜的表征和相变点进行分析。 黑龙江大学硕士学位论文 1 5 小结 本章首先介绍了形状记忆合金的发展历史，然后对国内外相关课题的研究进 展进行了阐述，并且分析了微泵的应用前景及s m a 存在问题、发展趋势。最后对 本课题的目的和主要工作进行了概括。 第2 章合金薄膜的理论分析 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 大部分形状记忆合金的形状记忆机理是热弹性马氏体相变。马氏体相交往往 具有可逆性，即把马氏体( 低温相) 以足够快的速度加热，可以不经分解直接转 变为高温相( 母相) 。母相向马氏体相转变开始，终了温度为m 。、m ，。马氏体向 母相逆转变开始、终了温度为a 。、a ，图2 1 为马氏体与母相平衡的热力条件。 具有马氏体逆转变，且m 。与a 8 相差很小的合金，将其冷却到m 。点以下，马氏体 晶核随温度下降逐渐长大，温度回升时马氏体片又反过来同步的随温度上升而缩 小，这种马氏体叫热弹性马氏体。在m 。以上某一温度对合金施加外力也可引起马 氏体转变，形成的马氏体叫应力诱发马氏体。有些应力诱发马氏体也数弹性马氏 体，应力增加时马氏体长大，反之马氏体缩小，应力消除后马氏体消失，这种马 氏体叫应力弹性马氏体。应力弹性马氏体形成时会使合金产生附加应变，当除去 应力时，这种附加应变也随之消失，这种现象称为超弹性( 伪弹性) 。 母相受力生成马氏体并发生形变，或先淬火得到马氏体，然后使马氏体发生 塑形变形，变形后的合金受热( 温度高于a 。) 时马氏体发生逆转变，恢复母相原 始状态；温度升高至a ，时，马氏体消失，合金完全恢复到原来的状态。 黑龙江大学硕士学位论文 1 辇 皿 m ： t c ： 温度_ 图2 1 马氏体与母相平衡的热力条件 f i g 2 1t h ee n e f 科t h e m l o d y n 砌i cc o n d i t i o no f m eb a l a n c eo f o r i 西n a l l ym u n j a j l ya i l dm s t 2 1 2 形状记忆原理 形状记忆材料应具备以下条件：( 1 ) 马氏体相变是热弹性的；( 2 ) 马氏体点 阵的不变切变为孪变，亚结构为孪晶或层错；( 3 ) 母相和马氏体均为有序点阵结 构。 我们知道马氏体相变是一种非扩散型转变，母相向马氏体转变，可理解为原 子排列面的切应变。由于剪切形变方向不同，而产生结构相同，位相不同的马氏 体一马氏体变体。以c u - z n 合金为例，合金相变时围绕母相的一个特定位向常形成 四种自适应的马氏体变体，其惯习面以母相的该方向为对称排列，四种变体合称 为一个马氏体片群，通常的记忆合金根据马氏体与母相的晶体学关系，共有六个 这样的片群，形成2 4 种马氏体变体。每个马氏体片群中的各个变体的位向不同， 有各自不同的应变方向。每个马氏体形成时，在周围集体中造成了一定方向的应 力场，使沿这个方向上变体长大越来越困难，如果有另一个马氏体变体在此应力 场中形成，它当然取阻力小、能量低的方向，以降低总应变能。由四种变体组成 的片群总应变几乎为零，这就是马氏体相变的自适应现象，记忆合金的2 4 个变体 组成六个片群及晶体学关系，惯习面围绕6 个 1 1 0 ) 分布，形成6 个片群。 每片马氏体形成时都伴有形状的变化。这种合金在单项外力作用下，其中马 1 2 第2 章合金薄膜的理论分析 氏体顺应力方向发生再取向，即造成马氏体的择优取向。当大部分或全部的马氏 体都采取一个取向时，整个材料在宏观上表现为形变。对于应力诱发马氏体，生 成的马氏体沿外力方向择优取向，在相变同时，材料发生明显变形，上述的2 4 个 马氏体变体可以变成同一取向的单晶马氏体，将变形马氏体加热到a 。点以上，马 氏体发生逆转变，因为马氏体晶体的对称性低，转变成母相时只形成几个位向， 甚至只有一个位向母相原来的位向，尤其当母相为长程有序时，更是如此。 当适应马氏体片群中不同变体存在强的力学偶时，形成单一位向的母相倾向更大。 逆转变完成后，便完全回复了原来母相的晶体，宏观变形也完全恢复。 2 2 形状记忆合金特性与分析 2 2 1 形状记忆效应 s m a 的形状记忆效应是指s m a 具有记忆并回复至它在母相( 奥氏体) 时的形状 的能力。将高温下的母相s m a 冷却，母相发生相变形成马氏体。在马氏体相下拉伸 s m a 并残留较大的塑性变形，然后对其加热至一定温度，马氏体就会发生逆相变而 转化为母相s m a 将回复到它在母相时的形状。形状记忆效应可分为：单程形状记 忆效应、双程形状记忆效应和全方位形状记忆效应。 2 2 2 超弹性 普通金属材料弹性应变一般不超过0 5 ，而超弹性材料的拟弹性应变则达 5 一2 0 嘲。在介入医疗领域有超过8 0 的产品利用的是t i - n i 合金的超弹性，其使 得合金支架或合金丝具有良好的柔顺性，可与柔软且复杂的人体内管道很好的贴 厶【】 口 。 超弹性效应并不是在所有的情况下都可以发生的，图2 2 为能产生超弹性和形 状记忆两种效应的温度和应力范围，以及它们与滑移变形临界应力之间的关系。 可以看到，m 。将随着o 。的增大而相应地升高，并且，在相应温度下诱发马氏体相 变的应力必须在相应的o 。与o 。之间，a ，点以上，相应的应力下诱发马氏体相变变 形，去除载荷后发生超弹性，在a 。a ，之间，相应应力下，是形状记忆效应与超 黑龙江大学硕士学位论文 弹性共有区域，m 。点以下为形状记忆效应区域。就形状记忆效应而言，试样在a 。 点以下受到的应变一旦加热到a ，点以上即可消失，而就相变超弹性效应而言，在 a ，点以上试样受到的应变一旦卸载即可消失。这两种形状恢复的起因都在于逆相 变，因此，本质上这两者是同一现象，只不过诱发逆相变的方法不同而已。实际 上，呈现形状记忆效应的绝大部分合金也都呈现相变超弹性效应。 咒f 一爵= j i l s 够 t 功a x 温度专 图2 - 2 形状记忆效应与超弹性出现的条件 f i g 2 2 t h ea p p r e a l l c ec o n d i t i o n0 fs h 印em e m o d re 舵c t 锄ds u p e 陀l a s t i c 毋 除此之外，形状记忆合金还具有高阻尼特性，耐磨性和逆形状记忆特性，在 这就不一一介绍了。 2 2 3 机理 随着形状记忆合金的应用领域越来越广泛，在应用过程中出现的问题越来越 多，如何提高使用寿命、应用中的稳定性、耐腐蚀性能，克服材料自身的损伤和 裂纹缺陷等都是目前急需解决的问题。上述问题的解决必须从形状记忆合金的理 论研究入手。所以，对其疲劳机理、断裂机理、增韧方法、微观组织等的研究是 很有必要的。 由于形状记忆合金的疲劳、断裂等与其所处的环境( 温度、酸碱性、应力) 等有 很大关系，所以对合金机理的研究仍是一个十分复杂的问题。在疲劳机理方面， 在较低的温度下，形状记忆合金受载荷作用时，将会发生马氏体的重新取向变形， 第2 章合金薄膜的理论分析 当温度升高到奥氏体转变温度以上时，这种变形可以自动恢复；在适中的温度下， 合金受载荷作用时，将会发生应力诱发马氏体相变，当外加载荷撤除后将会发生 马氏体相变的逆相变。在温度较高下，受载荷作用会产生塑性变形m 1 。关于形状 记忆合金的断裂问题也有人做了研究，通过透射电镜、同步加速器x 射线衍射法、 长距离显微镜等方法进行拉伸原位观察，综合分析形状记忆合金的断裂情况，研 究其相变和晶体结构h 。 t n i 基形状记忆合金的微观组织、相变和形变行为受成分、含量及热处理温度 等的影响很大。专家王剑等对t i 。i n i m c u ，的微观组织研究表明，随着c u 含量 的增加，c u n i t i 相在合金组织中所占的比例增加。大尺寸的c u n i t i 相呈网状分布， c u n i n 相的析出对马氏体相变有抑制作用，使相变温度向低温方向移动啕。专家 贺志荣等对面鼽斟i 舶，甩吼8 n i 飘。，t i 他4 n i 驯合金进行了不同温度热处理，随n i 含 量的增加，n 2 n i 合金的相变温度降低，相变热滞增加。随退火温度的升高，这3 种合金的马氏体相变温度升高，热滞减小；室温下，瓢弧5 n i 舭合金呈现形状记忆 效应，t i 他4 n i 弧。合金呈现超弹性，t i 观n i 驯合金呈现形状记忆效应+ 超弹性h 羽。 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 n i n 合金的形状记忆效应、耐蚀耐磨性、加工性和生物兼容性等都良好，研 究比较充分。选择薄膜结构一方面是集成化制造的需要，另一方面也是因为薄膜 的表面积大，散热快，响应频率高。n i t i 合金的一个缺点就是在n i 含量位于4 9 a t 至5 l a t 之间时，相变温度变化很大。图2 3 为g y o b u 等人对溅射沉积的n i t i 薄 膜的研究结果m 3 ，我们从图中可以看出，当n i 含量从5 0 a ：t 升到5 l 舭时，合金 的相变温度下降了近1 0 0 0 c 。将薄膜的成份偏离这一区域( n 5 l a 慌或n i 5 la t ) 可以避免这种敏感性。但在晶化的过程中，富t i 的薄膜析出t i 2 n i 相，富n i 薄膜 析出t i 3 n i 。和n 2 n i 。相，成份偏离越大，析出相越多，造成基体硬化越厉害。基体 硬化增加会导致r 相变与m 相变分隔变大。另外热处理温度越低，晶粒越细，也 黑龙江大学硕士学位论文 使基体硬化越厉害。对于富n 的非晶膜，b e r k o n 总结出通过减小处理温度和时间 ( 例如5 4 0 0 c 3 0 m i n 或7 0 0 0 c 5 m i n ) 即减小析出，可得到最高的相变温度4 5 3 。 n ic o m e 瞰她) 图2 3n i t i 薄膜相变温度与组分的关系m f i g 2 3t i 锄s f o m a t i o nt e m p e r a t l 】r ev s n i - c o n t e mo f n i n 2 3 2 溅射工艺对合金薄膜性能的影响 2 3 2 1 靶材 溅射时，因为活性t i 原子容易和溅射气氛中的氧化性杂质发生反应，而导致 沉积薄膜中t i 成份低于靶材的n 成份“7 1 ，即所谓“t i 损现象。但是，由上面的 分析可知，n i t i 薄膜的相变特性对成份极其敏感。所以，人们通常采用富t i 靶呻1 ， 或在靶面贴片的方式来补偿“t i 损 。本课题采用的是第二种方法。另外，通过文 献 4 6 发现采用4 0 0 摄氏度的热靶溅射，可获得成份靶材极其相近的n i n 膜。由 于本课题溅射是在室温下进行的，所以还要对合金进行晶化处理。 2 3 2 2 基片 基片对薄膜组织性能的主要影响因素包括：表面的粗糙度、基片类型、基片 温度、薄膜与基片的界面等。界面结构与性能会直接影响薄膜与基片间的结合强 1 6 gh。彗琶暑盏s薯e点兰嚣l 第2 章合金薄膜的理论分析 度、薄膜的性能以及薄膜基片问的相互作用嘞1 。为与i c 工艺兼容，大多数的研 究均用单晶作基片，所以合金膜与s i 的附着力就显得十分重要。通常，溅射前需 对基片进行严格的清洗，以增加界面结合力；或真空热烘，以实现表面除去杂质 的目的。除此之外，为获得自由膜，基片还可选用n a c l ，c a c l 。或玻璃等。 2 3 2 3 本底真空度 因为背底气压较高时，t i 氧化严重，薄膜中t i 损厉害；薄膜引入的n 、o 杂 质较多，会明显降低合金膜的相变温度，所以溅射前必须对